視頻人流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)在展覽館電氣控制中的應(yīng)用

秦凱，張章

QIN Kai，ZHANG Zhang

（軍事科學(xué)院國防工程研究院）

（Research Institute for National Defense Engineering of Academy of Military Science PLA China）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)與高端、創(chuàng)新型技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)展類建筑重要性日趨重要。會(huì)展建筑作為展覽活動(dòng)舉辦的建筑場所，其主要功能是展示產(chǎn)品和技術(shù)，為人員交流溝通提供適宜空間。會(huì)展建筑具有空間跨度大、用途多樣、人流密度時(shí)效差別明顯等特點(diǎn)。會(huì)展型建筑用電負(fù)荷主要是房間照明燈具和展臺(tái)設(shè)備用電。因其上述特點(diǎn)，會(huì)展建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)往往給人一種無從下手，難抓要點(diǎn)的感覺。本文就利用會(huì)展建筑人流量進(jìn)行電氣節(jié)能控制做了一種新型嘗試，現(xiàn)予以總結(jié)。

2 會(huì)展建筑電氣控制的特點(diǎn)

會(huì)展建筑面向大流量訪客，其電氣節(jié)能的核心在于如何根據(jù)人員流動(dòng)量大小來控制用電設(shè)備。會(huì)展建筑電氣節(jié)能的基本思路是：

①人流量大時(shí)，燈具全部點(diǎn)亮，展臺(tái)設(shè)備全部開啟；

②人流量少時(shí)，燈具部分點(diǎn)亮，展臺(tái)設(shè)備部分開啟；

③無人員參觀時(shí)，燈具全部關(guān)閉，展臺(tái)設(shè)備全部停止運(yùn)行，因而能夠把人流量大小與建筑電氣的控制構(gòu)建起聯(lián)系。

目前廣大會(huì)展建筑均已安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以用于日常安防，還可以作為日常人流量的統(tǒng)計(jì)工具。利用其實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場狀況，并及時(shí)將數(shù)據(jù)反饋到服務(wù)器的特點(diǎn)，可通過服務(wù)器隨時(shí)統(tǒng)計(jì)出入人流量的變化。這種基于視頻分析的人流統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)無需安裝新的人流量統(tǒng)計(jì)設(shè)備，僅需對(duì)軟件系統(tǒng)做升級(jí)更新。

3 視頻人流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)概述

視頻人流量統(tǒng)計(jì)技術(shù)是指利用監(jiān)控?cái)z像機(jī)及服務(wù)器獲得的視頻數(shù)據(jù)，并對(duì)視頻圖像中不同姿態(tài)、不同顏色的人群進(jìn)行檢測與跟蹤，由此獲得指定時(shí)段和指定區(qū)域內(nèi)的人數(shù)流動(dòng)量。該系統(tǒng)融合了視頻數(shù)據(jù)處理、圖像模型處理、幀像素識(shí)別以及人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。視頻人流量統(tǒng)計(jì)技術(shù)現(xiàn)在已較為成熟，在火車站、機(jī)場及北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)等大型活動(dòng)中均有應(yīng)用。

3.1 視頻人流量統(tǒng)計(jì)方法

1）視頻人流量統(tǒng)計(jì)技術(shù)

①建立人體仿真模型的方法

在程序內(nèi)設(shè)計(jì)出合理的二維、 三維高仿真人體模型，根據(jù)攝像機(jī)所拍攝的圖像與后臺(tái)人體模型進(jìn)行比對(duì)，以此計(jì)算圖像內(nèi)人員確切數(shù)量。

②基于人體特有皮膚顏色的方法

利用人體皮膚所呈現(xiàn)的特有顏色，通過識(shí)別人臉、手部等區(qū)域來判定是人還是物體。

③基于人體運(yùn)動(dòng)特征的方法

人體進(jìn)入某一區(qū)域時(shí)，是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。在攝像機(jī)所呈現(xiàn)的圖像里，人體是在不同的幀中連續(xù)移動(dòng)的。可以利用人體行走或奔跑姿態(tài)的周期性變化來識(shí)別人體。

④區(qū)域?qū)挾茸R(shí)別技術(shù)

基于計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)攝像機(jī)所獲取的圖像物體進(jìn)行寬度識(shí)別，其中的計(jì)數(shù)功能主要基于圖像目標(biāo)寬度，通過運(yùn)用先進(jìn)的算法對(duì)實(shí)際場景進(jìn)行背景自動(dòng)學(xué)習(xí)并建模，確定一個(gè)相對(duì)靜止的背景，在此基礎(chǔ)上分析指定區(qū)域連續(xù)圖像的變化，在去除干擾的基礎(chǔ)上，確定真正的目標(biāo)。最后在連續(xù)圖像中根據(jù)這些目標(biāo)的寬度與標(biāo)準(zhǔn)寬度進(jìn)行比對(duì)，確定人數(shù)計(jì)算結(jié)果。

2）視頻人流量統(tǒng)計(jì)存在的難點(diǎn)

①視頻監(jiān)控時(shí)，部分?jǐn)z像機(jī)圖像的分辨率較低，無法給出準(zhǔn)確的人體圖像。

②人體是非剛性目標(biāo)，人體形狀無法量化，靠單一的人體模型無法捕捉所有的人體類型。

③不同人員個(gè)體穿著多樣性對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理有很大誤導(dǎo)。

圖1 視頻控制電氣原理圖

3.2 視頻人流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)主要設(shè)備組成

1）監(jiān)控?cái)z像機(jī)

負(fù)責(zé)對(duì)視頻影像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)視頻影像中靜止或行走的不同姿態(tài)的行人進(jìn)行檢測或跟蹤，并能捕捉圖像中人體重要節(jié)點(diǎn)，如肩部、頭部、手部（以方便后臺(tái)軟件識(shí)別）。

2）客流計(jì)數(shù)系統(tǒng)

負(fù)責(zé)對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出指定圖像區(qū)域的人數(shù)并實(shí)時(shí)

輸出人數(shù)信息。它是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，并且可以直接利用已有視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

3）客流計(jì)數(shù)綜合管理平臺(tái)

是用戶的終端界面，一般安裝在管理服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端客流計(jì)數(shù)系統(tǒng)的配置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)客流計(jì)數(shù)服務(wù)器的管理和最終數(shù)據(jù)報(bào)表的展示，是用戶最直觀也是最終的操作界面。并且可以與其它弱電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4 基于視頻人流量控制電氣系統(tǒng)（見圖1）

在人流量大的公共場所，可以利用監(jiān)控?cái)z像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控場景變動(dòng)，后臺(tái)客流統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)通過分析數(shù)據(jù)得出現(xiàn)場客流情況，將數(shù)據(jù)傳送至樓宇智能控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的控制。

樓宇智能控制系統(tǒng)采用國際通用的EIB/KNX標(biāo)準(zhǔn)，即開放性總線標(biāo)準(zhǔn)，具有強(qiáng)大的兼容性。市面常見的客流統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)都可以與此系統(tǒng)無縫連接。保證了系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)的穩(wěn)定性。樓宇智能控制系統(tǒng)采用分布總線式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)各配電模塊均是獨(dú)立工作，不依存其它模塊，配電回路模塊更換、升級(jí)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)均可照常運(yùn)行。

樓宇智能控制系統(tǒng)與客流統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)通過RS232接口連接，還可以通過網(wǎng)關(guān)與其它系統(tǒng)連接。各個(gè)配電箱內(nèi)分別安裝各種智能驅(qū)動(dòng)模塊，用于控制燈光、電氣設(shè)備等。單個(gè)配電箱及現(xiàn)場智能面板開關(guān)通過樓宇智能控制系統(tǒng)總線電纜連接成一條支線。

現(xiàn)場電氣設(shè)備控制方式分為手動(dòng)控制和樓宇智能控制系統(tǒng)智能控制。手動(dòng)控制應(yīng)用于重要場合或重大活動(dòng)，通過現(xiàn)場手動(dòng)方式，啟停電氣設(shè)備。智能控制適用于平時(shí)活動(dòng)，采取的實(shí)施方案為：當(dāng)攝像機(jī)探測到該區(qū)域人數(shù)≥n時(shí)，通過控制系統(tǒng)啟動(dòng)所有配電回路；當(dāng)該區(qū)域人數(shù)≥m，≤n時(shí)，通過控制系統(tǒng)啟動(dòng)部分配電回路；當(dāng)該區(qū)域人數(shù)=0，通過控制系統(tǒng)關(guān)閉所有配電回路。

5 工程實(shí)例

某工程為科技展覽館改造項(xiàng)目，總建筑面積2萬多m2，地上三層，其中展廳部分總面積1萬㎡。展廳以科技展覽為主，分設(shè)十幾個(gè)房間，每個(gè)房間設(shè)有一個(gè)科技主題，房間內(nèi)配備幾種科技體驗(yàn)設(shè)備。該展覽館主要面向青少年人群，平時(shí)以舉辦科普活動(dòng)為主，兼做社會(huì)商品展。

因?yàn)槭歉脑祉?xiàng)目，本次設(shè)計(jì)把電氣節(jié)能與技術(shù)升級(jí)作為設(shè)計(jì)要點(diǎn)。改造前該館電氣設(shè)備采用人工控制方式，無法做到智能控制。日常工作期間，燈具及展臺(tái)設(shè)備均需要工作人員現(xiàn)場逐一手動(dòng)開啟。改造前該展覽館燈具普遍采用節(jié)能燈。展館重要區(qū)域安裝了監(jiān)控?cái)z像機(jī)，其攝像精度較高，但僅用作日常安防功能。

圖2 日常客流統(tǒng)計(jì)圖

圖3 展館某房間電氣改造平面圖

5.1 展覽館客流分析

展覽館日平均客流量約1500人，但日客流量分布不均勻，客流量集中在節(jié)假日。

從圖2可以看出，該展覽館客流主要集中在周末，工作日期間客流量較少，圖中周一與周三兩天甚至出現(xiàn)全天無人員參觀的情況。即使在周末不同的時(shí)間點(diǎn)參觀人員數(shù)量情況也較為雜散。無法找出其特定規(guī)律，若無法實(shí)現(xiàn)電氣智能控制，當(dāng)無人參觀或參觀人員太少時(shí)，電氣設(shè)備全部開啟，將造成較大的電能浪費(fèi)。由于展覽館公共場所的特殊屬性，又無法做到人員少時(shí)選擇閉關(guān)這一措施。該館的電氣智能控制可以充分利用現(xiàn)有攝像機(jī)監(jiān)控人流量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備適時(shí)控制。

5.2 展覽館節(jié)能設(shè)計(jì)思路

利用各個(gè)房間及門廳、走廊的監(jiān)控?cái)z像機(jī)作為前端設(shè)備，客流計(jì)數(shù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算人流量變化情況，將數(shù)據(jù)傳送至i-bus樓宇智能控制系統(tǒng)。由i-bus系統(tǒng)按已設(shè)定的程序?qū)φ褂[館用電設(shè)備進(jìn)行啟停控制。

圖3為展覽館某房間電氣改造平面圖，該房間設(shè)有一面照明配電箱，內(nèi)置回路控制開關(guān)與i-bus模塊，房間內(nèi)燈具為LED燈具，以實(shí)現(xiàn)燈具的快速點(diǎn)亮與關(guān)閉，更符合節(jié)能要求。房間四個(gè)角落為聲光電展示設(shè)備。房間門后設(shè)有i-bus開關(guān)面板。房間內(nèi)燈具控制方式可以分為面板控制和自動(dòng)控制。

當(dāng)有重要活動(dòng)時(shí)，或者重要游客進(jìn)入該房間時(shí)，值班人員可提前通過后臺(tái)服務(wù)器或者房間內(nèi)i-bus開關(guān)面板將所有用電設(shè)備開啟。平時(shí)用電設(shè)備按既定程序運(yùn)行。當(dāng)門廳、走廊人數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)（即游客即將進(jìn)入展館參觀），通過樓宇智能控制器控制展廳部分燈具開啟，部分展臺(tái)設(shè)備通電，以供參觀。當(dāng)房間內(nèi)出現(xiàn)客流，或者客流量達(dá)到某人數(shù)設(shè)定時(shí)（即游客進(jìn)入該展廳參觀），可選擇開啟房間內(nèi)部分或全部用電設(shè)備。

由圖3、圖4可以看出，房間內(nèi)共設(shè)4路照明回路與4路設(shè)備控制回路。當(dāng)人流量較少時(shí)，在滿足照度的要求下，可選擇僅開2路照明回路，2路設(shè)備控制回路。人流量較多時(shí)，電氣設(shè)備全部開啟。實(shí)現(xiàn)“人來燈亮、 人走燈滅” 的靈活運(yùn)用。房間展臺(tái)區(qū)域設(shè)置雷達(dá)式感應(yīng)型射燈，當(dāng)游客接近該區(qū)域時(shí)，感應(yīng)燈自動(dòng)點(diǎn)亮，區(qū)域空間內(nèi)提供足夠的照度，以滿足游客的視覺要求。

該房間內(nèi)所采用LED燈具顯色指數(shù)Ra=90，遠(yuǎn)超市場同類產(chǎn)品，保證了展示設(shè)備的顏色的還原真實(shí)性。采用樓宇智能控制系統(tǒng)所有用電回路的運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行時(shí)間，回路電流）都可以在樓控室顯示并記錄，有效提高了展館的管理效率，并為后期設(shè)備的升級(jí)改造提供了重要的參考數(shù)據(jù)。因房間內(nèi)攝像機(jī)為高性能攝像機(jī)，滿足該系統(tǒng)基本性能要求，本次改造施工只是對(duì)攝像機(jī)后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了物盡其用。

圖4 展館某房間電氣改造配電系統(tǒng)圖

表1 改造前后節(jié)能對(duì)比

6 改造前后的節(jié)能比較

智能控制系統(tǒng)安裝調(diào)試好后，經(jīng)過一段時(shí)間的使用，經(jīng)實(shí)地測量，展覽館電氣節(jié)能效果比改造前有很大進(jìn)步，房間每天8h的用電量如表1所示。

通過上表，可以看出改造后展覽館展廳房間節(jié)電率能提高了約40%，極大的節(jié)省了電能，保證了展覽館的軟硬件設(shè)施的先進(jìn)性，提升了展覽館的整體形象。提升游客對(duì)展覽館的評(píng)價(jià)，該智能控制系統(tǒng)也成為展覽館的一道科技體驗(yàn)項(xiàng)目，游客可在工作人員的指導(dǎo)下，操控房間內(nèi)的展示設(shè)備。該控制方式不僅安全、可靠，更符合國家提倡綠色節(jié)能建設(shè)要求。

7 結(jié)語

該系統(tǒng)的的成功運(yùn)行，很大程度是由視頻攝像機(jī)的性能及客流計(jì)數(shù)程序的算法決定。由于展覽場館設(shè)備布置較為固定，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)客流計(jì)數(shù)系統(tǒng)可以更好的計(jì)算出客流量，各電氣設(shè)備相應(yīng)速度非常迅速。系統(tǒng)在該工程的成功運(yùn)行有一定的特殊性，但設(shè)計(jì)思路值得推廣應(yīng)用。如何更好的將視頻數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)等網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用到電氣控制中，值得我們電氣設(shè)計(jì)人員去探討。