一种地铁车厢人数测定的数据检测装置设计

周庆泽，戚子玥，施子逸

（1.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；2.北京交通大学交通运输学院，北京 100044）

该文所设计的地铁车厢人数测定的数据检测装置，是一种运用于智能交通管理系统，通过实时测定车厢中的人数从而引导乘客在站台上主动选择车厢的智能系统，实现了无管控模式下平衡车厢客流分配且避免了乘客的逆反心理，从而提高乘客出行的舒适度。最终优化地铁站台内的秩序，进而提高地铁运行效率。为实现上述功能，设计了一种装置来完成最初的信息获取和传输，为后续的计算提供方便。因此如何能够有效获取数据成了必须要解决的问题。

现有的站台引导方式主要有人引导、标志引导等，但凭经验进行判断。从避免站台局部拥挤的视角出发的措施，难以解决车厢内乘客数量分布不均的问题。目前，利用图像识别技术[1]结合地铁站台显示屏进行车厢人数的实时发布，并有学者引入Yolov3人数统计算法来提高精度[2],同时也有学者提出运用RFID 技术进行车厢内人数的统计。然而，图像识别或者红外感应技术存在随着客流强度增大精度变低的问题；RFID 技术经济性较低。引入压力传感器来测量人数更加经济且便于维修、更换。目前传感器用于压力源的测定方法相对成熟[3]，但仅限于健康监测领域[4-5]，缺乏对其优化布局的研究。

地铁车厢人数正确的测定需要有有效、实时的数据作为支撑，这就需要从多个角度进行考虑。首先，为了兼顾成本和效率，就需要考虑在车厢中如何选点进行布置传感器；其次，对于面积较大的区域使用压力传感器，就需要考虑传感器如何正确的布置；最后，获取的信息如何实现传输从模拟量转变为数字量。在现有的文献中，对于地铁车厢人数测定的数据检测装置，目前还未找到简便的方法，在智能化逐渐深入人心的时代[6]，该问题亟待解决。文中也将从上述3 个角度去阐述。

1 车厢传感器的优化布局

系统设计思路图如图1 所示。

图1 系统设计思路图

通过研究发现车厢人数分布本身具有一定规律，利用大量车厢人数历史数据结合改进的人工鱼群算法与交叉验证的支持向量机的组合优化模型可以得到，在误差精度为7.13%的地铁车厢传感器中采用检测方案。为了节省成本，不将传感器铺满整节车厢，而是对数据本身进行挖掘处理，得到检测总人数的传感器布局位置与算法，传感器最优布设方案如图2 所示。

图2 传感器最优布设方案

该文着眼于确定位置的布置，然后解决检测装置的设计问题。

2 传感器的四角布置

2.1 基本布设单元

文中结合资料与实际，提出了一种基于压力传感器的布设方式。其包括了承载平台、安装板、支撑柱和压力传感器。将车厢划分为多个基本单元（unit），各个单元之间相对独立，每个基本单元的组成如图3 所示。

图3 基本组成单元与布设方式

压力传感器布设于安装板表面，同时设有多个支撑承载平台的支柱。支撑柱内部可采用弹簧等抗压材料。传感器与内部处理器之间进行电连接，用处理器来接收、分析多个传感器所采集的信息。承载平台承受的压力使得压力传感器发生微量形变，产生信号。此外支撑柱可对传感器进行保护，支撑柱的高度低于多个压力传感器未压缩的高度，但高于压力传感器最大压缩量的长度。

2.2 传感器量程

压力传感器采用特性合金钢材料，内部灌胶密封，防油、防水、耐腐蚀，可适用于各种环境，安装简便、快速，稳定可靠。

为确定所使用传感器的量程，考虑到实际情况下人体相关尺寸，假设人的体重为60 kg，双脚面积为200 cm2，造成的压强如式（1）所示，其应为压力传感器所能承受的最大量程。

保持坐姿时，假设人是一个密度均匀的圆柱体，座椅支撑了上身的重量，地面支撑了膝关节及以下的重量，根据相应占比计算压强。另外，通过查阅资料得到公共场合的座椅高度大多为0.55 m。可以推算出此时造成的压强如式（2）所示，其应为压力传感器能感知的最小压强。

通过调查发现，现有的市面上量程为0～100 kPa的传感器可以满足上述量程要求，且成本相对适中，可以推广。对压力传感器的综合使用，体现了多传感器信息融合技术的思想，模拟了人的大脑综合处理信息模式；对传感器进行多层次和多空间的互补和优化组合处理，实现综合利用各个信息源的数据来提高整个传感器系统的智能化的目的。

2.3 传感器设计与电路仿真

为了从根本上证明方案的可行性，便于探索后续数据传输与处理，并且尽可能降低成本，文中选用各类元件自行设计电路。通过模拟仿真，实现由压力传感器感受被测物体的质量，通过电桥输出电压信号，通过放大电路将输出信号放大，最后初步实现仿真，为实物制作提供理论支持。

选用元件：型号为H3-250 kg 的压力传感器、若干个电阻、若干个电容、滑动变阻器、AD 转换元件、运放类型为AD8072、LM324AD。

总体设计方案流程如下：

1）传感器获取信号；2）信号放大；3）模数转换；4）微处理器处理；5）即时显示。

2.3.1 仿真传感器原理

压力传感器[7]是将被测量的力，通过其产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。电阻应变片产生的误差，主要来源于温度的影响，这次仿真对温度的影响暂不进行处理。

传感器的本质是通过电桥电阻的改变使输出得以改变，文中采用电桥替代传感器元件。在电桥测量电路中，将一对变化相反的应变片接入电桥一臂，另一臂接两个相同的阻值作为基准值；假设桥臂电阻初始值R1=R2=R3=R4=1 kΩ时平衡，当其变化值为ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=d时，其桥路输出电压Uout与d成正比，如图4 左下角所示。

图4 传感器电路及调零电路

2.3.2 调零电路设计

调零电路用以抵消传感器的零点输出和称体本身的自重引起的传感器输出信号。它是由高稳定的电阻、多圈线绕电位器和直流稳压源组成的电桥电路，称为调零电桥。将调零电桥串接在传感器输出和放大器之间，通过调节调零电桥内的可变电位器RV1，来改变桥路不平衡输出电压u02，使之与传感器空载输出电压u01大小相等，极性相反。这样就可以使电子称在空载时总的输出电压u0为零，如图4右上角电桥所示。

2.3.3 放大电路设计

所选的称重传感器输出灵敏度为2 mV，输入电桥电压为12V，因此传感器输出的摆幅约为0～24 mV。而A/D 转换的输入电压要求为0～5 V，因此放大环节要有200 倍左右的增益。放大电路如图5 所示（其中A/D 转换选用元件型号为AD8072JN）。

图5 放大电路

2.3.4 整体设计

为了达到测量目的，需在1 m2内测得的数据不能因人的位置改变而改变。

如果采用单只传感器[8-9]，其中的敏感元件应变片会因人所在的位置不同产生的形变不均匀、不对称，从而使同一被称的人因所在位置不一致而产生不同的输出电压，也就是压偏载。因此需要将4 个传感器放置于四角，同时输出端采取串联的方式，将输出的电压相互叠加。因此为了获得量程为1 000 kg/m2，需要4 个250 kg/m2量程的传感器。

图3（b）中4 个圆圈就是放置传感器的部分，方框部分是平衡杆，使精度更加准确。最后，还需要一个累加电路，如图6 所示，将各个传感器的输出电压进行累加，然后输出到单片机中进行数据分析处理（由于采用反向加法器，所以输出的电压是负值）。

图6 累加电路

2.3.5 电路仿真

文中对其中一个传感器电桥的输出端进行测量，再对最终的输出电压进行测量，可以得到如图7所示的波形输出图。

图7 仿真输出电压与传感器电桥输出电压之间关系结果图

传感器电桥的电阻变化引起了输出电压的改变，将电桥的电阻与输出电压列成表格，可以直接体现传感器电阻与电压的关系，再利用数据直观描绘出了两者之间的关系图，如图8 所示。

图8 传感器电阻与输出电压关系拟合曲线

由拟合结果可见，传感器应变片电阻变化在300～1 000 Ω范围内，传感器电阻与输出电压成线性变换，证明电路输出特性良好。由此，测量时根据实际需要可以选择中间部分进行设计，利用良好的线性关系方便后续工作的开展。

3 检测装置的实现

上述研究表明，四角布置的传感器的测量数值与传感器的数量成正比的，所以对于数据传输的研究以及该方案的可实现性，只需研究一个压力传感器是否能够正确地获取数据，并进行数据传输。

文中装置涉及的原理和技术如下：传感器技术、基于51CH340 的编程（串行通信、开关控制、LED 显示）、USB 转TTL 技术、Labview visa 串行通信的功能使用等。

3.1 整体功能

文中采取比例缩小原理，实现在1 kg 以下精准读取数据，通过芯片HW-29 对数据进行处理（上电后能自动去除毛重，实际中可以去除传感器上方地板的重量），获得正确数据后传输给单片机，并用串口通信原理通过数据线传输给PC 端电脑[12]，与Labview 建立通信，将所得的数据显示在波形图上，程序结束后将数据传送给excel表，并在excel 表上显示何时测得何种数据，实现实时检测的功能。

3.1.1 实物简介

文中介绍的检测装置主要使用了压力传感器模块、数据处理模块HW-29、单片机STC、通信传输芯片（USB 转TTL）、LCD1602 显示模块。

3.1.2 Labview界面构成

该装置调用了VISA 功能（外设与Labview 建立通信所使用的功能），Labview 程序总共由5 个部分组成，第一部分，端口的选择，实物通过USB与电脑进行连接后，选择正确的端口建立连接，并等待接收数据；第二部分，stop 按键功能，使程序终止运行，并能获取数据形成excel[13-14]；第三部分，文件保存路径选择，选择excel表文件，将实验结果录入表格中；第四部分，数值显示，将单片机传输来的数据进行显示[15]；第五部分，示波器显示，将获得的数据以波形图的形式进行显示，显示数据已经录入（录入的方式由外设控制，由单片机状态灯旁的第一个键控制，每次按下都会实现通信，并采取了防抖功能，连续快速按键只录入一次）。

3.2 实验现象

文中将该装置的实验现象分为两个方面去探讨：实物现象、PC 端现象。

3.2.1 实物现象

将砝码放置在压力传感器上，并在LED 上显示数据，此外，由于砝码被外界磨损，质量有误差，通过多次重复实验可以得到精准的精度（精度计算主要是在传输数据方面）。

3.2.2 PC端现象

Labview 界面实验现象图如图9 所示。可以看到，通过按键使数据显示在示波器上，同时在上方的数据显示窗口显示此时录入的数据，当按下STOP键，录入的数据将会自动在选择的excel 里录入，并显示出录入的具体时间，包括年、月、日、时、分、秒，初步实现了需要的全部功能。

图9 Labview界面实验现象图

文中对该问题的误差进行了分析，可得平均误差为0.347 4%，具体误差对比如表1 所示。

分析实验数据可知，该装置测得的数据精准，并能够实现数据的有效传输，顺利完成了数据的检测。

4 结束语

随着智慧城市[13]的推进，智慧交通也逐渐走进人们的生活。文中提出了一种智能的、实时的地铁车厢人数测定的数据检测装置。从兼顾成本和效率的角度，介绍了如何在车厢中进行选点、布置传感器；从客观事实的角度，解决了在面积较大的区域如何正确使用压力传感器；从智能化的角度，实现了如何实现将获取的信息从模拟量转变至数字量并进行传输。在传感器选点上，采用了交叉验证的支持向量机的预测方法；在传感器的布置上，提出了四角布置模型，确保获取数据的精准度；在数据传输上，采用串口通信，确保数据有效、实时地传输，与Labview visa 建立连接形成能够存储时间、数据信息的表格文件，以利于后续的研究。