基于多紅外傳感器的閘機通行邏輯設計及實現研究

李大偉，王劍飛

(1.寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江寧波 315010)

(2.通號信息產業有限公司，北京 100070)

閘機是鐵路和軌道交通自動售檢票系統的關鍵設備之一，其利用外部傳感器和內部智能識別系統對乘客的通行行為進行識別，實現自動檢票放行[1]。目前閘機對乘客的行為識別技術主要包括事件識別、步態識別和人體輪廓識別3種。步態識別和人體輪廓識別根據攝像頭傳感器獲取對象信息，數據量龐大，運算復雜程度高，實時性較差，對閘機人體識別并不適用[2-3]；事件識別采用多紅外傳感器測量離散化的人體步態信號[4-5]，通過識別算法對乘客的通行行為進行識別，控制閘機動作。該識別技術數據量較小，實時性好，成為閘機人體識別技術研究的熱點。

本文利用多對對射式高精度紅外傳感器進行閘機檢測單元的結構布局和功能設計，采用事件識別和區域識別相結合的方法進行研究。

1 閘機通道檢測要求

根據中國國家鐵路集團有限公司的技術文件要求，適用于鐵路行業的閘機需要至少滿足旅客無票闖閘、無票旅客尾隨、旅客反向闖閘和攜帶行李的旅客4 種通行狀態的檢測識別[6]。根據通行狀態識別的要求，本文研究的閘機系統實現了單人正常通行、旅客無票闖閘、旅客反向闖閘、無票旅客尾隨和攜帶行李的旅客5 種閘機常見通行狀態的檢測[7-8]。因為5種通行狀態是按通行類型不同而做出的定義和區分，但具體通行狀態的發生都是時間點的函數，是在具體時刻發生的通行事件。因此在后文的研究中，將5種通行狀態稱作通行事件。

1.1 單人正常通行

當單人旅客在閘機入口區經過一次授權確認時，閘機扇門開啟，行人正常通過閘機門并走出出口區，閘機扇門重新關閉。在此過程中，并沒有其他無票旅客尾隨和旅客反向闖閘事件發生。若該旅客帶有行李，也并未發生閘機扇門夾住行李的現象。則此事件就是一個完整的單人正常通行事件。

1.2 旅客無票闖閘

閘機扇門關閉狀態下，進入閘機方向上沒有合法授權時，當有旅客企圖通過通道，閘機系統檢測識別到非法闖閘人員，閘機扇門保持關閉狀態，阻止旅客無票闖閘事件的發生。

1.3 旅客反向闖閘

旅客反向闖閘就是指旅客從閘機指定進入方向的反方向進入閘機，而引發的非法闖閘事件，主要分為兩種形式的反向闖閘。方式1：當閘機扇門關閉時，旅客從反方向未經合法授權進入閘機通道，且此時正向（閘機指定進入方向）沒有旅客進入；方式2：當閘機扇門關閉時，閘機正向有一次合法授權，正向通行旅客進入閘機但并未完成通行，此時反向有人逆向闖入閘機。

在具體分析旅客反向闖閘事件時，兩種形式的反向闖閘都需要加以考慮。

1.4 無票旅客尾隨

無票旅客尾隨事件是閘機非法事件中最容易發生的事件，主要是指前一位授權者經授權通過后，在閘機扇門還未關閉時，閘機扇門后面跟隨著的旅客未經授權強行快速通過的情況。這種事件的發生會對閘機核驗功能產生負面影響，因此設計的閘機通道檢測需要在保證旅客安全的基礎上能夠實現最少尾隨距離小于（包括等于）200 mm 的要求。

1.5 攜帶行李的旅客

根據中國鐵路總公司的文件要求，當旅客攜帶行李處于通行狀態時，閘機扇門不得關閉，以保證旅客順利安全通過閘機。因此，在閘機檢測識別功能設計時，必須充分考慮帶行李旅客的通行事件發生時旅客的人身和財產（隨身攜帶的行李）安全。

2 閘機紅外傳感器設計方案

2.1 閘機紅外傳感器功能設計

閘機通道的識別檢測設計就是在保證旅客安全和通行能力的原則和基礎上，滿足閘機通道檢測要求的可行方案。設計選擇對射式高精度紅外傳感器來實現對旅客和行李的識別檢測，傳感器分為安全光幕、測量光幕和進出口光電，安全光幕設置于閘機通道底部，測量光幕設置于進站一側。閘機紅外傳感器設置方案如圖1 所示。

對射式紅外傳感器共有3 對光幕和3 對光管，分別標號1 ～6。1、5 和6 屬于光管紅外傳感器，2、3 和4 屬于光幕傳感器，分別安裝在閘機通道兩側。當有旅客通過或者當旅客行李等攜帶物阻擋了相應的傳感器時，傳感器另一側就接收不到對側發來的紅外信號，根據傳感器設計的算法邏輯判斷不同的通行狀態和通行事件。

圖1 閘機紅外傳感器設置方案Fig.1 Setting scheme of gate infrared sensor

各傳感器的位置設置和對光管、光幕傳感器的選擇完全是基于不同的通行狀態來設計的。其中:傳感器1 主要用來檢測是否有未授權旅客正向闖閘事件發生并限制旅客站位。如果旅客在授權前觸發傳感器1，則可能引發閘機聲光報警，需要旅客退回閘機外并重新獲得授權才可通過。傳感器2 是測量光幕，測量光幕上沿高1.1 m，主要用于判斷通行者的高度。如果通行物同時觸發測量光幕上下沿，則可以判定為旅客，如果只觸發了光幕傳感器下沿，則可以判定為行李或者小孩。傳感器3 和4 是安全光幕，用來檢測通行情況和檢測通道內是否有人員。如果傳感器被觸發，則保持閘機扇門打開，防止夾傷旅客或者夾住旅客行李。傳感器5 和6 是用來檢測旅客是否通過通道和是否有旅客反向闖閘事件發生。

2.2 閘機紅外傳感器邏輯設計

根據需要滿足的閘機檢測功能，對閘機紅外檢測邏輯進行設計。根據一次單人正常通行事件的發生過程，將閘機紅外檢測區域分為3 個部分，分別是入口區、安全通行區和出口區，各部分包含的傳感器如圖2 所示。

對射式紅外傳感器的工作原理是當一側的發射信號被另一側接收到時，傳感器傳入一個狀態信號；當被障礙物阻擋未能被另一側接收時，傳入另一個狀態信號。設在t 時刻第n 個傳感器的狀態為：

圖2 閘機區域劃分與傳感器布置Fig.2 Area division and sensor arrangement of the gate

t 時刻閘機通道傳感器狀態向量為：

S0，S1，S2代表入口區、安全通行區、出口區的區域變量，當該區域有傳感器被遮擋時，區域變量為1，當沒有被遮擋時，區域變量為0。則根據區域狀態識別方法，可以用從000-111 的所有二進制數字表示3 個分區內的所有通行狀態。當單人正常通行時，閘機經歷的通行狀態是：無人態→入口態→安全通行態→出口態→無人態。由此可以得到所有通行狀態或通行事件的真值表，如表1 所示。

表1 通行狀態真值表Tap.1 Truth table of the transit state

2.2.1 單人正常通行紅外邏輯

單人旅客準備通過閘機時，需要經過以下幾步。

第一步：閘機待檢狀態下，通行人員站在閘機前0.3 ～0.5 m 的位置，如旅客隨身攜帶行李，應放在旅客身后，防止行李提前進入閘機觸發正向闖閘傳感器。

第二步：用閘機允許的方式正確取得授權。

第三步：待提示核驗通過時，通道閘門打開，旅客快速通過閘機走出通道。

如果單次通行過程中，沒有其他非法事件產生，則這就是單人正常通行事件，也是閘機系統和紅外邏輯設計最終希望得到保證的事件。

2.2.2 旅客無票闖閘紅外邏輯

旅客無票闖閘主要就是靠傳感器1 來檢測旅客是否在通行前得到合法授權，如果未得到合法授權就觸發傳感器1，則認為旅客正在進行無票闖閘事件，如圖3 所示。

圖3 旅客無票闖閘紅外邏輯示意Fig.3 Infrared logic for passengers entering without tickets

2.2.3 旅客反向闖閘紅外邏輯

當反向闖閘形式1 發生時，閘門處于關閉狀態，且該方向上沒有合法授權時，有人企圖通過通道，此時，非法闖閘者會觸發傳感器6，引發聲光報警，如圖4 所示。

圖4 旅客反向闖閘形式1紅外邏輯示意Fig.4 Infrared logic for passengers reverse entry form 1

當反向闖閘形式2 發生時，當A 方向上有一次合法授權，閘門打開但并未完成通行時，B 方向上有人逆向非法進入，如果移動門翼尚未開啟，則繼續保持關閉狀態并引發報警，直到非法人員退出感應區域；如果門翼已經打開，且有一人正在通過門翼（防夾區域），則以人身安全為優先，但保持報警器并提供報警信號；如無人觸發到防夾區域傳感器，則閘門關閉。如圖5 所示。

圖5 旅客反向闖閘形式2紅外邏輯示意Fig.5 Infrared logic for passengers reverse entry form 2

2.2.4 無票旅客尾隨紅外邏輯

當合法授權者已經通過閘機扇門后，傳感器1又感應到同方向上有另一個沒有合法授權的尾隨者。發生該種尾隨時，合法者可以正常通過，且設備會關閉扇門阻擋住尾隨者并報警，如圖6 所示。

圖6 無票旅客尾隨紅外邏輯示意Fig.5 Infrared logic for ticket-less passengers following entry

另外一種情形是第一個合法的授權者尚未通過扇門之前，傳感器 1 檢測到有非法人員進入速通門感應區域。傳感器工作特點是，兩組非連續的傳感器同時感應到有人員通過。如果扇門已經開啟，且合法者正在通過，則合法者正常通過，如果非法者間隔較遠，閘機扇門關門阻擋， 如果非法者間隔太近，以保護人身安全為前提下，扇門不會強行關閉，但是會通過報警器并提供報警信息。如圖7 所示。

圖7 無票旅客尾隨紅外邏輯示意Fig.7 Infrared logic for ticket-less passengers following entry

2.2.5 攜帶行李的旅客識別紅外邏輯

當旅客攜帶行李通過閘機通道時，因行李不超過1.1 m，因此只能觸發傳感器2 測量光幕的下沿，根據紅外光幕觸發位置的不同，判斷旅客是否攜帶行李，保證閘門不會關閉夾住行李，確保安全。

3 實驗結果和結論

根據紅外傳感器的功能設計方案和邏輯設計方案進行樣機設計，對5 種常見的通行事件進行人為實驗，實驗結果顯示多紅外傳感器的閘機的通行方案中紅外邏輯的設計滿足鐵路行業進站標準和要求，能很好地適用于鐵路車站驗檢票業務。