乘客信息系統(tǒng)智能技術(shù)應(yīng)用分析

吳文佳

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，工程師，山東 青島 266111）

0 引言

現(xiàn)如今，隨著中國經(jīng)濟(jì)水平的飛快提高和城鎮(zhèn)化發(fā)展的推進(jìn)，帶動了城市軌道交通行業(yè)的建設(shè)和發(fā)展［1］。在軌道交通當(dāng)中，信息服務(wù)逐步引起了人們的關(guān)注，但對于乘客信息系統(tǒng)而言，此系統(tǒng)在乘客遇到突發(fā)狀況時(shí)可幫助乘客盡快脫離危險(xiǎn)，所以在列車高速運(yùn)行期間，日常信息的宣傳以及提示平臺已成為不可或缺的部分，目前也已得到了社會各界的關(guān)注，在各類先進(jìn)技術(shù)的推動下，促使乘客信息系統(tǒng)逐步走向現(xiàn)代化與智能化，從而為進(jìn)一步確保列車的安全運(yùn)行提供了保障［2］。

乘客信息系統(tǒng)主要應(yīng)用了多媒體信息處理技術(shù)、數(shù)字監(jiān)控技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)以及控制技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，以車載終端為媒介向乘客提供多種信息服務(wù)。隨著目前乘客信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展越來越多樣化，更多具有創(chuàng)新性、智能化的子系統(tǒng)融入到傳統(tǒng)的乘客信息系統(tǒng)中，因此對客流密度分析技術(shù)、客室遺留物分析技術(shù)、司機(jī)行為分析技術(shù)、音頻環(huán)路助聽技術(shù)的分析是非常必要的。

1 客流密度分析技術(shù)

客流密度分析是在乘客信息系統(tǒng)原有的列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行的功能升級，在原有系統(tǒng)上增加一臺視頻分析服務(wù)器。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集車廂內(nèi)多個(gè)高清攝像機(jī)的視頻圖像，通過視頻分析服務(wù)器實(shí)時(shí)分析車廂內(nèi)乘客人數(shù)和位置，通過人群密度算法計(jì)算出車廂不同區(qū)域的客流密集程度，并將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)上傳至地面PIS 服務(wù)器，在列車運(yùn)行的下一站提前發(fā)布各車廂的擁擠度數(shù)據(jù)，可引導(dǎo)乘客提前做出選擇，引導(dǎo)乘客進(jìn)入較寬松的車廂。

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)視頻分析服務(wù)器通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，在列車每站到站關(guān)閉車門后，視頻分析服務(wù)器接收列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）的關(guān)門信號，對各車廂的監(jiān)控視頻進(jìn)行乘客密度分析，并按照指定接口協(xié)議上報(bào)車載客流密度級別數(shù)據(jù)，車載客流密度級別數(shù)據(jù)通過車地?zé)o線傳輸至地面PIS 服務(wù)器，完成密度數(shù)據(jù)在站臺信息顯示屏上的發(fā)布顯示工作。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，利用4 種顏色標(biāo)注車廂擁擠度，顏色越深表示車廂里越擁擠：紅色表示車廂嚴(yán)重?fù)頂D，即為列車開走后，站臺上仍會有乘客滯留；橙色表示車廂擁擠，即為此時(shí)車廂內(nèi)的乘客移動有困難；黃色表示客流量適中，即為乘客在車廂內(nèi)的乘客可以自由移動；綠色表示稀疏，即車廂內(nèi)乘客人數(shù)小于額定人數(shù)的一半。展臺擁擠度顯示效果如圖2所示。

圖2 站臺擁擠度顯示效果圖

1.2 視頻分析服務(wù)器算法

視頻分析服務(wù)器以國際最前沿的人群密度算法為基礎(chǔ)，針對地鐵車廂特殊場景進(jìn)行研究、開發(fā)、優(yōu)化，采用深度學(xué)習(xí)算法基于單幀分析，算法能克服地鐵車廂震動造成的圖像模糊等影響，選用人頭模型來計(jì)算人數(shù)，以避免地鐵車廂里乘客對攝像機(jī)的遮擋，如圖3所示。

圖3 視頻分析服務(wù)器圖像采集

假設(shè)每節(jié)車廂額定載客量為n，最大載客量為m。將車廂擁擠度分為稀疏、適中、擁擠、超載四個(gè)等級，則擁擠等級與車廂總?cè)藬?shù)P（，其中w為攝像頭對整個(gè)車廂的覆蓋率，d為一節(jié)車廂內(nèi)攝像頭對的個(gè)數(shù)，pi為第i個(gè)攝像頭中人數(shù)）的關(guān)系如表1所示。

表1 客流擁擠等級關(guān)系表

如表1 所示，當(dāng)單節(jié)車廂總?cè)藬?shù)小于額定人數(shù)一半時(shí)，車廂擁擠程度等級是稀疏的；單節(jié)車廂總?cè)藬?shù)大于額定人數(shù)的一半同時(shí)小于額定人數(shù)時(shí)，車廂擁擠等級程度為適中；車廂總?cè)藬?shù)超過額定人數(shù)小于最大載客人數(shù)時(shí)，為擁擠等級；車廂人數(shù)大于最大載客量時(shí)，等級為超載。

1.3 系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

視頻分析服務(wù)器在列車頭車車廂中各配置一套，采用熱備份工作方式，一旦主控制器發(fā)生故障，主從控制器將自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從控制器將代替主控制器進(jìn)行列車廣播系統(tǒng)的控制，主從控制器的轉(zhuǎn)換不影響列車正常擁擠度數(shù)據(jù)采集。

2 客室遺留物分析

清客輔助與客室遺留物分析功能是視頻分析技術(shù)的另一個(gè)子功能，其依托于客流密度分析技術(shù)的架構(gòu)，對系統(tǒng)的算法進(jìn)行更深入的開發(fā)與學(xué)習(xí)。

當(dāng)車輛到達(dá)末站后，經(jīng)過前期設(shè)定的時(shí)間閾值或收到開始人員逗留分析指令后，視頻分析服務(wù)器通過車廂內(nèi)的監(jiān)控視頻圖像，實(shí)時(shí)檢測車廂內(nèi)的遺留物，并可對列車所有車廂中物體尺寸60×60 像素以上的物體進(jìn)行正確識別，例如：包、旅行箱等。系統(tǒng)分析的結(jié)果可以顯示在監(jiān)控觸摸屏或HMI 屏上，便于司機(jī)查看。當(dāng)分析后判斷“無乘客”或“無遺落物”時(shí)，則發(fā)出提示，司機(jī)根據(jù)提示可以進(jìn)行關(guān)門操作。當(dāng)還有乘客或物品滯留于車廂內(nèi)，可提示“尚有乘客、物品遺留”，并可定位該車廂，同時(shí)，可以聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，觸發(fā)顯示當(dāng)前車廂的實(shí)時(shí)視頻，如圖4所示。

圖4 客室遺留物分析

3 司機(jī)行為分析技術(shù)

司機(jī)行為分析技術(shù)借助先進(jìn)成熟的技術(shù)手段對司機(jī)的身份識別、疲勞狀態(tài)（長時(shí)閉眼、打哈欠等）、操作手勢、異常行為（列車行駛時(shí)打電話、抽煙、間斷性瞭望、遮擋相機(jī)、離開駕駛座位、戴耳機(jī)等）、前方信號燈等進(jìn)行識別，結(jié)合乘客信息系統(tǒng)進(jìn)行信息綜合監(jiān)控和預(yù)警，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺對駕駛員和行車報(bào)警信息進(jìn)行分類集中管理，使得司機(jī)及地面管理人員迅速得知異常信息并做出相應(yīng)的處理。

3.1 工作原理

司機(jī)室面部識別攝像機(jī)和手勢識別攝像機(jī)分別實(shí)時(shí)采集司機(jī)的人臉特征、面部狀態(tài)、身體姿態(tài)等圖像數(shù)據(jù)，通過車載視頻分析服務(wù)器運(yùn)行人臉識別、行為識別等軟件算法，根據(jù)司機(jī)的駕駛狀態(tài)判斷是否存在疲勞駕駛、違規(guī)駕駛等情況，并將違規(guī)數(shù)據(jù)發(fā)送至大數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺。工作原理如圖5所示。

圖5 司機(jī)行為分析工作原理圖

3.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)啟動時(shí)自動檢測司機(jī)的臉部特征判斷司機(jī)的身份，通過檢測眨眼、打哈欠、點(diǎn)頭等頻率并結(jié)合系統(tǒng)信息判斷司機(jī)是否存在疲勞駕駛，通過手勢動作、打電話、抽煙、離崗等行為并結(jié)合系統(tǒng)信息判斷是否違規(guī)駕駛。系統(tǒng)基于司機(jī)的狀態(tài)變化，結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺分析，對司機(jī)不同的非規(guī)范駕駛行為進(jìn)行監(jiān)測、報(bào)警、顯示。結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 司機(jī)身份識別 司機(jī)身份認(rèn)證基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的人臉識別技術(shù)，在列車行駛過程中對司機(jī)的身份實(shí)時(shí)識別，提取司機(jī)的人臉特征并與人臉數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，語音反饋匹配結(jié)果。在面部識別攝像機(jī)處進(jìn)行前端人臉比對，可對運(yùn)動人臉進(jìn)行檢測、跟蹤、抓拍、評分、特征提取、識別、輸出最優(yōu)人臉比對結(jié)果，且支持人臉照片上傳功能，簡化人臉數(shù)據(jù)庫建立過程。動態(tài)范圍寬度達(dá)80dB，人臉智能曝光、逆光環(huán)境下人臉清晰可見。

司機(jī)身份確認(rèn)后，可輸出對應(yīng)自己的身份ID 發(fā)送至TCMS 系統(tǒng)，可用于運(yùn)營方對司機(jī)的綜合數(shù)據(jù)獲取的使用。

3.2.2 疲勞狀態(tài)判斷 當(dāng)系統(tǒng)收到司機(jī)室激活信號，且司空器手柄在牽引或列車處于非零速時(shí)，啟動監(jiān)測。

司機(jī)疲勞狀態(tài)檢測由面部識別攝像機(jī)與手勢識別攝像機(jī)同步采集司機(jī)圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)列車司機(jī)在駕駛過程中疲勞狀態(tài)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)眨眼頻率、眼睛閉合時(shí)間、嘴巴閉合度、點(diǎn)頭頻率，綜合分析司機(jī)是否產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，從而發(fā)出預(yù)警信號。人臉特征提取如圖7所示。

圖7 人臉特征提取

3.2.3 手勢識別 對司機(jī)操作手勢進(jìn)行有效識別，對司機(jī)操作規(guī)范性進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)可根據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)的列車位置信息以及運(yùn)營手勢規(guī)定，來判斷司機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)（默認(rèn)10秒）是否做出正確手勢，系統(tǒng)對手勢判斷準(zhǔn)確率為95%以上。

4 音頻環(huán)路助聽技術(shù)

音頻環(huán)路助聽技術(shù)是為乘坐軌道交通佩戴助聽器的人士提供語音輔助信號的一種裝置，主要應(yīng)用于裝有感應(yīng)試音線圈的助聽器或耳機(jī)中，用來減少因列車內(nèi)嘈雜環(huán)境或距聲源較遠(yuǎn)所引起的聽力障礙問題，為聽力損傷者提供便利和服務(wù)，體現(xiàn)列車人文科技關(guān)懷。

4.1 系統(tǒng)原理

音頻環(huán)路助聽系統(tǒng)主要由音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動器、音頻感應(yīng)線圈組成，音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動器為車輛音頻環(huán)路助聽系統(tǒng)控制中樞，客室控制主機(jī)接收列車廣播系統(tǒng)主機(jī)發(fā)來的廣播音頻流，客室主機(jī)通過解碼、放大處理后，將音頻信號傳輸至音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動器，音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動器通過布置在車廂內(nèi)的感應(yīng)線圈將電信號轉(zhuǎn)換為覆蓋在車廂內(nèi)磁信號。同時(shí)音頻感應(yīng)環(huán)路驅(qū)動器可檢測并反饋系統(tǒng)狀態(tài)信號和故障狀態(tài)信號至客室控制主機(jī)，其中車廂聲場、磁場覆蓋示意圖如圖8所示。

4.2 系統(tǒng)安裝

音頻環(huán)路助聽系統(tǒng)通過在車廂上方布置助聽環(huán)路感應(yīng)線圈，將音頻電信號轉(zhuǎn)化磁信號實(shí)現(xiàn)整車磁信號的覆蓋，耳障人士佩戴的助聽器將磁信號轉(zhuǎn)化聲音信號并放大輸出反饋至人耳朵，確保減少因列車內(nèi)嘈雜環(huán)境或距聲源較遠(yuǎn)所引起的聽力障礙問題，為聽力損傷者提供便利和服務(wù)。設(shè)備安裝如圖9 所示。

圖9 設(shè)備安裝示意圖

4.3 助聽模式

乘客助聽器具有M 檔、T 檔，其中“M”表示助聽器的聲音輸入方式為麥克風(fēng)方式，將檔位撥到M檔，麥克風(fēng)可直接將外界的聲信號進(jìn)行放大并傳輸至人耳，這是最常用的一種助聽方式方式。

而“T”表示磁電感應(yīng)輸入方式，在這種方式下，助聽器不能直接對外界的聲音進(jìn)行放大，而是通過內(nèi)部的感應(yīng)線圈切割磁場中的磁力線產(chǎn)生電流后再進(jìn)行放大轉(zhuǎn)化為聲音信號并傳輸至人耳，再此M 檔模式下助聽器僅將車廂內(nèi)的單一的磁信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)化，車廂內(nèi)環(huán)境嘈雜的噪音源等得到濾除，確保耳障人士收聽到單一清純的廣播通告信號，因此整個(gè)助聽效果提升明顯。

5 技術(shù)優(yōu)勢分析

與傳統(tǒng)的乘客信息系統(tǒng)技術(shù)方案相比，增加了智能分析技術(shù)的方案有如下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）高度智能化。智能分析系統(tǒng)能夠利用AI 等多種技術(shù)精準(zhǔn)的識別出列車運(yùn)營過程中的異常情況，可實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)議程第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警，將智能視頻分析技術(shù)效益最大化。

（2）集成度高、靈活性強(qiáng)。智能分析系統(tǒng)可將設(shè)備集成到乘客信息系統(tǒng)傳統(tǒng)架構(gòu)中，利用既部分既有設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的視頻智能分析，并可根據(jù)用戶需求靈活開發(fā)功能，提供精準(zhǔn)、快捷、高效的解決方案。

（3）殘障乘客出行體驗(yàn)感高。除了智能分析技術(shù)，音頻環(huán)路助聽技術(shù)的應(yīng)用可方便耳障人士更加便利的出行，為耳障人士提供更為舒適化、人性化的乘車體驗(yàn)。

6 結(jié)束語

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的日益完善，人們對其服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，要滿足乘客的具體要求，就必須積極引進(jìn)先進(jìn)的信息技術(shù)，以此來支撐乘客信息系統(tǒng)的更好發(fā)展，以便從根本上提高信息系統(tǒng)的運(yùn)行效率及服務(wù)質(zhì)量，從而更好的推動城市軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展，為城市的未來發(fā)展提供保障［2］。與此同時(shí)，還需要持續(xù)加大對新技術(shù)、新工藝的研究，使乘客信息系統(tǒng)更加現(xiàn)代化、智能化、數(shù)字化，這樣才能更好地為乘客提供綜合信息服務(wù)，并促進(jìn)我國城市軌道交通事業(yè)的長效穩(wěn)定發(fā)展［3］。