基于多源监测数据融合的城市轨道交通客流监测系统研究

郁琦晖，杨海红，李傲松

1.上海申通地铁集团有限公司 2.上海工程技术大学

0 引 言

随着城市轨道交通的不断建设发展，城市居民的出行对其依赖性也越来越高，线网客流量日益增长，而车站容客量有限，于是二者的矛盾愈加尖锐，给车站的运营埋下了安全隐患，同时因客流拥挤造成的事故风险也大大增加。目前，运营单位也各自采取了视频监控、移动数据终端监测、红外线或激光检测等技术来实现对大客流安全状态进行监测，并建立相应的动态指标体系和判断标准实现动态客流风险预警。

金照[1]分析了视频检测技术的数据流向，通过前端对视频信息进行分析处理得到相应出入口、通道以及各区域客流量数据以及客流分布数据；麻天骄[2]分析目前客流检测技术所面临的难点，即在轨道交通车站内部由于现场情况的影响以及图像数据量大等现状提出多源监测客流的解决方案；陈菁菁[3]详细分析了用以获取客流信息的热敏传感技术的优劣。但其对安装环境要求相对较高，同时也受制于客流的复杂情况，故在车站内广泛安装推广还难以实现；于此同时，此项技术安装成本较高，不适用于大面积推广使用。综上，合理利用监测方法，使其达到准确的设计要求和使用目的。

1 客流采集终端技术与设备

从各类技术的特征出发，对其原理、技术特点、适用性等方面进行单独的分析，并给出不同技术实际应用的前景，作为各地铁车站选用不同客流监测技术的基础，便于车站及时、客观地对站内的客流状况进行评估，以保证站内的客流安全与服务水平，各监测技术对比如表1。

表1 各监测技术对比

依照不同功能客流监测终端设备可分为存量式计数设备和通量式计数设备2种[4]。诸如基于视频分析客流计数的摄像头这样的存量式设备是指大范围覆盖统计区域的设备，该类型设备虽成本低但精度较差，并且不存在误差由于通量的增加而累积的现象[5]。诸如红外客流计数器这样的通量式设备是指设置于各区域连接通道处用以统计客流在区域间的流向、流量的设备，该类型设备虽成本高但精度好，但会存在存量式设备没有的误差累积现象。

除此之外，各检测技术还有着各自不同的局限性，如手机信令数据的监测需要三大运营商公开手机用户移动电话的实时数据信息，而这牵扯到用户的隐私以及某些商业机密，因此很难实现；再比如，视频识别技术的监控范围有限，要进行大范围客流监测，要求大量摄像机覆盖所有目标区域，而既有的监控设备很难做到这点。另外受摄像机设备能力的影响，从近到远，客流监测精度逐渐降低不可避免，甚至无法识别。

综上所述，各监测技术的实际应用会受到多方面影响，诸如数据精度低、受环境干扰较大、设备安装成本高等等，如何将不同的通量式、存量式监测技术有机结合起来，互相弥补各自的不足，以最低的成本、最小的工作量得到最精确、最详细的客流数据，即为本文的研究重点。

本文所设计的多技术融合客流监测系统所采用的客流监测技术主要包括视频识别技术、WiFi嗅探技术、红外传感监测技术，并利用AFC数据作为辅助校正，以此实现准确的客流监测。

2 系统设计与实现

2.1 客流监测方案设计

在地铁车站内，乘客的流动过程和流动路线简称为乘客“流线”[6]。楼扶梯、进出站闸机、安检这几处为客流必经之地，且楼扶梯处多为安全事故高发区，因此对这几个关键位置应区别对待，分别选用合适的监测技术，对其通量客流进行重点监测，便可较为准确的得到车站客流的分布情况。

以上述关键节点为界，可把车站划分为三个区域：非付费区、付费区和站台区域[7]。在区域衔接的关键节点处，分析该节点客流特征，结合该节点运营设备特点，采用适合的客流监测技术进行数据采集。

车站内局部区域客流拥堵多为两个原因，一是由设施设备能力不足导致，二是由于车站承载能力不足。设施设备能力包括为闸机、安检门以及楼扶梯三处。

进出站闸机作为付费区与非付费区的分界点是决定乘客进出站效率的关键，由于闸机通行能力不足从而导致闸机前排队较长，这会使得付费区或非付费区发生不同程度的拥堵，可选定排队长度作为其预警指标。闸机处，采用AFC数据。闸机本身具备计数功能，因此可利用闸机内部所记录的客流数据，将其传输到系统数据处理平台。

安检处一般有车站安检人员现场负责，服务能力比较稳定，若一定时间内通过人数较多，说明有较多乘客有乘车需求，可选取1min通过人数作为其检测指标。安检处采用主动红外传感技术。进站乘客均须通过安检门，但极少有乘客在此处停留，因此，这里最适合安装通量式技术设备，又因为安检处为车站付费区与非付费区的衔接节点，环境较为复杂，客流较为紊乱，但主动红外监测技术充分利用自身光源，能最大程度上排除温度、光线、环境等外部条件对检测效果的影响，最适合用于安检门处的客流监测。

楼扶梯指的是用以连接站台层和站厅层的楼扶梯，由上行楼扶梯、下行楼扶梯组成，其通行能力决定了站台上客流的疏散效率。如果其通行能力因故受限，导致通行客流流速过慢，就会加重站台层或站厅层客流拥堵。楼扶梯处同样极少有乘客停留，适合采用通量式技术设备监测客流，但考虑到楼扶梯处为安全事故高发区域，仅仅进行客流计数不足以为客流预警提供足够的依据，因此楼扶梯处采用视频识别技术，并选定客流流速作为预警指标，在楼梯处上方垂直安装摄像装置，能够最高效地识别到楼扶梯上的乘客，进而分析得到相关客流指标。此外，通过摄像设备的监控功能，还可高效关注楼扶梯处的客流实况，以便及时发现此处的突发状况。

车站承载能力不足主要包括站台等区域。站台区域采用WiFi嗅探技术统计待乘乘客人数。站台层范围大，人数众多，且大部分乘客处于待乘状态，流动性不强，通量式技术设备难以完成对该区域乘客的统计，而通过在站台区域布设WiFi嗅探器，可以实现在站台区域远距离、大范围的统计客流人数。需注意，该监测方法首先需统计监测区域内打开WiFi的无线终端数目，进而通过一定的扩样比例才可间接得知监测区域的客流停留量。

以上海地铁某站为例，红外传感设备、视频识别设备布设位置如图1所示，其中椭圆标注为红外设备布置点，矩形标注为视频设备布置点，蓝色线框范围内为付费区，绿色线框内为非付费区。

图1 节点设备布设位置

WiFi嗅探器的布设位置同样以该站站台层为例，由于站台层较为狭长且对称，在此只放置站台西端设备布设情况，如图2所示：

图2 站台WiFi嗅探器布置

2.2 大客流预警

客流预警是通过对高密度区域客流的状态进行分析和研究，按照拥堵程度和拥堵范围对客流的状态进行警情判断，并为预警应对提供较为详细的数据来源[2、5]，本文的客流实时监测系统也设计了预警功能，具体如下。

要及时实现预警，首先需确定客流检测指标，划分合适的预警级别标准，然后系统对所监测的客流数据与设定的预警指标进行对比，判断是否预警。该设计可为车站采取客流疏散方案、紧急救援措施等提供决策依据。客流预警流程如图3所示：

图3 客流预警流程图

据由上海市公安局、上海申通地铁集团有限公司联合发布的《大客流组织预案》将大客流分为一级、二级、三级三个等级，其中一级最为拥挤、二级次之、三级客流拥挤程度最低。因此大客流预警等级须与此保持一致[8]。

客流风险预警采用信息发布的方式，包括引导客流的信息及对车站人员的命令两部分。引导客流可利用广播系统、屏幕显示等。例如需要紧急疏散乘客时，在站内由广播系统发布客流疏散路径，屏幕显示客流风险预警信息，禁止新的乘客进站等。对车站人员的命令发布包括关闭电扶梯、关闭进站闸机等措施发布。

能够反应客流聚集程度的且作为预警依据的客流指标有很多，包括售检票服务水平，客流密度、客流流速，排队长度等。因此，需要对站内不同区域选定相应的预警指标，一旦站内出现拥堵情况，能够及时作出预警，以便最快速度采取站外限流、站内引导等措施，避免站内拥堵风险进一步加剧。

车站设施设备能力预警需求及适用客流检测技术，如表2所示。

表2 设施设备能力预警

车站承载能力主要包括站台及换乘通道两处。

站台容纳能力又名站台设计能力，据站台面积、2人/m2的设计标准和一定的站台有效系数，便能够计算得到站台设计容纳人数[9]。

换乘通道的通行能力和线路间的换乘效率直接相关。如果换乘通道乘客流速低、密度大，就造成人流聚集导致的换乘困难甚至严重的踩踏事故。

车站承载能力预警需求及其适用的检测技术，如表3所示。

表3 车站承载能力预警

2.3 系统组成结构及可视化界面

基于以上研究内容，本文设计了一套客流监测方案，并设计了实时客流监测系统，可以实时监测站内客流并显示相应的客流信息指标，同时，可以有效预警大客流拥堵聚集情况的发生，以便工作人员可以及时应对突发情况。此外，该系统可以通过信息发布功能高效疏导拥堵乘客，提高工作效率。

2.3.1 系统结构

系统总体由客流信息采集、客流数据处理、大客流预警和客流信息显示四部分组成。具体的设计内容如下：① 结合车站空间特点，并考虑到乘客流线，设计了融合多种监测技术的设备布设方案；② 结合车站预警需求及合适的监测技术，提出了同时考虑车站服务水平以及乘客乘车安全的客流预警触发指标；③ 设计了可现实站内不同区域的客流量、客流密度等客流指标的可视化界面，可供车站工作人员实时处理客流数据并做出最优决策决策，有效达到客流监测目的；④设计了信息发布功能，车站决策者可直接命令车站人员做出相关具体措施，还可对乘客通过广播、显示屏等方式发出引导信息。

2.3.2 数据可视化界面

本文设计了具有客流监测数据显示和预警信息发布等功能的界面。界面分为车站参数设置模块、客流监控工作模块、楼扶梯实况监控模块及预警信息发布模块，界面简洁美观，操作学习简单、数据清晰明了。车站参数设置模块、客流分布显示、客流实况及信息发布界面如图4、5、6、7所示。

图4 车站参数设置界面

图5 客流分布显示界面

图6 楼扶梯实况界面

图7 信息发布界面

3 结 论

① 根据地铁站不同区域的客流特点，并考虑了客流流线及不同监测技术的优势之处，结合车站进出站闸机等原有设备，融合不同监测技术，设计了多源数据客流监测设备布设方案；

② 基于服务水平和预警需求设定了客流预警触发指标，划分了预警级别，建立了基于客流流速、客流密度等的客流指标的预警模型，可在客流聚集风险过大时及时做出预警；

③ 设计了具有数据显示、信息发布等功能的系统可视化界面，能够清晰明了的观察到车站各区域的客流变化，实现了对车站客流的实时监测。可向客流聚集区域的乘客发布相关区域拥堵及疏导的预警通知，最大可能的规避乘客聚集情况的风险，进而减少车站安全事故发生概率，并增强拥堵客流的疏散效率。

此外，系统可加强车站人员对突发事件的决策能力和处理效率，为管理部门在突发事件发生时快速响应、内部预警协调并及时进行客流疏导提供强力支撑，以便直观掌握客流状态，以便车站人员能够根据实时客流信息，在车站局部区域发生拥堵时及时做出相关举措，降低安全事故发生的风险。同时，也便于发布预警信息，高效引导客流，疏散乘客。同时也可为其他相关研究提供客流数据，从而能够更深入地分析轨道交通客流状况。