CN103217191B - 一种行人动力学参数测取综合实验台系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行人动力学参数测取综合实验台系统，包括移动式立板围绕形成一定宽度的环形通道；环形通道上方的顶棚布设九台红外网络高清摄像头，对通道全方位覆盖；移动式立板上布设RFID天线；环形通道外环布设六台RFID读写器，并通过RFID数据传输线与RFID天线连接；顶棚的红外网络高清摄像头经视频数据传输线与视频采集刻录机和视频处理器连接，RFID读写器与RFID信号接收处理器连接。本综合实验台系统，是专门针对行人动力学参数测量的大型实验台。克服了实验场景构建难、实验数据处理繁杂缓慢对行人运动实验开展的限制，能够开展多种行人运动实验，快速准确地得到行人的基本运动参数以及参数间的定量关系。

Description

一种行人动力学参数测取综合实验台系统

技术领域

本发明属于公共安全技术领域，具体涉及一种行人动力学参数测取综合实验台系统，其对不同场景下的行人运动速度、流量、轨迹、步幅、步频、摆幅等一系列动力学特征参数进行测量提取的实验台及系统。

背景技术

随着世界城市人口的不断增多，因人群密集而引发的群体踩踏事故频频发生，如2004年的麦加朝觐踩踏事故造成500人死伤；2004年的北京密云灯会踩踏事故造成37人死亡、数十人受伤；2010年的德国音乐节踩踏事故造成510人死伤。人群运动的安全问题已经引起世界各国高度重视，对各大城市的应急管理提出了挑战。群体踩踏事故的发生通常都是先由行人运动、聚集形成高密度人群，而后高密度人群中发生的微小骚乱或扰动，引发的人与人之间的相互作用力集聚最终使人群失稳造成踩踏。从技术层面上，为了防范踩踏事故的发生，最根本地就是需要掌握行人运动的特征与规律，对行人流的运动趋势做出先期预测并进行适当干预，阻止高密度人群的形成。

当前，国内外学者对行人的运动特征研究方法主要有两种：可控实验法和计算机模型法。可控实验法主要是根据建（构）筑物的结构特征或人员生理、心理特征来构建特定的场景并开展相似性实验。可控实验法可以得到行人运动的一些基本定量关系，如步幅-步频、步幅-间距、速度-间距等；也可以得到人员基本运动特征及运动参量同建（构）筑物参数的关系，如瓶颈处的“拱形分布”、瓶颈处的流量流率和瓶颈宽度的关系、走廊及长通道中行人的速度流量等。计算机模型法主要利用数学建模和计算机编程的手段对人员运动系统进行模拟仿真，这种方法对场景的要求不高，同时又具有可重复性、参数可调、先期预测的特点，是目前行人动力学研究的主导。利用计算机模拟，研究者们重现了人员疏散中的复杂行为现象：在多出口建筑中出现的“人员从众”行为；在疏散通道出现的“宽即是窄”的现象；在疏散出口出现的“快即是慢”现象等。

虽然目前的研究大多采用计算机模型法，但一般认为，基于可控实验得出的行人基本运动参量关系的计算机模型更为精确可信，因为行人运动实验得出的基本数据和定量关系是验证理论模型准确性的直接依据，也只有准确的计算机模型才能即快速又准确地预测行人流的变化趋势。然而，可控实验法的不足在于：对实验场地要求苛刻，某些实验场景难以建立（如黑暗场景），实验后续的数据处理庞大繁杂。这些不足之处限制了实验的开展，导致大多数理论模型缺乏真实数据的验证。

行人运动是一种复杂的动力学过程，行人运动规律对于缓解交通阻塞、指导突发情况下的应急疏散疏导具有非常重要的现实意义。目前，研究方法主要包括理论建模和可控实验两个方面，而以理论建模为主导。行人运动实验可以为理论模型的发展和验证提供直接可靠的依据，但由于可控实验的场景难于建立加之后续庞大繁杂的数据处理，可开展的实验有限，导致理论模型无法得到验证，这对于精确地研究行人流动特征是不利的。

本发明针对以上不足，提供了一种行人动力学参数测取综合实验台系统，使其能够开展多种行人运动实验，快速准确地得到行人的基本运动参数以及参数间的定量关系，对行人运动理论模型的验证、人员疏散模拟软件的开发，提供充足的数据支持。

发明内容

本发明针对行人的微观运动特征，提供了一种行人动力学参数测取综合实验台系统，能够开展多种行人运动实验，快速准确地得到行人的多种基本运动参数及其相互关系，对行人运动理论模型的验证、行人运动模型和软件的开发，提供充足和准确的数据支持。

为了能够开展如黑暗等特殊场景下行人运动实验，并快速准确地得到行人的基本运动参数及其有关定量关系（速度、流量、步幅、步频、摆幅、摆频、速度-间距、密度-速度等），本发明的目的在于提供一种行人动力学参数测取综合实验台系统。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

一种行人动力学参数测取综合实验台系统，包括环形通道实验台1，环形通道实验台1位于长方形底面2上，环形通道1上方覆盖顶棚3，底面2和顶棚3的尺寸一致；

环形通道实验台1正上方的顶棚3上均匀安装九个红外网络高清摄像头4，对整个环形通道实验台1全方位无死角覆盖；

环形通道实验台1由三十块立板5围成的外环和二十块立板5围成的内环围绕而成，立板5安装于立板底座11上；

环形通道实验台1外环的底面2上均匀布设六台RFID读写器6；

环形通道实验台1外环的每块立板5的上方布设一台RFID天线7，天线7的方向指向通道内部，每台RFID天线7通过RFID数据传输线14与RFID读写器6连接，每台RFID读写器6与四台RFID天线7连接；

红外网络高清摄像头4通过视频数据传输线13与视频采集刻录机8连接，视频刻录机8可清晰播放并录制环形通道实验台1内的行人运动情况；

视频刻录机8通过网线12与两台视频处理器9连接，将录制的高清视频传输给视频处理器9，视频处理器9的图像处理算法对视频进行分析处理，得到行人运动轨迹等微观运动参量；

RFID读写器6通过网线12与RFID信号接收处理器10连接，RFID信号接收处理器对接收的RFID信号数据进行分析处理，得到行人运动速度、流量等运动参量；

具体实验测量过程是一定数量携带RFID标签的行人在环形通道实验台1内部行走，红外网络高清摄像头4和RFID天线7分别监测行人的运动和标签的实时信息，视频采集刻录机8将接收到的视频录制并传送到视频处理器9，视频处理器9通过内置的图像处理算法提取行人的运动轨迹，进一步通过计算机应用程序提取出行人的步频、步幅、摆幅、摆频、间距-步幅、间距-速度等数据；RFID信号处理器通过内置的程序提取行人的瞬时速度、流量等数据。增加行人数量可提取高密度人流的动力学参数，改变行人的运动方向可提取相向行人流的动力学参数。

本发明的有益技术效果体现在下述几个方面：

（1）在场景构建方面，实验台和测量系统具有可移动性，可快速构建所需的建筑结构场景，可适用于目前国内外已经开展的各种行人运动实验，如环形单列、瓶颈实验等，还可开展更丰富的扩展实验和创新性实验；

（2）在特殊场景方面，实验台的红外监测系统和无线识别的RFID技术，可开展完全黑暗场景下的行人运动实验；

（3）在实验测量系统方面，采用先进的图像处理方法和自主开发的RFID信号处理程序可以对行人运动的多项参数同时提取；

（4）在参数提取效果方面，实验台采用传统的视频方法和新的RFID技术方法相互补充相互验证，可以快速准确地提取丰富的行人动力学参数，这些动力学参数将为行人流理论模型的验证、人员疏散模拟软件的开发，提供充足的数据支持。

因此，本综合实验台系统，是首个专门针对行人动力学参数测量的大型实验台。克服了实验场景构建难、实验数据处理繁杂缓慢对行人运动实验开展的限制，又保证的了实验的可重复性，对于开展科学研究和实际的建（构）筑物结构优化设计都有很大的应用价值。对道路、车厢、机舱的安全设计和评价也具有广阔的应用前景和重要的实际指导意义。

附图说明

图1是本发明所述行人动力学参数测取综合实验台系统一种实验例的总体图；

图2是本发明所述行人动力学参数测取综合实验台系统一种实施例的俯视图；

图3是本发明所述行人动力学参数测取综合实验台系统一种实施例的侧视图；

图4是本发明所述行人动力学参数测取综合实验台系统一种实施例的立板侧视图；

图5是本发明所述行人动力学参数测取综合实验台系统一种实施例的实验流程图。

图中标号：1-环形通道实验台；2-底面；3-顶棚；4-红外网络高清摄像头；5-立板；6-RFID读写器；7-RFID天线；8-视频采集刻录机；9-视频处理器；10-RFID信号接收处理器；11-立板底座；12-网线；13-视频数据传输线；14-RFID数据传输线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述实例。

实施例：

参见图1、图2和图3，一种行人动力学参数测取综合实验台系统，包括环形通道实验台1，环形通道实验台1位于长方形底面2上，环形通道上方覆盖顶棚3，底面2和顶棚3的尺寸一致，长度为11.95m，宽度为6.95m，底面2和顶棚3之间的高度为4.0m（如图1）。

顶棚3上沿长度和宽度方向均匀安装九个红外网络高清摄像头4，摄像头分辨率为1080P，摄像头长度方向间隔2.2m，宽度方向间隔2.0m（如图2），摄像头镜头方向垂直指向底面，镜头与底面2之间的高度为4.0m，九个摄像头全部开启可实现对环形通道实验台1的全方位覆盖。

环形通道实验台1由三十块立板5围成的外环和二十块立板5围城的内环围绕而成，外环长轴8.65m，外环短轴4.95m，内环长轴6.65m，内环短轴2.95m，通道宽度1.0m。立板5宽度0.8m，高度1.8m，厚度0.015m，安装于立板底座11上，立板底座11使用15mm*60mm角钢作支撑骨架，使用2mm厚钢板作底板（如图4）。

环形通道实验台1外环的底面2上均匀布设6台RFID读写器6（如图2）。环形通道实验台1外环的每块立板5的上方布设一台RFID天线7，天线7的方向指向通道内部，天线7安装位置为立板5右侧距底面1.5m处（如图3、图4）。每台RFID天线7通过RFID数据传输线14与RFID读写器6连接，每台RFID读写器6与四台RFID天线7连接。

红外网络高清摄像头4通过视频数据传输线13与视频采集刻录机8连接，视频刻录机8可清晰播放并录制环形通道实验台1内的行人运动情况；

视频刻录机8通过网线12与两台视频处理器9连接，将录制的高清视频传输给视频处理器9，视频处理器9的图像处理算法对视频进行分析处理，得到行人运动轨迹等微观运动参量；

RFID读写器6通过网线12与RFID信号接收处理器10连接，RFID信号接收处理器对接收的RFID信号数据进行分析处理，得到行人运动速度、流量等运动参量；

具体实验测量过程是一定数量携带RFID标签的行人在环形通道实验台1内部行走，红外网络高清摄像头4和RFID天线7分别监测行人的运动和标签的实时信息，视频采集刻录机8将接收到的视频录制并传送到视频处理器9，视频处理器9通过内置的图像处理算法提取行人的运动轨迹，进一步通过计算机应用程序提取出行人的步频、步幅、摆幅、摆频、间距-步幅、间距-速度等数据；RFID信号处理器通过内置的程序提取行人的瞬时速度、流量等数据，流程图如图5。

行人速度、流量测取方法：

（1）标签预处理：每个RFID标签在使用前，必须对其进行写操作，即写入唯一的标识码。具体处理过程为：首先连通RFID读写器6、RFID天线7和RFID信号接收处理器10，接通所有设备电源，此时RFID天线7前方会产生一定范围的信号感应区，将RFID标签放于信号感应区内，RFID信号接收处理器10通过内置程序读到RFID标签的产品电子代码EPC（Electronic Product Code），然后通过RFID信号接收处理器10修改每个RFID标签EPC值并将修改指令发送到RFID读写器6，RFID读写器6通过RFID天线7将修改的EPC值写入放置于感应区的标签，完成标签预处理。

（2）行人运动的RFID信号：一定数量的行人，携带经过预处理的RFID标签进入环形通道实验台1，循环行走，系统采集RFID信号和图像视频。具体采集过程为：首先将所有RFID天线7通过RFID读写器6和RFID信号接收处理器10连通，打开所有设备电源，保持开机工作状态；行人循环行走过程中，所携带的RFID标签会连续通过多个RFID天线7前方的感应测量区，与RFID天线7连接的RFID读写器6将读取标签在感应区内因位置变化而产生的实时强度信号变化，当标签处于RFID天线7正前方距离最小的位置时，信号强度值最大；RFID读写器6将所读到的每一个RFID标签的实时强度信号通过网线12传送到RFID信号接收处理器10之中存储；

（3）RFID信号处理：RFID信号接收处理器10接收到RFID读写器6传送的实时RFID强度信号后，生成每个RFID标签在通过连续间隔的RFID天线7之后的信号强度时间序列，序列中的信号强度峰值表示RFID标签正对RFID天线7且距离最小；通过一定搜索算法，查找信号强度时间序列中的峰值，进而求取峰值对应的时刻和峰值之间的时间差，然后用已知的RFID天线7之间的间隔距离除以该时间差，即得到指定标签即指定行人的瞬时速度。统计任一个RFID天线7处在单位时间（1分钟）内信号强度峰值出现的个数，表示单位时间内经过此天线的行人数量，即得流量。

行人运动轨迹和相关微观运动参数的测取方法：

（1）图像视频实时采集

将所有红外网络高清摄像头4通过视频数据传输线13和视频采集刻录机8连通，打开所有设备电源，保持开机工作状态；在整个行人行走过程中，九台红外网络高清摄像头4同时对环行通道实验台1的各个部分进行录制，并将录制的视频通过视频数据传输线13传送到视频采集刻录机8中存储。

（2）图像视频处理

视频采集刻录机8将存储的视频通过网线12传送到视频处理器9中，并在视频处理器9中通过应用程序将视频转换为标准视频格式；运用mean-shift行人跟踪检测算法对标准视频格式中的运动行人进行检测和跟踪，提取行人运动的二维图像像素坐标；根据视频中的通道参考点的图像坐标和实际尺寸，对提取到的行人运动图像坐标进行较正，得到行人真实的运动轨迹。根据行人真实运动轨迹，可以计算任意时间间隔内行人的位移，进行求得对应时刻的运动速度；根据行人真实动轨迹，可以计算轨迹偏离运动方向的幅度，统计该幅度即可得到该行人的平均摆幅；结合时间信息，计算行人运动向两侧偏移的时间差，行人摆动周期即为该时间差的两倍，摆动频率为摆动周期的倒数；对于多个行人的轨迹，计算任意两个时刻前后两个行人的位置坐标，从而求出前后行人之间的距离，同时计算两个时刻之间后面行人位移，从而求出后面行人的运动速度，这样即可得到行人间距-速度的数据，进而分析间距对行人运动的影响。

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。

Claims (5)

1.一种行人动力学参数测取综合实验台系统，其特征在于，包括环形通道实验台(1)，环形通道实验台(1)位于长方形底面(2)上，环形通道实验台(1)正上方覆盖顶棚(3)，长方形底面(2)和顶棚(3)的尺寸一致；

环形通道实验台(1)正上方的顶棚(3)上均匀安装九个红外网络高清摄像头(4)，对整个环形通道实验台(1)全方位无死角覆盖；

环形通道实验台(1)由三十块立板(5)围成的外环和二十块立板(5)围成的内环围绕而成，所有立板(5)安装于立板底座(11)上；

环形通道实验台(1)外环的长方形底面(2)上均匀布设六台RFID读写器(6)；

环形通道实验台(1)外环的每块立板(5)的上方布设一台RFID天线(7)，该天线(7)的方向指向通道内部，每台RFID天线(7)通过RFID数据传输线(14)与RFID读写器(6)连接，每台RFID读写器(6)与四台RFID天线(7)连接；

红外网络高清摄像头(4)通过视频数据传输线(13)与视频采集刻录机(8)连接，视频采集刻录机(8)可清晰播放并录制环形通道实验台(1)内的行人运动情况；

视频采集刻录机(8)通过网线(12)与两台视频处理器(9)连接，将录制的高清视频传输给视频处理器(9)，视频处理器(9)的图像处理算法对视频进行分析处理，得到行人运动轨迹微观运动参量；

RFID读写器(6)通过网线(12)与RFID信号接收处理器(10)连接，RFID信号接收处理器对接收的RFID信号数据进行分析处理，得到行人运动速度、流量的运动参量；

具体实验测量过程是一定数量携带RFID标签的行人在环形通道实验台(1)内部行走，红外网络高清摄像头(4)和RFID天线(7)分别监测行人的运动和标签的实时信息，视频采集刻录机(8)将接收到的视频录制并传送到视频处理器(9)，视频处理器(9)通过内置的图像处理算法提取行人的运动轨迹，进一步通过计算机应用程序提取出行人的步频、步幅、摆幅、摆频、间距-步幅、间距-速度的数据；RFID信号处理器通过内置的程序提取行人的瞬时速度、流量的数据；增加行人数量可提取高密度人流的动力学参数，改变行人的运动方向可提取相向行人流的动力学参数。

2.根据权利要求1所述的一种行人动力学参数测取综合实验台系统，其特征在于，底面(2)和顶棚(3)的尺寸一致，长度为11.95m，宽度为6.95m，底面(2)和顶棚(3)之间的高度为4.0m。

3.根据权利要求1所述的一种行人动力学参数测取综合实验台系统，其特征在于，红外网络高清摄像头(4)分辨率为1080P，摄像头长度方向间隔2.2m，宽度方向间隔2.0m，摄像头镜头方向垂直指向底面，镜头与底面(2)之间的高度为4.0m，九个摄像头全部开启可实现对环形通道实验台(1)的全方位覆盖。

4.根据权利要求1所述的一种行人动力学参数测取综合实验台系统，其特征在于，每个立板(5)宽度0.8m，高度1.8m，厚度0.015m。

5.根据权利要求1所述的一种行人动力学参数测取综合实验台系统，其特征在于，立板底座(11)使用15mm*60mm角钢作支撑骨架，使用2mm厚钢板作底板。