基于无线通信的城市轨道交通实时客流信息采集装置研究

龙红宇 黄发展 王 莉 陈思捷 吴韦微 王顺利

(1.西南交通大学峨眉校区交通运输系,614202,峨眉; 2.西南交通大学峨眉校区机械工程系,614202,峨眉;3.西南交通大学峨眉校区计算机与通信工程系,614202,峨眉//第一作者,本科生)

基于无线通信的城市轨道交通实时客流信息采集装置研究

龙红宇1黄发展2王 莉3陈思捷1吴韦微1王顺利1

(1.西南交通大学峨眉校区交通运输系,614202,峨眉; 2.西南交通大学峨眉校区机械工程系,614202,峨眉;3.西南交通大学峨眉校区计算机与通信工程系,614202,峨眉//第一作者,本科生)

通过单片机技术和无线传输技术,研发了一款针对城市轨道交通的实时客流信息采集装置。 详细介绍了该装置的设计原理及其硬件构成和软件设计。通过Matlab建立了模糊控制模型，仿真验证了利用该装置控制车厢内CO2体积分数的设计思路可行性。

城市轨道交通列车; 客流信息采集; 无线传输; 模糊控制

First-author′s address Department of Traffic and Transportation,Emei Campus,Southwest Jiaotong University,614202,Emei,China

对成都地铁各站台乘客的随机抽样调查显示,城市轨道交通具有人员流动性较大、密度大、空间相对较小的特点,且大多数乘客的出行习惯是选择距楼梯较近的车门候车,导致列车车厢人数分布不均匀,乘客上下车时易出现拥挤现象,严重时易发生危险,影响行车安全。同时，车厢内乘客较多会引起CO2体积分数增大、新风量不足,导致车厢内空气质量不佳,使乘客出现头晕、恶心等症状,影响旅客舒适度[1]。

在此背景下,设计通过单片机技术和无线传输技术,在每次列车到站停车后实时采集车厢内的客流信息,经由单片机处理,一方面将车厢拥挤程度信息传输给前方站信息显示屏,协助站务员引导乘客安全候车,确保列车安全运营;另一方面在整列车大部分车门出现拥挤情况时,控制空调系统阀门开度,调节新风量,降低车厢内CO2体积分数,提高旅客舒适度。

1 实时客流信息采集装置设计原理

1.1 设置乘客引导屏

通过问卷并调查分析出,大部分乘客上车后不会随意走动,并愿意根据提示选择较为空闲的车门候车,因此根据车门划分,按区域在车辆地板下方安装电阻应变式压力传感器。B型车的一节车厢共安装4个压敏传感器,分别与每一对车门所对应区域相适应。在列车上下客完毕关闭车门后至起动发车前这一时间段内进行压敏测数(避免行车速度对于质量的影响),从而获得从本站出发时列车搭乘旅客及其行李的总质量,并将压力传感器采集输出的模拟量经由AD(模拟-数字)转换模块转换成数字量,由单片机通过模糊算法推测出当前车厢的拥挤情况(分为空闲、一般、拥挤三个等级)。经APC 250无线传输模块将各车厢拥挤状况传送给前方站对应站台屏蔽门上的TFT-LCD(薄膜晶体管-液晶显示器),以引导乘客选择较为空闲的车门候车,同时可加强站务人员工作的针对性,减少抢上抢下事件的发生,确保列车安全运行[2]。

设计一个简单的试验来证明由质量推测车厢拥挤程度的可行性。将较大的电子台秤划定1 m2的区域,让尽可能多的人站在该区域内,当区域内无法再站更多人时,读出电子台秤的数值。试验结果如表1所示。由表1可知,虽然因个体性别、胖瘦等因素拥挤时的总人数不定,但总质量均在一定的范围内。

表1 试验结果

1.2 CO2体积分数控制

通过传感器获得的客流数据经单片机采用模糊控制法分析后得到当前CO2体积分数,与空调系统设定的CO2含量值相比较,若大于设定值,则根据质量守恒定律,单位时间内进入车厢的CO2体积减去单位时间内由车厢排出的CO2体积等于车厢内CO2的变化率,新风量等于排风量,从而进行车厢内新风量的调节[3-4]。

1.3 设计流程

设计流程如图1所示。

图1 设计流程图

2 实时客流信息采集装置设计

2.1 硬件设计

2.1.1 质量采集部件

常用的称重传感器有电阻应变片式传感器、压磁式传感器、振弦式传感器、电容式传感器和陀螺式传感器等。从安装简便性、成本和称重精度三个方面综合考虑,本装置采用电阻应变式压力传感器(如图2所示)。

电阻应变式压力传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。称量物体给传感器的压力作用在弹性元件上时,弹性元件的形变引起应变敏感元件的阻值变化,其通过转化电路变成电量输出。电量输出的大小反映了被测物体的质量的大小。该原理也是本装置所需的程序代码的依据[5]。

图2 电阻应变式压力传感器照片

电阻应变式压力传感器具有精度高、测量范围广、寿命长、结构简单、频响特性好、适应性强等特点,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化,便于多点测量、远距离测量和遥测，非常适用于旅客流动性较大的地铁车厢。其容量为1 kg～1 000 t,完全可满足使用要求。

出于成本上的考虑,本装置使用的电阻应变式压力传感器的量程为5 kg。其模块电路如图3所示。

图3 电阻应变式压力传感器模块

电阻应变式压力传感器采集到的信息为模拟量,不能被主控芯片直接使用，故采用AD转换模块将模拟量转换成数字量。为了提高转换精度,决定使用HX 711(A/D)转换芯片,如图4、5所示。HX 711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片,具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。24位的精度是对传感器采集到的模拟量转换成数字量的精度保证。

图4 HX 711 A/D转换模块

图5 HX 711(A/D)转换芯片实物照片

2.1.2 主控芯片

本装置使用的主控芯片是型号为STC89C52RC的51单片机。STC89C52RC单片机是一种低功耗、高性能,以MCS-51为内核的CMOS 8位微控制器,具有8 K的系统可编程Flash存储器、1组USART串口、3个定时器中断、32个普通I/O口。其片上系统的内容完全能承担本装置所需的功能,相比市场上其他的ARM、AVR芯片,STC89C52RC单片机性能稳定、功耗低,且价格便宜。STC9C52RC单片机如图6、7所示。

图6 STC89C52RC单片机电路图

图7 STC89C52RC单片机实物照片

车厢拥挤程度分为空闲、一般、拥挤三个等级，三个等级对应的载客量信息存储在STC89C52RC单片机中。STC89C52RC单片机收集HX 711转换处理后的数字量数据,经换算后,根据载客量的多少,确定车厢的拥挤程度，并将判断结果通过无线传输模块发送出去。实际车厢拥挤程度的分级与车厢的容量和所使用的电阻应变片式压力传感器的类型有关,本装置中,为简化模型,设定0～1 kg为空闲,1～4 kg为一般,4～5 kg为拥挤。

STC89C52RC单片机处理数据是基于电阻应变式压力传感器和A/D转换模块的。HX 711模块A通道带有128倍的信号增益,其对采样电压放大128倍后,采样输出24位AD转换的值,单片机通过指定的时序将24位数据读出。STC89C52RC单片机进行编程转换数字量到实际质量范围的公式见文献[10]。

2.1.3 无线传输模块

APC 250无线传输模块具有近2 km的传输距离,且传输速度快、抗干扰、灵敏度高,能够透明传输任何大小的数据,有利于实现站间距离较短的城市轨道交通的信息传输。

NRF24L01系列的无线传感器模块在低功耗以及稳定性上都有较好的性能,不足之处在于NRF24L01的传输距离过短,即使使用鞭状天线及增加运放，传输距离也只能达到500 m,不适用于地铁站点间1～2 km的站间距。而增加信息传送点会增加设备的投资成本及维修难度,且过多的接收与发送点会减小无线传输的稳定性。

ZigBee是基于IEEE 802.15.4的一种低功耗、低速率、短距离的无线传输技术。相比NRF24L01,其在增加发射功率后,相邻节点的传输距离可达到1～3 km,基本满足我国城市轨道交通1～2 km站间距的现状。但其比APC 250无线传输模块成本高。另一方面,ZigBee的定位是短距离、低速率,若要使用,需将ZigBee的硬件射频部分和单片机部分集成在一起,开发周期较长,设计复杂。

相比NRF24LO1系列芯片和ZigBee无线传输技术,APC 250是基于si4432芯片的一种稳定的无线传输模块,具有小功率、多通道以及高穿射能力等特点,能较好地适应地下隧道的环境。APC 250的多通道技术避免了其与地铁现有的无线通信通道重复的可能性,从硬件上减少了地铁载重信息误传的可能性。基于上述原因,选择APC 250作为无线传输模块。如图8、9所示。

图8 APC 250S无线传输模块

图9 APC 250无线传输模块实物照片

2.1.4 显示模块

显示模块采用TFT-LCD(见图10)。TFT可高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息,且层次感强、颜色鲜艳,是最好的LCD彩色屏。采用TFT-LCD,便于用不同颜色来反映车厢内的拥挤程度,给乘客以直观感受。

图10 TFT串口屏模块

为了提高显示及传输效率,将大部分显示信息预先存储在TFT屏的主控芯片上。TFT屏的主控芯片接收到无线模块发送的显示命令后,调用内部的显示库,显示预定的内容。即模块传送的是显示命令而不是显示内容,这样可以减少数据传输量,提高传输效率。传输与显示过程如图11所示。

图11 TFT屏的显示过程

2.1.5 实物模型展示

综合各方面因素,设计制造了一个小型的实物模型对过程进行模拟，以证明装置的可行性。该实物模型共分为两个部分，如图12所示。

图12 实物模型照片

图12 a)的实物组成实现了乘客质量的采集和分析,并将结果通过无线发送模块发送给图12 b)的实物组成。图12 b)的无线接收模块接收到数据并将结果通过显示模块显示出来。在显示模块上,用红、黄、绿以及拥挤、一般、空闲来表示列车拥挤状态。

2.2 软件设计

2.2.1 模型建立

以地铁B型车为例,车厢定员为230人,车厢的体积为202.16 m3,乘客在车厢内呼出的CO2为0.014 4 m3/(h·人),则定员时乘客释放的CO2总量为0.000 92 m3/h;相关卫生标准要求地铁车厢内的CO2的体积分数值不超过1 500×10-6,新风中CO2的体积分数为0.03%,设定新风阀门全开时输入的新风量为6 000 m3/h。假设整个车厢内CO2分布均匀,根据质量守恒定律,单位时间内进入车厢的CO2体积减去单位时间内由车厢排出的CO2体积等于车厢内CO2的变化率,新风量等于排风量,可得下式[4]:

式中：

V车——车厢的体积;

C——车厢内CO2的体积分数;

C均——车厢内人均呼出的CO2的体积分数;

C新——新风中CO2的体积分数;

N——车厢内人数；

Q——新风量。

具体控制过程为：首先由硬件采集的乘客拥挤程度信息得出阀门开度标准,然后将测得的CO2的体积分数与设定的满足卫生要求的CO2的体积分数(1 500×10-6)相比较,当CO2的体积分数值大于设定值时,经模糊算法在阀门开度标准中选择一个合理的空调阀门开度,即加大新风阀的开度,以增加进入车厢内的新风量；当CO2的体积分数小于设定值时,则新风阀开度维持原值。

在实际运行中可根据历史数据,对客流量较大的车站提前采取CO2的体积分数控制措施,调节空调系统,调整列车新风量,将CO2的体积分数控制在适宜范围内[8]。

2.2.2 CO2的体积分数控制仿真

2.2.2.1 控制算法的确定

比例积分微分(PID)自整定控制是建模仿真中广泛应用的方法之一。PID控制最大的特点是它不是基于模型的控制算法,而是用控制目标与被控对象实际行为之间的误差来产生消除此误差的控制策略。其只适用于简单的被控对象,对一些复杂的、具有大滞后、大惯性的对象则无能为力。乘客实时信息采集装置是一个复杂的自适应式装置,而地铁的空调具有延时性较大,受非线性、干扰频率和外界因素影响很大等特点,对精度的要求很高,若只是使用PID控制算法会存在很大误差[6]。

模糊控制则很好地解决了这个问题。它对难以用已有规律描述的复杂系统,采用自然语言(如大、中、小)加以叙述,借助定性的、不确定的及模糊的条件语句来表达[7]。模糊控制是一种基于语言的智能控制。因此，本文利用模糊控制器对车厢内CO2的体积分数和新风量之间的关系进行调节,从而改善乘车环境,提高乘客的舒适度[8]。

2.2.2.2 模糊控制器的设置

设三个模糊子集为{体积分数偏低,体积分数一般,体积分数偏高},变化范围为[-1,1]之间变化的连续量;以当前的CO2体积分数为输入变量，将其与装置内的等级标准对比，输出结果为新风阀门开度{关闭,减小,不变,增大,全开}中的对应值。由于车厢内CO2的体积分数以10-6为单位,数值较小,将实际的体积分数乘以1 000作为显示值。

研究结果表明,用正态型模糊变量来描述人进行控制活动的模糊概念是适宜的。因此,确定误差和误差变化率的模糊变量呈正态分布,新风阀门开度变化的模糊变量为三角形分布[9-10]。根据所建立的输入、输出变量,确定以下5条控制规则:

if(体积分数is一般)then(新风阀is不变)

if(体积分数is偏低)then(新风阀is关闭)

if(体积分数is偏高)then(新风阀is全开)

if(体积分数is一般)and(误差变化率is减小)then(新风阀is增大)

if(体积分数is一般)and(误差变化率is增大)then(新风阀is减小)

确定隶属函数以及控制规则后,便建立了一个模糊推论系统。利用Matlab软件中的FIS编辑器可得到2个输入和1个输出的系统输出曲面,如图13所示。

图13 模糊控制输出曲面

2.2.3 仿真模型及结果

利用设置好的模糊控制器,通过CO2的体积分数、车厢体积等因素建立如图14所示的模型。

图14 仿真模型

仿真结果如图15所示。假设初始CO2的体积分数为0,乘客200 s后进入车厢,仿真结果显示,在300 s内车厢内CO2的体积分数急剧上升,当体积分数达到1 800×10-6时通过新风量阀门开度的变化调节车厢内CO2的体积分数,使CO2的体积分数降低,最终在800 s时将车厢内CO2的体积分数稳定在1 500×10-6,新风量也维持一个恒定值,从而为乘客创造舒适的乘车环境。

图15 仿真结果

3 结语

本装置设计针对于事故的预防,能有效降低乘客上下车的拥挤程度,减少事故的发生率,并且提高车厢内乘客的舒适度。该装置由硬件和软件两部分组成。硬件主要实现乘客信息的采集、分析、传输及显示功能,为前方站的乘客引导及候车组织提供信息;软件设计则先通过硬件采集的乘客拥挤程度信息得出阀门开度标准,然后将测得的车厢内CO2的体积分数与设定的符合卫生标准的CO2的体积分数相比较,再从阀门的开度标准中选择合适的阀门开度,从而控制车厢内的新风量,使车厢内CO2的体积分数保持在一个使旅客舒适度较高的水平。

(王顺利为本文通讯作者)

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Real-time Passenger Flow Information Collection in Urban Rail translt Based on Wireless Communication

LONG Hongyu, HUANG Fazhan, WANG Li, CHEN Sijie, WU Weiwei, WANG Shunli

With the development of single-chip microcomputer technology and wireless transmission technology, a new data acquisition equipment for the collection of real-time passenger flow information in urban rail transit is designed. The design principle, hardware configuration and software design are introduced in detail. Then, a fuzzy control model based on Matlab is set up, the feasibility of the design of the data acquisition equipment is simulated, it could be used to control the volume fraction of CO2 in the carriges.

urban rail transit train; passenger flow information collection; wireless communication; fuzzy control

U 29-39; U 293.13

10.16037/j.1007-869x.2017.01.023

2015-06-10)