基于车继网及自适应主动吸收式易燃油气检测技术的公交安全预警控制系统设计与研究

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州 350004）

基于车继网及自适应主动吸收式易燃油气检测技术的公交安全预警控制系统设计与研究

■黄庆程 冯永宽

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州 350004）

近年来公交安全事故接连发生，公交安全问题已引起相关部门的高度重视，随着城市化进程的推进，公共交通的乘客量将越来越大，公交安全问题也将会变得更加严峻。本文通过分析当前国内公交车辆运行状况，针对公交车辆安检存在的不足，提出了基于车继网和自适应主动吸收式可燃油气检测技术的公交安全预警控制系统成套解决方案，以满足公交安全运行的需要。

车继网 自适应 易燃油气检测 人脸识别 公交安全预警 控制系统

1 我国城市公交车安全现状

公交车已作为现代城市交通重要的工具，为城市居民的出行提供了极大方便，随着城市规模的扩大,人口将不断增长，乘坐公交车出行的民众也将相应增加，公交车现有的运营模式相比飞机、火车、地铁等交通工具，其车站为开放式站点，客流量大、经停站多，且上下车频繁，安检相对薄弱，容易引发纵火、爆炸等安全事故，如：

（1)2016年9月15日早上7时5分许，深圳龙华新区大浪街道发生一起公交车起火燃烧事件，一名女性乘客在事件中死亡。起火原因是死者故意在车上泼洒并点燃汽油。

（2)2016年1月5日7时许，银川市公交公司301路开往银川火车站的公交车行驶到金盛国际家居广场，突然发生火灾，事故造成18人死亡，32人受伤。起火原因是由犯罪分子点燃携带的汽油引起的。

（3)2013年8月19日15点，河南省安阳市一辆安阳市区至安阳县北郭乡的公交车上发生一起持刀抢劫杀人案，造成10余人伤亡。

（4)2013年6月7日18时，厦门市一辆公交车行驶至BRT金山站附近时突然起火。该事故致47人死亡，34人受伤。起火原因源于犯罪分子点燃携带的汽油。

由于公交车空间狭小，逃生相对较难，每一次公交车事故的发生都会给人们的生命财产安全造成了极大的损失，给社会造成很大的负面影响。因此，加强公交车的安检措施，为公交车配备常规的安检设备，可大大提高乘客的生命财产安全。

通过对近几年来发生的公交车纵火、爆炸事故分析，公交车重点安全防范应针对以下两类：

(1)乘客有预谋地携带易燃易爆危险品上车，并企图在公交车上制造火灾、爆炸等犯罪行为来危害其他乘客的生命安全。

(2)犯罪嫌疑犯、在逃犯、肇事肇祸的精神病患者等重点人员乘车时有意伤害其他乘客或突然行凶。

2 公交车安全预警控制系统需求和设计原则

针对公交车两类需要重点防范的对象，提出相应的安全需求：公交车配备的安防设备应能快速地检测上车乘客是否携带了易燃易爆危险品；对于上车乘客，要能识别出是否有重点危险人员混在其中，提前做出预防性保护。一旦公交车安防系统检测出异常情况，驾驶员能通过安防系统立即向管理人员或公安机关报告，对可能存在的安全问题进行防范并采取相应措施，以杜绝安全事故的发生。

公交车安全预警控制系统设计在技术上要求采用先进的技术，在性能上要具有高可靠性、稳定性、兼容性和良好的可扩展性等；在使用上要求设备朝智能化发展，具有全自动操作、非侵入性、安检时间短，维护量低等特点；在外观上要求设备尽可能的集成化和微型化，能在公交车入口处方便安装。

考虑到公交车上电磁干扰强、粉尘浓度大和温度变化范围宽等状况，安全预警控制系统在设计时应具有较强的抗电磁干扰和一定的自动除尘能力等，保证在恶劣的环境下设备能稳定、可靠地运行。

预警控制系统在安检时可能出现误报警和漏报警的情况，由于公交车安防关系到乘客的生命财产安全，在系统设计时应本着“宁可系统出现误报，不可发生漏报”的原则，提高设备的灵敏度，同时兼顾系统的可靠性。

3 基于车继网和自适应主动吸收式可燃油气检测技术的公交安全预警控制系统

依据公交车安全需求的设想和安全预警系统设计原则，建立一套基于车继网及自适应主动吸收式可燃油气检测仪的公交安全预警控制系统，实现车辆视频监控、GPS定位、远程传呼，车载动态信息交互等功能的预警系统。系统网络传输采用车继网技术，以“快速检物，慧眼识人，即时沟通”三位一体的安检策略，在技术上弥补公交车目前存在的安防短板，提高公交车运营安全性。

预警控制系统具体包含：车继网、非接触式易燃易爆气体检测装置、人脸识别系统和安全预警控制系统平台。

3.1 车继网

3.1.1 车继网工作原理

通过车载无线信号收发装置将一定区域内的车辆互联形成该区域内的车继网。在车继网中，联网的车辆既是终端也是中继点,发信点通过路由表查找从发信点到受信点之间的最佳路径，发送的信息通过该路径上其它车辆的转发（中继）最终到达受信点。如果在该区域内出现其它装有本车载无线信号收发装置的车辆，则两车辆自动握手互联并更新路由表，路由表记录的信息包括车辆的位置、联网的信号强度、车辆的移动方向等。一定区域内的多台车辆互联则形成车继网，对于车辆较为稀疏的地区,可能出现车继网无法覆盖而形成的盲区,可以在该地区内插入作为中继功能的固定节点；同时，可在车继网中插入中心节点，作为车继网信息整合与控制的中心。图1为车继网的示意图。

图1 车继网示意图

固定节点的位置信息是固定的，车载节点所在位置根据车载GPS信息实时更新，通过各个节点的位置信息可以精确计算出每辆公交车到指挥中心的最佳路由路径，车载节点发回控制中心的信号通过该路径上的各个节点的转发，一级一级地发往指挥中心（接力棒模式）。如图1中发送信号的公交车到控制中心的路由路径有两条，通过各个节点的位置信息可以精确计算出通过路径1将信号传送回控制中心比通过路径2将信号传回控制中心所需通过的转发节点的数目少得多，同时需要传输的距离也比较短，所以选用路径1进行信号传输。

另外，可以通过固定节点、中心节点将车继网与其它网络（如互联网）对接，让车继网实现更加丰富的功能。

3.1.2 车继网技术优势

“车联网”的概念在几年前就已经被提出，作为“物联网”在汽车领域的应用，车联网被定义为：由车辆位置、行驶速度、行驶路线等构成的信息交互网络，是一种向信息通信、环保、节能、安全等方向发展的车-网联合技术[1]。在现行的车联网方案中，车与车、车与人、车与路面之间的通信都是采用3G、4G等移动网络，存在运用费用昂贵、信号不稳定、带宽不足容易出现拥堵等弊端[2]。

针对以上存在问题,设计出利用车载无线通信设备搭建自组织网络的方案，形成车车互联的“车继网”；并用“车继网”取代GPRS、3G、4G等车载移动网络，从而降低“车联网”运营成本，解决现阶段车联网存在的信号不稳定、网络带宽不够容易出现拥堵等巨大弊端。

目前，公交车上装有监控视频，存在3G、4G传输网络带宽不足以及网络稳定性和流量费用较高等问题,无法实现与监管部门进行实时视频图像传输，使用基于车继网的网络系统，在公交部门内形成一个独立的、快速响应的内联网，可实现视频图像实时传输,还可以用来传输公交车的GPS、刷卡、车载电话等信息,并且管理、维护以及系统的升级扩展方便,能够节省使用2G、3G、4G等进行数据传输所造成的大量运营费用。

3.2 非接触式易燃易爆气体检测装置

3.2.1 非接触式易燃易爆气体检测装置的组成

非接触式易燃易爆气体检测装置包括单片机、集气风扇、易燃易爆气体检测传感器、无线射频收发器等。控制终端由语音报警、无线射频收发器、GPS模块、显示屏等组成。

3.2.2 非接触式易燃易爆气体检测的工作原理

非接触式易燃易爆气体检测装置的集气风扇吸入工作环境中的气体，并使其流经气体传感器；气体中的易燃易爆气体分子与气体传感器发生氧化还原反应，改变气体传感器的电阻值，并输出对应的电压；滤波降噪滤除传感器输出电压中的噪声信号；单片机控制A/D转换器对滤波后的电压进行模数转换；把采样数据实时存储到存储卡，以便后期有效地分析和挖掘利用；使用自适应算法对采样数据进行综合处理，判决易燃易爆气体浓度是否超出危险值，是否需要报警；通过射频收发器将采样数据、报警信号等相关信息发送出去，终端控制的射频收发器接收数据后，若有报警信号则启动语音报警，同时在显示屏上弹出文字和图片等提示信息。

在公交车的每个出入口都配备一套非接触式易燃易爆气体检测装置，对每一位上车乘客自身和携带的行李包挥发出来的气体分子进行识别分析，其检测时间大致为1s，恰好是乘客刷卡或投币所需时间，完全不会影响乘客上车。一旦检测到易燃易爆危险品挥发气体分子，立即通过无线方式将信息发送到驾驶员身旁的控制终端，控制终端发出报警信号，提示驾驶员，驾驶员首先确认是否有人故意携带易燃易爆危险品上车，若有，则按报警键通知相关管理部门，并可阻止此人上车。

3.2.3 非接触式易燃易爆气体检测的技术优势

由于公交车内气体浓度存在实时变化且可能出现干扰问题，比如：公交车可能处于由堵塞导致产生高浓度尾气的公路上，或者经过加油站区域等，若是使用传统的“固定门限检测法”，极可能导致设备经常发生误报警，通过分析公交车内气体浓度变化的状况，提出了随环境变化而变化的动态阈值算法，有效降低了误报警率。

目前，国内大部分安检设备都需要乘客配合，一旦配备在公交车上，将给乘客带来极大不便，也影响了运营效率。针对公交车安检的安全性和快捷性之间的矛盾，采用非接触式安检，在必经通道处安装检测设备，通过集气风扇，即可完成不开包安检，不会对乘客正常地上下车造成影响，实现了“快速检物”。

3.3 人脸识别系统

3.3.1 人脸识别工作原理

人脸识别技术涉及到人体生理学、数字图像处理、人工智能和模式识别等学科领域。根据人的脸部特征，首先判断抓拍的人脸图像是否存在人脸；若检测到人脸，则提取每张脸中所包含的多种身份特征，比如每张脸的大小、人脸各部件轮廓点等信息；之后运用生物统计学方法建立人脸特征模板，并跟数据库中的人脸特征模板比对；依据比对结果，即相似度的大小识别每张人脸的身份。

乘客在乘坐公交车投币或刷卡时，大部分都会习惯性地扭头观察一下自己投币或刷卡的行为，依据乘客这类共同的行为特征，能够获取高清摄像头摆放的最佳位置，高清摄像机抓拍上车乘客人脸后，人脸识别系统将其与重点人员数据库的所有人员信息进行识别比对，一旦发现乘客的信息在重点人员数据库中，立即将该乘客的图片和个人信息在控制终端的显示屏上显示，提示驾驶员，并将此人信息发送到后台管理系统。

3.3.2 人脸识别主要技术内容

人脸识别的整个基本流程如图2所示。

图2 人脸识别基本流程

（1)人脸图像采集。通过高清摄像机抓拍，获取人脸图像是人脸识别的基础。抓拍乘客正面人脸，有利于提高人脸识别的准确率。

（2)人脸检测。通过相应算法来检测图像中是否含有人脸。若存在人脸，则从图像中提取人的面部图像。

（3)人脸图像预处理。摄像头在抓拍人脸的时候由于光照强度、抓拍角度等干扰，会使图像存在噪声，通过光线补偿等方法进行预处理。

（4)人脸特征提取。依据同一个人的脸部特征通常变化微小，而不同人脸的主要特征存在较大差异的特性。使用局部和整体结合的方式，完成人脸特征提取。

（5)人脸比对识别。对抓拍的人脸图像提取的特征进行建模，再与所有在重点人员数据库的人脸特征模板做相似度匹配，根据相似度是否达到某一量化的可信度指标，列出相似度最高的人员列表。

3.3.3 人脸识别算法

当前主流的人脸识别算法共有两个方向，分别为：基于特征和基于图像。基于特征的识别算法容易理解，易于实现，但存在很大局限性；基于图像的识别算法有着优秀的鲁棒性与普适性。本系统采用基于图像的人工神经网络算法，该算法能够克服光照、角度、表情等干扰，表现出较好的鲁棒性。

人工神经网络的神经元模拟人脑神经细胞，负责信号的接收和传递。大量神经元构成的人工神经网络具有处理和记忆信息的能力，能够实现人脸检测及识别。人工神经网络共包含三层，分别为：输入层、隐含层（可分为多层）、输出层。首先，对重点人员数据库中的人脸图像做归一化处理，然后使用这些样本训练和测试神经网络，根据输出结果与预期值差异的大小，对网络的参数做相应的修改，使得网络的输出结果更接近预期值，保证识别的准确性。

3.4 综合安防管理系统

通过车距网，实现每辆公交车的终端控制设备与综合安防管理系统平台联网，综合安防管理系统可以实现安检系统、报警系统和紧急救护联动系统的有效整合，实现科学、全面的安防管理，综合安防管理系统具有以下功能。

（1）报警管理

公交车上的非接触式易燃易爆气体检测装置和人脸识别系统一旦检测出异常状况，比如有乘客故意携带易燃易爆危险品上车或者乘客属于重点人员数据库的一员，经由驾驶员确认后，通过一键报警按钮将信息（抓拍图像、监测数据、公交车车牌和位置等）传输到综合安防管理系统，综合安防管理系统将定位公交车所在位置，并把经处理的图像和监测数据显示在屏幕上，由监控中心的人员依据信息采取相关紧急措施。

（2）重点人员数据库管理

重点人员是指城市犯罪嫌疑人、在逃犯、精神病患者等政府重点管控人员。对重点人员的人脸图像提取人脸特征信息，生成人脸模板存入数据库中。重点人员数据库管理具有的功能：人脸图像检测和建模、远程实时添加新的重点人员信息到每台公交车上人脸识别系统的数据库、远程实时删除每台公交车上人脸识别系统的数据库的人员信息等。

（3）公交车安检设备管理

公交车安防系统包含非接触式易燃易爆气体检测装置、高清摄像机、人脸识别工控机、终端控制等多种设备，所有设备均具有开机自检功能，并会把检测的数据传输到综合安防管理系统。公交车安检设备管理将对数据进行分析，判断是否有设备出现故障，以便及时维修或更换设备，保证公交车安检的有效性。

4 系统应用情况

2015年4月，系统在福州闽运公交310线路公交车上进行试用，当乘客携带可燃油气类物品上车,非接触式易燃易爆气体检测装置立刻检测出乘客携带危险品上车,并发出告警信息，提醒司机乘客可能携带可疑违禁物品，同时将信息（包括报警信号、图像与视频）自动传送到监管中心。

2016年8月5日，在青岛真情巴士集团有限公司展示的真情巴士智慧公交项目中，将此系统安装在公交车上，并进行现场测试。首先，将一名工作人员的人脸信息录入已有1000个成员的重点数据库中，同时让该工作人员手提可燃油气危险品登上公交车，在上车时非接触式易燃易爆气体检测装置迅速发出报警信息，同时在屏幕上显示此人照片，告知是重点人员及相关信息。

5 结束语

基于车继网及自适应主动吸收式易燃油气检测技术的公交安全预警控制系统是集易燃易爆危险品探测、重点人员识别和即时报警的一体化系统，系统的建立将极大地弥补了目前公交车存在的重大安防漏洞，具有提醒、预防、警示及威慑作用，对上车乘客可能携带了易燃易爆危险品，非接触式易燃易爆气体检测装置的“快速检物”功能，能迅速发现危险品，并发出告警信息；人脸识别系统能“慧眼识人”，迅速认出在重点人员名单中的乘客，提前预防其在公交车上可能制造破坏及发生危险；通过控制终端，公交车安检状况能实时反馈到综合安防管理系统，实现“及时沟通”，一旦出现异常情况，管理人员能及时采取措施。总之，系统的使用将会为公交车运营安全提供强有力的技术支撑，为公众的安全出行提供有力的技术保障。

[1]刘小洋,伍民友.车联网:物联网在城市交通网络中的应用[J].计算机应用,2012,32(4):900-904.

[2]高工产研网站.GIII发布《2013年中国车联网产业调研报告》[EB/ OL].[2013-07-24].[2013-11-07].http://www.gg-ii.com/gg/yjbg/qita/20130724/412.html#.