城轨交通客流安全监控与应急管理系统研究

王爱丽

（中国铁路信息科技有限责任公司，北京 100038）

0 引言

如何动态监控城轨交通客流，智能检测、识别客流安全问题，并根据实际情况采取应急措施，以保障站内客流高效安全集散，防止突发事件发生，已成为城轨交通运营的核心问题[1]，对其开展研究具有重大现实意义和实用价值。

国内外众多学者对城轨交通客流安全问题进行了广泛探索，从城轨交通运行机制、客流安全管理的重要性、突发事件的应急管理及事故发生的善后管理等多个角度展开研究[2-8]，研究焦点集中在视频监控、应急救援、紧急状态疏散、突发事件处理、安全状态评估和预测等关键技术的改进上。然而，智能的客流信息检测和识别、有效的事前安全预警、精确可靠的应急预案以及应急处置效果追踪等技术还不够完善，客流监控仍要通过人工、高强度的不间断观察来实现，实时监控与应急响应仍不能完美衔接，应急响应处置过程只能被动回应，缺乏一定的主动控制性和应对性[9-10]。在此，基于视频图像处理、计算机视觉、数据处理、语义描述等技术，提出并构建面向城轨交通的客流安全监控与应急管理系统（简称系统），为城轨交通的智能化管理、决策、预警等提供基础支撑。

1 体系结构设计

结合城轨交通车站特有的管理需求和安全应急的相关规定，采用先进的计算机视觉、数据处理和管理等技术[11-12]，搭建客流安全监控与应急管理系统的体系结构（见图1），为城轨交通车站安全管理的信息化、自动化和规范化提供辅助支撑。系统采用5层分级的体系结构，由上至下分别为视频信息获取、交通信息获取、数据处理和管理、应急预警、疏散与决策支持[13]。

（1）视频信息获取：该层是整个系统的数据来源，通过在城轨交通的站台、站厅、换乘通道、出入口等主要人流聚集区域部署监控装备，实现分区域客流视频采集。该层又细分为视频图像获取、压缩、传输、解压缩4层，实现视频信息的获取。

（2）交通信息获取：该层利用计算机视觉和人工智能等技术对前端获取的客流视频信息进行智能分析，提取视频中的有效信息，对各监控点客流信息进行智能检测、跟踪和识别，统计重点区域的客流数据，如客流人数、流量、密度、速度等，为客流安全状态分析、事前安全预警提供数据支撑。

（3）数据处理和管理：该层负责对采集数据的写入、读取和编辑，能够对交通数据进行分类、编码、储存、检索、维护和共享等；同时，采用数据仓库和大数据等技术，对检测数据进行分析，深入挖掘和推演突发事件或点、线客流变化后线网客流分布情况，分析出入站交通流波形规律和高峰客流量与站点、线路之间的关系，预判事态发展，实时识别出站内的瓶颈点和异常事件，并对客流信息进行预测，可视化展示客流传播的时空分布过程和潜在安全隐患等信息。

（4）应急预警：该层建立各种异常事件的安全状态预警标准，并将监测的关键指标与制定的预警标准或历史经验数据进行比对，根据系统设定的报警标准自动将各类事故发生的情况以不同颜色显示预警信号，并通过图形、声音等方式对预警信息进行推送和发布，从而有效进行事前预警。

（5）疏散与决策支持：该层对发生的异常事件进行总结、分析和评估，采用相应的应急模拟演练等技术，进一步完善和更新应急预案的制定与管理，实现救援程序和措施的改进，应急触发规则的管理，预案的快速检索、生成、发布及基于历史记录的自学习等功能。该层还支持城轨交通环境的远程高精度计算机重现，采用MR、VR等技术实现应急救援真实环境的透彻感知，为现场设备、人员救援提供远程救援指挥、辅导决策和应急管理。

图1 客流安全监控与应急管理系统的体系结构

2 软件功能设计

系统采用模块化结构设计，各模块之间相互关联，提供丰富的接口，以便系统的集成和运行维护[14]。主要包括系统管理模块、客流监控模块、数据管理模块和应急管理模块。模块结构见图2。

（1）系统管理模块：该模块是维持整个系统运行的主要外层框架，主要包括系统的总体运行逻辑管控和参数初始化，保证各模块间的良好通信，是其他模块功能运行的基础。

（2）客流监控模块：该模块主要完成客流智能监控系统的各项事务，实现视频图像的采集和传输，并利用相关视频图像处理技术和计算机视觉领域算法，自动对交通场景底层、中层和高层语义信息进行智能解析与处理[15]，实现客流信息的提取。其功能结构见图3。

图2 系统软件的模块结构

（3）数据管理模块：该模块实现客流信息智能监控系统的数据处理、存储、共享、管理等。其功能结构见图4。

图3 客流监控模块功能结构

（4）应急管理模块：该模块主要包括客流状态分析评价、预警信息发布、客流诱导信息发布和客流应急联动指挥与管理[2]等。应急管理模块工作流程见图5。

图4 数据管理模块功能结构

图5 应急管理工作流程

3 监控对象与应用场景结构设计

3.1 监控对象结构体

为了精准地对城轨交通环境内乘客行为进行检测，需定义监控对象：行人。根据运动行人的占用空间将其用矩形框限定范围，定义乘客信息Passenger_Info结构体，Structure：Passenger_Info；结构体描述：乘客对象结构。Passenger_Info结构体说明见表1，可根据具体需求进行定义。

表1 Passenger_Info结构体说明

3.2 应用场景数据结构

对系统应用的场景进行具体分析，建立相关的交通场景知识库[15]，为异常事件监控提供一些先验知识，降低识别难度，能够提高客流监控系统对乘客行为识别理解的正确率。

3.2.1 场景结构划分和语义描述

视频图像理解的直观目的就是将场景中相应目标和区域进行语义化描述。通过构建交通场景内各区域设施和目标的视觉知识库，实现后期的匹配推理，完成图像的语义分析，视觉词汇是进行语义化分析的前提和基础。

场景结构会直间或间接影响识别对象的行为，如在检票口，行人必须沿某一特定方向进入。因此，在进行异常行为识别与理解前，需对整个监控应用场景结构进行划分和语义描述。采用WordNet词汇网和LHI标准[15]对交通场景内各区域设施和目标进行语义描述，构建交通场景内各区域设施和目标的视觉知识库。首先将场景结构划分为目标活动区域和目标作用对象，通过半监督方式将所监控的场景进行合理划分；然后采用WordNet标准命名场景设施和目标语义信息。对一般城轨交通监控场景，数据集语义描述见图6。

图6 监控场景数据集语义描述

3.2.2 应用场景目标数据库的建立和更新

通过建立城轨交通场景数据库，将相关场景的结构和语义信息存储在数据库里，实时地为异常事件识别和行为理解提供参考信息。将所识别的场景分割成n个区域，将场景中各区域所对应的像素用不同的标识符号表示。对场景中的区域和设备，定义结构体来描述。对监控场景的每个像素值建立结构体变量描述其场景属性，就可得到场景先验知识的数据库。

由于场景结构中的运动区域和某些固定设备，其特性一般是固定不变的，而对于一些可移动设备，其特性随着时间的变化而变化，因此需对这部分场景数据库进行实时更新，即场景数据库的更新。

4 结束语

城轨交通客流安全监控与应急管理系统的建立与城轨运行机制、相关支撑技术、体系结构等密切相关，应对其合理的系统架构及核心模块功能等进行研究。在此，采用5层分级的方法，提出一种合理的客流安全监控与应急管理体系架构，并采用模块划分法，提出系统软件架构，重点研究和设计了客流监控模块、数据管理模块和应急管理模块的功能结构和工作流程；同时，结合城轨监控对象和环境特征，采用结构体定义、WordNet词汇网和LHI标准，定义和设计了客流监控系统的监控主体行人Passenger_Info结构体和城轨交通场景数据结构，为客流异常行为监控提供一些先验知识。由于城轨交通系统运营的复杂性，实现全方位的客流监控和应急管理自动化需要循序渐进，该系统可为客流安全管理的完善和综合协调提供基础支撑。