基于多红外传感器的闸机通行逻辑设计及实现研究

李大伟，王剑飞

(1.宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，浙江宁波 315010)

(2.通号信息产业有限公司，北京 100070)

闸机是铁路和轨道交通自动售检票系统的关键设备之一，其利用外部传感器和内部智能识别系统对乘客的通行行为进行识别，实现自动检票放行[1]。目前闸机对乘客的行为识别技术主要包括事件识别、步态识别和人体轮廓识别3种。步态识别和人体轮廓识别根据摄像头传感器获取对象信息，数据量庞大，运算复杂程度高，实时性较差，对闸机人体识别并不适用[2-3]；事件识别采用多红外传感器测量离散化的人体步态信号[4-5]，通过识别算法对乘客的通行行为进行识别，控制闸机动作。该识别技术数据量较小，实时性好，成为闸机人体识别技术研究的热点。

本文利用多对对射式高精度红外传感器进行闸机检测单元的结构布局和功能设计，采用事件识别和区域识别相结合的方法进行研究。

1 闸机通道检测要求

根据中国国家铁路集团有限公司的技术文件要求，适用于铁路行业的闸机需要至少满足旅客无票闯闸、无票旅客尾随、旅客反向闯闸和携带行李的旅客4 种通行状态的检测识别[6]。根据通行状态识别的要求，本文研究的闸机系统实现了单人正常通行、旅客无票闯闸、旅客反向闯闸、无票旅客尾随和携带行李的旅客5 种闸机常见通行状态的检测[7-8]。因为5种通行状态是按通行类型不同而做出的定义和区分，但具体通行状态的发生都是时间点的函数，是在具体时刻发生的通行事件。因此在后文的研究中，将5种通行状态称作通行事件。

1.1 单人正常通行

当单人旅客在闸机入口区经过一次授权确认时，闸机扇门开启，行人正常通过闸机门并走出出口区，闸机扇门重新关闭。在此过程中，并没有其他无票旅客尾随和旅客反向闯闸事件发生。若该旅客带有行李，也并未发生闸机扇门夹住行李的现象。则此事件就是一个完整的单人正常通行事件。

1.2 旅客无票闯闸

闸机扇门关闭状态下，进入闸机方向上没有合法授权时，当有旅客企图通过通道，闸机系统检测识别到非法闯闸人员，闸机扇门保持关闭状态，阻止旅客无票闯闸事件的发生。

1.3 旅客反向闯闸

旅客反向闯闸就是指旅客从闸机指定进入方向的反方向进入闸机，而引发的非法闯闸事件，主要分为两种形式的反向闯闸。方式1：当闸机扇门关闭时，旅客从反方向未经合法授权进入闸机通道，且此时正向（闸机指定进入方向）没有旅客进入；方式2：当闸机扇门关闭时，闸机正向有一次合法授权，正向通行旅客进入闸机但并未完成通行，此时反向有人逆向闯入闸机。

在具体分析旅客反向闯闸事件时，两种形式的反向闯闸都需要加以考虑。

1.4 无票旅客尾随

无票旅客尾随事件是闸机非法事件中最容易发生的事件，主要是指前一位授权者经授权通过后，在闸机扇门还未关闭时，闸机扇门后面跟随着的旅客未经授权强行快速通过的情况。这种事件的发生会对闸机核验功能产生负面影响，因此设计的闸机通道检测需要在保证旅客安全的基础上能够实现最少尾随距离小于（包括等于）200 mm 的要求。

1.5 携带行李的旅客

根据中国铁路总公司的文件要求，当旅客携带行李处于通行状态时，闸机扇门不得关闭，以保证旅客顺利安全通过闸机。因此，在闸机检测识别功能设计时，必须充分考虑带行李旅客的通行事件发生时旅客的人身和财产（随身携带的行李）安全。

2 闸机红外传感器设计方案

2.1 闸机红外传感器功能设计

闸机通道的识别检测设计就是在保证旅客安全和通行能力的原则和基础上，满足闸机通道检测要求的可行方案。设计选择对射式高精度红外传感器来实现对旅客和行李的识别检测，传感器分为安全光幕、测量光幕和进出口光电，安全光幕设置于闸机通道底部，测量光幕设置于进站一侧。闸机红外传感器设置方案如图1 所示。

对射式红外传感器共有3 对光幕和3 对光管，分别标号1 ～6。1、5 和6 属于光管红外传感器，2、3 和4 属于光幕传感器，分别安装在闸机通道两侧。当有旅客通过或者当旅客行李等携带物阻挡了相应的传感器时，传感器另一侧就接收不到对侧发来的红外信号，根据传感器设计的算法逻辑判断不同的通行状态和通行事件。

图1 闸机红外传感器设置方案Fig.1 Setting scheme of gate infrared sensor

各传感器的位置设置和对光管、光幕传感器的选择完全是基于不同的通行状态来设计的。其中:传感器1 主要用来检测是否有未授权旅客正向闯闸事件发生并限制旅客站位。如果旅客在授权前触发传感器1，则可能引发闸机声光报警，需要旅客退回闸机外并重新获得授权才可通过。传感器2 是测量光幕，测量光幕上沿高1.1 m，主要用于判断通行者的高度。如果通行物同时触发测量光幕上下沿，则可以判定为旅客，如果只触发了光幕传感器下沿，则可以判定为行李或者小孩。传感器3 和4 是安全光幕，用来检测通行情况和检测通道内是否有人员。如果传感器被触发，则保持闸机扇门打开，防止夹伤旅客或者夹住旅客行李。传感器5 和6 是用来检测旅客是否通过通道和是否有旅客反向闯闸事件发生。

2.2 闸机红外传感器逻辑设计

根据需要满足的闸机检测功能，对闸机红外检测逻辑进行设计。根据一次单人正常通行事件的发生过程，将闸机红外检测区域分为3 个部分，分别是入口区、安全通行区和出口区，各部分包含的传感器如图2 所示。

对射式红外传感器的工作原理是当一侧的发射信号被另一侧接收到时，传感器传入一个状态信号；当被障碍物阻挡未能被另一侧接收时，传入另一个状态信号。设在t 时刻第n 个传感器的状态为：

图2 闸机区域划分与传感器布置Fig.2 Area division and sensor arrangement of the gate

t 时刻闸机通道传感器状态向量为：

S0，S1，S2代表入口区、安全通行区、出口区的区域变量，当该区域有传感器被遮挡时，区域变量为1，当没有被遮挡时，区域变量为0。则根据区域状态识别方法，可以用从000-111 的所有二进制数字表示3 个分区内的所有通行状态。当单人正常通行时，闸机经历的通行状态是：无人态→入口态→安全通行态→出口态→无人态。由此可以得到所有通行状态或通行事件的真值表，如表1 所示。

表1 通行状态真值表Tap.1 Truth table of the transit state

2.2.1 单人正常通行红外逻辑

单人旅客准备通过闸机时，需要经过以下几步。

第一步：闸机待检状态下，通行人员站在闸机前0.3 ～0.5 m 的位置，如旅客随身携带行李，应放在旅客身后，防止行李提前进入闸机触发正向闯闸传感器。

第二步：用闸机允许的方式正确取得授权。

第三步：待提示核验通过时，通道闸门打开，旅客快速通过闸机走出通道。

如果单次通行过程中，没有其他非法事件产生，则这就是单人正常通行事件，也是闸机系统和红外逻辑设计最终希望得到保证的事件。

2.2.2 旅客无票闯闸红外逻辑

旅客无票闯闸主要就是靠传感器1 来检测旅客是否在通行前得到合法授权，如果未得到合法授权就触发传感器1，则认为旅客正在进行无票闯闸事件，如图3 所示。

图3 旅客无票闯闸红外逻辑示意Fig.3 Infrared logic for passengers entering without tickets

2.2.3 旅客反向闯闸红外逻辑

当反向闯闸形式1 发生时，闸门处于关闭状态，且该方向上没有合法授权时，有人企图通过通道，此时，非法闯闸者会触发传感器6，引发声光报警，如图4 所示。

图4 旅客反向闯闸形式1红外逻辑示意Fig.4 Infrared logic for passengers reverse entry form 1

当反向闯闸形式2 发生时，当A 方向上有一次合法授权，闸门打开但并未完成通行时，B 方向上有人逆向非法进入，如果移动门翼尚未开启，则继续保持关闭状态并引发报警，直到非法人员退出感应区域；如果门翼已经打开，且有一人正在通过门翼（防夹区域），则以人身安全为优先，但保持报警器并提供报警信号；如无人触发到防夹区域传感器，则闸门关闭。如图5 所示。

图5 旅客反向闯闸形式2红外逻辑示意Fig.5 Infrared logic for passengers reverse entry form 2

2.2.4 无票旅客尾随红外逻辑

当合法授权者已经通过闸机扇门后，传感器1又感应到同方向上有另一个没有合法授权的尾随者。发生该种尾随时，合法者可以正常通过，且设备会关闭扇门阻挡住尾随者并报警，如图6 所示。

图6 无票旅客尾随红外逻辑示意Fig.5 Infrared logic for ticket-less passengers following entry

另外一种情形是第一个合法的授权者尚未通过扇门之前，传感器 1 检测到有非法人员进入速通门感应区域。传感器工作特点是，两组非连续的传感器同时感应到有人员通过。如果扇门已经开启，且合法者正在通过，则合法者正常通过，如果非法者间隔较远，闸机扇门关门阻挡， 如果非法者间隔太近，以保护人身安全为前提下，扇门不会强行关闭，但是会通过报警器并提供报警信息。如图7 所示。

图7 无票旅客尾随红外逻辑示意Fig.7 Infrared logic for ticket-less passengers following entry

2.2.5 携带行李的旅客识别红外逻辑

当旅客携带行李通过闸机通道时，因行李不超过1.1 m，因此只能触发传感器2 测量光幕的下沿，根据红外光幕触发位置的不同，判断旅客是否携带行李，保证闸门不会关闭夹住行李，确保安全。

3 实验结果和结论

根据红外传感器的功能设计方案和逻辑设计方案进行样机设计，对5 种常见的通行事件进行人为实验，实验结果显示多红外传感器的闸机的通行方案中红外逻辑的设计满足铁路行业进站标准和要求，能很好地适用于铁路车站验检票业务。