江興盟

（河南省高速鐵路運(yùn)營維護(hù)工程研究中心，河南鄭州，451460）

0 引言

本文提出設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺技術(shù)的地鐵擁擠度提示系統(tǒng)，在列車進(jìn)站之前能夠提示乘客等候位置車廂的擁擠情況，乘客就能提前移動到人員較少的車廂位置等候，既提高乘客的乘坐體驗(yàn)也提高了地鐵的運(yùn)營效率。

1 技術(shù)方案

地鐵車廂立席乘客的空間舒適度方面的研究，吳奇兵等[2]引入地鐵車廂內(nèi)乘客心理舒適度，結(jié)合乘客感知空間舒適性調(diào)查，建立乘客空間理論模型，并以此得到基于空間舒適性的立席密度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。從而得出地鐵車廂內(nèi)乘客的舒適感與立席密度有關(guān)，也就是與車廂實(shí)際人數(shù)的多少有關(guān)。

表1 基于乘客空間舒適性的立席密度

因此有效統(tǒng)計(jì)出地鐵車廂內(nèi)實(shí)際人數(shù)，成為問題解決的關(guān)鍵。

目前，上海軌道交通12號線和深圳地鐵11號線采用了車輛稱重的方法，檢測乘客載重量，從而估算出列車載客人數(shù)。該方法主要通過在列車車廂的懸掛彈簧上安裝壓力傳感器，檢測計(jì)算出列車的承載重量，再根據(jù)乘客的平均體重計(jì)算出車廂載客人數(shù)。車輛稱重技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)反饋車廂乘客載重量，但由于地鐵運(yùn)行中顛簸等原因，在載客人數(shù)與載重量之間的轉(zhuǎn)變上，無法確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度與有效性。

本文采用的方法是運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)，通過攝像頭拍攝的視頻圖像結(jié)合智能識別算法, 檢測出車廂內(nèi)部乘客的人數(shù)及擁擠度信息。地鐵擁擠度提示系統(tǒng)主要組成包括：車廂內(nèi)機(jī)器視覺模塊、中心服務(wù)器、PIS服務(wù)器、車站顯示屏終端，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

列車車廂安裝由攝像頭和前端處理器構(gòu)成的車廂機(jī)器視覺模塊，通過對車廂內(nèi)乘客人員的圖像采集，并將檢測圖像發(fā)送到擁擠度識別系統(tǒng)中進(jìn)行識別檢測，通過分析計(jì)算，識別計(jì)算出車廂人員擁擠度情況，分為4個(gè)擁擠度等級，疊加車廂編號信息發(fā)送到車載監(jiān)控主機(jī)。車載監(jiān)控主機(jī)再疊加上列車編號，通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到中心服務(wù)器。

中心服務(wù)器匯總各運(yùn)營列車的實(shí)時(shí)擁擠度數(shù)據(jù)信息，與PIS服務(wù)通信，由PIS系統(tǒng)進(jìn)一步接收、解析，分別將對應(yīng)列車數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)車站，并轉(zhuǎn)換成圖形界面，傳送到車站顯示屏，為乘客提供參考。

2 車載設(shè)備部分

通過地鐵車廂中安裝的攝像頭抓取圖像，送到前端處理器進(jìn)行圖像分析，識別出車廂內(nèi)擁擠度情況，疊加上車輛編號和車廂編號，通過網(wǎng)絡(luò)單播的方式，通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給中心服務(wù)器。

2.1 圖像獲取

由于地鐵車廂內(nèi)部空間狹長，高峰時(shí)段非常擁擠，單臺攝像機(jī)無法覆蓋整個(gè)地鐵車廂。每節(jié)車廂內(nèi)通常布置四臺攝像機(jī)，攝像機(jī)兩兩錯位拍攝，每臺攝像機(jī)監(jiān)控范圍約6米。在高峰時(shí)間，車廂非常擁擠，乘客相互遮擋情況較為嚴(yán)重[3]。

通過實(shí)地調(diào)查和對比攝像機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)單節(jié)車廂內(nèi)乘客分布相對均勻，車廂中央通道區(qū)域具有明顯的不同擁堵程度的特征。因此，每節(jié)車廂都會選擇該區(qū)域內(nèi)攝像頭的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 圖像處理

根據(jù)地鐵車輛監(jiān)控視頻的特點(diǎn)，不同位置的乘客在圖像中尺度不同，相互遮擋。在算法選擇方面，與Crowdnet、MCNN、SCNN等方法相比，CSRnet是計(jì)算擁擠人群密度的最佳回歸模型[4]。

CSRNet網(wǎng)絡(luò)可以理解高度擁擠的場景并執(zhí)行準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)估計(jì)以及呈現(xiàn)高質(zhì)量密度圖。該網(wǎng)絡(luò)主要包括前端和后端網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。

圖2 地鐵車廂中間位置采集圖像

前端網(wǎng)絡(luò)采用不含全連接層的VGG-16網(wǎng)絡(luò)，采用3×3的卷積核。研究表明，當(dāng)感知域大小相同時(shí)，卷積核越小，卷積層數(shù)越多，模型優(yōu)于具有較大卷積核和較少卷積層的模型。選用了VGG-16網(wǎng)絡(luò)的10層卷積層和3層池化層的輸出，獲得1/8大小尺寸的特征圖。卷積層數(shù)的增加會減少輸出圖像，增加生成密度圖的難度。因此，使用空洞卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為后端網(wǎng)絡(luò)，在保持分辨率的同時(shí)擴(kuò)展感知域，生成高質(zhì)量的人口分布密度圖。

后端網(wǎng)絡(luò)采用空洞卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。定義一個(gè)二維的空洞卷積如下公式：

其中：x(m,n)是長寬分別為M和N的輸入圖像信息

y(m,n) 是經(jīng)過卷積核w(i,j)得到空洞卷積的輸出參數(shù)r表示空洞率

如果r=1則空洞卷積就是普通卷積。實(shí)驗(yàn)證明，空洞卷積利用稀疏的卷積核，實(shí)現(xiàn)交替卷積和池化操作，在沒有增加網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和計(jì)算規(guī)模的前提下增大了感知域，更適合人群密度估計(jì)任務(wù)。而普通的卷積操作需要增加卷積層數(shù)才能獲得更大的感知域，而且也增加了更多的數(shù)據(jù)操作。空洞率為r的空洞卷積操作，KxK的卷積核會被擴(kuò)大為K+(K-1)(r-1)。圖3中卷積核大小為3×3的感知域分別被擴(kuò)大為5×5和7×7。

圖3 空洞卷積

后端網(wǎng)絡(luò)的六層空洞卷積層，空洞率相同。最后，使用1×1普通卷積層輸出結(jié)果。它的功能是有一個(gè)更大的接收字段，而不需要池化。與傳統(tǒng)的池化、卷積和上采樣操作相比，避免了池化導(dǎo)致的精度損失。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：

填充所有卷積層以保持其原始大小[5]。圖中卷積層的參數(shù)表示為“conv-(卷積核大小)-(通道數(shù))-(空洞率)”，其中最大池化層大小為2×2，步數(shù)為2。

將原始圖像輸入模型得到單通道圖(X/8,Y/8,1)，即預(yù)測的密度圖。將密度圖上的所有值相加，即預(yù)測的人數(shù)。密度圖上值大的表示該區(qū)域人流密集。最終，將檢測的擁擠度劃分為4級。

圖4 CSRNet的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表2 地鐵車廂擁擠度劃分

2.3 數(shù)據(jù)通信

擁擠度信息采用JSON格式，并通過MQTT協(xié)議傳輸?shù)街行姆?wù)器。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議））。它建立在TCP/IP協(xié)議上，，廣泛應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。它基于發(fā)布/訂閱（pub/subscribe）模式“輕量級”的通信協(xié)議。JSON（JavaScript Object Notation）是一種輕量級數(shù)據(jù)交換格式，讀寫方便，也可以由計(jì)算機(jī)解析和生成[6]。

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括車廂擁擠度等級，疊加車輛信息包括：當(dāng)前站、下一站、車輛號、車廂號等通過車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)傳送到中心服務(wù)器。

3 中心PIS服務(wù)器

地鐵PIS系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息服務(wù)功能。軌道交通系統(tǒng)在各車站的站臺、站廳和列車上設(shè)置了PIS顯示屏，使乘客能夠通過顯示屏及時(shí)了解列車的運(yùn)行狀態(tài)和注意事項(xiàng)，并從容地等待、上車和換乘列車。

PIS 在正常情況下，提供列車時(shí)間信息、政府公告、出行參考等實(shí)時(shí)多媒體信息;在火災(zāi)和阻塞情況下，提供緊急疏散信息[7]。

本系統(tǒng)在中心PIS服務(wù)器上，新增自開發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)軟件，其功能通過網(wǎng)絡(luò)組播方式，轉(zhuǎn)發(fā)至各車站的LCD控制器上。

4 車站LCD顯示屏提示

4.1 PIS系統(tǒng)顯示擁擠度信息設(shè)計(jì)方案

在車站的LCD控制器上，解析對應(yīng)列車擁擠度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為圖形化圖像傳送至LCD屏，并需保持其信息發(fā)布和消防信息聯(lián)動功能不變。

修改LCD控制器視頻信號流向，通過HDMI接口輸出。每個(gè)車站站臺LCD控制器新增一個(gè)HDMI轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器支持用控制器的USB端口供電。利用現(xiàn)有光輸出板、光矩陣等設(shè)備，其他視頻信號連接保持不變。

4.2 PIS系統(tǒng)顯示擁擠度信息界面設(shè)計(jì)

顯示器界面在原屏幕下方位置顯示乘客車廂客流密度信息，利用列車示意圖的顏色來表示車廂乘客擁擠程度，其中綠色代表擁擠程度為舒適，黃色代表擁擠程度為適中，橙色代表擁擠程度為擁擠，紅色代表擁擠程度為非常擁擠。其他屏幕信息為原有PIS系統(tǒng)信息。提示系統(tǒng)顯示界面如下圖5所示。

圖5 提示系統(tǒng)顯示界面

5 結(jié)論

通過本系統(tǒng)在站臺的擁擠度的提示， 本系統(tǒng)可以對地鐵站臺客流進(jìn)行有效引導(dǎo)，充分發(fā)揮乘客的主觀能動性，使乘客根據(jù)需要選擇在人員較少的車廂?？康奈恢玫群颍奖憧焖偈孢m出行，既提高了乘坐體驗(yàn)，同時(shí)，替代了車站人員的引導(dǎo)，節(jié)省了大量的人力，降低運(yùn)營成本支出，提高運(yùn)行效率。