乘客信息系统智能技术应用分析

吴文佳

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，工程师，山东 青岛 266111）

0 引言

现如今，随着中国经济水平的飞快提高和城镇化发展的推进，带动了城市轨道交通行业的建设和发展［1］。在轨道交通当中，信息服务逐步引起了人们的关注，但对于乘客信息系统而言，此系统在乘客遇到突发状况时可帮助乘客尽快脱离危险，所以在列车高速运行期间，日常信息的宣传以及提示平台已成为不可或缺的部分，目前也已得到了社会各界的关注，在各类先进技术的推动下，促使乘客信息系统逐步走向现代化与智能化，从而为进一步确保列车的安全运行提供了保障［2］。

乘客信息系统主要应用了多媒体信息处理技术、数字监控技术、宽带网络传输技术以及控制技术，以计算机系统为核心，以车载终端为媒介向乘客提供多种信息服务。随着目前乘客信息系统技术应用发展越来越多样化，更多具有创新性、智能化的子系统融入到传统的乘客信息系统中，因此对客流密度分析技术、客室遗留物分析技术、司机行为分析技术、音频环路助听技术的分析是非常必要的。

1 客流密度分析技术

客流密度分析是在乘客信息系统原有的列车视频监控系统上进行的功能升级，在原有系统上增加一台视频分析服务器。系统实时采集车厢内多个高清摄像机的视频图像，通过视频分析服务器实时分析车厢内乘客人数和位置，通过人群密度算法计算出车厢不同区域的客流密集程度，并将检测结果实时上传至地面PIS 服务器，在列车运行的下一站提前发布各车厢的拥挤度数据，可引导乘客提前做出选择，引导乘客进入较宽松的车厢。

1.1 系统原理

系统视频分析服务器通过以太网进行通讯，在列车每站到站关闭车门后，视频分析服务器接收列车控制与管理系统（TCMS）的关门信号，对各车厢的监控视频进行乘客密度分析，并按照指定接口协议上报车载客流密度级别数据，车载客流密度级别数据通过车地无线传输至地面PIS 服务器，完成密度数据在站台信息显示屏上的发布显示工作。系统原理图如图1所示。

图1 系统架构图

其中，利用4 种颜色标注车厢拥挤度，颜色越深表示车厢里越拥挤：红色表示车厢严重拥挤，即为列车开走后，站台上仍会有乘客滞留；橙色表示车厢拥挤，即为此时车厢内的乘客移动有困难；黄色表示客流量适中，即为乘客在车厢内的乘客可以自由移动；绿色表示稀疏，即车厢内乘客人数小于额定人数的一半。展台拥挤度显示效果如图2所示。

图2 站台拥挤度显示效果图

1.2 视频分析服务器算法

视频分析服务器以国际最前沿的人群密度算法为基础，针对地铁车厢特殊场景进行研究、开发、优化，采用深度学习算法基于单帧分析，算法能克服地铁车厢震动造成的图像模糊等影响，选用人头模型来计算人数，以避免地铁车厢里乘客对摄像机的遮挡，如图3所示。

图3 视频分析服务器图像采集

假设每节车厢额定载客量为n，最大载客量为m。将车厢拥挤度分为稀疏、适中、拥挤、超载四个等级，则拥挤等级与车厢总人数P（，其中w为摄像头对整个车厢的覆盖率，d为一节车厢内摄像头对的个数，pi为第i个摄像头中人数）的关系如表1所示。

表1 客流拥挤等级关系表

如表1 所示，当单节车厢总人数小于额定人数一半时，车厢拥挤程度等级是稀疏的；单节车厢总人数大于额定人数的一半同时小于额定人数时，车厢拥挤等级程度为适中；车厢总人数超过额定人数小于最大载客人数时，为拥挤等级；车厢人数大于最大载客量时，等级为超载。

1.3 系统冗余设计

视频分析服务器在列车头车车厢中各配置一套，采用热备份工作方式，一旦主控制器发生故障，主从控制器将自动进行转换，从控制器将代替主控制器进行列车广播系统的控制，主从控制器的转换不影响列车正常拥挤度数据采集。

2 客室遗留物分析

清客辅助与客室遗留物分析功能是视频分析技术的另一个子功能，其依托于客流密度分析技术的架构，对系统的算法进行更深入的开发与学习。

当车辆到达末站后，经过前期设定的时间阈值或收到开始人员逗留分析指令后，视频分析服务器通过车厢内的监控视频图像，实时检测车厢内的遗留物，并可对列车所有车厢中物体尺寸60×60 像素以上的物体进行正确识别，例如：包、旅行箱等。系统分析的结果可以显示在监控触摸屏或HMI 屏上，便于司机查看。当分析后判断“无乘客”或“无遗落物”时，则发出提示，司机根据提示可以进行关门操作。当还有乘客或物品滞留于车厢内，可提示“尚有乘客、物品遗留”，并可定位该车厢，同时，可以联动视频监控系统，触发显示当前车厢的实时视频，如图4所示。

图4 客室遗留物分析

3 司机行为分析技术

司机行为分析技术借助先进成熟的技术手段对司机的身份识别、疲劳状态（长时闭眼、打哈欠等）、操作手势、异常行为（列车行驶时打电话、抽烟、间断性瞭望、遮挡相机、离开驾驶座位、戴耳机等）、前方信号灯等进行识别，结合乘客信息系统进行信息综合监控和预警，并利用大数据技术实现平台对驾驶员和行车报警信息进行分类集中管理，使得司机及地面管理人员迅速得知异常信息并做出相应的处理。

3.1 工作原理

司机室面部识别摄像机和手势识别摄像机分别实时采集司机的人脸特征、面部状态、身体姿态等图像数据，通过车载视频分析服务器运行人脸识别、行为识别等软件算法，根据司机的驾驶状态判断是否存在疲劳驾驶、违规驾驶等情况，并将违规数据发送至大数据监管平台。工作原理如图5所示。

图5 司机行为分析工作原理图

3.2 系统功能

系统启动时自动检测司机的脸部特征判断司机的身份，通过检测眨眼、打哈欠、点头等频率并结合系统信息判断司机是否存在疲劳驾驶，通过手势动作、打电话、抽烟、离岗等行为并结合系统信息判断是否违规驾驶。系统基于司机的状态变化，结合大数据平台分析，对司机不同的非规范驾驶行为进行监测、报警、显示。结构图如图6所示。

图6 系统功能结构图

3.2.1 司机身份识别 司机身份认证基于大数据驱动下的人脸识别技术，在列车行驶过程中对司机的身份实时识别，提取司机的人脸特征并与人脸数据库进行匹配，语音反馈匹配结果。在面部识别摄像机处进行前端人脸比对，可对运动人脸进行检测、跟踪、抓拍、评分、特征提取、识别、输出最优人脸比对结果，且支持人脸照片上传功能，简化人脸数据库建立过程。动态范围宽度达80dB，人脸智能曝光、逆光环境下人脸清晰可见。

司机身份确认后，可输出对应自己的身份ID 发送至TCMS 系统，可用于运营方对司机的综合数据获取的使用。

3.2.2 疲劳状态判断 当系统收到司机室激活信号，且司空器手柄在牵引或列车处于非零速时，启动监测。

司机疲劳状态检测由面部识别摄像机与手势识别摄像机同步采集司机图像数据，根据列车司机在驾驶过程中疲劳状态参数，统计眨眼频率、眼睛闭合时间、嘴巴闭合度、点头频率，综合分析司机是否产生疲劳现象，从而发出预警信号。人脸特征提取如图7所示。

图7 人脸特征提取

3.2.3 手势识别 对司机操作手势进行有效识别，对司机操作规范性进行监控。系统可根据来自网络的列车位置信息以及运营手势规定，来判断司机在一定时间内（默认10秒）是否做出正确手势，系统对手势判断准确率为95%以上。

4 音频环路助听技术

音频环路助听技术是为乘坐轨道交通佩戴助听器的人士提供语音辅助信号的一种装置，主要应用于装有感应试音线圈的助听器或耳机中，用来减少因列车内嘈杂环境或距声源较远所引起的听力障碍问题，为听力损伤者提供便利和服务，体现列车人文科技关怀。

4.1 系统原理

音频环路助听系统主要由音频感应环路驱动器、音频感应线圈组成，音频感应环路驱动器为车辆音频环路助听系统控制中枢，客室控制主机接收列车广播系统主机发来的广播音频流，客室主机通过解码、放大处理后，将音频信号传输至音频感应环路驱动器，音频感应环路驱动器通过布置在车厢内的感应线圈将电信号转换为覆盖在车厢内磁信号。同时音频感应环路驱动器可检测并反馈系统状态信号和故障状态信号至客室控制主机，其中车厢声场、磁场覆盖示意图如图8所示。

4.2 系统安装

音频环路助听系统通过在车厢上方布置助听环路感应线圈，将音频电信号转化磁信号实现整车磁信号的覆盖，耳障人士佩戴的助听器将磁信号转化声音信号并放大输出反馈至人耳朵，确保减少因列车内嘈杂环境或距声源较远所引起的听力障碍问题，为听力损伤者提供便利和服务。设备安装如图9 所示。

图9 设备安装示意图

4.3 助听模式

乘客助听器具有M 档、T 档，其中“M”表示助听器的声音输入方式为麦克风方式，将档位拨到M档，麦克风可直接将外界的声信号进行放大并传输至人耳，这是最常用的一种助听方式方式。

而“T”表示磁电感应输入方式，在这种方式下，助听器不能直接对外界的声音进行放大，而是通过内部的感应线圈切割磁场中的磁力线产生电流后再进行放大转化为声音信号并传输至人耳，再此M 档模式下助听器仅将车厢内的单一的磁信号进行放大转化，车厢内环境嘈杂的噪音源等得到滤除，确保耳障人士收听到单一清纯的广播通告信号，因此整个助听效果提升明显。

5 技术优势分析

与传统的乘客信息系统技术方案相比，增加了智能分析技术的方案有如下技术优势：

（1）高度智能化。智能分析系统能够利用AI 等多种技术精准的识别出列车运营过程中的异常情况，可实时进行分析，发现议程第一时间发出预警，将智能视频分析技术效益最大化。

（2）集成度高、灵活性强。智能分析系统可将设备集成到乘客信息系统传统架构中，利用既部分既有设备进行相关的视频智能分析，并可根据用户需求灵活开发功能，提供精准、快捷、高效的解决方案。

（3）残障乘客出行体验感高。除了智能分析技术，音频环路助听技术的应用可方便耳障人士更加便利的出行，为耳障人士提供更为舒适化、人性化的乘车体验。

6 结束语

随着城市轨道交通系统的日益完善，人们对其服务质量的要求越来越高，要满足乘客的具体要求，就必须积极引进先进的信息技术，以此来支撑乘客信息系统的更好发展，以便从根本上提高信息系统的运行效率及服务质量，从而更好的推动城市轨道交通系统的发展，为城市的未来发展提供保障［2］。与此同时，还需要持续加大对新技术、新工艺的研究，使乘客信息系统更加现代化、智能化、数字化，这样才能更好地为乘客提供综合信息服务，并促进我国城市轨道交通事业的长效稳定发展［3］。