基于TOF 技术的自动乘客计数系统设计及应用研究

于亚新，于晓杰

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266109）

1 前言

随着科技的进步，对地铁车辆的智能化程度要求越来越高，自动乘客计数系统是智能车辆的重要组成部分。自动乘客计数系统能够实时计算地铁车辆在任何时间、任何地点上车乘客总数量和下车乘客总数量，并将此数据通过无线网络与地面系统进行实时通信，自动产生列车车辆运营管理所需的客流统计、超载报警和车辆与运营线路管理等各种功能报表。准确的乘客计数，可以作为城市轨道交通线网日常运营计划及客流预测的参考值，为安全运营、高效运营提供重要的数据基础。

目前，地铁车辆的几种常用乘客计数技术分析如下：

（1）被动红外技术：将人体发出的红外能量转化为电信号，采用合适的热释红外探头捕捉该信号，从而进行识别计数。该技术能够通过包含在传感器中的两个串联的电极化方向相反的热释电元接收到的热量的先后顺序不同识别上车和下车。但乘客着装、环境温度和强烈日光照射会对计数精度造成影响。

（2）门道红外检测技术：将两对红外发射源和接收源分别装在车门两侧，当有人经过时，红外光束被遮挡中断，根据光束中断的顺序可以判断乘客上车或下车，并进行计数，但由于红外线被遮挡后无法计数，因此，不能解决多人并排经过的情况。

（3）视频检测技术：利用安装在车门内侧天花板上的摄像机对设定区域的视频进行分析，从而检测人员的进出方向、数量和时间。该技术中采用的乘客目标分析计数算法复杂，且环境、天气、光照影响及人头遮挡等对该技术的计数精度影响较大。由于采用视频拍摄技术，可能涉及乘客隐私问题。

本文将红外原理与TOF 测量技术结合，快速精确地捕捉人体在检测区域（如车门区域）的三维运动轨迹，实现在特定时间特定地点的上下车乘客数量的精确统计。本文所述乘客计数系统结合了红外线波长短、红外摄像头不受环境亮度影响和TOF 技术实时性好、判断精确的优点，有效提高了乘客技术系统的技术精度。

2 人体识别原理

2.1 TOF 距离检测原理

本系统采用主动式红外传感器，在每个门区域顶端设置一个传感器，在传感器的面板上，有2 个红外LED 光敏区域，其中一个作为发射器，一个作为接收器，当目标进入传感器的检测范围时，发射器发出的红外光线经目标反射后会重新被接收器接收，通过记录光线在空气中传输的时间（TOF，Time of Flight），采用公式（1）可计算出单点的距离。

式中：s 为传感器与目标物体之间的距离，m；c 为光在空气中的传播速度，m/s；t 为光在空气中的传播时间，s。

2.2 人体识别原理

将红外传感器安装在车门区域的上方，传感器在平行于门方向的扫描角度和垂直于门方向的扫描角度分别为α和β，对于进入扫描区域三维物体，如人体，发射器发出的光线在三维物体上各点的反射路径和传输时间不同，如图1 所示。

图1 光线在三维物体不同点处的传输路径示意图

将发射器和接收器都设置成矩阵区域，如，每一时刻，传感器同时发射并接收500 个红外光线，基于发射和接收光线的相位差和传输时间差，计算出一个体现目标物体个体形状的三维图像，将这个三维图像与人体三维图像进行对比，系统自动判断出进入检测区域的三维物体是不是人体。

3 计数原理

根据上述人体识别原理，系统首先判断出进入检测区域的三维物体是人体，然后，精确记录人体的行动轨迹，形成三维图像流。在传感器的检测区域内，靠近车门的位置设置一条虚拟的线，作为车内和车外的划分界限，传感器一直捕捉已确定人体的行走轨迹，结合内部算法，当人跨过这条线的时候，被认为是进和出车内，从而计算出上车和下车人数。

4 优点

（1）TOF 技术的优点是实时性好、测量快速、判断精确、不存在延时等，因此，即使在拥挤的环境下，也能保证计数的精度。

（2）普通摄像头有最低光照亮度要求，本系统摄像头采用红外技术，可以在完全黑暗的条件下计数而不影响精度。

（3）本系统采用的红外线波长超短，可以快速精确识别人体，然后精确计数。

5 乘客计数系统在城轨车辆的典型应用

乘客计数系统由车载系统和地面系统2 大部分组成。车载系统由乘客计数传感器、交换机和车载主控单元3 部分组成，每个门区域设置一个传感器。地面系统由无线数据接收单元和数据分析计算机组成。智能乘客计数系统方案架构图如图2 所示。

车载主控单元通过交换机和安装在每个车门上的乘客计数传感器通信，获取每个门的上下车乘客数量，并从乘客信息系统（PIS， Passenger Information System）及列车控制及管理系统（TCMS， Train Control and Management System）获取时间、地点等信息。车载主控单元将这些信息通过无线网络实时地发送给地面系统。地面的车站及运维中心将信息进行显示、存储以及大数据统计分析等工作。

图2 智能乘客计数系统方案架构图

6 结语

本文将红外原理结合TOF 测量技术，快速精确地捕捉人体在检测区域（如车门区域）的三维运动轨迹，实现乘客识别、乘客跟踪和乘客计数三大功能，有效提高乘客计数系统的实时性，减小环境对乘客计数系统的影响，进而提高了计数精度。将该技术应用于地铁车辆，结合车辆已有的乘客信息系统、列车控制及管理系统、无线网络等，可以将乘客流量信息实时传输给地面运维中心，为地铁车辆的运营调控提供重要依据。