基于多紅外傳感器的閘機通行邏輯設(shè)計及實現(xiàn)研究

李大偉，王劍飛

(1.寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江寧波 315010)

(2.通號信息產(chǎn)業(yè)有限公司，北京 100070)

閘機是鐵路和軌道交通自動售檢票系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其利用外部傳感器和內(nèi)部智能識別系統(tǒng)對乘客的通行行為進行識別，實現(xiàn)自動檢票放行[1]。目前閘機對乘客的行為識別技術(shù)主要包括事件識別、步態(tài)識別和人體輪廓識別3種。步態(tài)識別和人體輪廓識別根據(jù)攝像頭傳感器獲取對象信息，數(shù)據(jù)量龐大，運算復雜程度高，實時性較差，對閘機人體識別并不適用[2-3]；事件識別采用多紅外傳感器測量離散化的人體步態(tài)信號[4-5]，通過識別算法對乘客的通行行為進行識別，控制閘機動作。該識別技術(shù)數(shù)據(jù)量較小，實時性好，成為閘機人體識別技術(shù)研究的熱點。

本文利用多對對射式高精度紅外傳感器進行閘機檢測單元的結(jié)構(gòu)布局和功能設(shè)計，采用事件識別和區(qū)域識別相結(jié)合的方法進行研究。

1 閘機通道檢測要求

根據(jù)中國國家鐵路集團有限公司的技術(shù)文件要求，適用于鐵路行業(yè)的閘機需要至少滿足旅客無票闖閘、無票旅客尾隨、旅客反向闖閘和攜帶行李的旅客4 種通行狀態(tài)的檢測識別[6]。根據(jù)通行狀態(tài)識別的要求，本文研究的閘機系統(tǒng)實現(xiàn)了單人正常通行、旅客無票闖閘、旅客反向闖閘、無票旅客尾隨和攜帶行李的旅客5 種閘機常見通行狀態(tài)的檢測[7-8]。因為5種通行狀態(tài)是按通行類型不同而做出的定義和區(qū)分，但具體通行狀態(tài)的發(fā)生都是時間點的函數(shù)，是在具體時刻發(fā)生的通行事件。因此在后文的研究中，將5種通行狀態(tài)稱作通行事件。

1.1 單人正常通行

當單人旅客在閘機入口區(qū)經(jīng)過一次授權(quán)確認時，閘機扇門開啟，行人正常通過閘機門并走出出口區(qū)，閘機扇門重新關(guān)閉。在此過程中，并沒有其他無票旅客尾隨和旅客反向闖閘事件發(fā)生。若該旅客帶有行李，也并未發(fā)生閘機扇門夾住行李的現(xiàn)象。則此事件就是一個完整的單人正常通行事件。

1.2 旅客無票闖閘

閘機扇門關(guān)閉狀態(tài)下，進入閘機方向上沒有合法授權(quán)時，當有旅客企圖通過通道，閘機系統(tǒng)檢測識別到非法闖閘人員，閘機扇門保持關(guān)閉狀態(tài)，阻止旅客無票闖閘事件的發(fā)生。

1.3 旅客反向闖閘

旅客反向闖閘就是指旅客從閘機指定進入方向的反方向進入閘機，而引發(fā)的非法闖閘事件，主要分為兩種形式的反向闖閘。方式1：當閘機扇門關(guān)閉時，旅客從反方向未經(jīng)合法授權(quán)進入閘機通道，且此時正向（閘機指定進入方向）沒有旅客進入；方式2：當閘機扇門關(guān)閉時，閘機正向有一次合法授權(quán)，正向通行旅客進入閘機但并未完成通行，此時反向有人逆向闖入閘機。

在具體分析旅客反向闖閘事件時，兩種形式的反向闖閘都需要加以考慮。

1.4 無票旅客尾隨

無票旅客尾隨事件是閘機非法事件中最容易發(fā)生的事件，主要是指前一位授權(quán)者經(jīng)授權(quán)通過后，在閘機扇門還未關(guān)閉時，閘機扇門后面跟隨著的旅客未經(jīng)授權(quán)強行快速通過的情況。這種事件的發(fā)生會對閘機核驗功能產(chǎn)生負面影響，因此設(shè)計的閘機通道檢測需要在保證旅客安全的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)最少尾隨距離小于（包括等于）200 mm 的要求。

1.5 攜帶行李的旅客

根據(jù)中國鐵路總公司的文件要求，當旅客攜帶行李處于通行狀態(tài)時，閘機扇門不得關(guān)閉，以保證旅客順利安全通過閘機。因此，在閘機檢測識別功能設(shè)計時，必須充分考慮帶行李旅客的通行事件發(fā)生時旅客的人身和財產(chǎn)（隨身攜帶的行李）安全。

2 閘機紅外傳感器設(shè)計方案

2.1 閘機紅外傳感器功能設(shè)計

閘機通道的識別檢測設(shè)計就是在保證旅客安全和通行能力的原則和基礎(chǔ)上，滿足閘機通道檢測要求的可行方案。設(shè)計選擇對射式高精度紅外傳感器來實現(xiàn)對旅客和行李的識別檢測，傳感器分為安全光幕、測量光幕和進出口光電，安全光幕設(shè)置于閘機通道底部，測量光幕設(shè)置于進站一側(cè)。閘機紅外傳感器設(shè)置方案如圖1 所示。

對射式紅外傳感器共有3 對光幕和3 對光管，分別標號1 ～6。1、5 和6 屬于光管紅外傳感器，2、3 和4 屬于光幕傳感器，分別安裝在閘機通道兩側(cè)。當有旅客通過或者當旅客行李等攜帶物阻擋了相應的傳感器時，傳感器另一側(cè)就接收不到對側(cè)發(fā)來的紅外信號，根據(jù)傳感器設(shè)計的算法邏輯判斷不同的通行狀態(tài)和通行事件。

圖1 閘機紅外傳感器設(shè)置方案Fig.1 Setting scheme of gate infrared sensor

各傳感器的位置設(shè)置和對光管、光幕傳感器的選擇完全是基于不同的通行狀態(tài)來設(shè)計的。其中:傳感器1 主要用來檢測是否有未授權(quán)旅客正向闖閘事件發(fā)生并限制旅客站位。如果旅客在授權(quán)前觸發(fā)傳感器1，則可能引發(fā)閘機聲光報警，需要旅客退回閘機外并重新獲得授權(quán)才可通過。傳感器2 是測量光幕，測量光幕上沿高1.1 m，主要用于判斷通行者的高度。如果通行物同時觸發(fā)測量光幕上下沿，則可以判定為旅客，如果只觸發(fā)了光幕傳感器下沿，則可以判定為行李或者小孩。傳感器3 和4 是安全光幕，用來檢測通行情況和檢測通道內(nèi)是否有人員。如果傳感器被觸發(fā)，則保持閘機扇門打開，防止夾傷旅客或者夾住旅客行李。傳感器5 和6 是用來檢測旅客是否通過通道和是否有旅客反向闖閘事件發(fā)生。

2.2 閘機紅外傳感器邏輯設(shè)計

根據(jù)需要滿足的閘機檢測功能，對閘機紅外檢測邏輯進行設(shè)計。根據(jù)一次單人正常通行事件的發(fā)生過程，將閘機紅外檢測區(qū)域分為3 個部分，分別是入口區(qū)、安全通行區(qū)和出口區(qū)，各部分包含的傳感器如圖2 所示。

對射式紅外傳感器的工作原理是當一側(cè)的發(fā)射信號被另一側(cè)接收到時，傳感器傳入一個狀態(tài)信號；當被障礙物阻擋未能被另一側(cè)接收時，傳入另一個狀態(tài)信號。設(shè)在t 時刻第n 個傳感器的狀態(tài)為：

圖2 閘機區(qū)域劃分與傳感器布置Fig.2 Area division and sensor arrangement of the gate

t 時刻閘機通道傳感器狀態(tài)向量為：

S0，S1，S2代表入口區(qū)、安全通行區(qū)、出口區(qū)的區(qū)域變量，當該區(qū)域有傳感器被遮擋時，區(qū)域變量為1，當沒有被遮擋時，區(qū)域變量為0。則根據(jù)區(qū)域狀態(tài)識別方法，可以用從000-111 的所有二進制數(shù)字表示3 個分區(qū)內(nèi)的所有通行狀態(tài)。當單人正常通行時，閘機經(jīng)歷的通行狀態(tài)是：無人態(tài)→入口態(tài)→安全通行態(tài)→出口態(tài)→無人態(tài)。由此可以得到所有通行狀態(tài)或通行事件的真值表，如表1 所示。

表1 通行狀態(tài)真值表Tap.1 Truth table of the transit state

2.2.1 單人正常通行紅外邏輯

單人旅客準備通過閘機時，需要經(jīng)過以下幾步。

第一步：閘機待檢狀態(tài)下，通行人員站在閘機前0.3 ～0.5 m 的位置，如旅客隨身攜帶行李，應放在旅客身后，防止行李提前進入閘機觸發(fā)正向闖閘傳感器。

第二步：用閘機允許的方式正確取得授權(quán)。

第三步：待提示核驗通過時，通道閘門打開，旅客快速通過閘機走出通道。

如果單次通行過程中，沒有其他非法事件產(chǎn)生，則這就是單人正常通行事件，也是閘機系統(tǒng)和紅外邏輯設(shè)計最終希望得到保證的事件。

2.2.2 旅客無票闖閘紅外邏輯

旅客無票闖閘主要就是靠傳感器1 來檢測旅客是否在通行前得到合法授權(quán)，如果未得到合法授權(quán)就觸發(fā)傳感器1，則認為旅客正在進行無票闖閘事件，如圖3 所示。

圖3 旅客無票闖閘紅外邏輯示意Fig.3 Infrared logic for passengers entering without tickets

2.2.3 旅客反向闖閘紅外邏輯

當反向闖閘形式1 發(fā)生時，閘門處于關(guān)閉狀態(tài)，且該方向上沒有合法授權(quán)時，有人企圖通過通道，此時，非法闖閘者會觸發(fā)傳感器6，引發(fā)聲光報警，如圖4 所示。

圖4 旅客反向闖閘形式1紅外邏輯示意Fig.4 Infrared logic for passengers reverse entry form 1

當反向闖閘形式2 發(fā)生時，當A 方向上有一次合法授權(quán)，閘門打開但并未完成通行時，B 方向上有人逆向非法進入，如果移動門翼尚未開啟，則繼續(xù)保持關(guān)閉狀態(tài)并引發(fā)報警，直到非法人員退出感應區(qū)域；如果門翼已經(jīng)打開，且有一人正在通過門翼（防夾區(qū)域），則以人身安全為優(yōu)先，但保持報警器并提供報警信號；如無人觸發(fā)到防夾區(qū)域傳感器，則閘門關(guān)閉。如圖5 所示。

圖5 旅客反向闖閘形式2紅外邏輯示意Fig.5 Infrared logic for passengers reverse entry form 2

2.2.4 無票旅客尾隨紅外邏輯

當合法授權(quán)者已經(jīng)通過閘機扇門后，傳感器1又感應到同方向上有另一個沒有合法授權(quán)的尾隨者。發(fā)生該種尾隨時，合法者可以正常通過，且設(shè)備會關(guān)閉扇門阻擋住尾隨者并報警，如圖6 所示。

圖6 無票旅客尾隨紅外邏輯示意Fig.5 Infrared logic for ticket-less passengers following entry

另外一種情形是第一個合法的授權(quán)者尚未通過扇門之前，傳感器 1 檢測到有非法人員進入速通門感應區(qū)域。傳感器工作特點是，兩組非連續(xù)的傳感器同時感應到有人員通過。如果扇門已經(jīng)開啟，且合法者正在通過，則合法者正常通過，如果非法者間隔較遠，閘機扇門關(guān)門阻擋， 如果非法者間隔太近，以保護人身安全為前提下，扇門不會強行關(guān)閉，但是會通過報警器并提供報警信息。如圖7 所示。

圖7 無票旅客尾隨紅外邏輯示意Fig.7 Infrared logic for ticket-less passengers following entry

2.2.5 攜帶行李的旅客識別紅外邏輯

當旅客攜帶行李通過閘機通道時，因行李不超過1.1 m，因此只能觸發(fā)傳感器2 測量光幕的下沿，根據(jù)紅外光幕觸發(fā)位置的不同，判斷旅客是否攜帶行李，保證閘門不會關(guān)閉夾住行李，確保安全。

3 實驗結(jié)果和結(jié)論

根據(jù)紅外傳感器的功能設(shè)計方案和邏輯設(shè)計方案進行樣機設(shè)計，對5 種常見的通行事件進行人為實驗，實驗結(jié)果顯示多紅外傳感器的閘機的通行方案中紅外邏輯的設(shè)計滿足鐵路行業(yè)進站標準和要求，能很好地適用于鐵路車站驗檢票業(yè)務。