摘要：人體識別系統(tǒng)是城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)的關鍵組成部分。為了對人體識別系統(tǒng)中通行識別技術進行研究，采用對射式紅外傳感器采集通行目標的通行狀態(tài)，在通道兩側分別安裝傳感器，在Matlab仿真的基礎上將步態(tài)識別方法與人體識別規(guī)則相結合·分析閘機通道內(nèi)通行目標的類型和數(shù)量，對其新型識別方法進行實驗，實驗結果表明該識別方法有效可靠。
關鍵詞：紅外傳感器；Matlab仿真；步態(tài)識別；人體識別

0 引言
    隨著社會的進步，地鐵作為城市軌道交通中的重要組成部分在人們的生活中發(fā)揮著至關重要的作用。傳統(tǒng)方式逐步被新型方式取代，現(xiàn)在的自動售檢票系統(tǒng)(Automatic Fare Collection system，AFC)是一種由中央處理單元控制的集自動售檢票功能為一體的自動化處理系統(tǒng)。人體識別系統(tǒng)主要運行在閘機設備上，利用其內(nèi)部的識別技術對乘客的行為進行識別，從而實現(xiàn)自動檢票。系統(tǒng)中運用的通行識別技術是十分重要的環(huán)節(jié)，它是保證持票乘客正常通過、阻止無票乘客進出的“守門人”，在城市軌道交通中發(fā)揮著重要作用。
    識別技術中的步態(tài)識別方法是重要的識別方式之一。步態(tài)識別方法是通過人體的通行特征來區(qū)分通行者和與通行者十分相似的物體，并且融合了計算機視覺技術、模式識別技術與視頻圖像序列識別技術，是特征生物技術的一個新興研究領域，具有廣闊的應用前景。本文利用Matlab實現(xiàn)對通道內(nèi)通行目標進行仿真，綜合步態(tài)識別技術進行識別驗證，實驗證明，借助Matlab平臺對通道內(nèi)通行的物體進行識別具有很好的準確性和可靠性。

1 人體識別系統(tǒng)
    人體識別系統(tǒng)是城市軌道交通閘機中的核心部分，是閘機的“思維中樞”。閘機人體識別系統(tǒng)是由控制通行模塊和閘機上的若干傳感器組成，它將人體識別技術、現(xiàn)代傳感器技術和計算機技術相結合，檢測通行通道內(nèi)通行目標的通行情況，將檢測結果報告給控制通行模塊，控制通行模塊根據(jù)檢測結果來控制閘機其他部分的工作。因此，人體識別系統(tǒng)的研究是整個閘機系統(tǒng)設計的關鍵，它的優(yōu)劣不僅是衡量閘機性能的主要標準，而且還關系到整個自動售檢票系統(tǒng)的成敗。
    閘機人體識別系統(tǒng)中的通行通道是由兩臺平行放置的閘機組成，對射式紅外傳感器分別布置在兩端的閘機上，一端為傳感器的發(fā)射端，另一端則為傳感器的接收端?？刂仆ㄐ心K是人體識別系統(tǒng)的核心組件，是連接系統(tǒng)軟件和硬件設置的中心紐帶。當傳感器檢測到有目標進入通道時同時檢查是否存在刷卡信號：如果不存在刷卡信號，則檢查是否達到收費的身高要求，未達到收費的身高要求則打開扇門允許通過，如達到收費的身高要求則為非法通行并進行報警處理；如果存在刷卡信號，則查詢進入通行通道的目標個數(shù)與刷卡次數(shù)是否一致，不一致則為非法通行并進行報警處理，一致則打開扇門使其通行，并且通過傳感器再次檢測離開通行通道的目標個數(shù)是否與刷卡次數(shù)一致，不一致則為非法通行并進行報警處理，一致則為合法通行。控制通行模塊主要通過采集到的傳感器的顯示狀態(tài)，分析得出通行目標的類型與數(shù)量，得出進入通道通行的人數(shù)，檢查是否與刷卡時人數(shù)一致，如不同，則判別為非法通行啟動報警裝置；如相同，則打開扇門將其通過，并同時通過傳感器檢測通行目標離開通道時是否與刷卡時人數(shù)一致，不一致則判別為非法通行啟動報警裝置，一致則為合法通行。人體識別系統(tǒng)通行基本流程圖如圖1所示。

2 仿真實驗
2．1 通道傳感器布置
    使用對射式紅外傳感器采集通道內(nèi)通行目標，對射式紅外傳感器由發(fā)射端和接收端兩部分組成，它可以用來檢測在發(fā)射端和接收端之間是否存在通行目標。當在發(fā)射端和接收端之間不存在通行目標時，接收端則會接收到對應發(fā)射端發(fā)射的紅外線，此時傳感器所對應的工作狀態(tài)為0；當在發(fā)射端和接收端之間存在通行目標時，通行目標會遮擋發(fā)射端發(fā)射的紅外線，相對應的接收端則不會接收到紅外線，此時傳感器所對應的工作狀態(tài)就變?yōu)?。則t時刻，所有的傳感器狀態(tài)均可以用0或者用1來顯示。
    本實驗中根據(jù)GB 10000-1988中國成年人人體尺寸布置12對傳感器，傳感器1～4對用于檢測通行目標是否進入通道，分別布置于小腿、大腿及臀部位置；傳感器5～10對用于步態(tài)識別，分別布置于腳踝位置；傳感器11～12對用于檢測通行目標是否離開通道，布置于直立行走時臀部、坐時頭部位置。狀態(tài)數(shù)據(jù)分為四個部分，分別用1隔開，數(shù)據(jù)前三個部分分別對應三類傳感器，最后一個部分為通行目標通行的時間。當t時刻通道內(nèi)無人通行時，數(shù)據(jù)顯示為10000，1000000，100，t。如圖2所示，顯示為無人通行時傳感器狀態(tài)圖。圖中0顯示為白色，1則顯示為黑色，橫坐標對應數(shù)據(jù)顯示格式。

2．2 通行識別方法
2．2．1 步態(tài)識別方法
    步態(tài)識別是近年來計算機視覺和生物特征識別領域備受關注的一個研究方向，主要根據(jù)人體行走過程中雙腿直立行走這一特殊行為特征進行身份識別。與其他生物特征識別技術(例如指紋、語音、人臉等)相比，步態(tài)識別的優(yōu)勢在于非接觸性、非侵犯性、易于感知、難于隱藏、難于偽裝。本實驗的步態(tài)識別方法是借助對射式紅外傳感器對閘機通道內(nèi)通行狀態(tài)中人體與物體進行識別的方法，是在人體步態(tài)的XYT模型的基礎上，通過對人體特殊的步態(tài)特征定義來區(qū)分人體與物體。
    在含有傳感器組成的通行通道內(nèi)，人體行走與物體在通過傳感器時會產(chǎn)生一系列與時間序列相聯(lián)系的離散點，每個時間點傳感器的狀態(tài)則相應地反應出當時狀態(tài)下人體與物體遮擋傳感器的情況。在本實驗中，借助Matlab仿真平臺顯示通行目標通過通道時傳感器的狀態(tài)，如果人體通過通道時，由于人體特殊的行走規(guī)律，會產(chǎn)生特殊的雙絞線模型，而物體通過通道時，則是連續(xù)遮擋鋸齒模型，對這些離散數(shù)據(jù)進行處理，人體識別系統(tǒng)則可以對人體與物體進行區(qū)分。人體通過時傳感器狀態(tài)如圖3所示。

    如圖3所示，橫坐標對應數(shù)據(jù)顯示格式，顯示傳感器的狀態(tài)，縱坐標代表時間(單位：s)，中間6個傳感器為步態(tài)檢測傳感器。人體的行走過程可以分為若干個步態(tài)周期的組合。在采集數(shù)據(jù)中可以看到，用于采集步態(tài)識別的傳感器有數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，采樣點的限制造成了數(shù)據(jù)的缺失，因此理論上傳感器布置的數(shù)量越多，采集到的數(shù)據(jù)越充分，仿真效果就越準確，人體識別系統(tǒng)的識別率越高。但是，傳感器數(shù)量的增多會帶來很多其他問題，因此，要獲得高的識別率還要進行大量實驗以確定傳感器數(shù)量的最佳值。

    人體與物體共同通行時傳感器狀態(tài)如圖4所示。從結果顯示中可以看出人體的雙腳步態(tài)特征：兩腳前后遮擋傳感器，一腳先遮擋傳感器，另一只腳隨后遮擋并且遮擋時間不一致。物體特征：一直遮擋傳感器。由上述特征可以檢測出通行通道中的通行目標的類型和數(shù)量，從而將檢測結果傳輸給控制通行模塊，以便更好地控制系統(tǒng)中其他設備的正常工作。
2．2．2 人體識別規(guī)則
    人體識別規(guī)則是通過人體庫綜合通行規(guī)則方法對通行通道內(nèi)的目標進行判定，由于采用之前所述傳感器布置方案，人體識別可以對各種不同的人體通行情況進行有效識別。
    人體庫是對通行目標進行逐一分類，實現(xiàn)對已經(jīng)在自動檢票機刷卡即將在閘機通行通道內(nèi)通行人體的識別，結合人體識別系統(tǒng)：按身高：身高低于130 cm的兒童不需要購票，只需針對高于130 cm的通行目標進行識別；按胖瘦：胖(包括女士懷孕)、正常、瘦；按穿著：顯示兩腿、顯示三條腿(拐杖)、顯示一條腿(殘疾、穿長裙)；按通行個數(shù)：單人通行、多人通行；多人通行間隔：緊貼、并排、正常。
    通行規(guī)則是對不同人體通行過程中通行狀態(tài)進行識別，實現(xiàn)對自動檢票機刷卡即將在通道內(nèi)通行人體的識別：人體正常行走；人體攜帶物體正常通行；人體非法通行。
    人體識別規(guī)則是人體庫綜合通行規(guī)則的方法控制閘機的正常運行以實現(xiàn)對通道通行目標的識別。當單人通行時，如果出現(xiàn)單人爬行和單人跨越的現(xiàn)象，則認定為非法通行進行報警處理，其余認定為合法通行；如果多人通行出現(xiàn)緊貼、并排通行試圖逃票者，則認定為非法通行進行報警處理，其余認定為合法通行。

3 結論
    本文主要研究了城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)中通行識別技術，在Matlab仿真的基礎上結合步態(tài)識別方法與人體識別規(guī)則，并將其運用到自動檢票機的人體識別系統(tǒng)中，擺脫了對圖像檢測技術的依賴，減少了自動檢票機的設備成本，兩者結合提高了自動檢票機的設備性能，實驗表明該設計可靠有效，為將來自動檢票設備提供了新的設計方案。