軌道交通車(chē)站閘機(jī)智能識(shí)別研究

茅 飛 孔慧慧 李宏勝 康玉芳 朱 偉

（1.南京康尼電子科技有限公司，210013，南京；2.南京工程學(xué)院，211167，南京；3.國(guó)家電網(wǎng)宣城供電公司，242000，宣城//第一作者，高級(jí)工程師）

軌道交通車(chē)站閘機(jī)智能識(shí)別研究

茅 飛1孔慧慧2李宏勝2康玉芳3朱 偉1

（1.南京康尼電子科技有限公司，210013，南京；2.南京工程學(xué)院，211167，南京；3.國(guó)家電網(wǎng)宣城供電公司，242000，宣城//第一作者，高級(jí)工程師）

以南京地鐵1號(hào)線為例，介紹其車(chē)站閘機(jī)傳感器的分布位置。結(jié)合人體尺寸數(shù)據(jù)，采用事件及區(qū)域識(shí)別相結(jié)合的方法，分析了乘客的不同行為對(duì)傳感器狀態(tài)的影響。通過(guò)采用傳感器設(shè)計(jì)、事件的處理及識(shí)別技術(shù)，以及與數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)比分析，使閘機(jī)系統(tǒng)能智能識(shí)別逃票尾隨現(xiàn)象，減小了票務(wù)損失。通過(guò)在特定通道增加人臉識(shí)別功能，可實(shí)現(xiàn)有效分流，并提高閘機(jī)工作效率；通過(guò)ARIMA模型分析預(yù)測(cè)乘客高峰期，可合理配置資源。

軌道交通；閘機(jī)系統(tǒng)；智能識(shí)別

閘機(jī)作為自動(dòng)檢票設(shè)備常用在軌道交通車(chē)站自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)中［1］。乘客從非付費(fèi)區(qū)到付費(fèi)區(qū)以及從付費(fèi)區(qū)到非付費(fèi)區(qū)都需要刷卡，并得到閘機(jī)系統(tǒng)的授權(quán)方可通行。

根據(jù)阻擋機(jī)構(gòu)原理，閘機(jī)可分為三輥門(mén)式閘機(jī)、拍打門(mén)式閘機(jī)及剪刀門(mén)式閘機(jī)。三輥門(mén)式閘機(jī)能很好地實(shí)現(xiàn)一人一票的功能，但通行速率低，不適用于行人密集通行場(chǎng)合。廣泛應(yīng)用于高速鐵路系統(tǒng)的拍打門(mén)式閘機(jī)本體易受到外力破壞，其維護(hù)成本較高。剪刀門(mén)式閘機(jī)的每個(gè)通道只需要1套門(mén)機(jī)構(gòu)，閘機(jī)中部安裝2片滑動(dòng)門(mén)，其通行速度快，閘門(mén)不易被外力損壞［2］。目前，剪刀門(mén)式閘機(jī)廣泛應(yīng)用于地鐵系統(tǒng)。剪刀門(mén)式閘機(jī)系統(tǒng)中，通行識(shí)別技術(shù)是其研究熱點(diǎn)和核心技術(shù)，是保證持票乘客正常通過(guò)、且阻止無(wú)票乘客進(jìn)出的“守門(mén)人”，在城市軌道交通中發(fā)揮著重要作用［3］。

文獻(xiàn)［4］通過(guò)GRBF（廣義徑向基函數(shù)）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行逼近學(xué)習(xí)，獲得合理的傳感器布局。文獻(xiàn)［5］將傳感器區(qū)域分析與事件識(shí)別相結(jié)合，能有效識(shí)別多種事件。文獻(xiàn)［6］結(jié)合區(qū)域識(shí)別算法與關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別算法，提高了閘機(jī)識(shí)別率。文獻(xiàn)［7］將人體識(shí)別算法與步態(tài)識(shí)別算法相結(jié)合，進(jìn)一步提高識(shí)別率。文獻(xiàn)［8］提出了偏序集識(shí)別方法，給出了通行識(shí)別中多類目標(biāo)和事件的識(shí)別結(jié)果。

本文針對(duì)南京地鐵1號(hào)線的車(chē)站閘機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器的設(shè)置與數(shù)據(jù)采集、事件的分析與觸發(fā)及閘機(jī)門(mén)的開(kāi)關(guān)等進(jìn)行了研究；提出后續(xù)研究工作將對(duì)通過(guò)設(shè)置特定通道和人臉識(shí)別，以提高閘機(jī)識(shí)別率和效率；并通過(guò)ARIMA模型來(lái)預(yù)測(cè)擁堵?tīng)顩r，以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市交通的有效管理。

1 閘機(jī)傳感器

1.1 閘機(jī)傳感器的位置分布

南京地鐵1號(hào)線車(chē)站閘機(jī)通道長(zhǎng)2 m，高1 m。閘機(jī)上安裝了多個(gè)傳感器用于檢測(cè)和識(shí)別通道中的乘客和物品。人在行走過(guò)程中由腿部的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)身體往前行走，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種復(fù)雜的行為動(dòng)作。根據(jù)文獻(xiàn)［9］的我國(guó)成年人人體尺寸數(shù)據(jù)及各部分比例（見(jiàn)表1），結(jié)合閘機(jī)傳感器位置分布（見(jiàn)表2）可知：行人在站立時(shí)，閘機(jī)傳感器S5和S12位于膝關(guān)節(jié)附近，可檢測(cè)小腿繞膝關(guān)節(jié)的擺動(dòng)；S1、S2、S3、S14、S15 和 S16 分布在人體會(huì)陰處，可檢測(cè)大腿部分的運(yùn)動(dòng)，也可檢測(cè)手的甩動(dòng)；S4、S6、S11和S13分布在人體腰部附近，而腰部相對(duì)于整個(gè)人體來(lái)說(shuō)相當(dāng)于不變點(diǎn)。根據(jù)人體關(guān)鍵點(diǎn)分布，通過(guò)合理設(shè)置閘機(jī)傳感器的位置，可更好地識(shí)別乘客和物品。

表1 立體男女人體不同百分位點(diǎn)的尺寸數(shù)據(jù)

表2 閘機(jī)傳感器位置分布

1.2 傳感器的功能分區(qū)

閘機(jī)采用8對(duì)對(duì)射式紅外傳感器來(lái)檢測(cè)閘機(jī)通道中存在的物體。如圖1所示，按傳感器的位置，將閘機(jī)通道劃分為檢測(cè)區(qū)、監(jiān)控區(qū)、安全區(qū)及離開(kāi)區(qū)。

閘機(jī)通道檢測(cè)區(qū)入口標(biāo)有黃線。乘客進(jìn)入閘機(jī)，需先持有效卡票并站在黃線以外刷卡。如乘客在刷卡過(guò)程中越過(guò)黃線，則會(huì)遮擋住檢測(cè)區(qū)S1傳感器的信號(hào)，而閘機(jī)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，提示乘客退到黃線以外刷卡。監(jiān)控區(qū)傳感器（S2、S3、S4、S5和S6）可大致區(qū)分乘客及其攜帶的物品，并判斷乘客是否存在欺騙通行的情況。如乘客在未刷卡的情況下進(jìn)入該區(qū)，則閘機(jī)系統(tǒng)會(huì)判斷為非法無(wú)票闖入。安全區(qū)的傳感器（S7、S8、S9和S10）分布在門(mén)扇周?chē)榱吮ＷC乘客安全，安全區(qū)的傳感器檢測(cè)到被遮擋信號(hào)時(shí)，閘機(jī)扇門(mén)會(huì)保持打開(kāi)狀態(tài)，以免夾傷乘客。離開(kāi)區(qū)的傳感器（S11、S12、S13、S14、S15 和 S16）用來(lái)檢測(cè)乘客是否通過(guò)閘機(jī)。通過(guò)對(duì)傳感器的功能分區(qū)，可以很好地簡(jiǎn)化通行識(shí)別算法。

圖1 閘機(jī)傳感器位置分布

1.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

閘機(jī)通道中的物體會(huì)遮擋住傳感器從發(fā)射端到接收端的紅外線信號(hào)。如接收端接收不到發(fā)射端的傳感器信號(hào)，則傳感器對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)為1，否則為0。傳感器信號(hào)與閘機(jī)邏輯控制板的控制系統(tǒng)采用串口通信，半雙工模式。邏輯控制板會(huì)根據(jù)采集到的傳感器信號(hào)來(lái)控制閘機(jī)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

2 事件處理

2.1 事件分析

閘機(jī)在未檢測(cè)到有效卡的情況下保持常閉狀態(tài)。當(dāng)乘客刷卡之后，閘機(jī)門(mén)打開(kāi)。當(dāng)乘客進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)時(shí)，閘機(jī)邏輯控制板根據(jù)接收到的傳感器狀態(tài)信號(hào)判斷乘客是否合法通行，并發(fā)送相應(yīng)信號(hào)控制閘機(jī)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

閘機(jī)作為收費(fèi)設(shè)備，需盡可能減少票務(wù)損失。通行邏輯控制能對(duì)各種逃票行為（尾隨等）進(jìn)行識(shí)別并發(fā)出相應(yīng)警告，既能保證持票乘客正常進(jìn)出，又能避免票務(wù)損失［4］。乘客通過(guò)閘機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列。通行邏輯控制板可根據(jù)傳感器遮擋狀態(tài)信號(hào)判斷乘客是否攜帶行李，以及是否合法通行。

不同工況的傳感器狀態(tài)時(shí)間序列圖如圖2～6所示。由圖2、圖3可見(jiàn)，乘客單人進(jìn)入閘機(jī)與乘客背包進(jìn)入閘機(jī)的差別不大。由于背包與乘客緊貼且和乘客無(wú)明顯相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可看作同一個(gè)運(yùn)動(dòng)個(gè)體。由圖4可見(jiàn)，乘客手拉行李箱進(jìn)站時(shí)，如行李箱較大則會(huì)有個(gè)別傳感器在某一時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)遮擋的情況。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)乘客試圖尾隨其他乘客時(shí)，傳感器會(huì)識(shí)別閘機(jī)通道內(nèi)有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)個(gè)體，邏輯控制板根據(jù)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)個(gè)體之間的距離，判斷乘客是否為非法通行并控制閘機(jī)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，發(fā)出聲光報(bào)警。由圖6可見(jiàn)，當(dāng)乘客甩手進(jìn)入閘機(jī)時(shí)，傳感器 S1、S2、S3、S14、S15 和 S16 狀態(tài)圖中會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)離散的時(shí)間點(diǎn)；當(dāng)乘客逆向行走時(shí)，會(huì)首先遮擋住傳感器S16，這在單向通行通道，即可判斷為非法通行。

圖2 單人正常通過(guò)時(shí)的閘機(jī)傳感器狀態(tài)圖

圖3 單人背包且背包后置時(shí)的傳感器狀態(tài)圖

圖4 單人手拉行李箱時(shí)的傳感器狀態(tài)圖

圖5 雙人相距較大時(shí)的傳感器狀態(tài)圖

圖6 單人逆向甩手時(shí)的傳感器狀態(tài)圖

2.2 事件觸發(fā)

通道中乘客的行為動(dòng)作會(huì)影響傳感器信號(hào)的變化。在行走過(guò)程中人體下肢的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)周期性的循環(huán)運(yùn)動(dòng)［10］。乘客通過(guò)閘機(jī)的事件如圖7所示。傳感器S4和S5的水平距離僅為13 cm，如乘客（除特別瘦的除外）步行進(jìn)入閘機(jī)，就必然會(huì)同時(shí)遮擋傳感器S4和S5的信號(hào)。此外，由于閘機(jī)傳感器呈對(duì)稱分布，所以乘客繼續(xù)前行時(shí)S11和S12也必然會(huì)被同時(shí)遮擋。根據(jù)傳感器被遮擋的時(shí)間，通行邏輯控制板可判斷是乘客身體遮擋還是攜帶的物品遮擋，進(jìn)而識(shí)別出乘客未刷卡尾隨上一位乘客進(jìn)入閘機(jī)的情況。當(dāng)未刷卡乘客緊貼上一位乘客時(shí)，或二者距離小于10 cm時(shí)，閘機(jī)會(huì)放行，以免影響持有效車(chē)票的乘客通行安全。當(dāng)前一位乘客通過(guò)安全區(qū)，進(jìn)入離開(kāi)區(qū)之后，閘機(jī)就會(huì)允許下一名乘客通行。

根據(jù)傳感器信號(hào)的變化，閘機(jī)系統(tǒng)會(huì)識(shí)別相應(yīng)的通行事件類型。常見(jiàn)的非法通行事件包括未刷卡尾隨、兩人緊貼通行、乘客試圖跳躍閘機(jī)、乘客匍匐下鉆試圖免票、反向入侵等。常見(jiàn)的合法通行事件包括單人正常刷卡進(jìn)入、單人攜帶行李背包、成人帶領(lǐng)免票兒童等。

圖7 乘客通過(guò)閘機(jī)的事件

2.3 閘機(jī)開(kāi)關(guān)控制

閘機(jī)系統(tǒng)可大量采集通行事件對(duì)應(yīng)的傳感器遮擋狀態(tài)數(shù)據(jù)，并分類錄入數(shù)據(jù)庫(kù)；將乘客進(jìn)入閘機(jī)時(shí)產(chǎn)生的傳感器信號(hào)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，初步判斷乘客是否合法通行，再根據(jù)觸發(fā)的事件控制閘機(jī)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

3 其他閘機(jī)智能識(shí)別功能

3.1 人臉識(shí)別

由于在高峰期乘坐地鐵的大多是上班族，有固定的進(jìn)站和出站地點(diǎn)。地鐵售票部門(mén)可針對(duì)上班族發(fā)放長(zhǎng)期票，并設(shè)置專用閘機(jī)通道。發(fā)放長(zhǎng)期票時(shí)錄入乘客臉部圖像信息，并在長(zhǎng)期票專用通道的閘機(jī)入口安裝攝像頭，以識(shí)別人臉輪廓（如圖8所示）。攝像頭可自動(dòng)采集前方乘客臉部信息。當(dāng)人臉識(shí)別完成后，乘客剛好到達(dá)閘機(jī)刷卡處。這樣，乘客進(jìn)入地鐵口無(wú)需刷卡。如閘機(jī)識(shí)別出人臉輪廓符合之前錄入的信息，則閘機(jī)門(mén)開(kāi)啟。當(dāng)檢測(cè)到不符合數(shù)據(jù)庫(kù)的人員闖入時(shí)，閘機(jī)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并關(guān)閉閘機(jī)門(mén)。人臉識(shí)別技術(shù)可對(duì)上班族有效分流，降低閘機(jī)口滯留的情況，減少閘機(jī)門(mén)的動(dòng)作時(shí)間，提高閘機(jī)識(shí)別速度，減少高峰期擁堵現(xiàn)象。

3.2 人流量預(yù)測(cè)

在不同時(shí)間、不同閘機(jī)口的進(jìn)站客流都是有很大差別的。通過(guò)ARIMA模型分析以往每個(gè)閘機(jī)口的客流量，可預(yù)測(cè)每個(gè)時(shí)段的客流量。據(jù)此，可合理安排工作人員，疏導(dǎo)城市交通；還可通過(guò)調(diào)節(jié)閘機(jī)的參數(shù)，控制閘機(jī)開(kāi)關(guān)門(mén)的速度，提高閘機(jī)工作效率。

圖8 人臉識(shí)別閘機(jī)系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)南京地鐵1號(hào)線閘機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用傳感器設(shè)計(jì)、事件識(shí)別技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了逃票尾隨現(xiàn)象的識(shí)別，可減少票務(wù)部門(mén)的損失。

未來(lái)還可通過(guò)在特定通道設(shè)置人臉識(shí)別，提高閘機(jī)識(shí)別率和效率；同時(shí)，通過(guò)ARIMA模型預(yù)測(cè)擁堵?tīng)顩r，實(shí)現(xiàn)城市交通的有效管理。

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Research on IntelligentIdentification in RailTransit Station Gate Machine

MAOFei，KONGHuihui，LIHongsheng，KANGYufang，ZHU Wei

According to the distribution of ticket gate switch of Nanjing Metro Line 1,and combined with the data of human size,eventand region recognition methods,the influence of different passenger behaviors on the sensor state is analyzed.On this basis,the sensor design,event recognition and handling techniques are adopted and compared with the data base,in order to reduce the fare evasion,trailing phenomenon and ticketing loss.Through adding the face recognition function in special lanes,gate machine working efficiency is increased and effective passengerdivision achieved.Also through passenger peak analysis by using the ARIMA model，reasonable allocation of resources is actualized.

rail transit；gate machine system；intelligent identification

First-author′s address Nanjing Kangni Electronic Technology Co.，Ltd.，210013，Nanjing，China

U293.22

10.16037/j.1007-869x.2017.12.032

2017-03-30）