基于時空擁擠度的地鐵擁擠踩踏事故實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

王 艷，彭 超，魏嘉池，游藝林

地鐵交通以其運量大、速度快、平穩(wěn)、1準(zhǔn)時性高等優(yōu)勢成為城市出行首選，有效緩解了地面交通擁堵的現(xiàn)狀。然而地鐵車站有限的容量與日益增長的客流量之間的矛盾愈加突出，地鐵站內(nèi)人流擁擠踩踏事故風(fēng)險也隨之增大。

國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)對擁擠踩踏事故發(fā)生機(jī)理[1-2]、構(gòu)建擁擠踩踏事故量化分析模型[3-7]等方面進(jìn)行了很多研究，我國一些學(xué)者研究了地鐵擁擠踩踏事故監(jiān)測應(yīng)急系統(tǒng)：陳鵬[8]等基于公共環(huán)境下密集人群擁擠踩踏事故的發(fā)生機(jī)理，提出了面向公安應(yīng)急的基于實時監(jiān)測技術(shù)的密集人群踩踏事故預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要適用于室外大型社會活動的管理，不宜應(yīng)用到地鐵站這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的建筑。彭博[9]等通過識別監(jiān)控視頻中行人的外部輪廓實現(xiàn)行人監(jiān)測，由于受到行人運動方向、遮擋情況、攝像頭像素以及跟蹤算法等因素影響，該方式僅能實現(xiàn)人流數(shù)目的估算且在行人跟蹤方面存在局限。

因此，建立一套信息采集實時準(zhǔn)確、反饋及時、應(yīng)用智能化的地鐵車站擁擠踩踏事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實意義。

基于時空擁擠度理論，融合BIM和RFID技術(shù)，提出與構(gòu)建地鐵擁擠踩踏事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)而依據(jù)相關(guān)規(guī)范改進(jìn)完善擁擠程度劃分、細(xì)化預(yù)警等級，為提高擁擠踩踏事故監(jiān)測水平和智能預(yù)警提供新思路。

1 系統(tǒng)需求分析及支撐技術(shù)

1.1 系統(tǒng)需求分析

任何一次突發(fā)事件都必然經(jīng)歷一個危險因素潛伏、由量變到質(zhì)變轉(zhuǎn)化、迅猛爆發(fā)的過程，城市地鐵應(yīng)急監(jiān)測預(yù)警是力求避免城市地鐵內(nèi)外部風(fēng)險演化為突發(fā)事件[10]。地鐵站周圍常建有商場、廣場等人群聚集的建筑物和場所，使得地鐵站突發(fā)性大客流情況時常發(fā)生，因此，要求監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實時監(jiān)測、準(zhǔn)確統(tǒng)計客流量，并且能夠?qū)⑷巳壕奂癄顟B(tài)和運動狀態(tài)等信息參數(shù)化、可視化地展示給地鐵安全管理層，為管理層采取相關(guān)應(yīng)對措施提供參考。

1.2 系統(tǒng)支撐技術(shù)

針對實時監(jiān)測和信息參數(shù)化需求，選用無線射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)，該技術(shù)是一種新興的非接觸式的信息采集工具，通常由讀卡器、RFID標(biāo)簽組成，具有采集信息自動化程度高、主動識別、采集及時準(zhǔn)確、作用對象廣泛且可存儲信息等特點，目前，該技術(shù)以其強(qiáng)大的識別功能和日趨低廉的價格，已被用于身份證件和門禁控制、庫存跟蹤以及生產(chǎn)控制中。

針對可視化反映人群聚集狀態(tài)和運動狀態(tài)等信息的需求，選用BIM（building information modeling，建筑信息模型）技術(shù)，該技術(shù)以其參數(shù)化建模、三維可視化、協(xié)調(diào)管理等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)得到工程界的廣泛認(rèn)可和關(guān)注。地鐵工程作為建筑工程的重要組成部分，不可避免地面臨如何實現(xiàn)BIM理念的問題。

BIM與RFID技術(shù)集成的可行性已經(jīng)被證實[11]，部分學(xué)者研究了將BIM和RFID技術(shù)集成應(yīng)用于施工現(xiàn)場安全監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)并建立了監(jiān)控系統(tǒng)[12]，此外，基于BIM和RFID技術(shù)的可主動預(yù)防高空墜落的安全信息管理系統(tǒng)也已經(jīng)被建立[13-14]。

相對于現(xiàn)有的人工巡邏、高清視頻監(jiān)測等方式，使用 BIM 和 RFID技術(shù)集成進(jìn)行地鐵車站客流量監(jiān)測，可以實現(xiàn)高效安全監(jiān)測，具體監(jiān)測方式效果對比如表1所示。

表1 監(jiān)測方式效果對比Tab. 1 Comparison of monitoring methods

2 核心算法

為更好地處理時間和空間中人群聚集狀態(tài)、運動狀態(tài)等信息，本文以時空擁擠度[15]為理論依據(jù)，量化人群擁擠狀態(tài)。時空擁擠度可以描述時間與空間維度上的移動對象的擁擠程度，反映某區(qū)域人群流動時行人聚集的時間特征，并且能夠反映乘客在疏散過程中的舒適性。若Aij區(qū)域Δt的時間內(nèi)，通過的總?cè)藬?shù)為域的通行能力，取值見表2。

表2 《地鐵設(shè)計規(guī)范》中車站內(nèi)各設(shè)備的最大通過能力Tab. 2 The maximum capacity of the equipment within station in Code for Design of Metro

Vij/ Cij表示監(jiān)測區(qū) Aij在 Δt內(nèi)的飽和度，f表示監(jiān)測區(qū)域Aij在Δt內(nèi)的飽和度，（Vij/Cij＜0.5），當(dāng)飽和度大于0.5時，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的行人開始出現(xiàn)相互擁擠，將這種擁擠定義為時空擁擠度。時空擁擠度越大表明監(jiān)測區(qū)域擁堵越嚴(yán)重。

3 系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)功能組成

本系統(tǒng)包括監(jiān)測層、集成層、分析層和預(yù)警層 4個層次，各層次功能見表3。

表3 各層次構(gòu)成元件及功能Tab. 3 Components and functions at all levels

3.2 系統(tǒng)規(guī)則定義

3.2.1 監(jiān)測區(qū)域單元劃分

自動扶梯、換乘樓梯以及狹長通道是擁擠踩踏事故易發(fā)場所，本系統(tǒng)主要針對上述場所進(jìn)行監(jiān)測。首先將自動扶梯、換乘樓梯以及狹長通道等監(jiān)測關(guān)鍵位置編號Ai（i=1，2，3，…），再根據(jù)實際需要將這些關(guān)鍵位置劃分為若干個監(jiān)測單元，并編號為Aij（i=1，2，3，…，j=1，2，3，…）。如圖1、圖2所示。

圖1 監(jiān)測扶梯編號及樓層中位置示意圖Fig. 1 The illustration of the escalator for monitoring and the location in the floor

3.2.2 RFID標(biāo)簽定義及設(shè)備布置

圖2 整部扶梯上的監(jiān)測單元劃分示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the monitoring unit on the entire escalator

地鐵卡作為每一位乘客的乘車準(zhǔn)入證，具有唯一性、獨立性、可攜帶性、附屬性等特點。為實現(xiàn)對處于移動狀態(tài)的行人的有效監(jiān)督，本系統(tǒng)在乘客的地鐵卡中內(nèi)置RFID標(biāo)簽，將標(biāo)簽的ID與地鐵卡的ID設(shè)置一致并添加至BIM數(shù)據(jù)集成管理平臺。為保證讀取率，本系統(tǒng)所采用的RFID標(biāo)簽為超高頻（ultra high frequency，UHF）的無源標(biāo)簽，該標(biāo)簽可以實現(xiàn)10 m范圍內(nèi)的讀寫且獨立于車票芯片工作，價格低廉、可循環(huán)使用，經(jīng)濟(jì)高效。同時，為高效地監(jiān)測自動扶梯、換乘樓梯以及狹長通道，需在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)合理布置適宜數(shù)量的讀寫器。相關(guān)研究表明，UHF頻段輻射對人體的影響可以忽略不計[16]。

3.2.3 BIM模型建立

地鐵站 BIM 模型是本系統(tǒng)信息化和可視化功能實現(xiàn)的主要載體，為使本系統(tǒng)高效運行，系統(tǒng)啟動前應(yīng)建立完備的BIM3D模型，本系統(tǒng)要求BIM3D模型的結(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)施的模型精準(zhǔn)。

3.2.4 擁擠程度劃分

時空擁擠度理論僅指出飽和度大于0.5時達(dá)到擁擠狀態(tài)，并未對擁擠程度進(jìn)行細(xì)致劃分，為使得該系統(tǒng)能夠量化預(yù)警，筆者參考我國頒發(fā)的《國家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》手冊，將擁擠狀態(tài)細(xì)分為3個等級：

1）III級 0 ＜ f ≤0.008，輕微擁擠：行人能以正常步速前進(jìn)或繞越他人，當(dāng)存在橫穿人流或反方向行進(jìn)時，速度和流率有所下降；

2）II級 0.008 ＜ f ≤0.016，一般擁擠：行人正常步速和繞越他人受限，當(dāng)存在橫穿人流或反方向行進(jìn)時，容易發(fā)生沖突；

3）I級 0.016 ＜ f ≤0.025，嚴(yán)重?fù)頂D：所有行人的正常步速受限，不可避免地與他人接觸，橫穿人流或反方向行進(jìn)非常困難。

3.2.5 預(yù)警等級劃分

為實現(xiàn)可視化預(yù)警，本系統(tǒng)以顏色區(qū)分進(jìn)行警示，如表4所示。

表4 預(yù)警等級劃分Tab. 4 The division of early warning levels

3.2.6 系統(tǒng)實現(xiàn)代碼

筆者選用 MATLAB軟件，對該系統(tǒng)的核心算法進(jìn)行編程，其中v1表示輕微擁擠，v2表示一般擁擠，v3表示嚴(yán)重?fù)頂D，v4表示暢通。部分MATLAB代碼如下：

prompt='the value of i '；

i=input（prompt）；

filename=input（'site of N '）；

filename2=input（'site of C '）；

N=Getdata（filename，1）；

C=getC（filename2，i）；

t=1；

[v1，v2，v3，v4]=f（N，C，t）；

v1=Newshape（v1）；

v2=Newshape（v2）；

v3=Newshape（v3）；

v4=Newshape（v4）；

filename3=input（'site of results '）；

output（v1，v2，v3，v4，filename3）；

3.3 系統(tǒng)功能及流程設(shè)計（見圖3）

圖3 基于時空擁擠度的地鐵擁擠踩踏事故實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)流程圖Fig. 3 The flow chart of the monitoring and early warning system for subway stampede accidents based on space-time congestion concept

4 系統(tǒng)應(yīng)用實例

本文以圖4所示地鐵站為實例，展示本系統(tǒng)的具體使用過程。為驗證基于時空擁擠度理論的地鐵擁擠踩踏事故實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的可靠性和適用性，首先利用REVIT軟件建立車站BIM模型、劃分監(jiān)測單元，當(dāng)乘客進(jìn)入自動扶梯、換乘樓梯以及狹長通道等區(qū)域時，RFID讀寫器會立刻讀取標(biāo)簽的信息并自動生成定位數(shù)據(jù)，上傳至BIM數(shù)據(jù)集成管理平臺，系統(tǒng)在匯總每一監(jiān)測區(qū)域總?cè)藬?shù)之后，經(jīng)由 MATLAB程序代碼計算出飽和度及相應(yīng)的預(yù)警等級，最后在BIM模型中可視化顯示相關(guān)預(yù)警區(qū)域，如圖5所示。紅色警示區(qū)域為嚴(yán)重?fù)頂D，橙色顯示區(qū)域一般擁擠，黃色顯示區(qū)域為輕微擁擠狀態(tài)，其他區(qū)域為暢通狀態(tài)。地鐵安全管理層需根據(jù)警示顏色采取相應(yīng)疏導(dǎo)措施。

圖4 某地鐵站BIM 3D模型Fig. 4 BIM 3D model of a subway station

圖5 系統(tǒng)效果示意Fig. 5 Schematic diagram of the system

5 結(jié)論

筆者以時空擁擠度為理論支撐，綜合運用BIM與RFID技術(shù)，設(shè)計并構(gòu)建了地鐵擁擠踩踏事故實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，研究結(jié)論如下：

1）能夠?qū)崟r、自動、動態(tài)地識別目標(biāo)對象和讀取相關(guān)信息數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)動態(tài)跟蹤，有效避免人工識別易出現(xiàn)的缺陷和漏洞等弊端。

2）在乘客的地鐵卡中內(nèi)置RFID標(biāo)簽，使得該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對處于移動狀態(tài)的行人的有效監(jiān)督，以動態(tài)的方式來監(jiān)測，可及時全面地辨識問題，做到有效、實時、全面的監(jiān)測預(yù)警。

3）本系統(tǒng)主要針對自動扶梯、換乘樓梯以及狹長通道進(jìn)行應(yīng)用，未能充分考慮地鐵整體情況，后期應(yīng)對該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)完善，從而保證地鐵擁擠踩踏事故實時監(jiān)測預(yù)警的全局性和準(zhǔn)確性。

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