闸机系统中儿童乘客的通行识别技术研究

范子阳 陈立国

【摘要】根据相关规定，一定身高以下的儿童出行可以免费搭乘城市公共交通设施。在自动检票闸机上利用光电开关探测技术和通行逻辑算法，可以通过识别乘客身高来区分成人和儿童，实现儿童免费搭乘地铁的需求。

【关键词】闸机;儿童;通行逻辑;识别身高

Abstract：According to the relevant regulations，the children under the certain height are entitled to take the public mass transit facilities for free.By means of the detection technology of photoelectrical sensors and passage logical algorithm，the children could be free transit the AFC（Automatic Fare Collection）gate with the help of the height detection system to recognition the children and adults.

引言

根据相关规定，身高低于1.2米以下的儿童，可以由成年人家长带领，免费乘坐公共交通设施。在城市轨道交通中，自动检票闸机（AFC）作为控制乘客出入地铁站的主要设备，应当具备能够自动识别成人和儿童的功能。但目前大多数城市轨道交通系统所使用的自动检票闸机，还不具备这样的功能。本文介绍一种以光电传感器探测技术为基础的通行逻辑算法，通过增加光电开关传感器，可以有效的解决对儿童通行的识别问题。

1.光电传感器探测技术

光电开关传感器由于其性能稳定可靠，被广泛应用于运动物体检测等方面。地铁闸机也大量使用一种对射型的光电开关传感器，该光电开关传感器是由一个投光器和一个受光器组成，发光器发出的光线直接进入受光器。当被检测物体经过投光器和收光器之间而阻断光线时，光电开关就产生了开关信号（如图1所示）。

图1

使用在闸机上时，投光器和受光器分别安装在通道的两个机箱上，当通行乘客遮挡光电开关后，受光器输出信号会发生变化，控制系统可以根据受光器反馈信号来判断乘客在闸机通道内的通行状态。在用作身高检测传感器时，需要将这种传感器固定在设定高度，通过该传感器是否被遮挡来判断通行人或物体是否超过该设定高度。该检测方法准确率比较高，通行逻辑算法也比较简单，但传感器的安装位置对机箱的设计确实一个难题。机箱的设计，既要满足外观的美观度，又要考虑乘客通行的舒适度，因此一般的闸机高度在1.1米左右，当标准的通道通行宽度为550毫米时，这样的高度很方便正常成人的通行;当高度超过这一高度时，机箱会对大体型乘客或携带物品乘客造成通行的不便，影响通行效率;同时过于高大的箱体也会显得机箱笨重，不美观，增加制造成本。基于这个原因，该类型传感器的身高探测技术目前没有得到普遍的使用。而采用漫反射型光电开关感应器，则可以无需对机箱作特殊的设计，就可以实现对乘客的身高探测识别。

漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将发射器发射的足够量的光线反射到接收器，光电开关因此输出开关信号（如图2所示）。

基于这一原理，可以将漫反射光电开关传感器安装在机箱内调整一定的探测角度去探测高于机箱的高度物体的通行，具体安装位置如图3、图4所示。

使用4个漫反射光电开关HS1，HS2，HS3，HS4，分别安装在通道两侧的机箱上，通过倾斜感应器探测光线角度的设定，来实现对物体高度的探测。

由于漫反射光电开关的安装高度低于1.2米，因此需要使用可调节式的光电开关固定支架。在安装位置固定好支架后，根据固定的位置来算出感应器的向上倾斜角度。通过调整角度，可以保证通道两侧的光电开关的探测高度为1.2米，低于1.2米的乘客，可视为儿童;高于1.2米的乘客，可视为成人。

图2

图3

2.通行逻辑算法

在乘坐地铁出行时，儿童需要有成年人陪同才可通过闸机。在儿童通行时，分两种情况，成年乘客刷卡后，儿童在前，成人在后;或成人在前，儿童在后。在通行过程中，感应器S1，S2，S3…S14，S15，S16，S17（HS1），S18（HS2），S19（HS3），S20（HS4）的状态会被实时被单片机识别并保存在寄存器内对应的标志位。设t时刻，Si传感器的工作状态为：

则t时刻所有传感器的工作状态为：

F（t）=（fi（t）; fi（t）=S（i，t），1≤i≤20;

传感器状态F（t）是一个向量，该向量的每个元素分别对应于第1至20号传感器的工作状态。

图4

图5

正常情况逻辑：在正常情况下，当儿童在前从通道正中央走过时，若身高探测感应器未探测到物体，则认为正在通行的为儿童。此时传感器的的被遮挡顺序是S1，S2，S3…S14，S15，S16.儿童完全通过闸机后，如果一直没有检测到成人通行，门扇会保持在打开状态，直到通行授权信号超时后才关闭。此时，在运动个体经过通道需要的总时间T内，F0=（fi），其中fi=0，17≤i≤20。

特殊情况逻辑：在实际情况下，儿童在通道内行走路线存在不确定性，在行走过程中可能会紧贴一侧机箱，而身高探测感应器安装高度低于1.2米，不正常的通行就会遮挡到身高探测感应器。但通过通行逻辑的设计，根据感应器的反馈信号，同样可以达到通行乘客身高的识别（见图5）。

情况一：儿童在靠近机箱HS1，HS2侧通行，则此时身高探测感应器状态：HS1，HS2 被遮挡;HS3，HS4无遮挡;通行乘客可判断为儿童。此时，在运动个体经过通道需要的总时间T内，F1=（fi），其中：

情况二：儿童在靠近机箱HS3，HS4侧通行，则此时身高探测感应器状态：HS1，HS2 无遮挡;HS3，HS4被遮挡;通行乘客可判断为儿童。此时，在运动个体经过通道需要的总时间T内，F2=（fi），其中：

情况三：儿童在机箱内非直线行走，则此时身高探测感应器状态：HS1，HS3 无遮挡;HS2，HS4被遮挡;或HS1，HS3 被遮挡;HS2，HS4无遮挡;通行人员判断为儿童。此时，在运动个体经过通道需要的总时间T内，F3=（fi），其中：

考虑到儿童会手拿一些小玩具，高度超高1.2米可能造成误识别，在此可以通过对感应器的遮挡信号进行误判的排除，当被遮挡10ms以下，可以忽略遮挡信号。根据人体测量学3-10岁儿童头部测量尺寸，儿童的平均头部尺寸宽度为15cm左右，根据常识可以判定在定10ms以内的遮挡物体不会是通行儿童的头部或躯干。

在实际应用中，通过调节参数可放宽和收紧儿童探测的条件;假设该参数为CDSL，该参数可设置4个级别，来实现对儿童识别灵敏度的设置。如下表，在4个级别，HSC1包含HS1，HS3;HSC2包含HS2，HS4。通过大量的实验表明，四种级别下在相同的通行反馈信号下将乘客识别为儿童的概率分别是16%，56%，81%和94%。

3.逻辑算法输出表（见图5）

4.结语

地铁作为被广泛应用的公共交通系统之一，快速安全的保证乘客顺利进出站直接关系到地铁的运行效率。本文重点介绍了儿童乘客的识别原理及通行逻辑识别方法，通过对该方法的试验测试，表明该方法可以有效的解决儿童乘客被有效识别和安全通过闸机的问题。

参考文献

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