MVB总线的轨道交通车辆乘客计数系统设计*

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(同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)

引　言

随着城市人口密度的不断上升，巨大的客流给城市轨道交通的运营组织工作带来了巨大压力。如何准确分析线网客流分布情况，制定合理的线网运营计划，提高各线路运营匹配性，发挥系统整体的运输能力和综合效益，合理地利用有限的轨道交通资源，为乘客提供更舒适的乘坐环境，已然成为城市轨道交通运营管理公司的一个重要课题。准确的乘客计数，可以作为城市轨道交通线网日常运营计划及客流预测的参考值，为安全运营、高效运营提供重要的数据基础。

目前，城市轨道交通的乘客计数主要依赖于自动售检票(AFC)系统。通过进出闸机的乘客数量来进行客流统计。对于大多数车站，该数值可以作为该线路的客流。但对于换成车站，尤其是大型换乘车站，通过闸机的乘客计数无法准确地计量各线路的乘客数量，对于换乘乘客数量也无法进行有效统计。鉴于此，本文设计了一种用于车载环境的城市轨道交通车辆乘客计数系统，对各线路的载客数量进行独立统计，为单线载客数量统计提供一种技术手段。

1　基于MVB的乘客计数系统构架

以典型6节编组的城市轨道交通列车为例，城市轨道交通车辆乘客计数系统PCS(Passenger Counting System)的结构如图1所示。在列车的每节车辆中布置一套乘客计数系统节点，系统节点通过车辆总线MVB及列车总线WTB将采集到的载客数据上传至位于列车司机室的中央控制单元CCU，并在司机台TMS监控器上显示。

图1　乘客计数系统结构图

乘客计数系统的硬件系统主要由节点控制器、工业级以太网交换机和乘客计数器APC(Automatic Passenger Counting)3个部分组成。控制主机与乘客计数器之间采用以太网通信进行数据传输，其中APC作为服务器，控制主机作为客户端。

乘客计数系统的软件系统主要由初始化、数据采集、数据记录、MVB通信及系统诊断等5个模块组成，实现城市轨道交通列车的载客人数信息采集、记录与上传。

2　乘客计数系统硬件设计

2.1　基于PC/104总线的节点控制器

节点控制器主要由CPU板卡、MVB通信板卡及数字I/O板卡等部分组成。该节点控制器采用标准PC/104总线板卡进行设计，具有尺寸小、功耗低、热量少、扩展自由等特点。其堆栈式连接结构能有效减小系统所占空间，可靠的连接使其具有良好的抗震能力，能适应城市轨道交通车辆复杂的设备安装环境及对车载设备的冲击振动要求。其结构框图如图2(a)所示，物理结构图如图2(b)所示。

图2　节点控制器结构框图

① CPU板卡。节点控制器的核心部件，主要实现控制MVB板卡通信及控制节点控制器与乘客计数器通信等功能。该节点CPU板卡采用的是研华公司的PCM-3365 PC/104嵌入式主板，采用Atom E3825，可方便与其他周边设备及模块构成完整系统。其尺寸小，能耗低，工作温度范围宽，与MVB板卡构成节点控制器的主体部分。

② MVB板卡。MVB板卡主要实现MVB总线上的过程数据传输功能，具备TCN标准(IEC-61375)，所定义的1类及以上设备的功能[1]。其硬件结构框图如图3所示。该板卡使用PC/104总线与CPU板卡进行通信，物理接口采用变压器隔离方式提供电气中距离(EMD)连接，MVB控制器能提供16个MVB端口。该MVB板卡与主机之间采用双口RAM进行数据交换[2]，CPU通过I/O命令或直接内存访问来获得通信存储在其内存地址空间的位置和容量。

图3　MVB通信网卡结构框图

③ 数字I/O模块。具有8路20～130 V隔离数字输入通道和10路隔离数字输出通道，数字输入通道对城市轨道交通车辆上的一些开关信号进行采集，如车门状态信号，数字输出通道主要输出控制LED指示灯，显示控制主机状态及故障模式。

此外，节点控制器中还有电源板卡等其它部件。电源板卡通过DC-DC变换，将城市轨道交通车辆辅助供电系统的110 V DC转换为±12 V DC，±5 V DC，3.3 V DC，为整个节点控制器供电。

2.2　乘客计数器APC

乘客计数器是乘客计数系统的关键部件，主要实现对上下车客流人数进行统计。目前，在公共交通领域和轨道交通领域，较多采用单目或双目视频计数器作为乘客计数器。比之单目视频计数器，双目视频计数器能更好地适应城市轨道交通运营高峰期拥挤情况和城市轨道交通线路地上和地下部分的光线变化[3-6]。因此，该系统选用双目视频计数器。

乘客计数系统的乘客计数器安装布置图如图4所示，采用辅助系统的24 V DC供电，在城市轨道交通车辆的每个车门内侧布置一个乘客计数器，在车门打开时进行计数，在车门关闭时停止计数，对通过该车门的乘客进行计数。

图4　计数器安装布置图

2.3　工业级以太网交换机

以太网交换机主要连接节点控制器与乘客计数器，实现两者间的数据交互。为满足城市轨道交通车辆车载环境要求，该系统选用工业级以太网交换机，采用星型拓扑结构连接，如图5所示。以典型的城市轨道交通A型车为例，选用标准12口 10/100 Mbps交换机，端口1～10分别与对应车门的乘客计数器连接，端口11连接节点控制器，端口12作为调试服务端口。

图5　节点星型拓扑

3　乘客计数系统软件设计

乘客计数系统软件基于Linux平台,采用C语言开发，主要由系统初始化、数据采集、数据上传、数据记录以及系统诊断等模块组成，如图6所示。

图6　系统软件框图

各模块实现的主要功能如下：

① 初始化模块为系统的工作基础，主要实现建立节点控制器与乘客计数器的以太网通信，配置CPU板卡与MVB板卡通信参数及MVB总线通信参数，配置乘客计数器工作参数等功能。

② 数据采集模块通过轮询的方式，由节点控制器向乘客计数器发送指令报文，乘客计数器依据指令返回相应的数据报文，实现对城市轨道交通列车的客流信息、状态信息、故障信息等数据进行采集。

③ 数据上传模块主要依据具体的TCMS指定的通信端口，从TCMS上获取乘客计数装置所需的运行参数和工作指令，存储在MVB接收缓冲区；上传MVB发送缓冲区中，TCMS所需的乘客计数装置采集的计数数据及系统故障信息等。

④ 数据记录模块主要对乘客计数系统采集的客流数据以时间轴为顺序进行记录，并对系统的通信故障、运行故障相应进行记录。

⑤ 系统诊断功能主要监控系统各设备通信及工作状态是否正常，当出现异常时将异常数据上传至TCMS并在节点控制器作相应记录。

图7为系统初始化流程。系统初始化完成后，对车门开关状态进行监控，当车门打开时采集客流数据并实时上传至TCMS，车门关闭时停止采集并在站点变化时记录上一站点的乘客客流数据，软件主流程如图8所示。

图7　系统初始化流程

图8　系统软件流程

4　乘客计数系统功能与性能验证

在实验室下搭建了一套测试装置，用于模拟单门乘客计数，以及MVB网络传输，其组成及技术参数如下：

① 车门模拟：依据《GB7928-2003-T地铁车辆通用技术条件》规定，宽度为1 300 mm，高度为1 800 mm的城市轨道交通车辆车门框架，用于安装乘客计数器。乘客计数器的摄像头中心基线距离车门约6～7 cm处。

② 客流情况模拟：参考城市轨道交通实际客流情况，对单人连续通过，双人并排连续通过，三人并排通过等工况分别进行了200人次的测试，分别模拟平谷时段和高峰时段的客流情况。

③ 开关门信号模拟：采用自锁按钮开关连接24 V开关电源，通过开关开闭状态模拟车门开闭状态。

④ MVB通信网络模拟：由乘客计数系统节点控制器与两个采用DUAGON D113L网卡的节点构成的3节点MVB功能测试网络，其结构框图如图9所示。

图9　MVB测试网络结构框图

测试过程中，对乘客常速通过和快速通过进行了区分，模拟了乘客冲门现象。计数测试结果如图10所示，综合准确度达到87.3%。

对系统节点控制器MVB网卡进行了1个源端口5个宿端口的通信测试，各端口发送32字节报文。各源宿端口与DUAGON网卡间的数据皆正常收发，MVB通信稳定可靠，能和常用MVB通信设备匹配。

图10　乘客计数系统测试结果图

结　语

[1] 刘海新,谢维达,徐晓松.MVB网络接口单元的应用研究[J].工业控制计算机,2002(9):13-15.

[2] 刘俊艳,谢维达,朱琴跃.智能化网络接口单元的设计与实现[J].机车电传动,2001(2):17-20.

[3] 赵祥模,闵海根,常志国,等.一种基于视频的公交客流自动统计方法[J].计算机工程,2015,41(6):136-142.

[4] 朱秋煜,唐利,郁铭,等.一种基于立体视觉的公交车客流计数方法[J].中国图象图形学报,2009,14(11):2391-2395.

[5] 刘欣. 基于立体视觉的公交客流统计方法与实现[D]. 秦皇岛：燕山大学,2013.

[6] 崔莫磊. 公交视频人数统计系统的设计与开发[D].郑州：郑州大学,2013.

任振旻(硕士研究生)，主要研究方向为列车通信网络及其应用；钱存元(副教授)，主要从事列车通信网络及列车能耗检测等科研教学工作。