程學慶，邢 穎，黃 唯，侯方正

（1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

高速鐵路客運樞紐是多種客運交通方式和大規(guī)?？土鞯募鏊?，可供旅客乘降、換乘、娛樂、購物等，屬于高密度客流聚集地[1]，一旦人員過于密集，容易發(fā)生擁堵混亂，車站秩序失控，還可能誘發(fā)客流或公共安全事故，亟需加強高速鐵路客運樞紐運營的過程控制特別是安全監(jiān)控研究。目前國內(nèi)外客運樞紐普遍采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對客流的實時監(jiān)控及預警。在國內(nèi)，針對攝像頭采集點布設的理論研究相對較少，尚未形成一套科學系統(tǒng)的規(guī)范準則。在國外，主要把視頻監(jiān)控采集點布設問題[2-3]當做傳感器覆蓋優(yōu)化問題處理，即將監(jiān)控區(qū)域抽象成以攝像頭為中心的簡單多邊形，以此建立模型實現(xiàn)在滿足覆蓋約束條件情形下，建設成本最低。Chakrabarty[4]將攝像頭采集點選址問題當做IP問題采用整數(shù)規(guī)劃的方法處理；Murray[5]進一步研究了攝像頭視域，引入了地球空間學科中視域可見性的概念；還有學者以MCLP問題[6]求解為思路進行研究，采用多目標優(yōu)化、模糊數(shù)學等方法[7]求解模型，但模型偏理想化，未充分考慮旅客站內(nèi)走行時不同區(qū)域集散強度不同；很少有學者在研究樞紐監(jiān)控布設時考慮監(jiān)控強度的不同，基本上都是簡單沿線固定距離布設，而所有區(qū)域采用同一監(jiān)控強度，有可能導致車站入站口監(jiān)控強度不夠，同時車站出站口又存在資源浪費的現(xiàn)象。

視頻監(jiān)控圖像的采集點位于整個監(jiān)控系統(tǒng)的最底層，是后續(xù)獲取圖像進行存儲和分析處理的基礎。因此，采集點布設的好壞不僅影響著監(jiān)控系統(tǒng)的建設成本和采集圖像的質(zhì)量，而且還會影響到重點目標監(jiān)控和預警等操作的精度。

由于現(xiàn)代鐵路客運樞紐多采用立體式、通透式布局，為減少土地占用，實現(xiàn)空間利用集約化，站房每一層都較高，因而適合選作視頻采集點的位置受到限制。傳統(tǒng)方法是將空間二維化，求解坐標要素，而實際中可能根本無法設置監(jiān)控采集點，缺乏可操作性。針對以上原因，在考慮鐵路客運樞紐立體式空間布局的基礎上，兼顧對易擁堵區(qū)域的重點監(jiān)控，研究提出一種視頻監(jiān)控采集點三級布設方案。

1 高速鐵路客運樞紐視頻監(jiān)控布設現(xiàn)狀

高速鐵路客運樞紐是交通運輸網(wǎng)絡的重要節(jié)點，除了對外連接高速鐵路網(wǎng)絡，同時還銜接多種城市內(nèi)部交通運輸方式，如城市軌道交通、公交、出租車、私家車等。高速鐵路客運樞紐作為一個區(qū)域的集散中心，一旦客流大量集結(jié)，又沒有及時引導疏解，很容易造成嚴重的擁堵問題，應合理組織旅客和各種車輛安全、迅速、有序地集散。目前國內(nèi)外客運樞紐普遍采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對客流的實時監(jiān)控及預警，減少安全事故發(fā)生幾率或避免事故后果擴大，保障車站日常的安全運營。高速鐵路客運樞紐的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，一方面要求能夠全面、實時地采集、顯示站內(nèi)各區(qū)域的動態(tài)實況，發(fā)現(xiàn)異常時及時響應處理，并能對監(jiān)控視頻進行調(diào)用回看；另一方面需要采集車站大客流及區(qū)域擁擠預警、旅客滯留安全防控等車站客流數(shù)據(jù)。目前客運樞紐尚無對應的監(jiān)控規(guī)范，各大車站普遍未采用多方位的布設方案，因而高速鐵路客運樞紐的監(jiān)控系統(tǒng)既存在監(jiān)控盲區(qū)，部分區(qū)域又被重復監(jiān)控，完備性、連續(xù)性、經(jīng)濟性都較差，不能有效保障客運樞紐安全。

在高速鐵路綜合客運樞紐中，由人員及其隨身行包及乘坐交通工具形成的流動過程和流動路線[8]稱為旅客流線，旅客流線本質(zhì)上是旅客購票進站候車、乘車出發(fā)或是到達、離開樞紐的過程。基于旅客流線途徑區(qū)域可將車站分為站前廣場、售票區(qū)、進出站口、安檢區(qū)、引導通道、候車區(qū)、服務區(qū)、檢票區(qū)、站臺等若干功能區(qū)域，在此基礎上可以將旅客流線途徑區(qū)域的售票窗口、進出站口、安檢口、檢票口、自動扶梯口統(tǒng)稱為視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像采集的重點區(qū)域，該區(qū)域的客流特點為旅客人數(shù)眾多、旅客走行速度較慢、旅客排隊依次通過等。針對重點區(qū)域，應加強監(jiān)控部署強度，采集更加清晰的客流圖像信息(臉部、攜帶物品等)，通過人工操作改變焦距獲取所需要的圖像信息，得到重點區(qū)域的實時客流數(shù)量、密度、速度等數(shù)據(jù)，為預測和判斷客流擁堵和疏散提供支撐。除旅客流線重點區(qū)域以外的其他功能區(qū)域，其客流特征為旅客流量大、走行速度快、基本不存在排隊情況和旅客流向不集中等。

高速鐵路客運樞紐采集點采用的設備構(gòu)成相似，基本是由防護罩、前端視頻等采集設備(云臺和攝像頭)組合構(gòu)成，常見的視頻采集設備與布設方法如表1所示。

表1 常見的視頻采集設備與布設方法Tab.1 Common video capture methods and routing methods

2 高速鐵路客運樞紐視頻監(jiān)控分級布設方案分析

基于高速鐵路客運樞紐內(nèi)部客流安全預警對信息采集的需求層次不同，提出按采集點設備分級布設思想，將布設策略分為3個層次：基于樞紐內(nèi)部建筑輪廓的布設、基于重點區(qū)域的布設、基于旅客流線的布設，每個層次視頻監(jiān)控布設方案如下。

2.1 基于樞紐內(nèi)部建筑輪廓的布設

這個層次的目標是實現(xiàn)樞紐內(nèi)廣闊視野的覆蓋。監(jiān)控攝像頭可采用槍型廣角攝像頭連續(xù)布設。視頻監(jiān)控采集點布設應基于車站既有布局結(jié)構(gòu)，以客觀實際為依托，不能憑空選址確定采集點位置。還應考慮到平面式樞紐和立體式樞紐的差異，結(jié)合具體實際具體分析。

視頻監(jiān)控采集點選址主要考慮云臺及攝像頭的安放及線路的走線。建筑輪廓是指建筑體外墻面水平投影的輪廓線，主要包括以下部分：一是整個樞紐的建筑外輪廓；二是獨立的承重柱；三是樞紐內(nèi)高度在2 m以上的固定設備設施。

現(xiàn)代高速鐵路客運樞紐多采用立體式布局構(gòu)建，站房采取通透、整體空間的做法已成為趨勢，站房較高，采集點如果安裝在房頂監(jiān)控效果較差。對于建筑輪廓，采用沿四周球形攝像頭連續(xù)布設，布設間隔12 m，采集點高度取4 m。對于承重柱，采用球形廣角攝像頭單點布設。對于其他固定點，如檢票口高約2.7 m，布設單個采集點，視域受自身影響較大，如果在頂上四角都布設采集點，監(jiān)控覆蓋重復率又過高，因而可考慮采用前向(旅客檢票進入站臺的方向) 2個頂角布設球形廣角攝像頭。

2.2 基于重點區(qū)域的布設

這個層次的目標是采集實時清晰的客流圖像，即旅客清晰的面部圖像及隨身行包，需要加強對此類區(qū)域的監(jiān)控。監(jiān)控攝像頭可采用：槍型聚焦攝像頭和球形攝像頭集中布設，以進站安檢口為例，可采用“前后2個攝像頭+一個半球形攝像頭”的組合。高速鐵路客運樞紐重點區(qū)域采集點布設方案如表2所示。

2.3 基于旅客流線的布設

這個層次的目標是針對剩余其他功能區(qū)域的布設，并將區(qū)域銜接起來，避免出現(xiàn)旅客跨區(qū)域走行的監(jiān)控盲區(qū)。攝像頭布設強度與第一個層次近似。監(jiān)控攝像頭可采用：槍型聚焦攝像頭沿旅客流線連續(xù)布設。找出旅客流線上功能區(qū)域之間銜接的線段，將各個單一功能區(qū)域銜接起來，采用廣角球形攝像頭連續(xù)布設，基于旅客流線的采集點布設方案如表3所示。

3 實例分析

成都東站是西南地區(qū)第一個集高速鐵路、城市軌道交通、公交、出租和長途大巴多種交通方式為一身的高速鐵路客運樞紐，共分為5層，地上2層為高架層、地面層；地下3層為出站層、地鐵2號線和地鐵7號線。旅客經(jīng)換乘層(地下一層)到達出站或是換乘，車站西側(cè)進站口在地面層，車站東側(cè)、南側(cè)、北側(cè)進站口均在高架層。以成都東站換乘層視頻監(jiān)控采集點布設為例，研究分級布設方案及效果。

3.1 既有布設方案

經(jīng)實地調(diào)研，不計成都地鐵內(nèi)部區(qū)域，成都東客站換乘層(地下一層)有效面積為30 261 m2，既有布設方案共計安置攝像頭74個，采集點實際覆蓋面積25 919 m2，采集點監(jiān)控重復覆蓋率為50.45%，區(qū)域?qū)嶋H覆蓋率為85.6%。既有布設采集點位置如圖1所示，既有布設監(jiān)控覆蓋效果如圖2所示，灰色區(qū)域代表已被覆蓋。由圖2可以看出成都東站既有布設方案未實現(xiàn)完全覆蓋。

表2 高速鐵路客運樞紐重點區(qū)域采集點布設方案Tab.2 Camera placement of collection point in focused area

表3 基于旅客流線的采集點布設方案Tab.3 Camera placement of collection point based on passenger flow

圖1 既有布設采集點位置Fig.1 Existing locations of camera placement

圖2 既有布設監(jiān)控覆蓋效果Fig.2 Existing monitoring coverage effect

3.2 改進方案

依據(jù)提出的視頻監(jiān)控三級布設策略，改進布設方案共計安置采集點60個，采集點實際覆蓋面積27 979.7 m2，采集點監(jiān)控重復覆蓋率為34.03%，區(qū)域?qū)嶋H覆蓋率為92.46%。改進布設方案采集點位置如圖3所示，改進布設監(jiān)控覆蓋效果如圖4所示，灰色區(qū)域代表已被覆蓋。由圖4可知，改進方案實現(xiàn)覆蓋率大幅提升，并且分布更加均勻。

通過比較改進前后2個方案可知，改進后的布設方案，采集點布設科學合理，節(jié)約了建設成本和運維成本，并且監(jiān)控覆蓋的區(qū)域更大、不同攝像頭重復覆蓋率更低。綜合考慮攝像頭費用、監(jiān)控中心存儲設備、顯示設備、線纜費用及安置人工費用，以平均每個攝像頭按3 000元估算，改進后的成本投入約18萬元，相對既有方案節(jié)省了4.2萬元；覆蓋率達到了92.46%，相對既有方案增加了6.8%；攝像頭利用率為65.97%，相對既有方案提高了16.42%。實例驗證，改進布設方案更加經(jīng)濟，更加合理。

圖3 改進布設方案采集點位置Fig.3 Improved location of camera placement

圖4 改進布設監(jiān)控覆蓋效果Fig.4 Improved monitoring coverage effect

4 結(jié)束語

高速鐵路客運樞紐視頻監(jiān)控采集點分級布設方案研究，可以實現(xiàn)完備、實時、連續(xù)的視頻監(jiān)控，保障高速鐵路客運樞紐系統(tǒng)安全穩(wěn)定。高速鐵路客運樞紐視頻監(jiān)控采集端是整個高速鐵路客運樞紐安全預警系統(tǒng)的最底層，只有底層高效且完備的信息采集，才能保證整個高速鐵路客運樞紐預警系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，為高速鐵路客運樞紐的安全提供支撐，最終實現(xiàn)社會公共安全保障。另外，還應進一步展開系統(tǒng)的深入研究，為高速鐵路客運樞紐視頻監(jiān)控設計標準或規(guī)范提供科學依據(jù)。