CN101645178B - 光纤列阵薄膜传感客流计数系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤列阵薄膜传感客流计数系统，包括一块光纤列阵感压薄膜、一个光源列阵、一个光探测器列阵和信号处理电路系统，所述光源列阵由850nm波长的LED列阵构成，通过多模光纤带与光纤列阵感压薄膜的各感压点的输入光纤连接，用于提供工作光波，探测器列阵由光电池列阵构成，通过多模光纤带与光纤列阵感压薄膜的各感压点的输出光纤连接，用于探测散射光强度，并经光电转化后送信号处理电路系统处理，信号处理电路系统用于数据采集、特征量提取、目标跟踪、辨向以及计数。尽管乘客上下台阶的行为在细节上的个性化差异十分复杂，本发明可以对涵盖常规进出车门的多种行为模式实现准确率高达95％以上的实时客流辨向计数。

Description

光纤列阵薄膜传感客流计数系统

技术领域

本发明涉及一种光信息处理的客流计数系统，尤其是一种采用光传感客流计数技术的客流计数系统。

背景技术

近年来随着城市规模的迅速发展和“公交优先”城市交通战略的付诸实施，对城市公交管理系统提出了更高的要求，其中车辆定位系统和自动乘客计数系统是两大关键。国内部分公交系统已采用GPS导航定位系统进行车辆定位，但公交车乘客计数尚未实现。开发中的公交乘客自动计数系统主要有基于视频检测、基于红外检测和基于接触式脚印检测等三类。

视频方法主要检测乘客头顶部的运动实现跟踪和计数，特征提取受背景影响较大，逢深暗背景中的拥挤人群误判率较高。相关报告有：

1)D Huang，Tommy W S Chow，A People-Counting System Using aHybrid RBF Neural Network，Neural Processing Letters，2003，18(2)，97-113

2)李苗，刘卫宁，孙棣华等，视频监视技术在公交车自动乘客计数中的应用，西华大学学报(自然科学版)，2006，25(4)，4-7

3)陈财明，周立丰，于海滨等，基于TMS320VC5416图像采集系统的设计与应用，江南大学学报(自然科学版)，2006，5(2)，149-152

4)于海滨，刘济林，基于区域视差提取的视觉客流统计方法，传感技术学报，2007，20(7)，1546-1550

红外检测计数系统采用主动和被动传感器结合的方式进行双通道采集，加拿大INFODEV公司开发了商用产品，这种方式适合于简单有序的上下车情况，当遇到两人并排进出时，判断困难，特别是乘客拥挤且状态无序时，精度下降。相关报告有：

5)沈惠平，范启富，基于神经网络的红外自动乘客计数方法研究，控制工程，2007，14(1)，62-65

脚印检测技术采用点阵传感来实现，通过判断脚印的数量和方向记录上下车人数，由于乘客上下车的踩踏方式行为各异，加之鞋型五花八门，这种方式对乘客特征的描述过于简单，在客流高峰拥挤混乱时无法取得令人满意的效果。相关报告有：

6)王晓，魏志强，周利江，孔晓霞，基于脚印方向识别的客流检测与监控系统，城市交通，2005，3(3)，27-31。

发明内容

为了解决上述问题，本发明是要提供一种光纤列阵薄膜传感客流计数系统，主要特点是采用一种基于测定脚底压强分布中心的时空变化的乘客计数方法，由于人员上下车时维持动态平衡的需要，脚底压强分布的时空变化特征反映了人体运动的信息，通过传感测试乘客进出车门时脚底压强分布的时空轨迹，可以对涵盖常规进出车门的多种行为模式实现乘客人数及其走向的实时辨别，通过这些手段的实施，有效解决现行乘客计数技术的不足之处。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种光纤列阵薄膜传感客流计数系统，包括一块用以压力传感的光纤列阵感压薄膜、一个光源列阵、一个光探测器列阵和信号处理电路系统，所述光源列阵由850nm波长的LED列阵构成，通过多模光纤带与光纤列阵感压薄膜的各感压点的输入光纤连接，用于提供工作光波，探测器列阵由光电池列阵构成，通过多模光纤带与光纤列阵感压薄膜的各感压点的输出光纤连接，用于探测散射光强度，并经光电转化后送信号处理电路系统处理，信号处理电路系统用于数据采集、特征量提取、目标跟踪、辨向以及计数。

光纤列阵感压薄膜由三层薄膜叠合构成，所述三层薄膜的上下两层是厚度≤1mm的高强度聚合物遮光保护层、中间一层是厚度≤3mm的聚亚安酯海绵层，所述光纤列阵感压薄膜的面积≥0.86×0.36m²，所述光纤列阵感压薄膜的感压点以10行×24列均分排列、行间距和列间距分别≤25mm和≤35mm，所述光纤列阵感压薄膜的任一感压点均由一对紧密并排且嵌入在所述聚亚安酯海绵层中的聚合物多模光纤的抛光端面构成，所述一对紧密并排的聚合物多模光纤中的一根用作所述输入光纤、另一根用作所述输出光纤，所述感压点的压强感应灵敏度≤1kPa。

信号处理电路系统的采样频率≥100Hz、图样处理频率≥10帧/秒、压强阈值可在1～30kPa之间调节。

信号处理电路系统的采集数据是感压薄膜的压强分布图像、并采用双三次样条插值方法完成压强分布细化；信号处理电路系统的特征量提取是指实时提取由下式定义的感压薄膜压强分布中心及其时空变化规律：

$X\left(t\right)=\frac{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}i{F}_{i,j}\left(t\right)}{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}{F}_{i,j}\left(t\right)},$ $Y\left(t\right)=\frac{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}i{F}_{i,j}\left(t\right)}{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}{F}_{i,j}\left(t\right)}$

式中A是感压区域、i和j分别是行标和列标、F_i，j(t)为t时刻感压点(i，j)上的归一化压力值；

信号处理电路系统的目标跟踪是指对感压薄膜压强分布中心时空变化轨迹的跟踪、归类和比较；信号处理电路系统的辨向是指对感压薄膜压强分布中心时空轨迹与人的质心运动时空轨迹的关联性判别；信号处理电路系统的计数是依据感压区域中所有感压点压强之和的归一化曲线的一般特征来实现、该一般特征是由于乘客采用不同方式上下车时维持姿态平衡的过程不同形成的。

本发明的有益效果：

本发明提供的客流计数系统，采用了光纤列阵高分子感压薄膜作为传感元件，该传感元件具有结构简单、小型轻便、防水耐震、抗电磁干扰、坚固耐用以及便于更换等特点，特别适合公交客车的工作环境。系统以脚底压强分布中心的时空变化为信息特征，采用归类操作实现目标跟踪，压强分布中心的时空走向用于辨向操作，人数判别通过感压区域结合感压时间的分析来实现，从机理上改进了现行客流计数方法的不足。本发明的显著效果表现在，尽管乘客上下台阶的行为在细节上的个性化差异十分复杂，本发明的客流计数系统可以对涵盖常规进出车门的多种行为模式实现准确率高达95％以上的实时客流辨向计数。

附图说明

图1是含有光纤感压点的薄膜截面图；

图2是本发明的系统基本结构图；

图3是乘客上车(a)和下车(b)时的压强分布中心时空变化轨迹图；

图4是感压区域压强总和随时间的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的传感元件和工作原理：

客流计数系统的传感元件采用了嵌入光纤传感列阵的、坚固耐用的高分子薄膜构造，含有任一光纤传感点的薄膜截面如图1(a)所示，上下各有一层厚度为1mm的高强度聚合物遮光保护层1，中间布置了光纤传感点列阵，光纤周围充满了3mm厚的聚亚安酯海绵2，该材料具有十分耐用且弹性好的特点。光纤传感点由一对紧密并排的聚合物多模光纤构成，端面经研磨抛光，分别用于光波输入和散射光3探测输出。聚亚安酯海绵2是一种由乙烷有机单体聚合链接的高分子材料，由于其分子直径远大于光波波长，可视为均匀分布的大直径散射粒子。经输入光纤4出射的光波被聚亚安酯海绵散射和吸收，散射光3能量E_s可表示成：

$E_s=E_0[1-\exp (-\frac{d}{C_{\mathrm{sL}}})]---\left(1\right)$

式中E_o是输入光纤4的出射光能量，d是聚亚安酯海绵2厚度，C_sL称为散射长度，是一个与材料结构、密度以及吸收特性有关的参量。对于确定的材料d/C_sL是一个归一化常量，当薄膜如图1(b)所示那样受压变形时，聚亚安酯海绵2密度增加，散射长度变小，d/C_sL＝d’/C’_sL的关系得到维持。尽管此时由式(1)给出的散射光能量Es守恒，但由于C’_sL＜C_sL，单位时间的散射光能量密度(即散射光强)增大，经输出光纤5探测得到的光强随之增大，因此该结构具有感压功能，由此结构排列构成的光纤列阵感压薄膜是本发明实施的客流计数系统的传感元件。

本发明的系统结构：

如图2所示，本发明实施的客流计数系统的基本结构，由一块上述光纤列阵感压薄膜、一个光源列阵、一个光探测器列阵和信号处理电路系统构成。光纤感压薄膜用于压力传感，感压点以10行×24列均分排列，行间距和列间距分别是24mm和32mm，薄膜面积是0.86×0.36m²，薄膜厚度是5mm，压强感应灵敏度为1kPa。光源列阵由850nm波长的LED列阵构成，通过多模光纤带与各感压点的输入光纤连接，用于提供工作光波。探测器列阵由光电池列阵构成，通过多模光纤带与各感压点的输出光纤连接，用于探测散射光强度，并经光电转化后送电路系统处理。信号处理电路系统由数据采集、特征量提取、目标跟踪、辨向以及计数等部分组成，采样频率为100Hz，图样处理频率为10帧/秒，阈值可在1～30kPa之间调节。

本发明的系统工作原理：

乘客进出车门踩踏台阶上敷设的感压薄膜时，脚底感受的压力状态发生时空变化，利用反作用力传感，实时测量压强的时空变化，用以分析判定途径车门的人员数量及其方向，达到客流计数的效果。工作流程及其原理如下：

(1)数据采集

数据采集以10帧/秒的速率传递压强分布图像，分别记录各感压点压强数据，并采用双三次样条插值方法完成压强分布细化。乘客上下公交车有多种可能的模式，按进出人数可分为单人模式和多人模式。单人模式中包括单人单脚踏经台阶和单人双脚踏经台阶。多人模式包括2人并列同向运动、2人并列逆向运动、1人停留1人运动以及2人一前一后紧贴运动等。落脚点也不尽相同，但统计上有一个大致范围。

(2)特征提取

数据采集后进行特征提取，乘客在进出车门的过程中，其质心沿运动方向移动，在人脚对感压薄膜的压强分布上表现为压强分布的中心发生时空变化。该压强分布中心的时空变化包含了两方面的信息，一个是脚与感压薄膜接触面积的时空变化情况，另一个是脚对感压薄膜作用力的时空变化情况。由于这两方面的信息与乘客的质心运动紧密相关，因此压强分布中心的时空变化反映乘客上下车时的运动特征。任一时刻t的压强分布中心坐标可由式(2)算出：

$X\left(t\right)=\frac{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}i{F}_{i,j}\left(t\right)}{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}{F}_{i,j}\left(t\right)},$ $Y\left(t\right)=\frac{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}i{F}_{i,j}\left(t\right)}{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}{F}_{i,j}\left(t\right)}---\left(2\right)$

式中A是感压区域，i和j分别是行标和列标，F_i，j(t)为t时刻感压点(i，j)上的归一化压力值。显然，随着时间t的推移，压强分布中心的变化可以反映感压薄膜受力状态的时空变化特征。

(3)目标跟踪

目标跟踪采用归类操作，将时刻t的第n帧图像中所有检测到的压强分布中心与在此之前的第n-1帧的压强分布中心依次进行比较，判断第n帧检测到的压强分布中心是否属于某一条已持续存在的压强分布中心轨迹，或者是一个新出现的目标压强分布中心。具体判断方法是，先算出前后两个压强分布中心的间距，若小于普通人脚印的横向宽度，则归类成功，否则继续与其它压强分布中心配对比较。若最终不能归类，则判断该压强分布中心为新出现的目标点。

(4)辨向操作

辨向操作根据压强分布中心的时空走向，图3(a)和(b)分别给出了乘客上车和下车时的压强分布中心的时空变化轨迹，一个共同特征是，伴随着脚底离开地面，人的质心运动时空轨迹与感压薄膜压强分布中心的时空轨迹方向相同，以此作为辨向依据。

(5)客流量计数

由于不同乘客不可能在同一时刻占据感压薄膜的同一区域，人数判别通过感压区域结合感压时间的分析来实现，需要谨慎处理的是单人单脚上下车和单人双脚上下车的情况。图4给出了从现场实测数据中归纳的曲线，横坐标是时间，纵坐标是感压区域中所有感压点压强之和的归一化值，图4(a)是单人单脚的情况，图4(b)和(c)分别是单人双脚情况中前脚和后脚的踩踏感压曲线。可以看出，图4(c)较图4(a)和(b)多出一个明显的V形变化，这是因为乘客采用不同方式上下车时维持姿态平衡的过程不同造成的，是一个一般特征，可用于客流量计数判断。

本发明的实施过程及其结果：

本发明的客流计数系统的效果实验在模拟车门台阶上进行，由下至上依次分为地面、过渡台阶和车厢地面三层，感压薄膜置于过渡台阶上。实验分为自然混合行走模式和单人单脚、单人前后双脚、两人同向、两人逆向、一人停留一人运动、两人紧贴等6种单项行走模式，每种模式测试合计约为100人的随机模拟上、下车。表1归纳了实验结果，结果显示，对于单人单脚、单人前后双脚以及2人并列同向踏经台阶的情况，测试正确率近乎达到100％；即使对于2人并列逆向、1人停留1人运动、2人前后紧贴运动以及自然混合踏经台阶等十分复杂的情况，测试正确率也达到了95％以上，很好地满足了实用要求。

表1.客流计数系统实验结果

Claims (1)

1.一种光纤列阵薄膜传感客流计数系统，其特征在于，包括一块用以压力传感的光纤列阵感压薄膜、一个光源列阵、一个光探测器列阵和信号处理电路系统，所述光源列阵由850nm波长的LED列阵构成，通过多模光纤带与光纤列阵感压薄膜的各感压点的输入光纤连接，用于提供工作光波，光探测器列阵由光电池列阵构成，通过多模光纤带与光纤列阵感压薄膜的各感压点的输出光纤连接，用于探测散射光强度，并经光电转化后送信号处理电路系统处理，信号处理电路系统用于数据采集、特征量提取、目标跟踪、辨向以及计数；所述光纤列阵感压薄膜由三层薄膜叠合构成，所述三层薄膜的上下两层是厚度≤1mm的高强度聚合物遮光保护层、中间一层是厚度≤3mm的聚亚安酯海绵层，所述光纤列阵感压薄膜的面积≥0.86×0.36m²，所述光纤列阵感压薄膜的感压点以10行×24列均分排列、行间距和列间距分别≤25mm和≤35mm，所述光纤列阵感压薄膜的任一感压点均由一对紧密并排且嵌入在所述聚亚安酯海绵层中的聚合物多模光纤的抛光端面构成，所述一对紧密并排的聚合物多模光纤中的一根用作所述输入光纤、另一根用作所述输出光纤，所述感压点的压强感应灵敏度≤1kPa；所述信号处理电路系统的采样频率≥100Hz、图样处理频率≥10帧/秒、压强阈值在1～30kPa之间调节；所述信号处理电路系统的采集数据是感压薄膜的压强分布图像、并采用双三次样条插值方法完成压强分布细化；所述信号处理电路系统的特征量提取是指实时提取由下式定义的感压薄膜压强分布中心及其时空变化规律：

$X\left(t\right)=\frac{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}i{F}_{i,j}\left(t\right)}{\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{F}_{i,j\left(t\right)}},Y\left(t\right)=\frac{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}j{F}_{i,j}\left(t\right)}{\underset{i,j\∈A}{\mathrm{\Σ}}{F}_{i,j}\left(t\right)}$

式中A是感压区域、i和j分别是行标和列标、F_i，j(t)为t时刻感压点(i，j)上的归一化压力值；

所述信号处理电路系统的目标跟踪是指对感压薄膜压强分布中心时空变化轨迹的跟踪、归类和比较；所述信号处理电路系统的辨向是指对感压薄膜压强分布中心时空轨迹与人的质心运动时空轨迹的关联性判别；所述信号处理电路系统的计数是依据感压区域中所有感压点压强之和的归一化曲线的一般特征来实现，该一般特征是由于乘客采用不同方式上下车时维持姿态平衡的过程不同形成的。

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