基于光纤列阵薄膜传感的客流计数系统研究

　　0　引言

　　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.国际上不少发达国家采用的智能公共交通系统(Advanced Public TransportationSystem,APTS)是一个方向,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[1-2].开发中的公交乘客自动计数系统主要分为基于视频检测[3-6]、基于红外检测[7]和基于接触式脚印检测[8]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[6].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[7],特别是乘客拥挤且状态无序时,准确度下降[4].脚印检测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[8],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,在客流高峰期拥挤混乱时无法取得令人满意的效果.

　　为此,本文提出并实验研究了一种基于测定脚底压力分布“质心”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,脚底压力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力分布的时空轨迹,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.研制了一种可实现上述功能的新的高分子薄膜型光纤列阵传感乘客计数系统,该系统的传感部件具有结构简单、小型轻便、防水耐震、抗电磁干扰以及坚固耐用等特点,适合我国公交客车的工作环境.实验表明研制的客流计数系统的测试准确率达到了95%以上,处理速度≥10 f/s,达到实时性要求.

　　1　客流计数系统结构和工作原理

　　1.1　光纤列阵薄膜传感器结构和感压原理

　　自动计数系统采用了光纤列阵薄膜传感器作为数据采集端.该传感器由光纤传感列阵和高分子薄膜构成,含有光纤传感点的薄膜截面如图1(a),上下各有一层高强度聚合物遮光保护层,中间布置了光纤传感点列阵,光纤周围充满了聚亚安酯海绵材料(polyurethane foam),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多模光纤构成,分别用于光波输入和探测输出.

　　经输入光纤出射的光波被聚亚安酯海绵散射和吸收,散射光能量Es可表示成[9]

　　式中Eo是输入光纤的出射光能量,d是聚亚安酯海绵厚度,CsL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/CsL是一个归一化常量,当薄膜如图1(b)受压变形时,聚亚安酯海绵密度增加,散射长度变小,d/CsL=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,单位时间的散射光能量密度(即散射光强)增大,经输出光纤探测得到的光强随之增大,因此该结构具有感压功能.