基于多源監測數據融合的城市軌道交通客流監測系統研究

郁琦暉，楊海紅，李傲松

1.上海申通地鐵集團有限公司 2.上海工程技術大學

0 引 言

隨著城市軌道交通的不斷建設發展，城市居民的出行對其依賴性也越來越高，線網客流量日益增長，而車站容客量有限，于是二者的矛盾愈加尖銳，給車站的運營埋下了安全隱患，同時因客流擁擠造成的事故風險也大大增加。目前，運營單位也各自采取了視頻監控、移動數據終端監測、紅外線或激光檢測等技術來實現對大客流安全狀態進行監測，并建立相應的動態指標體系和判斷標準實現動態客流風險預警。

金照[1]分析了視頻檢測技術的數據流向，通過前端對視頻信息進行分析處理得到相應出入口、通道以及各區域客流量數據以及客流分布數據；麻天驕[2]分析目前客流檢測技術所面臨的難點，即在軌道交通車站內部由于現場情況的影響以及圖像數據量大等現狀提出多源監測客流的解決方案；陳菁菁[3]詳細分析了用以獲取客流信息的熱敏傳感技術的優劣。但其對安裝環境要求相對較高，同時也受制于客流的復雜情況，故在車站內廣泛安裝推廣還難以實現；于此同時，此項技術安裝成本較高，不適用于大面積推廣使用。綜上，合理利用監測方法，使其達到準確的設計要求和使用目的。

1 客流采集終端技術與設備

從各類技術的特征出發，對其原理、技術特點、適用性等方面進行單獨的分析，并給出不同技術實際應用的前景，作為各地鐵車站選用不同客流監測技術的基礎，便于車站及時、客觀地對站內的客流狀況進行評估，以保證站內的客流安全與服務水平，各監測技術對比如表1。

表1 各監測技術對比

依照不同功能客流監測終端設備可分為存量式計數設備和通量式計數設備2種[4]。諸如基于視頻分析客流計數的攝像頭這樣的存量式設備是指大范圍覆蓋統計區域的設備，該類型設備雖成本低但精度較差，并且不存在誤差由于通量的增加而累積的現象[5]。諸如紅外客流計數器這樣的通量式設備是指設置于各區域連接通道處用以統計客流在區域間的流向、流量的設備，該類型設備雖成本高但精度好，但會存在存量式設備沒有的誤差累積現象。

除此之外，各檢測技術還有著各自不同的局限性，如手機信令數據的監測需要三大運營商公開手機用戶移動電話的實時數據信息，而這牽扯到用戶的隱私以及某些商業機密，因此很難實現；再比如，視頻識別技術的監控范圍有限，要進行大范圍客流監測，要求大量攝像機覆蓋所有目標區域，而既有的監控設備很難做到這點。另外受攝像機設備能力的影響，從近到遠，客流監測精度逐漸降低不可避免，甚至無法識別。

綜上所述，各監測技術的實際應用會受到多方面影響，諸如數據精度低、受環境干擾較大、設備安裝成本高等等，如何將不同的通量式、存量式監測技術有機結合起來，互相彌補各自的不足，以最低的成本、最小的工作量得到最精確、最詳細的客流數據，即為本文的研究重點。

本文所設計的多技術融合客流監測系統所采用的客流監測技術主要包括視頻識別技術、WiFi嗅探技術、紅外傳感監測技術，并利用AFC數據作為輔助校正，以此實現準確的客流監測。

2 系統設計與實現

2.1 客流監測方案設計

在地鐵車站內，乘客的流動過程和流動路線簡稱為乘客“流線”[6]。樓扶梯、進出站閘機、安檢這幾處為客流必經之地，且樓扶梯處多為安全事故高發區，因此對這幾個關鍵位置應區別對待，分別選用合適的監測技術，對其通量客流進行重點監測，便可較為準確的得到車站客流的分布情況。

以上述關鍵節點為界，可把車站劃分為三個區域：非付費區、付費區和站臺區域[7]。在區域銜接的關鍵節點處，分析該節點客流特征，結合該節點運營設備特點，采用適合的客流監測技術進行數據采集。

車站內局部區域客流擁堵多為兩個原因，一是由設施設備能力不足導致，二是由于車站承載能力不足。設施設備能力包括為閘機、安檢門以及樓扶梯三處。

進出站閘機作為付費區與非付費區的分界點是決定乘客進出站效率的關鍵，由于閘機通行能力不足從而導致閘機前排隊較長，這會使得付費區或非付費區發生不同程度的擁堵，可選定排隊長度作為其預警指標。閘機處，采用AFC數據。閘機本身具備計數功能，因此可利用閘機內部所記錄的客流數據，將其傳輸到系統數據處理平臺。

安檢處一般有車站安檢人員現場負責，服務能力比較穩定，若一定時間內通過人數較多，說明有較多乘客有乘車需求，可選取1min通過人數作為其檢測指標。安檢處采用主動紅外傳感技術。進站乘客均須通過安檢門，但極少有乘客在此處停留，因此，這里最適合安裝通量式技術設備，又因為安檢處為車站付費區與非付費區的銜接節點，環境較為復雜，客流較為紊亂，但主動紅外監測技術充分利用自身光源，能最大程度上排除溫度、光線、環境等外部條件對檢測效果的影響，最適合用于安檢門處的客流監測。

樓扶梯指的是用以連接站臺層和站廳層的樓扶梯，由上行樓扶梯、下行樓扶梯組成，其通行能力決定了站臺上客流的疏散效率。如果其通行能力因故受限，導致通行客流流速過慢，就會加重站臺層或站廳層客流擁堵。樓扶梯處同樣極少有乘客停留，適合采用通量式技術設備監測客流，但考慮到樓扶梯處為安全事故高發區域，僅僅進行客流計數不足以為客流預警提供足夠的依據，因此樓扶梯處采用視頻識別技術，并選定客流流速作為預警指標，在樓梯處上方垂直安裝攝像裝置，能夠最高效地識別到樓扶梯上的乘客，進而分析得到相關客流指標。此外，通過攝像設備的監控功能，還可高效關注樓扶梯處的客流實況，以便及時發現此處的突發狀況。

車站承載能力不足主要包括站臺等區域。站臺區域采用WiFi嗅探技術統計待乘乘客人數。站臺層范圍大，人數眾多，且大部分乘客處于待乘狀態，流動性不強，通量式技術設備難以完成對該區域乘客的統計，而通過在站臺區域布設WiFi嗅探器，可以實現在站臺區域遠距離、大范圍的統計客流人數。需注意，該監測方法首先需統計監測區域內打開WiFi的無線終端數目，進而通過一定的擴樣比例才可間接得知監測區域的客流停留量。

以上海地鐵某站為例，紅外傳感設備、視頻識別設備布設位置如圖1所示，其中橢圓標注為紅外設備布置點，矩形標注為視頻設備布置點，藍色線框范圍內為付費區，綠色線框內為非付費區。

圖1 節點設備布設位置

WiFi嗅探器的布設位置同樣以該站站臺層為例，由于站臺層較為狹長且對稱，在此只放置站臺西端設備布設情況，如圖2所示：

圖2 站臺WiFi嗅探器布置

2.2 大客流預警

客流預警是通過對高密度區域客流的狀態進行分析和研究，按照擁堵程度和擁堵范圍對客流的狀態進行警情判斷，并為預警應對提供較為詳細的數據來源[2、5]，本文的客流實時監測系統也設計了預警功能，具體如下。

要及時實現預警，首先需確定客流檢測指標，劃分合適的預警級別標準，然后系統對所監測的客流數據與設定的預警指標進行對比，判斷是否預警。該設計可為車站采取客流疏散方案、緊急救援措施等提供決策依據。客流預警流程如圖3所示：

圖3 客流預警流程圖

據由上海市公安局、上海申通地鐵集團有限公司聯合發布的《大客流組織預案》將大客流分為一級、二級、三級三個等級，其中一級最為擁擠、二級次之、三級客流擁擠程度最低。因此大客流預警等級須與此保持一致[8]。

客流風險預警采用信息發布的方式，包括引導客流的信息及對車站人員的命令兩部分。引導客流可利用廣播系統、屏幕顯示等。例如需要緊急疏散乘客時，在站內由廣播系統發布客流疏散路徑，屏幕顯示客流風險預警信息，禁止新的乘客進站等。對車站人員的命令發布包括關閉電扶梯、關閉進站閘機等措施發布。

能夠反應客流聚集程度的且作為預警依據的客流指標有很多，包括售檢票服務水平，客流密度、客流流速，排隊長度等。因此，需要對站內不同區域選定相應的預警指標，一旦站內出現擁堵情況，能夠及時作出預警，以便最快速度采取站外限流、站內引導等措施，避免站內擁堵風險進一步加劇。

車站設施設備能力預警需求及適用客流檢測技術，如表2所示。

表2 設施設備能力預警

車站承載能力主要包括站臺及換乘通道兩處。

站臺容納能力又名站臺設計能力，據站臺面積、2人/m2的設計標準和一定的站臺有效系數，便能夠計算得到站臺設計容納人數[9]。

換乘通道的通行能力和線路間的換乘效率直接相關。如果換乘通道乘客流速低、密度大，就造成人流聚集導致的換乘困難甚至嚴重的踩踏事故。

車站承載能力預警需求及其適用的檢測技術，如表3所示。

表3 車站承載能力預警

2.3 系統組成結構及可視化界面

基于以上研究內容，本文設計了一套客流監測方案，并設計了實時客流監測系統，可以實時監測站內客流并顯示相應的客流信息指標，同時，可以有效預警大客流擁堵聚集情況的發生，以便工作人員可以及時應對突發情況。此外，該系統可以通過信息發布功能高效疏導擁堵乘客，提高工作效率。

2.3.1 系統結構

系統總體由客流信息采集、客流數據處理、大客流預警和客流信息顯示四部分組成。具體的設計內容如下：① 結合車站空間特點，并考慮到乘客流線，設計了融合多種監測技術的設備布設方案；② 結合車站預警需求及合適的監測技術，提出了同時考慮車站服務水平以及乘客乘車安全的客流預警觸發指標；③ 設計了可現實站內不同區域的客流量、客流密度等客流指標的可視化界面，可供車站工作人員實時處理客流數據并做出最優決策決策，有效達到客流監測目的；④設計了信息發布功能，車站決策者可直接命令車站人員做出相關具體措施，還可對乘客通過廣播、顯示屏等方式發出引導信息。

2.3.2 數據可視化界面

本文設計了具有客流監測數據顯示和預警信息發布等功能的界面。界面分為車站參數設置模塊、客流監控工作模塊、樓扶梯實況監控模塊及預警信息發布模塊，界面簡潔美觀，操作學習簡單、數據清晰明了。車站參數設置模塊、客流分布顯示、客流實況及信息發布界面如圖4、5、6、7所示。

圖4 車站參數設置界面

圖5 客流分布顯示界面

圖6 樓扶梯實況界面

圖7 信息發布界面

3 結 論

① 根據地鐵站不同區域的客流特點，并考慮了客流流線及不同監測技術的優勢之處，結合車站進出站閘機等原有設備，融合不同監測技術，設計了多源數據客流監測設備布設方案；

② 基于服務水平和預警需求設定了客流預警觸發指標，劃分了預警級別，建立了基于客流流速、客流密度等的客流指標的預警模型，可在客流聚集風險過大時及時做出預警；

③ 設計了具有數據顯示、信息發布等功能的系統可視化界面，能夠清晰明了的觀察到車站各區域的客流變化，實現了對車站客流的實時監測。可向客流聚集區域的乘客發布相關區域擁堵及疏導的預警通知，最大可能的規避乘客聚集情況的風險，進而減少車站安全事故發生概率，并增強擁堵客流的疏散效率。

此外，系統可加強車站人員對突發事件的決策能力和處理效率，為管理部門在突發事件發生時快速響應、內部預警協調并及時進行客流疏導提供強力支撐，以便直觀掌握客流狀態，以便車站人員能夠根據實時客流信息，在車站局部區域發生擁堵時及時做出相關舉措，降低安全事故發生的風險。同時，也便于發布預警信息，高效引導客流，疏散乘客。同時也可為其他相關研究提供客流數據，從而能夠更深入地分析軌道交通客流狀況。