城軌交通客流安全監控與應急管理系統研究

王愛麗

（中國鐵路信息科技有限責任公司，北京 100038）

0 引言

如何動態監控城軌交通客流，智能檢測、識別客流安全問題，并根據實際情況采取應急措施，以保障站內客流高效安全集散，防止突發事件發生，已成為城軌交通運營的核心問題[1]，對其開展研究具有重大現實意義和實用價值。

國內外眾多學者對城軌交通客流安全問題進行了廣泛探索，從城軌交通運行機制、客流安全管理的重要性、突發事件的應急管理及事故發生的善后管理等多個角度展開研究[2-8]，研究焦點集中在視頻監控、應急救援、緊急狀態疏散、突發事件處理、安全狀態評估和預測等關鍵技術的改進上。然而，智能的客流信息檢測和識別、有效的事前安全預警、精確可靠的應急預案以及應急處置效果追蹤等技術還不夠完善，客流監控仍要通過人工、高強度的不間斷觀察來實現，實時監控與應急響應仍不能完美銜接，應急響應處置過程只能被動回應，缺乏一定的主動控制性和應對性[9-10]。在此，基于視頻圖像處理、計算機視覺、數據處理、語義描述等技術，提出并構建面向城軌交通的客流安全監控與應急管理系統（簡稱系統），為城軌交通的智能化管理、決策、預警等提供基礎支撐。

1 體系結構設計

結合城軌交通車站特有的管理需求和安全應急的相關規定，采用先進的計算機視覺、數據處理和管理等技術[11-12]，搭建客流安全監控與應急管理系統的體系結構（見圖1），為城軌交通車站安全管理的信息化、自動化和規范化提供輔助支撐。系統采用5層分級的體系結構，由上至下分別為視頻信息獲取、交通信息獲取、數據處理和管理、應急預警、疏散與決策支持[13]。

（1）視頻信息獲取：該層是整個系統的數據來源，通過在城軌交通的站臺、站廳、換乘通道、出入口等主要人流聚集區域部署監控裝備，實現分區域客流視頻采集。該層又細分為視頻圖像獲取、壓縮、傳輸、解壓縮4層，實現視頻信息的獲取。

（2）交通信息獲取：該層利用計算機視覺和人工智能等技術對前端獲取的客流視頻信息進行智能分析，提取視頻中的有效信息，對各監控點客流信息進行智能檢測、跟蹤和識別，統計重點區域的客流數據，如客流人數、流量、密度、速度等，為客流安全狀態分析、事前安全預警提供數據支撐。

（3）數據處理和管理：該層負責對采集數據的寫入、讀取和編輯，能夠對交通數據進行分類、編碼、儲存、檢索、維護和共享等；同時，采用數據倉庫和大數據等技術，對檢測數據進行分析，深入挖掘和推演突發事件或點、線客流變化后線網客流分布情況，分析出入站交通流波形規律和高峰客流量與站點、線路之間的關系，預判事態發展，實時識別出站內的瓶頸點和異常事件，并對客流信息進行預測，可視化展示客流傳播的時空分布過程和潛在安全隱患等信息。

（4）應急預警：該層建立各種異常事件的安全狀態預警標準，并將監測的關鍵指標與制定的預警標準或歷史經驗數據進行比對，根據系統設定的報警標準自動將各類事故發生的情況以不同顏色顯示預警信號，并通過圖形、聲音等方式對預警信息進行推送和發布，從而有效進行事前預警。

（5）疏散與決策支持：該層對發生的異常事件進行總結、分析和評估，采用相應的應急模擬演練等技術，進一步完善和更新應急預案的制定與管理，實現救援程序和措施的改進，應急觸發規則的管理，預案的快速檢索、生成、發布及基于歷史記錄的自學習等功能。該層還支持城軌交通環境的遠程高精度計算機重現，采用MR、VR等技術實現應急救援真實環境的透徹感知，為現場設備、人員救援提供遠程救援指揮、輔導決策和應急管理。

圖1 客流安全監控與應急管理系統的體系結構

2 軟件功能設計

系統采用模塊化結構設計，各模塊之間相互關聯，提供豐富的接口，以便系統的集成和運行維護[14]。主要包括系統管理模塊、客流監控模塊、數據管理模塊和應急管理模塊。模塊結構見圖2。

（1）系統管理模塊：該模塊是維持整個系統運行的主要外層框架，主要包括系統的總體運行邏輯管控和參數初始化，保證各模塊間的良好通信，是其他模塊功能運行的基礎。

（2）客流監控模塊：該模塊主要完成客流智能監控系統的各項事務，實現視頻圖像的采集和傳輸，并利用相關視頻圖像處理技術和計算機視覺領域算法，自動對交通場景底層、中層和高層語義信息進行智能解析與處理[15]，實現客流信息的提取。其功能結構見圖3。

圖2 系統軟件的模塊結構

（3）數據管理模塊：該模塊實現客流信息智能監控系統的數據處理、存儲、共享、管理等。其功能結構見圖4。

圖3 客流監控模塊功能結構

（4）應急管理模塊：該模塊主要包括客流狀態分析評價、預警信息發布、客流誘導信息發布和客流應急聯動指揮與管理[2]等。應急管理模塊工作流程見圖5。

圖4 數據管理模塊功能結構

圖5 應急管理工作流程

3 監控對象與應用場景結構設計

3.1 監控對象結構體

為了精準地對城軌交通環境內乘客行為進行檢測，需定義監控對象：行人。根據運動行人的占用空間將其用矩形框限定范圍，定義乘客信息Passenger_Info結構體，Structure：Passenger_Info；結構體描述：乘客對象結構。Passenger_Info結構體說明見表1，可根據具體需求進行定義。

表1 Passenger_Info結構體說明

3.2 應用場景數據結構

對系統應用的場景進行具體分析，建立相關的交通場景知識庫[15]，為異常事件監控提供一些先驗知識，降低識別難度，能夠提高客流監控系統對乘客行為識別理解的正確率。

3.2.1 場景結構劃分和語義描述

視頻圖像理解的直觀目的就是將場景中相應目標和區域進行語義化描述。通過構建交通場景內各區域設施和目標的視覺知識庫，實現后期的匹配推理，完成圖像的語義分析，視覺詞匯是進行語義化分析的前提和基礎。

場景結構會直間或間接影響識別對象的行為，如在檢票口，行人必須沿某一特定方向進入。因此，在進行異常行為識別與理解前，需對整個監控應用場景結構進行劃分和語義描述。采用WordNet詞匯網和LHI標準[15]對交通場景內各區域設施和目標進行語義描述，構建交通場景內各區域設施和目標的視覺知識庫。首先將場景結構劃分為目標活動區域和目標作用對象，通過半監督方式將所監控的場景進行合理劃分；然后采用WordNet標準命名場景設施和目標語義信息。對一般城軌交通監控場景，數據集語義描述見圖6。

圖6 監控場景數據集語義描述

3.2.2 應用場景目標數據庫的建立和更新

通過建立城軌交通場景數據庫，將相關場景的結構和語義信息存儲在數據庫里，實時地為異常事件識別和行為理解提供參考信息。將所識別的場景分割成n個區域，將場景中各區域所對應的像素用不同的標識符號表示。對場景中的區域和設備，定義結構體來描述。對監控場景的每個像素值建立結構體變量描述其場景屬性，就可得到場景先驗知識的數據庫。

由于場景結構中的運動區域和某些固定設備，其特性一般是固定不變的，而對于一些可移動設備，其特性隨著時間的變化而變化，因此需對這部分場景數據庫進行實時更新，即場景數據庫的更新。

4 結束語

城軌交通客流安全監控與應急管理系統的建立與城軌運行機制、相關支撐技術、體系結構等密切相關，應對其合理的系統架構及核心模塊功能等進行研究。在此，采用5層分級的方法，提出一種合理的客流安全監控與應急管理體系架構，并采用模塊劃分法，提出系統軟件架構，重點研究和設計了客流監控模塊、數據管理模塊和應急管理模塊的功能結構和工作流程；同時，結合城軌監控對象和環境特征，采用結構體定義、WordNet詞匯網和LHI標準，定義和設計了客流監控系統的監控主體行人Passenger_Info結構體和城軌交通場景數據結構，為客流異常行為監控提供一些先驗知識。由于城軌交通系統運營的復雜性，實現全方位的客流監控和應急管理自動化需要循序漸進，該系統可為客流安全管理的完善和綜合協調提供基礎支撐。