CN113112618A - 一种基于智能手机蓝牙的自动检票方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能公共交通技术领域，是一种基于智能手机蓝牙的自动检票方法。乘客不需要携带电子票和实体票，不需要出示电子票或实体票卡，只需携带智能手机通过检票区域，即可实现进站、乘车、出站的检票。本发明是基于智能手机及其蓝牙功能的一种被动检票系统。乘客不需要携带专门电子票和实体票，检票区采用虚拟通道方式，不采用实体闸机通道，只对检票区域进行标识即可。本发明的有益效果是：在减少车站检票人员数量的同时，大幅度提高乘客的检票、进站、出站效率。客户在智能手机上安装APP注册即可开通此项功能，方便，快捷，实用性强，可广泛应用于地铁站、高铁站、汽车站、轮渡或其他重要的大客流区域。

Description

一种基于智能手机蓝牙的自动检票方法

技术领域

本发明属于智能公共交通技术领域，是一种基于智能手机蓝牙的自动检票方法。乘客不需要携带电子票和实体票，不需要出示电子票或实体票卡，只需携带智能手机通过检票区域，即可实现进站、乘车、出站的检票。

背景技术

当前检票方式主要有人工检票和自助检票两种方式。人工检票主要处理特殊票卡、特殊人群的检票工作，该方式不可或缺。自助检票可减少人工的工作量，增加通行效率。当前自助检票机需要人持卡/票进行检票，验证通过后打开闸机放行。票卡处理过程中乘客需等待处理结果，排队过程中会导致前后拥挤，导致未验证通过的乘客进入闸机通道触发异常报警，降低了自助设备的通行效率。随着社会的发展和生活水平的提高，出差、旅游人数逐年增加，节假日客流高峰等情况导致交通拥堵日益严重，公共交通的压力越来越大，进而导致公共交通工作检票人员工作量不断加大。

发明内容

本发明是基于智能手机及其蓝牙功能的一种被动检票系统。乘客不需要携带专门电子票和实体票，不需要主动出示票卡，只需携带智能手机通过检票区域即可实现出入站的检票；智能手机本身即是票卡，存储票卡信息。检票区采用虚拟通道方式，不采用实体闸机通道，只对检票区域进行标识即可。智能手机本身存储票卡信息，智能手机本身即是票卡。检票区仅安装电子扫描设备，不需安装实体闸机。乘客携带智能手机进入验票区，智能手机通过蓝牙无线方式连接至车站检票基站，与检票基站服务器存储的购票数据进行比对，比对的结果，则通过智能手机震动、声音、灯光等方式对乘客进行告知，同时也可以通过车站声音广播、 LED显示屏、地面铺设的LED灯进行提醒。

关键技术和实现途径

关键技术主要包含：手机被动定位，基站对手机主动定位，乘客的定位，老人小孩行李的识别。

1、手机被动定位

通过蓝牙基站广播的数据结合自身的RSSI/IMU/磁场等数据进行融合定位，要求精度小于2米或者更低。(当前蓝牙RSSI定位精度2-5米)

蓝牙，指南针，计步器，定位算法(蓝牙+惯导)。

蓝牙定位：

蓝牙技术低功耗，体积小，支持短距离无线通信。其工作频率在2.4GHz。蓝牙信号传输距离通常为10m左右，新的BLE 4.0协议支持最大传输距离可达100m。基于RSSI的测距方式，定位精度可达2-3m。蓝牙定位也可以采用指纹匹配方式和蓝牙天线阵列方式来提高测量精度。方案中手机被动定位主要采用RSSI+惯导的定位方式。

蓝牙RSSI定位，首先获取蓝牙和附近蓝牙基站的距离，通过已知的蓝牙基站位置数据推导手机的位置。

距离计算：

计算手机蓝牙到基站的距离。

D＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n)

D：需要计算的距离

RSSI：接收设别获取的信号强度

A：为发射端和接收端相隔1米时的信号强度

n：是环境衰减因子。(对于不同的蓝牙设备该值是不一样的，同样的设备在不同的发射功率的情况下其信号强度也是不一样的，而且对于同是1米的情况下，环境对于信号强度也是有影响的。n的取值一般取经验值(或者通过自检基站实时获取纠正数据))。

RSSI位置计算：

获取手机到不同基站的距离d₁ d₂……通过最小二乘法计算手机的位置。由于距离越远精度越差，计算之前抽取距离小于10米的基站进行设计位置计算。

设手机位置为：P{x，y，z}，基站的位置P₁{x₁，y₁，z₁}...P_i{x_i，y_i，z_i}

(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²＝d_i ²(i≤4)

x²+x_i ²+y²+y_i ²+z²+z_i ²-2x_ix-2y_iy-2z_iz＝d_i ²

x_i ²+y_i ²+z_i ²-d_i ²＝2x_ix+2y_iy+2z_iz+x²+y²+z²

令：K_i＝x_i ²+y_i ²+z_i ²-d_i ²

R＝x²+y²+z²

K_i＝2x_ix+2y_iy+2z_iz+R

Y＝AX

X＝(A^TA^-1)A^TY

IMU和磁场定位

首先通过姿态传感器(IMU)获取乘客步长和步速(计步器)，同时采用手机自带磁场传感器确定乘客的步行方向，以蓝牙定位为惯导初始点进行融合定位。(步行通道内可设置多种方式进行惯导初始点确定，预置磁场法，蓝牙最强信号定位法，)定位融合过程中通过基站的位置分布和距离远近等因素输出位置的精度因子，结合IMU和磁场进行加权融合惯性导航以获取高精度的手机位置信息。

2、基站对手机主动定位

通过测量手机蓝牙信号到达蓝牙基站的角度信息结合RSSI，对手机进行精确定位，要求精度小于0.5米。(当前蓝牙AOA定位精度20-50厘米)

AOA定位主要是测量手机蓝牙信号和蓝牙基站之间的到达角度，两个蓝牙基站的信号入射角度的延长线交点即为手机的位置，通过两个基站即可确定蓝牙基站的位置。

蓝牙基站采用阵列天线的方式来获取手机蓝牙信号的入射角。以蓝牙基站为起点形成的射线一定经过过手机所在的位置，两条射线的交点即为手机的位置。定位原理框图如图4所示。

图4定位原理图。

①蓝牙检票基站

⑦检票区

蓝牙基站的入射角a₁，a₂…a_i手机基站的位置P{x，y，z}，蓝牙基站的位置为P1{x₁，y₁，z₁}... P_i{x_i，y_i，z_i}。

tan(a_i)＝(y-y_i)/(x-x_i)

(x-x_i)tan(a_i)＝(y-y_i)

Y_i-x_i tan(a_i)＝-x tan(a_i)+y

Y＝AX

采用最小二乘法解得X

X＝(A^TA^-1)A^TY

3、乘客定位

通过顶部安装的摄像头对乘客进行定位跟踪，同时识别老人小孩行李等异常情况。

摄像头定位识别

摄像头定位的流程：摄像头标定校正，目标匹配，帧图像匹配，位置计算和跟踪。摄像头标定是取得内外参数矩阵，消除摄像头畸变，使得到的图像更为准确。目标匹配首先对目标进行特征点提取，分别在前后成像中匹配相同的特征点，通过计算同一个特征点之间的距离和移动方向，实现目标位置的计算和目标的跟踪。同时通过模型匹配方式实现特殊情况的识别处理。行李/老人/小孩的特殊情况。

摄像头标定：

摄像头标定包含内参数标定和外参数标定。

摄像头内参数的标定主要依据小孔成像的原理。但是实际使用中采用透镜进行成像，因此在成像过程中会产生畸变，所以必须考虑畸变对成像质量的影响。畸变分为径向畸变和切向畸变，枕型畸变和桶型畸变属于切向畸变。对二维图像精度影响最大的是径向畸变，通常只考虑一阶径向畸变就能达到很好的效果，可以借助最小二乘法对镜头畸变进行校正。

摄像头外参数的标定实际是实现像素坐标系与世界坐标系之间点的坐标变换，实现目标的相对定位位置坐标的变换。

立体匹配：

立体匹配采用尺度不变特征转换(SIFT)算法，SIFT算法是一种电脑视觉的算法，用来侦测与描述影像中的局部性特征，它在空间尺度中寻找极值点，并提取出其位置、尺度、旋转不变量。其应用范围包含物体辨识、机器人导航、图像拼接、立体模型建立、手势辨识、运动追踪等相关领域。

SIFT算法的特点：

1.SIFT特征是图像的局部特征，其对旋转、尺度缩放、亮度变化保持不变性，对视角变化、仿射变换、噪声也保持一定程度的稳定性；

2.独特性好，信息量丰富，适用于在海量特征数据库中进行快速、准确的匹配；

3.多量性，即使少数的几个物体也可以产生大量的SIFT特征向量；

4.高速性，经优化的SIFT匹配算法甚至可以达到实时的要求；

5.可扩展性，可以很方便的与其他形式的特征向量进行联合。

位置计算目标跟踪：

摄像头的目标图像经过匹配后可以获得目标特征点在前后帧的移动距离和方向，并通过该数据进行目标跟踪。

本发明的有益效果是：在减少车站检票人员数量的同时，大幅度提高乘客的检票、进站、出站效率。客户在智能手机上安装APP注册即可开通此项功能，方便，快捷，实用性强，可广泛应用于地铁站、高铁站、汽车站、轮渡或其他重要的大客流区域。

系统布局框图如图1、图2所示

图1检票区侧视图

图2检票区俯视图

①蓝牙检票基站

②摄像头定位识别

③地面LED灯光点阵指示

④智能手机终端

⑤广播音响

⑥票务服务器

⑦检票区

⑧乘客进入

工作流程：

⑧携带手机进入检票通道，手机获取到①广播的触发信号后，通过该信号RSSI结合自身的IMU传感器和磁场传感器对手机自身进行定位，⑧携带手机判断进入⑦后，手机将存储的票卡数据发送给①，①通过该信号的到达角AOA、信号强度RSSI、位置信息等数据联合计算手机的高精度位置信息。①把票卡数据和位置数据发送给⑥。⑥获取到票卡数据后，请求②对⑦内的人员定位信息，将同该手机位置相同的人标记为有票状态。⑥对数据处理后发送给①。①将票卡信息发送到⑧手机。若有异常(余额不足)等情况，通过手机震动、声音、灯光等方式提醒⑧进行处理。未携带智能手机的⑧进入⑦，⑥通过通道内②实时对⑦内标记为无票的⑧进行轨迹跟踪，同时识别特殊情况(老人/小孩/行李)，当无票有效乘客走出⑦时通过⑤进行广播提醒返回⑦。若⑧强行闯入通过②采集相关图像并发送到车站安保部门，通过人工方式进行拦截。

实施方式

本发明的系统硬件

系统硬件主要包括：蓝牙基站、智能手机(APP)、摄像头，声光提示设备，票务处理服务器等。

蓝牙基站主要负责：检票触发信号发出、手机位置信息解算、与智能手机之间无线的通信。

智能手机(APP)主要负责：票卡数据的存储、与蓝牙基站之间的通信、同时实现自身的定位、产生乘客提示信息。

票务处理服务器主要负责：票务信息的处理、异常情况的处理、系统部件之间的通信管理等。

摄像头主要检测检票区内是否有人，同时实现检票区内部的人、物定位，同时对老人小孩行李等进行识别。

声光提示设备主要用于未携带手机的乘客以及票卡异常的情况进行提示。

系统布局框图如图1、图2所示

通道宽度5米，检票区域长度10米，估计检票区域容量小于50人。正常步行速度1～2 米/秒，乘客通过检票区滞留时间大于5秒。

系统工作信号流程如图3所示：

图3信号流程图

(9)蓝牙基站广播的触发信号

(10)手机将票卡数据发送给蓝牙基站

(11)蓝牙基站把票卡数据和位置数据发送给检票服务器

(12)从摄像头传感器获取检票区内的人员定位数据

(13)检票服务器对数据处理后发送给蓝牙基站

(14)蓝牙基站将票卡信息发送到手机

携带智能手机的乘客进入检票通道：

手机获取到蓝牙基站广播的触发信号(9)后，通过该信号RSSI结合自身的IMU传感器和磁场传感器对手机自身进行定位(要求＜2米)。

当判断手机进入检票区域后，手机将存储的票卡数据发送给蓝牙基站(10)，蓝牙基站通过该信号的到达角AOA、信号强度RSSI、位置信息等数据联合计算手机的高精度位置信息 (要求＜0.5米)。

蓝牙基站把票卡数据和位置数据发送给检票服务器(11)。

检票服务器获取到票卡数据后，请求摄像头传感器对检票区内的人员定位信息(12)，将同该手机位置相同的人标记为有票状态。

检票服务器对数据处理后发送给蓝牙基站(13)。

蓝牙基站将票卡信息发送到手机(14)。若有异常(余额不足)等情况，通过手机震动、声音、灯光等方式提醒乘客进行处理。

未携带智能手机的乘客进入检票通道：

检票服务器通过通道内摄像头传感器实时对检票区内标记为无票的乘客进行轨迹跟踪，同时识别特殊情况(老人/小孩/行李)，当无票有效乘客走出检票区时进行广播提醒返回检票区、地面灯光提醒。若乘客强行闯入通过摄像头采集相关图像并发送到车站安保部门，通过人工方式进行拦截。

Claims (10)

1.一种基于智能手机的被动检票的方法，乘客不需要主动出示票卡，只需携带智能手机通过检票区域即可实现检票的验票方式。

2.根据权利1所述的方法，其特征是：车站检票区取消实体闸机通道，只需划出一个虚拟通道进行验票的设计思想和技术。

3.根据权利1所述的方法，其特征是：安装在乘客检票区的自动对手机内订购的电子车票进行扫描的设备和技术。

4.根据权利1所述的方法，其特征是：乘客进站口验票区安装的对乘客手机进行扫描后让手机震动、广播、LED显示屏、地面铺设的LED灯等方式对乘客进行告知、包括对检票未通过而强行进站的乘客进行警告的设备和技术。

5.根据权利1所述的方法，其特征是：检票区基于手机蓝牙的主动定位和被动定位的方法的设备和技术。

6.根据权利1所述的方法，其特征是：乘客检票区后台安装的对验票区进行摄录、监控、从验票区进入的人数自动进行统计的设备和技术。

7.根据权利1所述的方法，其特征是：验票区通过后乘客手机会被自动输入放行信息、该信息会自动保存在车站验票设备和该乘客手机之中的设备和技术。

8.根据权利1所述的方法，其特征是：列车上的乘务人员对进入车厢乘客的手机内的电子车票信息进行扫描、以获取乘客个人的身份信息、车站进站口验票区对乘客电子车票通过验票区被放行的信息及乘客应该乘坐的车厢、座位等信息进行核查的设备和技术。

9.根据权利1所述的方法，其特征是：车站验票区和列车乘务人员的电子验票设备能够对乘客人数进行自动统计的设备和技术。

10.根据权利1所述的方法，其特征是：异常乘客穿过检票区时，可通过声音广播、地面LED灯提示乘客退出检票区、并通知车站管理人员进行拦截、对于强行进入的乘客采集人脸图象进行识别并加入失信黑名单的设备和技术。

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