基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统研究

黄洪宇

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 前言

在铁路客站建设中，铁路总公司要求突出客站的地域文化、功能、智能、经济和绿色节能环保，使每座车站都成为精品智能客站。然而，目前铁路客站空调系统存在难以根据室内人数按需供给、能耗较高且舒适性不佳的问题[1－3]。

随着新基建战略的提出，新一代信息技术在国民经济各个领域的应用都呈加速态势。铁路客站的智能运维系统需与卫星通讯、大数据、云计算、人工智能、5G等新一代信息技术深度融合，进一步提升铁路客站的智慧感知和智慧控制能力[4－5]。

针对上述问题和需求，提出了一种基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统，该系统利用双目摄像人体识别室内人员数量，进而通过算法实时计算室内负荷，并根据实时室内负荷对空调系统进行智能控制。

2 基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统

2.1 系统介绍

在室内空调冷负荷的组成中，尤其是在铁路客站的无玻璃幕墙或无窗内区，人员发热和新风需求是室内候车大厅的主要冷负荷源。当室内人员变化时，人员发热和新风需求发生变化，而这种变化会缓慢通过空气传热传质传递到常规技术的空调温控器处，无法被室内空调系统及时感知，导致室内空调系统的调节延迟，室内环境恶化，室内人员在空调系统做出反应前会感觉不舒适。此外，人员减少时，室内负荷降低，常规空调系统也无法及时感知并降低供冷或新风量，无法及时进行节能运行，在夏季也会发生过冷现象[6－10]。

针对这些情况，提出了一种基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统，如图1所示。

图1 基于双目摄像人体识别室内环境控制系统

该系统可通过双目摄像头识别采集到进入房间的人数，进而通过边缘计算控制器准确计算房间冷负荷和新风量，再迅速对空调设备进行精确预调节，从而避免室内空调系统调节延迟、室内环境恶化、室内人员在空调系统做出反应前会感觉不舒适等情况，并实现人少减量、人走停机的系统节能运行。

2.2 系统运行策略

以夏季供冷工况为例，一种基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统运行策略如下:

(1)空调末端装置接受室边缘计算控制器的指令根据房间实时负荷调整送风量、供冷量，从而不会出现“超调”和“欠调”现象，还能保证系统的运行稳定[11－12]。

(2)人员集中就坐，分区负荷高时，温控优先。即温控监测到该区域温度超过设定值，自动将该区域盘管的风速或者VAV-BOX的送风量提高一个档位。

(3)人员进入房间前5 min人数优先，5 min后室内环境温度整体降低后，后期控制交给分区温控。人员大量离开时触发人数控制，降速直至关闭风盘或VAV-BOX。

(4)根据室内温度控制器的实测数据信号，通过送风机的高、中、低挡风速调节，水阀的通断调节从而实现室内温度的调控。

(5)室内人数精确控制新风机的送风量，实现健康、节能。

(6)墙面温控器有人员操作时，以墙面温控器操作为准，可进行个性化运行。

3 应用实验研究

3.1 实验环境

在某大型枢纽铁路客站的一间无外窗和玻璃幕墙的内区房间进行该系统的应用实验。实验现场如图2所示。按照预定设计方案从硬件、软件、运行等方面对房间内基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统进行调试和运行实验。集中空调系统的主要相关设备如表1所示。

图2 现场安装双目摄像头和控制器

表1 集中空调系统的主要相关设备

3.2 运行实验方案

针对基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统的特点，为验证其智能和节能特性，设计实验方案如下:

(1)两个双目摄像头分别安装于房间大门上方，开启各设备电源后，对进出室内大门的人员数量进行统计和运算，经实验，该设备可准确统计室内进出和停留的人员数据。

(2)双目摄像头将所统计的人数发送到边缘计算控制器，进而边缘计算控制器准确计算房间冷负荷和新风量，再迅速对空调设备(风机盘管和新风机组)进行精确预调节，以提供合适的供冷量和新风量。

(3)室内新风量标准按30 m3/h·人取值。

(4)在不同的室内人员数量下，测量风机盘管出口风速，进而计算风机盘管风量。

(5)室内风机盘管内部电机为单相电容调速电机，可以通过调节电机输入电压使风量分为高、中、低三档，进而相应地调节风机盘管的供冷量。考虑到室内的舒适性，本系统中的风机盘管优先置于低档运行，当冷负荷升高，8台风机盘管仍无法达到所需供冷量时，才考虑升档运行。

分别在相同人数条件下对常规温控器控制与双目摄像人体识别智能控制的空调系统进行实验，在空调开启后的1 200 s内，每隔10 s测定一次室内环境温度，最后进行统计对比分析。

3.3 实验结果分析

实验结果表明，在基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统开启的情况下，房间进入人员后，风机盘管、新风机组在停机状态下成功启动，随着人员增多，风机盘管的启动台数和风速、新风机组的新风量均有所提高，该系统可全自动智能化运行。如图3所示，室内冷负荷和风机盘管供冷量与人数关系基本符合线性分布[13]，验证了控制系统的有效性。如图4所示，新风系统的新风量与人数关系也基本符合线性分布。如图5所示，风机盘管送风量相对人数符合线性分布，其中陡降段为风机盘管为增加供冷量而升档运行(由低档变为中档)，但运行台数减少导致风量减小。

图3 实测空调冷负荷、供冷量与室内人数相关性

图4 新风量与室内人数相关性

图5 风机盘管风量与室内人数相关性

图6和图7分别为基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统不开启、采用常规墙面温控器(或DDC控制器)控制的空调系统运行实验结果和基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统开启运行的室内温度实验结果。根据图6和图7的数据，基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统可降低室内温度波动62%，节约综合能耗(包括风机盘管电耗和冷热源系统电耗)17%。

图6 常规墙面温控器控制的空调系统的室内温度

图7 基于双目摄像人体识别室内环境控制系统的室内温度

针对室内由于人数突然增减而导致的空调负荷变化，常规温控器控制运行空调系统达到设定温度的速度较慢，且室内温度剧烈波动，严重影响了室内舒适度。而基于双目摄像人体识别室内环境控制系统可迅速根据人数和智能计算出的室内负荷控制空调系统的供冷量，调节系统达到设定温度，反应迅速，温度波动小，室内舒适度高，且没有温度超调的现象(空调供冷量过大，导致室内温度过低)，节能效果好。

首先分析空调系统反应速度产生差异的原因。常规温控器控制运行空调系统的温控器位于距离人员活动区较远的墙面，人员活动区室内温度变化时，温控器没有及时感应温度变化，空调系统无法立即动作，存在明显的滞后现象。而基于双目摄像人体识别室内环境控制系统，不但可通过智能计算出的室内负荷准确向室内供给充足的冷量，而且在房间内人员活动区设有两个分布式温控器，可及时、准确地反馈室内温度变化，空调系统随之立即改变供冷量，从而能够更好地满足舒适度要求。

其次分析室内温度波动幅度产生差异的原因。常规温控器通过人工设定控制空调温度，由于人体感觉和温控器温度以及空调供冷量无法形成人员可实时获知的控制策略或要求，这种控制常常会出现忽冷忽热、过冷过热的现象，并且不能及时根据室内负荷变化来启停风机和改变电动水阀的开度，会造成室内环境不舒适且产生不必要的能源浪费。而基于双目摄像人体识别室内环境控制系统，可根据实时空调负荷智能按需供给室内冷量，调节运行更加稳定，在保证舒适度的前提下，可达到节能降耗的作用。

4 结论

本文提出的基于双目摄像人体识别的室内环境控制系统，该系统将双目摄像人体识别获取的实时室内人员数量通过智能算法计算获取室内空调实时负荷，并根据室内空调实时负荷对空调系统进行智能控制。实验结果表明，该系统相较采用常规温控器控制的系统，温度波动减少了62%，综合能耗减降低17%，显著提高了室内人员的舒适性，有效降低了系统的综合能耗，并且系统可全自动智能化运行，大大提高了空调系统的智能化程度。该系统已申请专利11项，在3个项目中得到应用，将来在精品智能客站和各种高标准公共建筑中均有着广阔的应用前景。