一種地鐵站臺門乘客引導系統的設計與實現

田洪金，殷 玲

（1.珠海市協正智能裝備有限公司，廣東 珠海 519000；2.廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510650）

0 引 言

地鐵作為一種城市軌道交通，起到緩解城市交通堵塞、降低交通污染的作用，其具有運行速度快、運行時間準、列車間隔短、載客量大等優勢，已成為大多數人的首選出行工具。但是由于目前大多數城市的地鐵線路沒有完全覆蓋到城市的各個角落，在早晚高峰時段地鐵線路客流較大，地鐵車廂和站臺內部會出現擁擠現象，存在一定的安全隱患。同時，由于地鐵的車廂數較多、站臺較長，乘客上下車廂的門位隨機，且乘客事先無法預估各節車廂的具體人數，因此常常會出現部分車廂比較擁擠而有些車廂存有空位的情況，導致車廂人數分布不均，車廂的空間資源沒有得到合理利用。

目前，絕大多數地鐵采用車輛載重計算車廂擁擠度，此方法主要根據平均體重預估值和車輛限載人數，大致計算車廂擁擠度。在客流量小時，計算結果較為準確，但如果人們的體重差距較大就會影響計算的準確性，并不能很好地解決上述問題。本文提出一種地鐵站臺門乘客引導系統，利用地鐵車廂內攝像頭拍攝視頻，獲取地鐵車廂和乘客圖像幀；經過圖像處理后統計車廂人數并傳輸到下一站，引導乘客合理選擇候車車廂。本系統利用機器視覺、通信等技術實現智能化引導，具有成本低、易實現、效率高等優點。

1 乘客引導系統概述

乘客引導系統以乘客安全為本，進一步提高乘車效率和乘車舒適度。系統集視頻監控技術、多媒體傳輸技術、顯示技術、通信技術、機器視覺技術等技術為一體，能夠快速、準確地統計車廂乘客數量，以車站顯示終端為媒介向乘客顯示車廂乘客數量、擁擠度、列車到站等信息，為乘客選擇候車車廂提供有價值的引導，也是提高地鐵運營管理水平和乘客服務質量的有效工具。同時，對乘客引導系統可以進行內容的擴充，如乘車防疫須知、車站/列車服務時間、列車時刻表、政府公告、運營商公告、出行參考、媒體新聞、體育賽事、金融信息、廣告等動態的多媒體信息。

2 乘客引導系統的工作原理

為緩解地鐵運行壓力、引導乘客選擇候車車廂，利用視頻監控技術、機器視覺技術及通信技術等，設計出一種地鐵站臺門乘客引導系統。

地鐵站臺門乘客引導系統主要由多個圖像采集模塊、圖像識別模塊、主控模塊以及多個引導信息顯示模塊等組成。其中，圖像采集模塊分別設置在各個地鐵車廂內，用于采集各地鐵車廂內的第一圖像；圖像采集模塊的輸出端均與圖像識別模塊的輸入端連接，圖像識別模塊的輸出端與主控模塊的第一輸入端連接；引導信息顯示模塊分別設置在各個地鐵屏蔽門上，其輸入端均與主控模塊的第一輸出端連接。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構

本文設計的地鐵乘客引導系統首先通過圖像采集模塊獲取地鐵車廂內的第一圖像；再通過圖像識別模塊對第一圖像進行識別處理，得到該地鐵車廂內的乘客數量，進而將該地鐵車廂內的乘客數量傳輸至主控模塊；最后由主控模塊根據各個地鐵車廂內的乘客數量生成相應的引導信息，并將引導信息傳輸至各個地鐵屏蔽門上的引導信息顯示模塊，從而實現對地鐵乘客的引導。通過對各個地鐵車廂內的乘客數量進行實時采集識別，可以準確得到用于引導地鐵乘客的信息，并在各個地鐵屏蔽門上實時顯示，從而提醒地鐵乘客合理選擇候車車廂，降低了地鐵車廂擁擠度，提高了地鐵車廂的空間資源利用率，提高了地鐵乘客的乘車效率和乘車舒適度。

3 乘客引導系統的功能模塊

本文設計的地鐵站臺門乘客引導系統主要包括圖像采集模塊、圖像識別模塊、主控模塊、通信模塊、引導模塊及附加功能的傳感器模塊。下面對各模塊的具體功能進行介紹。

3.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊主要是通過在地鐵車廂的內頂面安裝廣角高清攝像頭，實時采集地鐵車廂內的俯視圖，從而可以通過提取人的頭部輪廓來對乘客數量進行識別，提高了乘客數量獲取的準確性和對乘客引導的準確性。此模塊也可以采用紅外熱成像儀實時獲取地鐵車廂內的熱成像圖片，由于人體各部位的熱場不一樣，通過紅外熱成像儀獲取的熱成像圖片也可以準確地識別出地鐵車廂內的乘客數量。

3.2 圖像識別模塊

圖像識別模塊是乘客引導系統的核心部分，包括對采集圖像進行一系列的處理，如圖2所示。首先是圖像二值化，對于給定閾值，圖像像素點灰度值被設為0或255，圖像二值化后數據量大大減少，并凸顯出目標輪廓；接著進行先開后閉運算，開運算指先對圖像腐蝕后再膨脹，用來消除小的物體，平滑形狀邊界，并且不改變其面積，去除小顆粒噪聲，斷開物體之間的粘連；閉運算指先對圖像膨脹后再腐蝕，可以用來填充物體內的小空洞，連接鄰近的物體，并連接斷開的輪廓線，平滑其邊界的同時不改變面積。初步處理后的圖像使用Canny算子邊緣檢測，提取輪廓并通過剛性工具使其連續；由于俯視圖中人頭近似于圓，所以對連續輪廓進行圓變換檢測，再結合人頭部大小特征，剔除過小的圓，篩選出真實圓，并統計數量，最后將車廂人數信息傳輸到主控模塊使用。

圖2 圖像識別

3.3 主控制器模塊

主控制器采用開源硬件Arduino。Arduino具有編程簡單、靈活、功能強大、易于使用、開發周期短等特點。主控制器Arduino是乘客引導系統的中心，接收圖像識別處理后的信息、各類傳感器信息，快速處理接收指令，做出回應發送到引導模塊，并與通信模塊進行雙向通信，從而確保整個系統的正常運行。

3.4 通信模塊

通信模塊與主控模塊連接，用于與云服務器通信。乘客引導系統中產生的數據定期通過通信模塊傳輸到云服務器，并對數據進行存儲和更新。

3.5 引導模塊

引導模塊包括顯示引導和語音引導：顯示引導的輸入端與主控模塊的第一輸出端連接；語音引導的輸入端與主控模塊的第二輸出端連接。

引導信息可以包括當前屏蔽門對應地鐵車廂的乘客數量、擁擠度等信息，也可以包括鄰近屏蔽門對應地鐵車廂的乘客數量、擁擠度信息，還可以直接顯示全部車廂的乘客數量和擁擠度。顯示方法可以采用數字顯示或顏色分級顯示，如紅色代表乘客數量較多，黃色代表乘客數量適中，綠色代表乘客數量較少。在當前屏蔽門對應地鐵車廂的乘客數量較多時，還可以直接顯示乘客數量較少的地鐵車廂，以及與當前屏蔽門最近的地鐵屏蔽門，便于乘客快速找到合理的候車位置。

語音引導可以設置在地鐵站的電梯和自動扶梯處；根據實時獲取的各個地鐵車廂內的乘客數量，主控模塊可以生成對應的語音引導信息，并通過語音引導模塊進行實時語音引導，將乘客指引到合適的候車區域。

3.6 傳感器模塊

系統中主要包括二氧化碳傳感器和溫度傳感器：二氧化碳傳感器分別設置在各個地鐵車廂內，其輸出端與主控模塊的第二輸入端連接；溫濕度傳感器的輸出端與主控模塊的第三輸入端連接。

二氧化碳傳感器用于采集地鐵車廂內的二氧化碳濃度信息，并將其傳輸至主控模塊，這樣既可以根據實時的二氧化碳濃度對地鐵車廂內的擁擠度進行判斷，然后通過引導信息顯示模塊進行顯示，也可以直接在該地鐵車廂對應的地鐵屏蔽門上顯示該二氧化碳濃度信息。

溫濕度傳感器用于采集地鐵車廂內的溫濕度信息，并將該溫濕度信息傳輸至主控模塊，從而可以在對應的地鐵屏蔽門上顯示，便于乘客合理選擇候車車廂，進一步提高了地鐵乘客的乘車效率和乘車舒適度。

4 結 語

利用地鐵車廂現有視頻監控系統采集圖像，再經過圖像識別、圖像處理等過程，實現對地鐵車廂乘客人數的統計；主控制器對接收數據進行處理后傳送車廂擁擠度信息到終端模塊，通過LCD屏顯示和語音引導等方式指引乘客合理選擇候車車廂，提高乘車效率和乘車舒適度，減少車廂乘客分布不均現象和站臺候車區局部擁擠現象。此乘客引導系統還可以通過擴展傳感器增加溫濕度檢測、二氧化碳檢測等輔助功能，進一步地提高乘客乘車舒適度。