地铁闸机扇门控制系统设计.pdf

_ 。一 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：骞堑协，f 年哆月，夕日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：连塾 m 年哆月，徊 fl liiltl 硕匕论文 摘要 本课题在对地铁进出口通道中乘客的行为方式做了仔细调研和分析后，设计了一套 闸机( 自动检票机) 扇门控制系统。本系统主要实现的是对人体通过闸机时的行为进行 辨识和监控并及时控制阻挡机构动作使得乘客有序进出站。 将系统任务分成三大部分，即研究闸机中的人体识别技术、设计传感器状态采集子 模块和扇门控制子模块。当乘客刷卡进入闸机通道时，系统通过传感器采集模块捕获人 体在通道中的行为特征，以便对乘客进出方向、乘客通过次序、乘客通过人数等各种可 能出现的通过状态进行控制。通过对区域识别和关键点识别方法的研究，提出了一种基 于人体厚度的新的识别思想，结合一定的算法判断出正常行为和异常行为。并由扇门控 制模块控制扇门以最佳的开关速度和运行曲线完成打开、闭合动作，保证乘客持有效车 票能够无停滞地通过闸机，同时迅速地、无伤害地阻挡住试图非法通过的乘客。 通过对人体识别方案的实测及电机的控制实验，本系统可满足预定要求，对今后进 一步的研究工作具有参考价值。 关键词：乘客识别，传感器，扇门控制，无刷直流电机 a b s t r a c t 硕t 论文 a b s t r a c t a f t e rs t u d y i n gt h ea c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c so fp a s s e n g e r si nt h em e t r oi m p o r ta n de x p o r t c h a n n e lp a r t i c u l a r l y , t h eg a t e ( a u t o m a t i ct i c k e tc h e c k e r ) d o o rc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d t h i ss y s t e mm a i n l yr e a l i z e st h ei d e n t i f i c a t i o na n ds u p e r v i s i o no na c t i v i t i e so fh u m a nb o d i e s p a s s i n gt h r o u g ht h eg a t e ，a n dp r o m p t l yc o n t r o lo nt h er e t e n t i o nm e c h a n i s mt oa c c o m p l i s ht h e d e s i g n e dm o v e m e n t s ，w h i c hm a k e st h ep a s s e n g e r si no re x i to r d e r l y t h es y s t e mt a s ki sd i v i d e di n t o t h r e e p a r t sw h i c ha r eh u m a nb o d yi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g ys t u d y , s u bm o d u l ed e s i g no ns t a t u sc o l l e c t i n go fs e n s o r , a n dd o o rc o n t r o ls u b m o d u l e w h e np a s s e n g e r sp a s st h r o u g ht h eg a t ec h a n n e ls w i p i n gc a r d ，t h es y s t e mc a p t u r e s t h ea c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c so fh u m a nb o d i e sb yc o l l e c t i o nm o d u l eo fs e n s o ri no r d e rt oc o n t r o l t h ep a s s i n gd i r e c t i o n , s e q u e n c e ，n u m b e ra n dv a r i o u sk i n d so fp o s s i b l ep a s s i n gs t a t u so ft h e p a s s e n g e r s b ya n a l y z i n gt h ek e yp o i n ti d e n t i f i c a t i o na n dt h er e g i o ni d e n t i f i c a t i o n , an e w m e t h o db a s e do nt h i n k n e s so fh u m a nb o d i e si sb r i n g e du pa n dt h en o r m a la n da b n o r m a l a c t i v i t i e sa r ei d e n t i f i e dt h r o u g ht h er e l a t e da l g o r i t h m t h ed o o rm o d u l es h o u l db ea b l et o c o n t r o lt h ed o o rt oa c c o m p l i s ht h ea c t i o no fo p e na n dc l o s ew i t ht h eo p t i m a lr a t i oa n d m o v e m e n tr o u t e ，t h u st oe n s u r et h ep a s s e n g e r sc a i lp a s st h ed o o r 、加t hv a l i dt i c k e tw i t h o u t d e l a ya n dt os t o pp a s s e n g e r sa t t e m p tt oi l l e g a l l yp a s st h ed o o ri nar a p i da n dh a r m l e s sw a y t h i ss y s t e mc a ns a t i s f yt h ep r e o r d e r e dr e q u i r e m e n t sb ya c t u a lm e a s u r e m e n to nh u m a n b o d yi d e n t i f i c a t i o ns c h e m ea n dc o n t r o le x p e r i m e n t so ne l e c t r i cm a c h i n e ，w h i c hc o u l dp r o v i d e r e f e r e n t i a lv a l u ef o rf u r t h e rs t u d y k e yw o r d ：p a s s e n g e rr e c o g n i t i o n ，s e n s o r , d o o rc o n t r o l ，b l d c m i i 硕t 论文 地铁甲】机扇门控制系统设计 目录 摘耋辱。i a b s t r a c t i i 目录i i i l 绪论。1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本论文的主要内容2 2 自动售检票系统中的闸机4 2 1 闸机简介4 2 2 闸机阵列及其通行控制4 2 3 闸机总体结构5 3 闸机扇门控制系统总体结构7 3 1 系统功能描述7 3 2 系统目标描述7 3 3 系统方案分析及总体框架8 4 闸机中的人体识别技术研究1 0 4 1 弓i 言l o 4 2 闸机通道中的控制逻辑1 0 4 3 传感器空间位置布局1 2 4 3 1 通道检测传感器1 2 4 3 2 人体比例结构分析1 3 4 4 闸机中的区域识别方法研究1 4 4 5 闸机中的关键点识别方法研究1 6 4 6 闸机中的乘客识别系统设计1 8 4 6 1 设计思想分析1 8 4 6 2 闸机传感器设计区域分类1 8 4 6 3 闸机传感器各区域设计方案2 0 4 6 4 乘客识别算法流程图2 4 4 7 本章小结2 5 5 闸机扇门控制系统硬件设计2 6 5 1 传感器状态采集子模块2 6 i i i 目录硕 论文 5 1 1 任务描述2 6 5 1 2 硬件总体结构2 6 5 1 3 传感器电路2 7 5 1 4 并口扩展电路2 8 5 2 扇门控制子模块2 9 5 2 1 任务描述及控制方案选择2 9 5 2 2 硬件总体结构3 0 5 2 3 无刷直流电机运行原理31 5 2 4 脉宽波形产生电路。3 2 5 2 5 电机控制电路3 4 5 2 6 驱动电路和电流检测电路3 5 5 2 7 速度反馈和位置反馈电路3 7 5 2 8 电磁铁和限位开关电路3 8 5 2 9 电源电路3 9 5 3 硬件抗干扰设计4 0 5 4 本章小结4 0 6 闸机扇门控制系统软件设计4 1 6 1 传感器状态采集子模块程序设计4 l 6 1 1 软件总体设计4 1 6 1 2 通信协议4 1 6 1 3 上位机读传感器状态的数据格式4 1 6 1 4 采集板回复上位机的数据格式4 2 6 1 5 软件设计流程图4 2 6 2 扇门控制子模块程序设计4 5 6 2 1 软件总体设计4 5 6 2 2 软件设计流程图4 5 6 3 本章小结5 2 7 实验和调试5 3 7 1 闸机传感器设置方案测试5 3 7 1 1 测试方案5 3 7 1 。2 基于区域和关键点结合方法的实验5 6 7 1 3 基于稳定特征点的实验5 8 7 2 电机控制实验6 0 7 3 电路设计中的问题分析6 2 i v 硕 ：论文 地铁闸机扇门控制系统设计 7 4 本苹小结6 3 8 总结。6 4 1 全文内容总结6 4 8 2 改进与提高6 4 鸳i 谢。6 6 参考文献6 7 论文发表及科研项目说明7 0 v 硕上论文 地铁闸机扇门控制系统设计 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在地铁各专业系统中，a f c 系统( 自动售检票系统) 扮演着十分重要的角色，它不 但为乘客提供自动售票和自动检票服务，也为轨道交通运营公司的科学管理提供可靠的 数据【。 我国城市轨道交通自动售检票系统和设备，最初是从美国引进的，近年来我国已经 进行了大量的开发和研制工作，提供了多种形式的产品，技术水平也在不断提高【2 1 。伴 随着我国综合国力的提高，轨道交通业也迅猛发展，但国内自动售检票设备的供给已远 远不能满足实际的需求，倘若全部依托国外产品，成本巨大，因此必须加大研发力度， 汲取国外厂家的经验，尽快的使轨道交通系统国产化，以适应快速发展的要求。 在地铁发展初期检票均是人工操作，这样不仅延缓了乘客进出站速度，降低工作效 率，消耗人力物力，而且在客流高峰期会造成拥堵，给人们的出行带来极大的困扰，由 此自动检票机便应运而生了。作为a f c 系统中的一个重要组成部分，自动检票机有着 举足轻重的作用。我国的客运量十分巨大，在节假日更是达到顶峰，因此自动检票机在 排解客运压力方面有着广阔的应用前景，在机场、长途客运站、铁路、城市轻轨和地铁 可根据应用场合的不同设置不同类型的自动检票机。自动检票机也属于门禁系统的一 种，将其部分组件进行改造也可用于小区、图书馆、各种大型场馆的门禁系统中，经过 不同的身份识别后，实现通行跟禁行的功能。 检票机既是乘客的通行通道，又是人机交互界面，它对乘客所持票进行有效性检验 并控制乘客进出站【3 j ，入站时在车票上写入入站信息，出站时将车票回收或扣除车费、 显示余额【4 j 。此外它还具有多重任务，除了收集处理票务信息，还需通过自动检票机壳 体上安装的通行检测传感器监控乘客在通道中的行进状态，对于持有效车票和有效通行 行为的乘客，通行通道中的阻挡装置开启，乘客有序进出。目前自动检票机在核心部件 和关键部分的研发方面由于技术和商务等多种因素【3 l ，在资源和人力投入方面尚有不足， 传感器的合理布置，扇门控制模块核心程序的优劣及处理时间，机械装置的可靠性、合 理性等关键技术亟待完善。 本课题是以自动检票系统为背景的，主要完成其中闸机扇门控制系统的研究和设 计，使得乘客能够在持有合法车票的前提下，迅速方便的通过闸机，尽可能的提高乘客 通行量( 单位时间通过率) 。 1 绪论 硕士论文 1 2 国内外研究现状 地铁自动售检票系统是伴随着轨道交通事业的发展应运而生的，时至今日已有二三 十年的历史，其各项性能和指标日臻完善，是一个完整的自动化运营体系。在国际市场 上具有自主研发和生产能力的a f c 公司不乏其多：如法国泰雷兹、澳大利亚亿雅捷、 美国摩托罗拉、日本信号、只本东芝、日本欧姆龙、瑞典固力保、瑞士亚斯康集团、韩 国三星【5 1 等。 我国自动检票系统经历了一个从无到有的过程，现在已经处于高速发展时期，地铁、 公交、铁路客运系统都对a f c 有迫切的要求。国内一些研究单位和厂家都在积极进行 这方面的研发。一些公司已经可以自主研发和生产自动售检票设备。例如，中软a f c 事业部已完成了北京地铁1 3 号线a f c 系统升级改造工程和首都机场线a f c 系统的建 设，为其提供了拍打门式自动检票机( 已做过实际测试) ，和剪式门自动检票机；上海 华铭智能终端设备有限公司为天津地铁1 号线自动售检票系统项目和广州地铁3 号线自 动售检票系统项目提供两种型号的剪式门自动检票机l o 儿。 为了加速自动检票系统性能的提高，有一大部分企业采取了将系统组件拼装的方 式，通过简单的组合和替换完成产品的更新，而忽视了其中核心部件核心技术的研发， 例如工控机管理调度系统、闸门系统、乘客检测系统，这样以来虽然表面上有所改进， 但实质上对运营能力并未有大的改善，这些核心模块的劣势导致了自动检票机在推广过 程中遇到了重重困难，很多场合使用人工检票反而效果更佳。目前我国高速铁路技术和 城市轨道交通技术并驾齐驱，正在或已经达到世界先进水平，那么如何构建与之匹配的 同样高科技的自动售检票系统便是当务之急。 以深圳地铁为例，自动售检票系统设计之初的承载量在几年内便成倍的增长，如若 不予升级和改造将无法继续胜任。实际运行中发现在多线路换乘站，列车到达和离开时 均会形成乘客拥堵现象，由于闸机阻挡机构的存在使得其放行速度无法与乘客出站的通 行速度相匹配，一部分乘客不愿排队等待，于是采取各种非法通行的手段越过闸机，不 少乘客携带储值票离开，致使地铁票务管理部门损失大量的储值票，票务紊乱，同时大 规模人群会对闸机造成一定的破坏性( 如扇门等机构失效) ；此外付费区空间有限，如 果乘客长时间堆积，密度大很容易造成踩踏事件，一旦发生火灾或其他异常状况很难及 时的疏散，其后果不堪设想kj 。由此可见我们需要从我国人口密度大的国情出发，开发 出一套既满足各项性能参数又安全可靠的闸机系统，才能够适应现代人的出行要求。 1 3 本论文的主要内容 2 本文所作的工作如下： 第一章，绪论。主要对课题的背景进行了阐述，指出了研究的必要性和迫切性，然 硕士论文 地铁闸机扇门控制系统设计 后谈到了国内外a f c 产品的发展现状，指出了其优缺点。 第二章，对自动售检票系统中的闸机做了一个整体的介绍，主要涉及闸机，闸机阵 列，以及闸机的总体结构。 第三章，闸机扇门控制系统总体构架。首先提出了本系统的具体功能和需要达到的 目标，之后根据这些要求分析了几种方案并相互比较，从而确定系统组成框架。 第四章，介绍闸机这一特定环境下的人体识别技术，研究了闸机通道中的控制逻辑， 传感器的空间布局，详细分析区域识别算法及关键点识别算法，最终提出了一种乘客识 别思想，给出了具体方案。 第五章，闸机扇门控制系统硬件设计，主要包括两方面，即传感器状态采集模块和 扇门控制模块，分别对这两个子模块电路各组成部分进行介绍，重点分析了脉宽波形的 产生机理和电机控制驱动的过程。 第六章，闸机扇门控制系统软件设计，首先对各模块软件进行总体规划，提出了每 一部分的具体职责，最后给出了设计流程图。 第七章，介绍了系统实验的步骤和方式，并对实验结果和设计中碰到的问题进行了 分析总结。 第八章，概括全文内容，并指出了设计中存在的不足和今后改进的方向。 2 自动售枪票系统中的闸机 硕士论文 2 自动售检票系统中的闸机 2 1 闸机简介 闸机( 自动检票机) 根据阻挡装置的类型可以分为三杆检票机和门式检票机两大类 型p j 。其中门式又分为拍打门和剪式门两种。三杆门，如图2 1 ，由于其不需要检测乘 客行进状态，结构简单，在早期的地铁系统中仍有应用，但乘客通过时速度较慢( 最大 运营速度为2 0 - 2 5 人分) ，且在紧急情况下，乘客无法快速通过闸机通道，安全性得不 到保证。在现代a f c 系统中门式检票机使用较多，如图2 2 中的拍打门，又因其门扇较 易损坏，加之成本较高，相比较而言剪式门有着更广泛的应用前景。本文研究的门禁控 制模块是针对剪式门闸机的，如图2 3 所示。 图2 1 三杆式闸机 图2 2 拍打式闸机 2 2 闸机阵列及其通行控制 图2 3 剪式门闸机 城市地铁是一种有偿性的交通工具，人们在进入地铁站时需要进行检票，安装在进 出口通道处的一排闸机即是完成这一功能的设备，闸机将站台分成付费区和非付费区【l o 】 4 硕t 论文地铁闸机扇门控制系统设计 两部分，当乘客进站时通行方向为非付费区一付费区，此时需刷卡，出站时恰恰相反， 且票卡将被回收，如此便实现了乘客自主进出站。 如图2 4 所示，闸机组有三个部分构成：主闸机，从闸机，中间闸机。从闸机的工 作方式上讲中间闸机可被分成左右两个独立的部分，他们无任何联系但集中在一个闸机 壳体内。左边部分受闸机左通道控制，右边部分受闸机右通道控制，每一个通道有功能 相互联系的两部分构成，安装通道控制模块的被称为主闸机，负责控制和保证闸机功能 的实现，另一部分被称为从闸机，接收命令，配合完成主闸机所要求的功能。 按照行人右手持票的习惯，刷卡区和乘客显示器均放置在通道右侧闸机处。乘客必 须购买智能卡或者车票，在非付费区进站通道右侧闸机刷卡区域上方出示票卡，验证票 k 卡有效后闸门阻挡机构打开，乘客通过通道进入付费区。出站时乘客持智能票卡的操作 与进站相同。但是由于单程票只能使用一次，在验过票后，乘客必须把车票投进闸机上 的投票口，然后验证票卡有效后扇门打开。 橐客显示器 中间闸机 u a u 髓控制模块 磷辎盆搿。 眇剧 l | 闸门旧耙椭 il lli l f | 囊 眵i | 翻b 。 i 闸n 田荆虮构 鬃客喇 k 2 3 闸机总体结构 圃 图2 4 闸机组示意图 表2 1 闸机各模块 扇门控制系统模块非接触式票卡读写模块单程票同收模块 闸机状态显示模块 乘客信息显示模块 电源模块 主电路模块维护模块加热模块 5 标准闸机单元由一个不锈钢机箱组成，根据闸机的类型功能，它包括的部分或全部 模块如表2 1 所示，从而构成闸机的组成结构框图2 5 吲。 6 图2 5闸机组成结构框图 硕士论文 地铁闸机扇门控制系统设计 3 闸机扇门控制系统总体结构 3 1 系统功能描述 通过分析实际自动售检票系统中闸机所发挥的作用并根据运营商的具体要求，本系 统需要完成以下两大功能的设计： ( 1 ) 在乘客准备搭乘地铁时，在入口处，闸机需要对乘客进出方向、乘客通过次序、 乘客通过人数等各种可能出现的通过状态进行控制，及时检测乘客在通道中的移动情 况，并有效地对乘客的通行行为进行监控。 ( 2 ) 当乘客的行为通过乘客感应系统的辨识后，阻挡装置系统管理通道，将持有有 效车票的乘客放行到付费区进站上车。 3 2 系统目标描述 ( 1 ) 闸机只允许一次通过一位持有效车票的乘客。 ( 2 ) 闸机应能区分乘客和其所携带的幼童及背包、挎包、雨伞、宠物、手推、手拉 等物品。 ( 3 ) 闸机应能监测、鉴别并阻止非正常通过的情况，例如：两个及以上成人间隔3 0 厘米非法尾随通过自动检票机；乘客在通道内错误的行走方向、乘客跳跃、下钻等异常 的通过方式等。 ( 4 ) 闸机扇门的开关速度和动作方式应满足通行控制的要求，保证乘客持有效车票 能够无停滞地通过，也应迅速地、无伤害地阻挡住试图非法通过的乘客。 ( 5 ) 闸机扇门应可通过调整参数设置为常歼或常闭状态。 在常闭状态下，闸机接收到一张有效车票后，扇门打开。乘客通过后，扇门在参数 设置的时间段内若没有接收到下一个乘客的有效车票或检测到有乘客试图无票通过时， 将关闭扇门。在断电情况下，扇门应能自动打开。 在常开状态下，当闸机接收到无效车票或乘客试图无票通过时将关闭扇门。在暂停 或关闭模式下，扇门应能自动关闭。 ( 6 ) 扇门的开关应完全到位。开启时，扇门应不能对乘客通过造成任何阻碍。 ( 7 ) 扇门在关闭时，安全区检测到有物体时，应能立即反转打开。 门档的设计在关闭状态，碰到障碍物时，当有较大的突破力( 以门档的中心点计算) 即可推开门档。 ( 8 ) 由于闸机扇门使用频率高，因此要保证其可靠性和一定的使用时限，这里为 1 6 0 0 0 0 小时左右，且如果遇见故障需要维护时，控制板可以很容易的拆卸与更换。 7 3 闸机扇门控制系统总体结构硕上论文 3 3 系统方案分析及总体框架 由3 1 节、3 2 节对系统功能和目标的描述可知，本系统主要实现的是对人体通过闸 机时的行为进行辨识和监控以及控制阻挡机构按规定要求完成动作。 考虑到进出口闸机的特殊应用场合，可采用一种简单实用的方式即多组传感器来检 测人体的通行行为，称之为乘客感应系统。阻挡机构使用两只剪式快速伸缩式扇门，主 要由电机部分、传动连杆、扇片、安装支架以及控制器构成，本文主要研究的是阻挡机 构中控制器部分。 由于闸机是一个大型的复杂系统，各个组件均需要模块化以方便管理和维护，根据 控制对象的不同，需要将不同的对象进行模块化控制。具体在本课题中有多种控制方式 可供选择： ( 1 ) 由一个模块对阻挡机构( 左、右扇门系统) 进行控制，用单独的通道控制模块 采集并处理多路传感器数据，其它部分由e c u 控制。 ( 2 ) 使用两个模块分别对阻挡机构和传感器组进行控制，与方式( 1 ) 不同的是传感器 组数据的采集和处理是分开的，数据处理部分由e c u 完成。 ( 3 ) 只使用一个集成通道控制板同时实现多种功能，其既完成传感器数据的采集和 处理工作，又对整个阻挡机构进行控制，同时将算法固化在控制器中，e c u 仅仅需要向 通道控制板发出配置信息及各种命令即可。 方式( 2 ) 中虽然将不同功能部分进行了有效的划分，但e c u 还需要额外的时间对数 据进行处理，对于一个大型控制系统，核心控制器最重要的任务是管理和协调各部，应 该尽可能的将各功能细化，可见方式( 2 ) 增加了e c u 的开销；相比较方式( 3 ) 中便很好的 解决了这一问题，使得系统集成化和分散化有机结合；出于开发和调试考虑，由于系统 各部分之间独立成块，将每一块的功能实现后，再集成会大大缩短开发流程，提高效率， 因此我们选择了方式( 2 ) ，但在调试成功后会最终过渡到方式( 3 ) 中。 系统总框架如图3 1 所示，由电源部分，接口部分，工控机和三个电路板构成：分 别为左扇门控制板、右扇门控制板、信号采集板。工控机( c p u ) 通过相应算法对采集 到的人体行为数据做分析处理；左、右扇门控制板控制扇门的开启和关闭，并通过r s 2 3 2 接口与工控机通信，工控机发送同一指令分别给左、右控制板以实现两扇门的同步动作； 信号采集板通过点式传感器捕获人体在闸机通道中的行为特征，并根据系统要求实时上 传数据。 在图3 1 中扇门控制板主要控制电机转动，将扭转力通过机械结构和牵引电磁铁传 递给门扇，带动门扇运动。两扇f - j n 位传感器负责检测运动轨迹的起点和终点位置，控 制板通过电磁铁到位开关判断电磁铁是否吸合到位。 8 堡：兰堡奎地铁闸机扇门拧制系统设计 一：= ： 电源 接口 图3 1 系统总体框架图 9 4 闸机中的人体识别技术研究 硕。仁论文 4 闸机中的人体识别技术研究 4 1 引言 目前在地铁a f c 系统中使用较多的剪式门闸机，其扇门结构所占的空间位置是几 种闸机中最少的。虽然闸机的外形和安装尺寸可以有不同的设计，但其空间大小有限， 当扇门的打开和闭合均与闸机通道垂直且扇门打开会完全回收到闸机壳体内时，同等的 闸机其检测的能力便会加强，此外提高了行人的安全。但由于地铁客流量巨大，上下班 客流高峰期地铁进出口仍会出现拥堵现象，仅仅通过扇门结构的优化已不能满足需要， 还需配合一套智能的识别控制模块，能够更高效的识别正常通行行为，在行人安全通行 的前提下提高闸机扇门的开启关闭速度。 现有的乘客识别系统有以下几种：判断运动个体的事件识别技术儿1 2 j ：基于x y t 模型【1 3 1 的步态识别技术1 4 】【1 5 】【1 6 】；基于知识库和判别规则的方法【17 】；此外图像处理和图 像识别等技术也可应用闸机系统中，但由于成本、可靠性、运算速度、安全性、施工难 度及是否便捷等因素制约，仍在进一步研发当中。这些方法可以对一些通行情况进行识 别，但识别率还需要进一步提高，例如，当有乘客携带行李进入，闸机不能准确判断究 竟是乘客还是行李；当有一名乘客进入，另一名或多名乘客紧随其后通过，闸机往往会 出现误判，造成一票多人的逃票行为发生；也有两人并排通过的更加极端的行为。 绝大多数闸机识别系统是通过在通道内布置红外传感器来检测行人的，根据传感器 的遮挡情况做出分析。由于算法设计尚不成熟，一种检测方法往往只对某些通行行为判 断有效，但不适合子所有情况，而一运动个体的的行为是十分复杂的，这便对闸机性能 造成了影响。本文对闸机的识别算法做了进一步的研究，通过几种算法的比较分析提出 了一种新的设计思想。 4 2 闸机通道中的控制逻辑 自动检票机只允许次通过一位持有效车票的乘客，要想对各种可能出现的通过情 况进行有效控制，对人体识别算法进行研究，首先要对乘客分类。根据乘客进出方向、 乘客通过次序、乘客通过人数、乘客携带物品状况及乘客自身的行为特征等对通过闸机 通道的通行情况进行初步的分类。 ( 1 ) 单个乘客持有效票，乘客刷卡后需在规定时间内通过闸机通道，否则闸机阻挡 机构将关闭，以免影响后续乘客的通行。 ( 2 ) 多个乘客陆续刷卡进入，前后两名乘客保持一定间距( = 8 0 c m ) 下通过。 ( 3 ) 乘客未进行检票强行闯入，包括乘客沿闸机预先设置好的通行方向( 如只允许 1 0 硕上论文 地铁闸机扇门控制系统设计 进站) 闯入和沿逆向闯入以及手持雨伞，手提行李或其它大的物件在未验票时闯入，此 时机顶指示红灯将亮起、扬声器报警有闯入、闸机显示屏显示“请使用车票此情形下 不能进行刷卡操作，乘客必须退出到闸机通道外并等待欢迎画面才能进行刷卡操作。 ( 4 ) 两人试着用一张票穿过闸机，通过时，两人靠的非常近，并以非常快的速度穿 过自动检票机。两个乘客间距大于一定距离( 通常为2 5 3 0 c m ) 时会报警，超过一定距 离( 通常为5 0 5 5 c m ) 时会关闭扇门阻挡装置。 。 ( 5 ) 乘客携带行李物品进入，如图4 1 所示。按物品位置可分为物品在身体前方( 包 含乘客推婴儿车的情况) 、物品在身体侧面、物体在身体后方，同时物品也有大中小之 分。此时闸机需正确区分物体跟人，在乘客刷卡进入时，正常计数，在物体进入时阻挡 ： 机构也应正常开启，不能误判为逃票欺诈行为。 ( 6 ) 乘客反方向进入。闸机在默认状态下每次系统启动后会按照上一次已保存的通 道类别配置通道；仅有单一通道类别的闸机无法更改通道配置；单一通道类别的闸机， 乘客在刷卡区刷卡后进站或出站，任何反向进入通道的情况均能够被检测到；双向通道 类别的闸机是按照乘客刷卡先后来配置该通道的类别的，如在某一时刻进站方向的乘客 刷卡，则该通道配置成为进站通道，只有在完成该次通过后才能恢复为双向通道模式， 反之亦然。当通道内有反向进入的乘客，闸门关闭并报警，不能处理乘客刷卡，只有当 乘客退出后才恢复正常。 ( 7 ) 乘客闯入通道内又退出( 包括正向和方向两种情况) 。在乘客闯入时声光报警， 闸机扇门关闭，不允许刷卡，当乘客退出后，闯入消息取消，进入正常进出站模式。 ( 8 ) 乘客试图跳跃通过。由于闸机传感器系统最高的传感器位置距离地面大致在 7 0 1 0 0 c m 之间，因此普通人很难越过这一高度，闸机能够检测到这一欺诈行为，并产 生声音和可视化告警信息。 ( 9 ) 乘客匍匐前进( 下钻) 。位于闸机下端的传感器距离地板的最低高度为3 0 5 0 c m ， 因此任何高于这一高度的移动物体均能被闸机检测到。成年人匍匐、爬行通过闸机或者 模仿孩子通过，期望获得免费的通行。当闸机检测到闯入的移动物体时，判断为小孩， 则会产生声音和可视化的告警信息。 ( 1 0 ) 两人并排进入的极端欺诈行为。普通闸机由于其通道较窄，两人并排进入的情 况极少；宽通道闸机供携带儿童、大行李的乘客和残疾人士检票出入付费区，通行控制 充分考虑特殊乘客的人身安全，但由于其通道较宽，故会有并排进入的逃票行为发生。 4 闸机中的人体识别技术研究 硕士论文 ( a ) 物体在身前 ( b ) 物体在身后( c ) 物体在侧面 图4 1 乘客携带物品通行情况 4 3 传感器空间位置布局 4 3 1 通道检测传感器 人体识别通常指的是人体生物特征识别方法，有很多种【1 8 1 。而在闸机系统中需要对 通过行人进行计数，我们使用一种简单便捷的方法，即使用点式传感器，将传感器安装 在闸机的外壳上，通过传感器的状态检测乘客的位置和方向。本文中使用的是红外对射 式传感器，它是由一对红外线发射接收管经过电路变换成开关信号后的成品，其内部集 成了放大电路，通常为集电极开路输出( p n p 或n p n ) 1 9 l 。 受光器和投光器被分别安装在通道内左右两侧的闸机上，当乘客通过时检测接收端 是否能够收到红外光束，通过逻辑电平“1 ”和“0 “ 来表示状态，如图4 2 所示。 i 付费区i 一红外射线 1 2 匝圃 图4 2 通道检测传感器 硕士论文地铁闷机扇门控制系统设计 4 3 2 人体比例结构分析 为了检测乘客在闸机通道中的各种通行行为，需要合理的布置传感器的位置，而传 感器的空间位置取决于两方面因素：一方面是传感器安装的载体即闸机的尺寸大小，地 铁中的闸机通常的尺寸在2 0 0 0 m m 长、1 2 0 0 m m 高左右浮动：因为检测对象是人体，因 此另一方面即是人体的比例结构。根据g b l 0 0 0 0 1 9 8 8 1 2 0 j 中中国成年人人体尺寸的说明， 表4 1 、表4 2 所示为1 8 - - - 6 0 岁男、女性主要尺寸，表4 3 为二者平均值。 表4 1 立姿人体尺寸( 男)i l l r l l 百分位点l51 05 09 09 59 9 身高1 5 4 31 5 8 31 6 0 41 6 7 81 7 5 41 7 7 51 8 1 4 肩高1 2 4 41 2 8 1 1 2 9 9 1 3 6 71 4 3 51 4 5 51 4 9 4 肘高9 2 59 5 49 6 8 1 0 2 4 1 0 7 9 1 0 9 61 1 2 8 会阴高 7 0 l7 2 87 4 l7 9 08 4 08 5 68 8 7 胫骨高 3 9 44 0 94 1 74 4 44 7 24 8 14 9 8 表4 2 立姿人体尺寸( 女) m m 百分位点l51 05 09 09 59 9 身高1 4 4 91 4 8 41 5 0 31 5 7 01 6 4 01 6 5 91 6 9 7 肩高1 1 6 6 1 1 9 51 2 1 l1 2 7 l 1 3 3 3 1 3 5 0 1 3 8 5 肘高8 7 3 8 9 9 9 1 3 9 6 01 0 0 91 0 2 3 1 0 5 0 会阴高 6 4 86 7 36 8 67 3 27 7 97 9 28 1 9 胫骨高3 6 33 7 73 8 44 1 04 3 74 4 44 5 9 表4 3 立姿人体尺寸( 平均值) r n l l 百分位点151 0 5 0 9 0 9 5 9 9 身高1 4 9 61 5 3 41 5 5 41 6 2 41 6 9 71 7 1 71 7 5 6 肩高1 2 0 5 1 2 3 8 1 2 5 5 1 3 1 91 3 8 4 1 4 0 3 1 4 4 0 肘高8 9 9 9 2 79 4 l9 9 21 0 4 41 0 6 01 0 8 9 会阴高 6 7 5 7 0 17 1 47 6 l8 1 08 2 48 5 3 胫骨高3 7 93 9 34 0 14 2 74 5 54 6 34 7 9 表4 4 人体各部分比例 身高肩高肘高会阴高 胫骨高 百分比例 h 0 8 1 2 h o 6 1 l h 0 4 6 9 h 0 2 6 3 h 人是通过各个关节将各部分联系在一起的，因此对关：宵比例的分析即是对人体比例 的分析。j h y o o 等依据人体解剖学知识建立了人体线图模型【2 1 1 1 2 2 1 ，如图4 3 ，若把人体 身高记为h ，则人体各部分比例如表4 4 所示。要检测一个行人就是要对这些区别于其 1 3 4 闸机中的人体识别技术研究 硕士论文 它物体的人所特有的属性点进行检测，我们称之为关键点。 首先确定传感器在垂直方向上的空间布局。当人站在闸机中央时肘关节所处位置正 好位于闸机的上半边缘处，膝关节处于闸机的中部，踝关节处于闸机的下半边缘。人体 躯干移动、四肢的摆动就是在这几个关节点带动下完成的。据此可以确定传感器纵向上 大致的位置，即肘关节、腕关节、膝关节、踝关节，或之间的某一位置。 初步确定传感器在水平方向上的位置。中国人的平均步长6 0 0 m m 左右，从闸机入 口处至剪式门处1 0 0 0 m m 左右，人体行走一步半至两步可到达剪式门，因而闸机对人体 的识别应在这一区域内完成。 图4 3 人体线图模型 4 4 闸机中的区域识别方法研究 捡测 遵于r 五向 ( ，l 、r “ 图4 4 传感器分布图 图4 4 中只画出闸机的一侧，另一侧与之完全对应。依图示通行方向将整个闸机分 为检测区，用来检测通行人数；安全区，传感器检测到乘客位于此区域，阻挡门不会关 闭，这是为了避免夹伤乘客所设置的；出口，表示乘客通过闸机。 1 4 硕七论文 地铁闸机扇门控制系统设计 区域识别思想，顾名思义指的是一种通过不同的区域识别行人的思想，人们从一个 旧区域进入到另一个新的区域是从无到有的一个无重复过程【2 3 l 。例如图4 4 中传感器s 2 开始处于无遮挡状态，当人通过时处于被遮挡状态，那么就说人进入了一个新的区域。 我们把围绕s l 、s 2 、s 4 、s 6 一圈的部分作为第一个区域，记为“a l ”。如果其中任意 一个传感器从“未被遮挡状态“ 变为“遮挡状态“ ，则称人进入了区域a 1 ，记此时a 1 的状态为“1 ”，否则为“0 ；s 3 、s 5 所围的部分作为第二个区域a 2 ，s 7 所围区域作为 第三个区域a 3 。 那么如何准确记录有一人而不是两个多个人通过闸机呢? 如果只从一个旧的区域 进入一个新的区域，会出现乘客进入又折回的情况，因此至少陆续进入两个新的区域， 且在这过程中不能再有进入其中一个区域的情况发生，因为同样会出现折回的情况或者 有另一名乘客进入。 个正常通行行为，我们以a 1 、a 2 、a 3 的一种状态转换为例。在图4 5 中，在t l 到t 2 时刻，区域a 1 的状态出现了o 一1 的变化，t 2 到t 3 时刻，区域a 2 的状态出现了0 1 的变化，且在a 2 状态出现0 1 变化之后的时刻中a l 再未出现o l 的变化，至此 可判定有一名乘客通过。 t lt 2 t 3 图4 5 区域识别状态转换图 如果对人体的步行特征进行分析，又可得到如图4 6 所示传感器的布局。人体在步 行时总是一条腿作为支撑腿，另外一条作为摆动腿【2 4 】，如此反复交替，如果从外形上看， 就是在双腿叉开跨步状态到双腿并拢站立状态的不断交换中行进的1 2 5 1 。当人的前后两个 动作出现差异时，说明人体是在运动的，因此如果要检测行人就需要检测这样一个运动。 依据人体行走的两个极端姿态来布置传感器的空间位置。在进入闸机处绘制警示黄线， 提醒乘