基于图像采集技术的地铁站台客流引导系统研究

庞梦圆，杜彦君，厉超吉，刘鑫，薛健

(山东科技大学，山东青岛266000)

基于图像采集技术的地铁站台客流引导系统研究

庞梦圆，杜彦君，厉超吉，刘鑫，薛健

(山东科技大学，山东青岛266000)

地铁快速发展带来的高密度客流冲击，对地铁的运行效率，乘客出行的快捷性、实时性、舒适性造成了一定的影响。基于以上问题，对客流分布进行研究并提出基于图像采集技术的地铁站台客流引导系统，此系统是基于车厢内的摄像头采集客流信息，通过地铁运营方的数据库与处理中枢对客流信息进行分析处理，得出客流引导信息，同时显示在站台门上侧的屏幕上，实时显示列车客流信息。结果表明，通过本系统对于客流的引导，可以部分代替引导人员的安排，节省了大量的人力，使乘客快速舒适出行，可以有效提高地铁运行效率。

地铁;客流统计;下车率;信息显示;引导系统

地铁是在中国经济快速发展、国内各大城市的交通拥堵现象亟待解决的形势下应运而生的，它解决了部分交通拥堵的现象，将大部分客流移到了地下或高架，增大了城市的可利用空间。目前，在地铁的运营过程中不难发现，车厢内乘客分布不均，造成了车厢内空间利用率下降，从而导致运行效率降低;站台内专门安置客流引导人员，浪费大量人力物力，且引导效率低下。笔者在利用乘客数据采集系统采集乘客信息的基础上，将信息与预测下车率进行运算，得出一个较合理的车厢提示信息，同时利用站台显示屏的方式对车厢提示信息实时显示，增大乘客的主观能动性。

1 客流分布特征

通过分析研究相关资料［1］以及网上调查问卷的结果［2］，对于地铁客流的分布规律得出了以下结论:

1)乘客在站台分布是不均匀的，且候车位置间差异较大;

2)候车乘客的分布受站台建筑特性的影响较大，站台入口处形成乘客分布高峰;

3)乘客具有到近距离站台位置候车的倾向;

4)同一列列车不同车厢内的乘客密度有明显差异，列车两端车厢内乘客密度相对最少，车厢内分布不均匀，靠近司机室的一端乘客密度较小，而另一端密度较大;

5)超过80%的人希望行走的距离在50 m以内，有70%左右的人愿意走一定的距离而去宽松的车厢，有接近90%的人希望有对于车厢内客流信息的提示来引导乘客更加舒适快捷地出行。

2 系统设计

2.1 数据采集

2.1.1 基本研究方法

目前地铁车站内客流的统计主要通过票务系统进行，尚无法统计运行过程中车厢内的客流量。因为地铁车厢高度有限制，所以导致视野范围局限，无法满足现有视频客流监控系统的安装要求。通过对运动目标的检测和跟踪算法的研究分析，针对地铁车厢视野范围有限、易造成目标遮挡等问题。现有的解决方法有以下几个方面:

采用单目摄像机垂直采集方式［3］，使得在视野范围有限的条件下也能有效检测到乘客目标。光流法［4］、对比帧差法和背景差分法等检测方法，是着重研究基于高斯背景建模的目标检测方法［5］，探讨背景模型建立和更新方法，用来减轻光照变化、抖动等外界环境变化造成的影响。利用Canny算子边缘检测［6］提取头部目标轮廓，并利用最小二乘法进行椭圆拟合，提取到较为完整的头部目标。由于传统的简单阈值法的目标分割精确度较低，所以采用最大类间差OTSU法自适应调整阈值分配，以提高前景运动目标分割的准确性。

针对大客流的情况，由于遮挡造成目标跟踪准确度较低，所以研究Camshift跟踪算法［7］和Kalman滤波状态估计相融合的改进算法，利用Kalman预测值作为遮挡目标的跟踪计算最优位置和Kalman滤波更新的观测值，来有效改善遮挡时目标跟踪不准确的问题。同时，建立四线型乘客目标统计模型，通过轨迹分析的方法来统计乘客上下车状态。

2.1.2 车厢与站台摄像头客流采集方法

1)车厢内客流统计。城市轨道交通列车视频监控系统是一套对于列车情况进行监控的系统，列车视频监控系统包括车内监控和传输、控制中心监控两个部分。将车厢内客流数据的采集过程直接嵌入到地铁的安全监控系统中，既节省了大量的设备成本，又实时采集了车厢内客流信息。

2)站台内客流统计。对于站台内的客流统计，以6节编组的B型车为例。在站台内每一屏蔽门上设置1个摄像头，每4个摄像头为1编组，通过上述方法采集在屏蔽门前排队乘客的客流信息。

2.1.3 数据采集步骤

1)视频图像采集。完整地采集视频图像是获取目标图像信息的前提，本研究将信息采集过程嵌入地铁原有监控系统中，对地铁车辆内上下车客流情况进行有效采集，并通过图像处理硬件系统进行处理。

2)运动目标检测。获取到视频图像信息后，就可以通过视频图像分析来提取运动目标，检测出图像序列中目标出现区域，并对多个区域进行分割，以实现头部目标的提取。提取到的运动目标信息为后续目标跟踪与计数提供基础数据，直接影响到后期图像处理与分析效果。

3)运动目标跟踪。由于人体运动存在一定主动性，计算机难以自主判定其运动轨迹，因为目标跟踪可获得运动目标在每一帧图像中存在的位置信息，所以它是有效判定目标运动方向的方法，可为进一步的客流统计提供可靠数据。

4)方向判定与计数。通过运动目标检测与跟踪，可以准确提取出目标运动信息，结合相应的计数策略，可对运动轨迹进行分析，进而实现目标计数。

5)统计结果输出。统计出的数据结果可通过通信总线、以太网等通信技术，与司机室数据中心进行客流数据信息交互，实现客流状态的监控。

2.2 数据处理

2.2.1 下车率的预测

1)城市轨道交通下车客流预测概况。我国轨道交通近些年发展尤为迅速，但轨道交通系统投资很大，其运行成本随着客流量的增加呈现下降趋势，在设备使用率高的条件下，轨道交通系统的平均成本可以做到比公交系统的成本更低［8］，因此，科学的客流预测对于发展城市轨道交通系统的可行性研究，以及轨道交通建设规模、轨道交通现网布局规划、建设水平等问题的决策都有着极其重要的作用。

2)下车率预测方法。本文采用时间序列预测法中的简单序时平均数法进行下车率的预测。时间序列预测法是一种历史资料延伸预测，也称历史引伸预测法，是以时间数列反映社会经济现象的发展过程和规律性，进行引伸外推，预测其发展趋势的方法。简单序时平均数法也称算术平均法，即把若干历史时期的统计数值作为观察值，求出算术平均数作为下期预测值。

前期统计在n周时间内各站点每周j的第i段时间的下车率。下车人数计算公式为

式中，m为第i段时间内经过该站的车辆数;Kij为n周时间周j第i段时间的平均下车量;A为n周时间周j第i段时间每辆车的下车量;Bi为第i段时间的下车率;C1，2，3…6为第1，2，3…6节车厢人数。

2.2.2 数据的处理

1)地铁车厢具体参数。现有国内地铁车辆中主要有A型、B型和C型3种类型，本文研究基于B型车辆参数(见表1)。

表1 B型车辆载客能力［9］Tab.1 Passenger capacity for vehicle B

2)拥挤度范围的确定。①根据人体相关尺寸资料显示［10］，女性投影面积小于男性。所以，当基本满足男性乘客的舒适空间范围时，对于女性乘客也普遍满足。根据美国交通运输研究委员会颁布的《公共交通通行能力和服务质量手册》(第二版)［11］，关于男性乘客在不同乘车方式下对乘车空间要求的推荐值规定，当乘车空间范围大于0.35 m2/人，即乘客乘车方式为携带婴儿车或者自行车等大型尺寸的物体时，多数乘客可在公交车内自由移动，感到舒适;当乘车空间范围小于0.25m2/人时，即乘客乘车方式为抱持支柱，乘客几乎不能在所站立的空间内自由移动，感到拥挤。②根据车厢载客能力得到地铁车厢定员人数为6人/m2，超员人数为9人/m2，结合两种影响因素确定最终拥挤度范围(见表2)，其中a表示站立的人数/m2。

表2 拥挤度范围Tab.2 Congestion range

3)拥挤度的预算。到站乘客下车后车厢所剩人数

在地里劳动的时候，我脑子里就默诵这些诗文以为乐趣。农村的很多活是简单劳动，完全可以既干活脑子里又想问题的。有一次我在锄地的时候，脑子里忽然跳出了《古诗十九首》中第一首的四句诗：“胡马依北风，越鸟巢南枝，相去日已远，衣带日已缓。”我想这是说从胡地来的马，依恋着北方吹来的风，从南方越地来的鸟，筑巢也要筑在向南的树枝上，就是说无论是胡马还是越鸟，都怀有思乡的情绪。最后的一个“缓”字，我长期不得其解，这时忽然悟到，“缓”就是“松”，就是“宽”的意思，这样也就明白了下面两句是说离别已经很久了，衣带也显得宽松了，为什么宽松，因为想念亲人瘦了。

车厢拥挤度

每节车厢可上车人数预计算

式(4)～(7)中，Dt为到站乘客下车后第t节车厢所剩人数;G为B型列车车厢可用面积;F为每节车厢拥挤上限(以6人/m2为标准，每节车厢约240人);H为每节车厢超员上限(以9人/m2为标准，每节车厢约360人); Et1为每节车厢至定员上限可上车人数;Et2为每节车厢至超员上限可上车人数。

4)提示信息处理，包括拥挤度的处理、可上车人数信息处理、系统流程图(见图1)。

图1 系统流程图Fig.1 System flow chart

拥挤度的处理是对拥挤度范围以及由实际数据得到的拥挤度进行比较:

由于下车率计算是历史经验值，存在不可避免的误差，所以对可上车人数进行估算处理。

2.3.1 基于PIS的信息显示屏设计

1)乘客信息系统(PIS)。乘客信息系统(PIS)是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，通过设置站厅、站台、列车的显示终端，让乘客及时准确地了解列车运营信息和公共媒体信息的多媒体综合信息系统;也是地铁系统实现以人为本、提高服务质量、加快各种信息公告传递的重要设施;是提高地铁运营管理水平、扩大地铁对乘客服务范围的有效工具。

2)站台PIS信息类型。由于PID屏的尺寸有限，需要结合不同信息对乘客的效应筛选出乘客需要的关键信息，剔除对乘客效应较低的信息或者是在其他位置已经提供给乘客的重复信息。结合本研究内容，在显示屏上主要显示的信息为:本站站名、行车方向、当前时间、列车到站时间、车厢拥挤度、预测可上车人数。

2.3.2 PID信息显示屏的设计

PID(passengers information displayer，PID)，即乘客信息显示屏，作为PIS系统中乘客信息发布的窗口，其发布内容由PIS系统控制，直接向乘客显示信息。拟采用DLP显示屏，目前地铁大都使用DLP显示屏，其使用寿命远大于LCD显示屏。

如图2所示，界面的主体位置用于显示列车乘客拥挤度和预计可上车人数，利用列车示意图的颜色来表示车厢乘客拥挤程度，其中绿色代表拥挤程度为舒适，黄色代表拥挤程度为适中，橙色代表拥挤程度为拥挤，红色代表拥挤程度为非常拥挤。利用数字分别表示各车厢可上车的最适人数(到达定员上限)和最大人数(到达超员上限)。界面右侧显示列车到站时间信息，下侧显示文字引导信息，上侧显示站点信息以及时间。

由于地铁安全门上方位置大多空闲，且高度可以让站台内大多乘客看到，所以将显示屏置于安全门上方。

图2 屏幕设计Fig.2 Message display

3 结语

对于日益拥挤的城市交通，地铁越来越成为城市交通的骨干，随之而来的必然是高密度客流对地铁车站的冲击，如何有效解决高密度客流对地铁运行效率的影响，使乘客安全快速舒适地出行，必然会成为地铁课题研究的一个方向。对于现行所存在的问题，本系统在一定程度上解决了以上问题，其优点及应用前景主要有以下几点:

1)降低运营成本支出，节约运行成本。通过本系统对于客流的引导，可以完全代替引导人员的安排，节省了大量的人力，而且更加科学、系统地引导客流。通过融入城市轨道视频监控系统来采集客流信息的方法，在不增加其设备支出的前提下，完成对客流信息的采集与安全监控的双重作用，节省了大量的设备支出资金。

2)完整的理论支持。对于整个系统的设计、建设、运行，都有成熟的理论技术支持，对于现行的技术完全可以实现所预期目的。

3)充分发挥了乘客的主观能动性。对于现行的安排引导人员的方法，乘客会有排斥的心理，其效果并不明显，而此系统主观地为乘客舒适快速出行提供了帮助，从乘客本身出发解决其排斥心理，多数乘客会服从客流提示信息，引导效果更加明显。

4)乘客快速舒适出行，有效提高地铁运行效率。通过本系统的客流引导，可以使客流进行合理的分布，使高密度的客流在最快的时间内疏通。

［1］张一萍.PIS信息对乘客候车行为的影响［D］.北京:北京交通大学，2014.

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［2］问卷星［EB/OL］.(2016- 01- 18)［2016- 04 25］.http://www.sojump.com/report/7021117.aspx.

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TONG Lu.Study on image based method for passenger flow statistics of subway train［D］.Beijing:Beijing Jiaotong University，2015.

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Human dimensions of Chinese adults:GB10000-1988［S］.Beijing:China Standard Press，1989.

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SHEN Jingyan.Content and application of passenger flow forecast in Urban Rail Transit［J］.Urban transportof China，

(编辑:郝京红)

Using Image Acquisition Technology to Develop Passenger Movement Guidance System for Subway Station Platform

PANG Mengyuan，DU Yanjun，LIChaoji，LIU Xin，XUE Jian
(Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266000)

Large passenger flows appearw ith the rapid developmentof urban rail transit in recent years，which has exerted some influence on the convenience，com fortand efficiency of traveling.Therefore，a passengermovement guidance system using image acquisition technology is proposed after the passenger distribution is examined.The system collects the flow information through the cameras installed in the car and analyzes the information through the database and the processing center of the subway operator.Then the guidance information will be presented on the screen above the screen door timely.The results show that，the guidance system can partly replace the arrangement of the guidance personnel，save a lotofmanpower，andmake the passengers travel quickly and com fortably.

metro;passenger flow statistics;transfer rate;information presentation;guidance system

U231.4

A

1672- 6073(2017)02- 0037- 05

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.008

2016- 04 25

2017 01 06

庞梦圆，女，本科，研究方向为交通工程，624905279@qq.com

山东省自然科学基金(ZR2016EEB06)