基于智能视频技术的列车客流量监控方法的应用

2021-02-12刘丽娜边政广李晗

交通建设与管理 2021年6期

关键词：乘务客流量乘客

刘丽娜，边政广，李晗

（长安大学运输工程学院，陕西西安 710018）

0 引言

在新经济常态下，城市轨道交通繁荣发展，列车客流量也迅速上升，这一方面反映了城市的现代化发展进度，另一方面也为轨道交通的公共安全问题带来了诸多挑战，为了保证轨道交通的长期发展，有必要加强对列车客流量的监控力度，掌握列车客流量分布情况。

目前国内外对于地铁列车内拥挤度检测的研究集中在人群密度估计，利用卷积神经网络提取人群特征并通过估计人群密度图来实现人数统计。该类方法能够在一定程度上解决人群遮挡问题，是近年来国内外学者在人群计数问题上的主要研究方向。

张杏蔓等[1]基于特征回归的人群计数方法完成对地铁车辆监控视频人数识别任务；汪晓臣，郭长青[2]等人提出利用列车轴重分析改进识别方法；张健[3]通过对各车厢内的视频图像基准模型和检测图像的对比分析和计算来获得各节车厢的拥挤度状态；纪红波[4]通过实时采集列车载重信息、位置信息，经数据传输后动态显示列车各车厢的载客拥挤情况；张霖等[5]实现灰度变换、卷积、直方图等图像处理过程，给出大客流辨识函数；杜娟[6]提取了人群前景的像素数和边缘像素数，后得到像素数与人数的线性关系；张燕[7]提出了一种多帧平均法和基于帧差的算法改进的背景生成与更新算法；王冉[8]针对灰度共生矩阵进行了改进，并利用支持向量机进行分类得到人群密度；胡海波[9]对ID3算法进行改进，提出简化熵权算法；武洪强[10]利用支持向量机算法进行路面状态识别。这些相关研究表明，利用卷积神经网络学习人群密度特征的方法优于传统的检测方法，这也为本文基于视频图像的车厢拥挤度识别研究提供了理论基础。

此外，现有研究都是基于公开的标准人群数据集进行实验与测试，目前还没有使用人群计数方法实现城市轨道交通系统客流检测的研究。由于地铁车辆监控视频中乘客特征和现有标准数据集之间存在一定差异，基于视频图像特征提出适用于城市轨道交通系统的客流检测方法，将具有较高的研究价值和广阔的应用前景。

1 智能视频分析技术的应用要点及应用意义

1.1 智能视频技术的实现

本文提出一种基于智能视频技术监控列车客流量的方法，将IPC摄像头置于车厢顶部，通过内网IP与NVR设备建立联系，将音视频数据传输至EasyNVR服务器，由服务器内部实现流媒体协议转换、转码和流媒体分发工作，服务器自身也可以对实时视频流进行存储和管理，提供一套可供各种平台、开发语言进行二次开发的HTTP接口，利用这个二次开发接口，依次对视频进行图像预处理、构建损失函数和拥挤度识别，并将最终数据传输回EasyNVR服务器，通过公网传输，反馈到PC端Android端和微信端。信息传输流程如图1所示。

图1 信息传输流程

通过采用级联构架的卷积神经网络，以车厢乘客图像及其对应的乘客密度图作为训练数据，通过特征学习建立像素点特征与密度分布的映射关系，如图2所示。网络结构主要由初始共享网络、密度先验网络以及密度估计网络三部分构成。损失函数用于判断估计的密度图与真实值之间的偏差情况，分别设置在密度先验阶段和密度估计阶段。卷积神经网络模型的训练是一个不断调整网络结构参数的过程，每一次参数调整都包含前向传播、计算损失、反向传播和参数更新四个部分。网络在接收输入的图像信息后，经过前向传播得到乘客密度估计值，然后根据估计值与真实值计算损失函数，接下来以损失函数为优化目标，利用反向传播完成参数更新。反向传播时常用到梯度下降优化算法，如随机梯度下降法、小批量梯度下降法以及Adam优化算法等，本文采用小批量梯度下降法和Adam优化算法来更新网络参数。

图2 网络结构图

1.2 智能视频分析技术的应用要点

在监控列车客流量的过程中，要实现视频数字化处理，在此流程中要想将数字化视频处理的目的顺利实现，首先要确保视频必须具备数字化特征，因此为了确保监控列车载客过程中的视频具有数字化特点，就要把数字化转化视频信号[11]。其次要注意视频编码，在此流程中借助编码压缩视频信息，从而将视频处理难度降低。最后是视频的增强和分割，在这一流程阶段为了实现视频利用效果最佳化，还需要增强视频，进而和一定的数字视频处理标准相符，因为列车的监控是持续性、长时间的过程，监控视频自身是一个连续集，运用视频分割，可以分块处理和优化视频，使数字视频处理效果顺利实现。在完成之后工作人员要借助智能视频分析技术分析视频信息，更好地对视频内容进行判断，了解列车的载客情况，为轨道交通的安全提供保障。

2 基于智能视频分析技术的列车客流量分布监控建议

2.1 加强对列车各项情况监控

智能视频分析技术可以对列车客流量开展身份标识、环境监控、实时定位、安全防盗以及乘坐信息追溯等，具有规范化以及信息化、合理化的特点。智能视频分析技术的基本要求是可持续发展、可靠性以及先进性等，旨在创建一套有效以及稳定的管理体系。智能视频分析技术重点利用物联网等技术满足关键的应用需求，创建一个延伸性的智能监控系统为终极目标。

建设列车客流量智能监控系统分为三个部分，首先对系统的基本信息进行有效维护以及管理，确保信息数据的准确无误，保证能够真实反映列车载客情况，为相关部门的决策提供良好的决策依据。其次监视列车乘客的乘坐安全状况，判断列车车厢的设备布置合理性、人员乘坐状况，在载客过程中是否存在拥挤、踩踏问题，减少发生各类列车事故的几率，为乘客出行安全提供良好保障。再次监控乘坐环境与管理乘客的乘坐信息，结合监控结果做综合化判断，了解列车乘务服务是否有所不足，是否存在有待改进之处，针对这些问题对列车乘务服务做针对性调整，为乘客提供更优质、更良好的出行体验。最后对系统硬件组态的配置管理。智能视频分析技术的核心观念是借助于计算机通讯技术、物联网技术以及软件技术等，建造一个全面的监控系统，在系统建设过程中进一步发挥整体硬件设备的作用，如开发嵌入式开发板、网络摄像机、超高频读写器、读写卡器、ZigBee模块等软件，进一步开发以及利用相关设备，实现列车客流量的全天候监控，随时掌握列车的载客动态，保证交通部门在执行相关决策时有充分的信息资料作为判断依据。

2.2 完善智能视频监控体系

集合智能视频监控过程，针对载客、出行、乘务服务等环节制定完成的管理制度，将各项制度纳入系统建设中去。建立智能视频第一责任制度、乘务人员职业培训制度、乘务服务质量评价制度等，同时要建设智能视频监控信息系统，建立列车和站点的乘客出行信息库，将乘务工作基本状态数据资料纳入信息系统建设中，形成列车客流量分析大数据库。

2.3 集中信息管理

工作人员借助于软件操作界面能够时刻查到列车客流量或者乘客的相关信息，以电子表格的方式进一步呈现出来。方便工作人员进行正确的判断，能够利用网络或系统存储立即传递部分备注信息。列车乘务人员能够时刻查看列车客流量的基础信息，并且动态传输乘坐信息给服务器。时刻保持信息的对称性，进一步方便综合管理。视频监控能够进一步连接RFID读写器，能够视频扫描以及监控特定区域。借助于物联网把数据及时传输出去，然后在系统管理平台上呈现出来。通过数据终端，监控人员能够对乘客的乘坐信息进行采集。经过全面监控列车客流量所处的环境，当突发情况发生时，能够以最快时间全面启动安全警报，同时将全部信息上传给上级单位，方便其及时施救。