龍紅宇 黃發(fā)展 王 莉 陳思捷 吳韋微 王順利

(1.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)交通運(yùn)輸系,614202,峨眉; 2.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)機(jī)械工程系,614202,峨眉;3.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)計(jì)算機(jī)與通信工程系,614202,峨眉//第一作者,本科生)

基于無線通信的城市軌道交通實(shí)時(shí)客流信息采集裝置研究

龍紅宇1黃發(fā)展2王 莉3陳思捷1吳韋微1王順利1

(1.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)交通運(yùn)輸系,614202,峨眉; 2.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)機(jī)械工程系,614202,峨眉;3.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)計(jì)算機(jī)與通信工程系,614202,峨眉//第一作者,本科生)

通過單片機(jī)技術(shù)和無線傳輸技術(shù),研發(fā)了一款針對(duì)城市軌道交通的實(shí)時(shí)客流信息采集裝置。 詳細(xì)介紹了該裝置的設(shè)計(jì)原理及其硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)。通過Matlab建立了模糊控制模型，仿真驗(yàn)證了利用該裝置控制車廂內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)思路可行性。

城市軌道交通列車; 客流信息采集; 無線傳輸; 模糊控制

First-author′s address Department of Traffic and Transportation,Emei Campus,Southwest Jiaotong University,614202,Emei,China

對(duì)成都地鐵各站臺(tái)乘客的隨機(jī)抽樣調(diào)查顯示,城市軌道交通具有人員流動(dòng)性較大、密度大、空間相對(duì)較小的特點(diǎn),且大多數(shù)乘客的出行習(xí)慣是選擇距樓梯較近的車門候車,導(dǎo)致列車車廂人數(shù)分布不均勻,乘客上下車時(shí)易出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)易發(fā)生危險(xiǎn),影響行車安全。同時(shí)，車廂內(nèi)乘客較多會(huì)引起CO2體積分?jǐn)?shù)增大、新風(fēng)量不足,導(dǎo)致車廂內(nèi)空氣質(zhì)量不佳,使乘客出現(xiàn)頭暈、惡心等癥狀,影響旅客舒適度[1]。

在此背景下,設(shè)計(jì)通過單片機(jī)技術(shù)和無線傳輸技術(shù),在每次列車到站停車后實(shí)時(shí)采集車廂內(nèi)的客流信息,經(jīng)由單片機(jī)處理,一方面將車廂擁擠程度信息傳輸給前方站信息顯示屏,協(xié)助站務(wù)員引導(dǎo)乘客安全候車,確保列車安全運(yùn)營;另一方面在整列車大部分車門出現(xiàn)擁擠情況時(shí),控制空調(diào)系統(tǒng)閥門開度,調(diào)節(jié)新風(fēng)量,降低車廂內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù),提高旅客舒適度。

1 實(shí)時(shí)客流信息采集裝置設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)置乘客引導(dǎo)屏

通過問卷并調(diào)查分析出,大部分乘客上車后不會(huì)隨意走動(dòng),并愿意根據(jù)提示選擇較為空閑的車門候車,因此根據(jù)車門劃分,按區(qū)域在車輛地板下方安裝電阻應(yīng)變式壓力傳感器。B型車的一節(jié)車廂共安裝4個(gè)壓敏傳感器,分別與每一對(duì)車門所對(duì)應(yīng)區(qū)域相適應(yīng)。在列車上下客完畢關(guān)閉車門后至起動(dòng)發(fā)車前這一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行壓敏測(cè)數(shù)(避免行車速度對(duì)于質(zhì)量的影響),從而獲得從本站出發(fā)時(shí)列車搭乘旅客及其行李的總質(zhì)量,并將壓力傳感器采集輸出的模擬量經(jīng)由AD(模擬-數(shù)字)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,由單片機(jī)通過模糊算法推測(cè)出當(dāng)前車廂的擁擠情況(分為空閑、一般、擁擠三個(gè)等級(jí))。經(jīng)APC 250無線傳輸模塊將各車廂擁擠狀況傳送給前方站對(duì)應(yīng)站臺(tái)屏蔽門上的TFT-LCD(薄膜晶體管-液晶顯示器),以引導(dǎo)乘客選擇較為空閑的車門候車,同時(shí)可加強(qiáng)站務(wù)人員工作的針對(duì)性,減少搶上搶下事件的發(fā)生,確保列車安全運(yùn)行[2]。

設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)來證明由質(zhì)量推測(cè)車廂擁擠程度的可行性。將較大的電子臺(tái)秤劃定1 m2的區(qū)域,讓盡可能多的人站在該區(qū)域內(nèi),當(dāng)區(qū)域內(nèi)無法再站更多人時(shí),讀出電子臺(tái)秤的數(shù)值。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知,雖然因個(gè)體性別、胖瘦等因素?fù)頂D時(shí)的總?cè)藬?shù)不定,但總質(zhì)量均在一定的范圍內(nèi)。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

1.2 CO2體積分?jǐn)?shù)控制

通過傳感器獲得的客流數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)采用模糊控制法分析后得到當(dāng)前CO2體積分?jǐn)?shù),與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定的CO2含量值相比較,若大于設(shè)定值,則根據(jù)質(zhì)量守恒定律,單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入車廂的CO2體積減去單位時(shí)間內(nèi)由車廂排出的CO2體積等于車廂內(nèi)CO2的變化率,新風(fēng)量等于排風(fēng)量,從而進(jìn)行車廂內(nèi)新風(fēng)量的調(diào)節(jié)[3-4]。

1.3 設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

2 實(shí)時(shí)客流信息采集裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 質(zhì)量采集部件

常用的稱重傳感器有電阻應(yīng)變片式傳感器、壓磁式傳感器、振弦式傳感器、電容式傳感器和陀螺式傳感器等。從安裝簡(jiǎn)便性、成本和稱重精度三個(gè)方面綜合考慮,本裝置采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器(如圖2所示)。

電阻應(yīng)變式壓力傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。稱量物體給傳感器的壓力作用在彈性元件上時(shí),彈性元件的形變引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化,其通過轉(zhuǎn)化電路變成電量輸出。電量輸出的大小反映了被測(cè)物體的質(zhì)量的大小。該原理也是本裝置所需的程序代碼的依據(jù)[5]。

圖2 電阻應(yīng)變式壓力傳感器照片

電阻應(yīng)變式壓力傳感器具有精度高、測(cè)量范圍廣、壽命長、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻響特性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),能在惡劣條件下工作,易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化,便于多點(diǎn)測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)量和遙測(cè)，非常適用于旅客流動(dòng)性較大的地鐵車廂。其容量為1 kg～1 000 t,完全可滿足使用要求。

出于成本上的考慮,本裝置使用的電阻應(yīng)變式壓力傳感器的量程為5 kg。其模塊電路如圖3所示。

圖3 電阻應(yīng)變式壓力傳感器模塊

電阻應(yīng)變式壓力傳感器采集到的信息為模擬量,不能被主控芯片直接使用，故采用AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。為了提高轉(zhuǎn)換精度,決定使用HX 711(A/D)轉(zhuǎn)換芯片,如圖4、5所示。HX 711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片,具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。24位的精度是對(duì)傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的精度保證。

圖4 HX 711 A/D轉(zhuǎn)換模塊

圖5 HX 711(A/D)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)物照片

2.1.2 主控芯片

本裝置使用的主控芯片是型號(hào)為STC89C52RC的51單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)是一種低功耗、高性能,以MCS-51為內(nèi)核的CMOS 8位微控制器,具有8 K的系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、1組USART串口、3個(gè)定時(shí)器中斷、32個(gè)普通I/O口。其片上系統(tǒng)的內(nèi)容完全能承擔(dān)本裝置所需的功能,相比市場(chǎng)上其他的ARM、AVR芯片,STC89C52RC單片機(jī)性能穩(wěn)定、功耗低,且價(jià)格便宜。STC9C52RC單片機(jī)如圖6、7所示。

圖6 STC89C52RC單片機(jī)電路圖

圖7 STC89C52RC單片機(jī)實(shí)物照片

車廂擁擠程度分為空閑、一般、擁擠三個(gè)等級(jí)，三個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的載客量信息存儲(chǔ)在STC89C52RC單片機(jī)中。STC89C52RC單片機(jī)收集HX 711轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)字量數(shù)據(jù),經(jīng)換算后,根據(jù)載客量的多少,確定車廂的擁擠程度，并將判斷結(jié)果通過無線傳輸模塊發(fā)送出去。實(shí)際車廂擁擠程度的分級(jí)與車廂的容量和所使用的電阻應(yīng)變片式壓力傳感器的類型有關(guān),本裝置中,為簡(jiǎn)化模型,設(shè)定0～1 kg為空閑,1～4 kg為一般,4～5 kg為擁擠。

STC89C52RC單片機(jī)處理數(shù)據(jù)是基于電阻應(yīng)變式壓力傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊的。HX 711模塊A通道帶有128倍的信號(hào)增益,其對(duì)采樣電壓放大128倍后,采樣輸出24位AD轉(zhuǎn)換的值,單片機(jī)通過指定的時(shí)序?qū)?4位數(shù)據(jù)讀出。STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行編程轉(zhuǎn)換數(shù)字量到實(shí)際質(zhì)量范圍的公式見文獻(xiàn)[10]。

2.1.3 無線傳輸模塊

APC 250無線傳輸模塊具有近2 km的傳輸距離,且傳輸速度快、抗干擾、靈敏度高,能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù),有利于實(shí)現(xiàn)站間距離較短的城市軌道交通的信息傳輸。

NRF24L01系列的無線傳感器模塊在低功耗以及穩(wěn)定性上都有較好的性能,不足之處在于NRF24L01的傳輸距離過短,即使使用鞭狀天線及增加運(yùn)放，傳輸距離也只能達(dá)到500 m,不適用于地鐵站點(diǎn)間1～2 km的站間距。而增加信息傳送點(diǎn)會(huì)增加設(shè)備的投資成本及維修難度,且過多的接收與發(fā)送點(diǎn)會(huì)減小無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

ZigBee是基于IEEE 802.15.4的一種低功耗、低速率、短距離的無線傳輸技術(shù)。相比NRF24L01,其在增加發(fā)射功率后,相鄰節(jié)點(diǎn)的傳輸距離可達(dá)到1～3 km,基本滿足我國城市軌道交通1～2 km站間距的現(xiàn)狀。但其比APC 250無線傳輸模塊成本高。另一方面,ZigBee的定位是短距離、低速率,若要使用,需將ZigBee的硬件射頻部分和單片機(jī)部分集成在一起,開發(fā)周期較長,設(shè)計(jì)復(fù)雜。

相比NRF24LO1系列芯片和ZigBee無線傳輸技術(shù),APC 250是基于si4432芯片的一種穩(wěn)定的無線傳輸模塊,具有小功率、多通道以及高穿射能力等特點(diǎn),能較好地適應(yīng)地下隧道的環(huán)境。APC 250的多通道技術(shù)避免了其與地鐵現(xiàn)有的無線通信通道重復(fù)的可能性,從硬件上減少了地鐵載重信息誤傳的可能性?；谏鲜鲈?選擇APC 250作為無線傳輸模塊。如圖8、9所示。

圖8 APC 250S無線傳輸模塊

圖9 APC 250無線傳輸模塊實(shí)物照片

2.1.4 顯示模塊

顯示模塊采用TFT-LCD(見圖10)。TFT可高速度、高亮度、高對(duì)比度顯示屏幕信息,且層次感強(qiáng)、顏色鮮艷,是最好的LCD彩色屏。采用TFT-LCD,便于用不同顏色來反映車廂內(nèi)的擁擠程度,給乘客以直觀感受。

圖10 TFT串口屏模塊

為了提高顯示及傳輸效率,將大部分顯示信息預(yù)先存儲(chǔ)在TFT屏的主控芯片上。TFT屏的主控芯片接收到無線模塊發(fā)送的顯示命令后,調(diào)用內(nèi)部的顯示庫,顯示預(yù)定的內(nèi)容。即模塊傳送的是顯示命令而不是顯示內(nèi)容,這樣可以減少數(shù)據(jù)傳輸量,提高傳輸效率。傳輸與顯示過程如圖11所示。

圖11 TFT屏的顯示過程

2.1.5 實(shí)物模型展示

綜合各方面因素,設(shè)計(jì)制造了一個(gè)小型的實(shí)物模型對(duì)過程進(jìn)行模擬，以證明裝置的可行性。該實(shí)物模型共分為兩個(gè)部分，如圖12所示。

圖12 實(shí)物模型照片

圖12 a)的實(shí)物組成實(shí)現(xiàn)了乘客質(zhì)量的采集和分析,并將結(jié)果通過無線發(fā)送模塊發(fā)送給圖12 b)的實(shí)物組成。圖12 b)的無線接收模塊接收到數(shù)據(jù)并將結(jié)果通過顯示模塊顯示出來。在顯示模塊上,用紅、黃、綠以及擁擠、一般、空閑來表示列車擁擠狀態(tài)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 模型建立

以地鐵B型車為例,車廂定員為230人,車廂的體積為202.16 m3,乘客在車廂內(nèi)呼出的CO2為0.014 4 m3/(h·人),則定員時(shí)乘客釋放的CO2總量為0.000 92 m3/h;相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求地鐵車廂內(nèi)的CO2的體積分?jǐn)?shù)值不超過1 500×10-6,新風(fēng)中CO2的體積分?jǐn)?shù)為0.03%,設(shè)定新風(fēng)閥門全開時(shí)輸入的新風(fēng)量為6 000 m3/h。假設(shè)整個(gè)車廂內(nèi)CO2分布均勻,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入車廂的CO2體積減去單位時(shí)間內(nèi)由車廂排出的CO2體積等于車廂內(nèi)CO2的變化率,新風(fēng)量等于排風(fēng)量,可得下式[4]:

式中：

V車——車廂的體積;

C——車廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù);

C均——車廂內(nèi)人均呼出的CO2的體積分?jǐn)?shù);

C新——新風(fēng)中CO2的體積分?jǐn)?shù);

N——車廂內(nèi)人數(shù)；

Q——新風(fēng)量。

具體控制過程為：首先由硬件采集的乘客擁擠程度信息得出閥門開度標(biāo)準(zhǔn),然后將測(cè)得的CO2的體積分?jǐn)?shù)與設(shè)定的滿足衛(wèi)生要求的CO2的體積分?jǐn)?shù)(1 500×10-6)相比較,當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)值大于設(shè)定值時(shí),經(jīng)模糊算法在閥門開度標(biāo)準(zhǔn)中選擇一個(gè)合理的空調(diào)閥門開度,即加大新風(fēng)閥的開度,以增加進(jìn)入車廂內(nèi)的新風(fēng)量；當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)小于設(shè)定值時(shí),則新風(fēng)閥開度維持原值。

在實(shí)際運(yùn)行中可根據(jù)歷史數(shù)據(jù),對(duì)客流量較大的車站提前采取CO2的體積分?jǐn)?shù)控制措施,調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng),調(diào)整列車新風(fēng)量,將CO2的體積分?jǐn)?shù)控制在適宜范圍內(nèi)[8]。

2.2.2 CO2的體積分?jǐn)?shù)控制仿真

2.2.2.1 控制算法的確定

比例積分微分(PID)自整定控制是建模仿真中廣泛應(yīng)用的方法之一。PID控制最大的特點(diǎn)是它不是基于模型的控制算法,而是用控制目標(biāo)與被控對(duì)象實(shí)際行為之間的誤差來產(chǎn)生消除此誤差的控制策略。其只適用于簡(jiǎn)單的被控對(duì)象,對(duì)一些復(fù)雜的、具有大滯后、大慣性的對(duì)象則無能為力。乘客實(shí)時(shí)信息采集裝置是一個(gè)復(fù)雜的自適應(yīng)式裝置,而地鐵的空調(diào)具有延時(shí)性較大,受非線性、干擾頻率和外界因素影響很大等特點(diǎn),對(duì)精度的要求很高,若只是使用PID控制算法會(huì)存在很大誤差[6]。

模糊控制則很好地解決了這個(gè)問題。它對(duì)難以用已有規(guī)律描述的復(fù)雜系統(tǒng),采用自然語言(如大、中、小)加以敘述,借助定性的、不確定的及模糊的條件語句來表達(dá)[7]。模糊控制是一種基于語言的智能控制。因此，本文利用模糊控制器對(duì)車廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)和新風(fēng)量之間的關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié),從而改善乘車環(huán)境,提高乘客的舒適度[8]。

2.2.2.2 模糊控制器的設(shè)置

設(shè)三個(gè)模糊子集為{體積分?jǐn)?shù)偏低,體積分?jǐn)?shù)一般,體積分?jǐn)?shù)偏高},變化范圍為[-1,1]之間變化的連續(xù)量;以當(dāng)前的CO2體積分?jǐn)?shù)為輸入變量，將其與裝置內(nèi)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，輸出結(jié)果為新風(fēng)閥門開度{關(guān)閉,減小,不變,增大,全開}中的對(duì)應(yīng)值。由于車廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)以10-6為單位,數(shù)值較小,將實(shí)際的體積分?jǐn)?shù)乘以1 000作為顯示值。

研究結(jié)果表明,用正態(tài)型模糊變量來描述人進(jìn)行控制活動(dòng)的模糊概念是適宜的。因此,確定誤差和誤差變化率的模糊變量呈正態(tài)分布,新風(fēng)閥門開度變化的模糊變量為三角形分布[9-10]。根據(jù)所建立的輸入、輸出變量,確定以下5條控制規(guī)則:

if(體積分?jǐn)?shù)is一般)then(新風(fēng)閥is不變)

if(體積分?jǐn)?shù)is偏低)then(新風(fēng)閥is關(guān)閉)

if(體積分?jǐn)?shù)is偏高)then(新風(fēng)閥is全開)

if(體積分?jǐn)?shù)is一般)and(誤差變化率is減小)then(新風(fēng)閥is增大)

if(體積分?jǐn)?shù)is一般)and(誤差變化率is增大)then(新風(fēng)閥is減小)

確定隸屬函數(shù)以及控制規(guī)則后,便建立了一個(gè)模糊推論系統(tǒng)。利用Matlab軟件中的FIS編輯器可得到2個(gè)輸入和1個(gè)輸出的系統(tǒng)輸出曲面,如圖13所示。

圖13 模糊控制輸出曲面

2.2.3 仿真模型及結(jié)果

利用設(shè)置好的模糊控制器,通過CO2的體積分?jǐn)?shù)、車廂體積等因素建立如圖14所示的模型。

圖14 仿真模型

仿真結(jié)果如圖15所示。假設(shè)初始CO2的體積分?jǐn)?shù)為0,乘客200 s后進(jìn)入車廂,仿真結(jié)果顯示,在300 s內(nèi)車廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)急劇上升,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1 800×10-6時(shí)通過新風(fēng)量閥門開度的變化調(diào)節(jié)車廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù),使CO2的體積分?jǐn)?shù)降低,最終在800 s時(shí)將車廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在1 500×10-6,新風(fēng)量也維持一個(gè)恒定值,從而為乘客創(chuàng)造舒適的乘車環(huán)境。

圖15 仿真結(jié)果

3 結(jié)語

本裝置設(shè)計(jì)針對(duì)于事故的預(yù)防,能有效降低乘客上下車的擁擠程度,減少事故的發(fā)生率,并且提高車廂內(nèi)乘客的舒適度。該裝置由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要實(shí)現(xiàn)乘客信息的采集、分析、傳輸及顯示功能,為前方站的乘客引導(dǎo)及候車組織提供信息;軟件設(shè)計(jì)則先通過硬件采集的乘客擁擠程度信息得出閥門開度標(biāo)準(zhǔn),然后將測(cè)得的車廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)與設(shè)定的符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的CO2的體積分?jǐn)?shù)相比較,再從閥門的開度標(biāo)準(zhǔn)中選擇合適的閥門開度,從而控制車廂內(nèi)的新風(fēng)量,使車廂內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)保持在一個(gè)使旅客舒適度較高的水平。

(王順利為本文通訊作者)

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Real-time Passenger Flow Information Collection in Urban Rail translt Based on Wireless Communication

LONG Hongyu, HUANG Fazhan, WANG Li, CHEN Sijie, WU Weiwei, WANG Shunli

With the development of single-chip microcomputer technology and wireless transmission technology, a new data acquisition equipment for the collection of real-time passenger flow information in urban rail transit is designed. The design principle, hardware configuration and software design are introduced in detail. Then, a fuzzy control model based on Matlab is set up, the feasibility of the design of the data acquisition equipment is simulated, it could be used to control the volume fraction of CO2 in the carriges.

urban rail transit train; passenger flow information collection; wireless communication; fuzzy control

U 29-39; U 293.13

10.16037/j.1007-869x.2017.01.023

2015-06-10)