基于多源数据的地铁站客流动态监测与管控决策系统

陈维亚 蔡 适 蒋琦玮（中南大学交通运输工程学院，长沙 410075）

基于多源数据的地铁站客流动态监测与管控决策系统

陈维亚 蔡 适 蒋琦玮
（中南大学交通运输工程学院，长沙 410075）

地铁运营中常常面临着高峰期大客流压力。为了保证地铁车站客流组织效率和站内乘客安全，本文设计并实现了一种基于多源监测数据的地铁车站客流动态监测与管控决策系统。客流监测部分考虑地铁车站客流的流线特点，在重要客流流线衔接点采取红外感应、视频识别和RFID等客流监测技术，并结合闸机客流数据，实现了动态监测车站客流的流向、流量和流速。管控决策部分基于地铁车站客流组织的三级控制原理，建立了基于实时监测数据的车站客流动态管控决策模型。此外，设计并实现了信息发布功能模块，实现对客流的实时信息诱导。系统应用将实现地铁车站客流监测智能化、管控决策科学化、信息发布人性化，能够有效提高地铁车站客流组织效率和运营安全水平。

地铁车站；客流组织；动态监测；管控决策

当前许多大中城市陆续进入地铁时代，地铁运营高峰期经常面临大客流组织管理难题，巨大的客流也时常引发安全事故。近年来，很多轨道公司开始重视客流的科学化管控问题，并建立了具有针对性的客流管控预案，一定程度上起到了控制客流的作用。但目前地铁客流的监测及管控普遍存在以下问题：（1）客流量统计和大客流识别过度依赖人工目测或视频监控，客流数据精度较低；（2）站内大客流管控措施大多依赖经验制定；（3）对客流在车站立体空间内的流线和动态演变机理缺乏清晰判断；（4）大客流控制措施存在滞后性。因此，建立一套科学、动态的地铁客流监测和管控系统具有重要的理论意义和实用价值。

目前，国内外在客流监测方面的研究主要有基于背景差分算法的视频分析[1]、票务分析[2]、光流法视频分析[3]等方法，多存在误差大、滞后性、精度低等问题。在客流管控方面，多采用人潮控制原则的三级客流管控[4]制度，但关于客流管控的触发指标与管控方案的优化方法有待深入研究。

1 地铁客流控制系统设计

基于以上研究背景和现状，本文提出一套系统方案，它能够实时监测当前客流人数，获取客流量的精确数据，并对客流进行动态管控和线网管控，对整条地铁线路采取客流全面控制，同时人性化地疏导乘客、分散客流，提高运营效率。还能有效预警大客流高峰的到来，以便工作人员提前准备应对措施。

系统由客流监测模块、管控决策模型、决策的仿真验证和系统的平台实现四部分组成。具体的设计内容如下：（1）设计了融合多种监测技术的客流动态监测体系，实现了客流数据采集的精度最大化；（2）提出了同时考虑运营效率最大化和乘客乘车安全最大化的客流控制触发指标；（3）以三级管控为原理，建立了基于流速控制的动态决策模型，设计了基于空间均衡性的客流管控预案；（4）依照进站客流的行走特点，建立了基于元胞自动机的客流控制仿真；（5）开发了辅助决策显示和信息发布软件平台，实时处理客流数据并动态生成决策。系统的总体结构如图1所示。

客流监测模块实时得到地铁站内各区域的乘客数量、乘客流向等客流情况。管控决策模型根据客流监测模块的数据生成多种管控决策方案。仿真模拟模块能模拟采取控制措施，计算客流疏导所需要的时间，检查决策方案的有效性，经过多次仿真模拟从而得出最佳决策方案。辅助决策显示和信息发布软件平台把管控决策方案展示给车站工作人员，并通过广播引导、LED显示屏等方式引导客流。

系统各模块的设计原理如下所述。

图1 系统结构总图

2 多技术客流动态监测方案设计

2.1 关键节点客流监测原理

在大型客运站内，旅客的流动过程和流动路线简称为旅客“流线”[5]。以进站客流为例，乘客由进站口进入车站后，依次通过安检装置。持有IC卡的乘客可选择充值或直接进站，未携带IC卡的乘客在购买临时单程票后由进站闸机进入站厅，然后通过楼梯或者自动扶梯进入站台，等待地铁车辆到达。出站客流同理。整个过程乘客依次通过安检口、闸机、楼梯或扶梯这几个关键位置，因此通过监测每个节点的客流通过情况，便可计算出车站客流的动态分布情况。以上述各隔断设备为界，可将地铁车站分为三个区域：非付费区、付费区和站台区域[4]。在区域衔接的关键节点处，使用契合节点客流特征和运营设备特点的客流监测手段进行数据采集：在安检门处采用双向红外计数手段，在闸机处利用闸机数据进行计数，在站厅站台间的楼梯口处采用视频识别计数，在站台区域采用基于改进的RFID技术的电磁感应计数。这种不同节点多技术融合的客流检测体系，考虑了客流流线规律，充分发挥了各种技术的优势。

2.2 客流动态监测布设方案及关键技术

结合关键节点处的特征，对不同节点采取不同的客流监测方法：

（1）安检处，通过安检门红外线计数设备监测客流。目前安检门设备大多数已经具备计数功能，我们为安检门的数据记录库开发接口，将安检门客流统计数量传输到PC机决策平台进行处理；对于没有计数功能的安检门，运用红外对管技术（高低电平的变化），在原有安检门处加装红外线计数设备监测客流。

（2）闸机处，闸机本身具有记录乘客数量的功能，在原有闸机数据库中开发数据调用端口，将闸机记录的乘客数量传输到数据处理平台进行处理。

（3）付费区楼梯处，通过视频识别技术监测客流。在楼梯处上方利用楼梯的垂直安装视频识别摄像装置，可以清晰地无遮挡地捕捉到通过楼梯乘客头部肩部特征，通过特征提取分析得到进站乘客的数量。视频计数的硬件设备为网络摄像机、网络硬盘录像机、网络交换机和客户端主机，软件模块包括视频图像采集及处理、特征提取与分类、模板匹配及目标跟踪、人员计数和数据处理系统。

（4）站台区域，通过RFID技术远距离统计乘客数量。利用RFID双频电子标签不仅可以实现在闸机处的刷卡扣费功能，而且可以实现在站台区域远距离计数功能。对现有IC卡和地铁票进行改造，在站台区域通过统计IC卡和单程票来统计站台乘客数量，超高频RFID的吸顶式阅读器安装在站台区域，其发射超高频电磁波和接收双频电子标签的距离最远可达30米。

以长沙地铁2号线某站为例，红外设备、视频采集设备和RFID吸顶式阅读器的布设位置如图2和图3所示，图3中显示的为3个布置位点。

2.3 客流动态监测方案的技术经济特征

客流监测设备是实现客流动态监测的基础，各个监测技术的精度、监测设备的成本等问题是监测方案可行的基本保障。通过分析各种监测技术的应用案例和相关计数精度研究的文献[6]，得到客流监测技术的计数精度，见表1。

图2 节点设备布设位置

图3 站台RFID吸顶式阅读器布置

表1 监测技术精度

客流动态监测成本包括硬件设备成本和软件成本。软件成本与产品生产商的不同、实现功能的不同和硬件设备的数量等因素有关。随着硬件设备数量的增加，其相应配套的软件成本逐渐降低。结合当前设备的市场报价，以长沙地铁2号线某站为例，客流动态监测设备成本预算情况如见表2。

表2 监测技术成本

3 基于流速控制的动态决策模型

3.1 客流控制分析

通过以上分析，对地铁站内客流流线关键节点处进行监控可获取地铁站非付费区、付费区、站台的实时客流。当各区域客流达到拥挤时，为保证地铁车站的运营安全，需对各区域的人数进行控制。本系统在关键节点处采取管控措施，通过控制关键节点的客流流速来控制每一区域的实时客流数量，避免发生事故。本文采用三级客流管控方法，当站台区域客流拥挤时，启动一级客流控制，以站厅与站台间的楼梯口处为主要控制点控制进站客流；当付费区客流拥挤时，启动二级客流控制，以闸机口处为主要控制点进行控流；当非收费区客流拥挤时，启动三级客流控制，以安检和进站口为主要控制点进行控流。根据这个原理，可建立客流管控模型，模型建立流程图如图4所示。

图4 决策模型流程图

3.2 模型的建立

通过融合多技术的客流动态监测方案，可记录进站口、安检门、闸机、各扶梯及电梯、站台区的客流速率，通过各节点的客流速率可累计计算出非付费区、付费区、站台的实时客流数据。用实时客流数据与各区域可容纳的乘客数量进行比较，确定管控方案等级，以此建立管控决策模型。计算过程及各隔断设备所涉及到的参数说明见表3。

表3 相关参数说明

当站台人数达到一级客流警报值，即p4≥0.8×P4时，启动一级客流控制。此时，付费区楼梯口处客流流速应满足：

依照三级控制的人潮控制原则，进站口、安检、闸机处的客流流速应满足：

各区域滞留客流量也应满足对应区域的客流限制数量：

同理，当付费区人数达到二级客流警报值，即p3≥ 0.6×P3时，启动二级客流控制。此时，各截断设备处的客流流速及各区域人数应满足：

当非付费区人数达到三级客流警报值，即p2≥0.6×P2时，启动三级客流控制。此时，各截断设备处的客流流速及各区域人数应满足：

综合公式（1）到（10）可建立地铁站客流动态管控决策模型如下：

其中：Pi为各区域有效面积（Si）与客流控制参考密度（ρ（i）＝α（i）×ρ1（i）＋ρ2（i））的乘积。服务水平密度[7]ρ1（i）和安全疏散密度[8]ρ2（i）根据车站实际情况分别被赋予不同的权重α（i），β（i）。

3.3 模型求解

本模型为不等式方程组，输入相关参数和实时客流数据，通过模型计算得出各隔断设备开启数量方案，结合车站实际并通过客流仿真系统可得到最优管控方案。模型求解步骤如下：

Step 1：根据实际地铁站的设计参数和《地铁设计规范》，对各隔断设备的相关参数进行赋值；

Step 2：根据实际地铁站的平纵设计参数，得到各区域的有效面积（Si）及最大容纳客流量（Pi）；

Step 3：根据管控决策平台处理的数据，计算得到当前时刻距离下辆列车到达的时间间隔和当前各区域人数pi；

Step 4：将以上数值代入方程组，可得到Ns1、Ne1、N闸机、N安检、Ne2、Ns2的值，即当前客流状况下对应的隔断设备开启数量的方案。

4 客流仿真及信息发布子系统

4.1 基于元胞自动机的客流仿真

本系统针对地铁站内的进站客流具有目的性强、行走流线和前行速率受隔断设备约束等特点，采用元胞自动机（Cellular Automaton， CA）模型模拟地铁客流。引入客流组织措施的干扰，可直观地通过客流仿真对管控决策的效果进行评估、反馈。模型主要包括行人移动间隙计算规则、换道规则和前进规则，以及部分行人元胞运动决策图（图5）。

以长沙地铁2号线某站为例，依据其平面设计、硬件设备参数，进行客流运动及三级客流控制的仿真，结果分为四种状态（图6）。

通过客流仿真，一方面可以预判客流的动向，另一方面可以预估和评价客流组织策略的实施效果。

4.2 信息发布系统

与上述客流监测和决策模型的设计相对应，开发了具有决策显示和信息发布等功能的人机交互平台。平台分为车站参数设置模块、客流监控工作模块、人性化引导信息发布模块和数据查询模块（图7）。

平台的基础功能模块分区界面及客流查询界面如图8、图9所示。

该软件作为系统中决策结果的展示平台和人机交流平台。智能管控决策软件可以在终端显示科学的决策方案，辅助地铁站工作人员工作，能够最大程度地减轻工作人员的工作量。软件具有可视化、易操作、易学习的特点，界面简洁美观、清晰明了。

5 结论

（1）根据地铁站不同区域的客流特点，在合理利用闸机、安检门等原有设备的基础上，融合多种监测技术，实现了对车站客流的实时监测。

图5 部分行人元胞运动决策图

图6 长沙地铁2号线某站客流仿真

图7 平台功能模块划分

图8 平台的功能分区界面图

图9 线路网客流查询功能界面

（2）基于服务水平和安全疏散水平设定了客流控制触发指标，以三级控制为原理，建立了基于流速控制的客流管控动态决策模型。

（3）基于元胞自动机的客流仿真实现了对管控决策的模拟，从而实现对管控方案的验证和评价。

（4）集监测、决策为一体的地铁大客流动态监测和管控决策系统可减少工作人员工作量，提高地铁运营服务水平，降低事故发生概率。系统可推广应用到不同城市地铁车站，具有良好的前景。

[ 1 ] 李娜，方卫宁. 基于视频流的地铁人群目标识别[J].北京交通大学学报，2006，30(1):96-99.

[ 2 ] 刘海涛. 基于票务信息的轨道交通客流实时监测系统的研究[D]. 西南交通大学，2011.

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[ 4 ] 叶丽文，杨奎. 基于客票数据的城市轨道交通车站客流控制决策研究[J]. 都市快轨交通，2015(03): 16-19.

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Dynamic monitoring and control system for metro station passenger organization based on multi-source data (School of Traffic and Transportation Engineering , Central South University ,Changsha 410075)

Chen Weiya Cai Shi Jiang Qiwei

Metro operators are often faced with large passenger flow pressure. In order to ensure the operational efficiency and the safety of metro station , a dynamic monitoring and control system for passenger management in metro station based on multi-source data is designed and implemented. The line characteristic of passenger flow is considered in the monitoring part. Combined with data from automatic turnstile system , the infrared sensors , video identification technology and RFID are used to monitor the direction , volume and speed of passenger flow dynamically in important joint-points. A mathematical model was established based on real-time monitoring data and the three-level control principles of passenger management for controlling and decision-making .In addition , the function module of information release is designed and implemented to guide the passengers in real time. The system can intelligentialize the monitoring of passenger flow , help to make decisions scientifically and publish information timely and accurately , improving the efficiency and safety of passenger management in metro station significantly.

metro station; passenger organization; dynamic monitoring; control decision

U231+.92

A

湖南省交通厅科技进步与创新计划项目（201244）