城市軌道安全門智能門機控制系統研究

王志飛

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

城市軌道安全門智能門機控制系統研究

王志飛

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

本文針對現有城市軌道安全門控制系統存在安全門夾人或擠人的問題，提出了基于圖像特征匹配城市軌道安全門智能控制系統和方法。智能控制系統采用圖像特征提取和匹配的方法，不僅能有效地減少圖像目標識別運算時間，而且能實時判斷列車車門和站臺安全門之間是否存在異物，以及列車進出站的狀態，做出智能化的判斷和決策，從而能有效的保障列車安全節能運行及乘客的安全，以及安全門系統安全性、可靠性和可用性。

安全門；控制系統；圖像匹配；軌道交通

目前，在城市軌道交通站臺邊緣廣泛設置屏蔽門系統。屏蔽門將站臺與行車隧道隔離開，對減少行車對站臺環境的影響、降低地鐵通風系統能耗、保證列車安全運行和乘客出行安全有著極其重要的作用。對安全門安全系統進行分析， 發現目前安全門的安全系統仍存在一些問題， 主要表現：由于車內乘客人數已經飽和或是人群擁擠混亂造成乘客還未進入車廂， 安全門已開始關閉，而影響安全門安全的主要因素是控制系統不夠完善；此外，現有基于圖像的門機控制系統易受環境（如光線的變化、煙霧和粉塵等）的影響，不能正常使用。所以，準確地探測和識別障礙物，進行精確的開門與關門控制是解決問題的關鍵。

1 系統組成及控制算法

智能門控系統主要組成如圖1所示。

圖1 智能門控系統的組成部分

首先，圖像采集模塊用于采集站臺安全門與列車之間的實況圖像，將所述實況圖像經A/D轉換為數字圖像，并將數字圖像傳送到圖像預處理模塊。圖像預理模塊對實時圖像進行圖像增強、濾波和特征提取后傳送到圖像匹配模塊，同時圖像匹配模塊向參考圖像庫中獲取相應參考圖像，參考圖像庫主要是由不同的時間段和不同光電傳感器采集的列車進出站，以及安全門在不同開關狀態下的圖像。圖像匹配模塊從參考圖像庫中讀取所述相應參考提取參考圖像的邊緣特征圖，并完成圖像匹配。最后，系統根據匹配結果生成相應的控制指令，并將所述控制指令發送至安全門中央控制盤，并根據實況圖像和參考圖像的匹配的結果，進行實時“打開或關閉安全門”的控制。

2 圖像匹配方法和控制指令的形成

智能門機系統的圖像匹配方法是采用光電傳感器在采集的進出站列車實時信息與預先制備的計算機里存儲的列車進出站信息進行實時匹配計算，從而根據匹配結果來下達開關門指令的方法。城市軌道智能門機控制系統的關鍵技術取決于圖像匹配算法的準確性。光電傳感器采集列車進出站的信息經圖像預處理和圖像的特征提取后，進行圖像的大小尺度和方向尺度的變換，得到與相應參考圖像大小尺度和方向尺度均相同的變換實況特征圖像；參考圖像同樣經圖像預處理和特征提取后，進行圖像的大小剪切得到和實時圖像同樣尺寸大小的圖像。考慮到城市軌道屏蔽門環境比較復雜，光電傳感器易受城市軌道運營環境的影響，得到實時灰度圖像與存儲的參考圖像容易產生灰度不一致甚至相反。因此，在城市軌道運營的環境下不宜采用基于灰度的圖像匹配算法，而采用基于圖像特征的匹配算法更為合適。基于圖像特征匹配流程如圖2所示。

圖2 智能門機控制系統的圖像匹配流程

2.1 圖像預處理和特征提取技術

圖像增強主要采用灰度變化和中值濾波。由于對實時圖像和參考圖像進行邊緣信息保護，所以采用中值濾波，即將圖像的像素按灰度值由小到大排列再取序列中間點的值作為中值，并以此值作為濾波器的輸出值。圖像修復通過對數字圖像建立相應的數學模型，從被污染或畸變的圖像信號中提取所需要的信息，沿著使圖像失真的逆過程恢復圖像本來面貌。

（1）智能門機系統的圖像匹配中，圖像的邊緣特征提取采取Canny算子，得到的二值圖像分別用0和1來表示（其中1代表特征點，0代表非特征點）。（2）采用去噪和細化的方法，對二值圖像上的空洞、孤立點進行填補和去除；突出圖像的輪廓特征，更利于圖像匹配過程中減小搜索空間。（3）采用Hausdorff有向距離對不同的特征點進行加權，其中分支點的權值是大于其它特征點的。分支點的提取模板如圖3所示。分支點周圍像素的值從0變到1或從1變到0的次數T為6次詳情見圖4所示。

圖3 3×3模板圖

圖4 分支點特征

分支點的判斷公式如下：

其中， Pi=0或1，P9=P1。

2.2 圖像的尺度調整

2.2.1 大小尺度的變化

實況圖像和參考圖在特征提取時，必須保持與參考圖像大小和方向尺度相同，大小尺度換算公式如方程：

式中：Sx、Sy—分別為x、y方向上的實況特征圖像；fx、fy—分別為實況特征圖像焦距在圖像平面 x和y的長度；d—圖像采集模塊距地面的高度；IRes—參考圖像的分辨率。

2.2.2 基于Hough變換的方向尺度調整

為了保證實時圖與參考圖的方向尺度一致。設定圍繞Zv軸旋轉直到與參考圖方向一致，Zc軸與 Zv軸保持平行且指向下方。通過使用多Hough變換來保證圖像的方向尺度的一致。

式中：ρ—坐標原點垂直于直線矢量；θ—直線矢量與圖像軸X的夾角。

基于Hough變換的方向尺度調整算法的步驟如下：（1）實時圖像按公式上述大小尺度變換后，把調整后的圖像定義為image1；應用站臺信息，旋轉實時圖像至豎直向上對準（參考圖像也豎直向上對準）；（2）提取一幅圖像中心點且與image1大小尺寸相同，且沒有經過方向尺度調整的圖像定義為image2；（3）對image1和image2進行Hough變換，并檢測出兩幅圖像的相關直線；（4）計算image1和image2兩幅圖像的相關直線的角度差分，并求出平均角度差分 θavg；（5）如果|θavg|小于45。，逆時針旋轉image1的θavg來保持image1的方向。

2.2.3 基于特征的圖像匹配技術

傳統Hausdorff距離算法有其局限性，即不能克服非高斯噪聲的影響，但在實際情況中，噪聲和幾何形變都是難以避免的。因此采用一般特征點和分支點分別加權求平均的加權Hausdorff距離算法，相應的權值計算公式具體如下：

式中：hWHD(A, B)為點集A到點集B距離，hWHD(B, A)為點集B到點集A的有向距離；A，B分別代表兩個不同特征點的集合；Na代表點集中特征點的數量；d(a, B)代表點集A上特征點a到點集B的距離。

根據圖像匹配方法得到的結果可以確定以下狀態：列車進站后停靠站臺且安全門與列車間無異物；列車進站后停靠站臺但安全門與列車間有異物；站臺無列車且在安全門與軌道之間無異物；無列車停靠站臺且在安全門與軌道之間有異物。

2.3 控制指令的形成

智能控制系統以圖像的匹配的結果為指導，對光電傳感器采集的圖像進行實時識別，從而判斷現場有無異物。并實時下達以下控制指令：（1）列車進站后停靠站臺，下達先打開車門再開安全門指令；（2）列車停靠時間到確認“根據匹配結果確認安全門與列車之間無異物”后下達關門指令；（3）列車停靠時間到確認“根據匹配結果確認安全門與列車之間有異物”后禁止關閉安全門并報警；（4）“根據匹配結果確認站臺無列車且軌道間無異物”下達列車進站指令；（5）“根據匹配結果確認站臺無列車但軌道間有異物”下達列車禁止進站指令。

3 結束語

本文針對現有城市軌道安全門控制系統存在安全門夾人或擠人的問題，分析了基于圖像特征匹配城市軌道安全門智能控制系統和方法。經大量的仿真試驗證實該系統能有效地識別安全門與列車之間的實際狀況。因此，較之現有同類技術相比具有以下優點：（1）建立的站臺安全門門控系統，能有效地識別列車進站、出站和不停靠直行通過的3種運行狀態；列車進站后，能夠有效的識別乘客上下車狀況；（2）由于該系統采用了圖像特征信息的提取技術，能減少圖像目標識別運算時間，使安全門門控系統具有實時性；（3）對列車離站后的安全門與軌道之間是否出現異物進行實時監視，加強了列車運行和乘客出行的安全；（4）本系統圖像匹配中采用多傳感器信息（可見光、紅外等圖像）的融合技術，即可采用多種傳感器對實況進行圖像采集，并對此圖像進行處理，對惡劣環境（如光線的變化、煙霧和粉塵等）具有很好的適用性。

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責任編輯 徐侃春

Intelligent Control System of platform screen door for Urban Transit

WANG Zhifei
( Institute of Computer Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

The existing Intelligent Control System of platform screen door was with the problems of clip or squeeze. The methods of image feature extraction and matching were put forward for solving the problems. The methods could not only effectively reduce operating time of the image target recognition, but also could realtime judge whether there was foreign body between exit train doors and platform, as well as the state of train in or train out of the station, let the train make intelligent judgment and decision, effectively ensure the safety of train running and the safety of the passengers, as well as the security, reliability and availability of the existing system.

platform screen door; Control System; image matching; Urban Transit

U231.6∶TP39

A

1005-8451（2014）10-0060-03

2014-04-09

王志飛，助理研究員。