漫反射传感器在闸机身高检测的应用研究

２０１９年１２月

机械工程与自动化

MECHANICAL　ENGINEERING　&　AUTOMATION

No．６

Dec．

()文章编号:１６７２Ｇ６４１３２０１９０６Ｇ０２１２Ｇ０４

漫反射传感器在闸机身高检测的应用研究

()北京地铁科技发展有限公司,北京　１０００７２

摘要:地铁闸机一般都具有身高检测功能,允许符合身高要求的儿童免费乘车.常用的身高检测方法有对射传感器检测法和漫反射传感器检测法.针对漫反射传感器检测方法进行研究,提出一种依照未成年人平均身高比例为基准的检测方法,通过二维建模设计进行相关参数分析,利用参数之间的函数关系生成变化曲线图,找出相关参数间的相互影响,提出漫反射传感器在闸机中的最佳布置方式和检测准确性的验证方法.关键词:闸机;身高检测;漫反射传感器中图分类号:TP２１２　　　文献标识码:B

王　帅

０　引言

目前,国内城市轨道交通自动售检票(系统AFC)中应用的自动检票机(闸机)设备一般都具有行人身高判断的功能.身高检测的主要目的是允许儿童在成人的带领下免费通过闸机通道,或者允许儿童单独使用优惠票(比如儿童票等)通过闸机通道.行人通过闸机通道时,闸机能够判断出通过的行人是否超过设定的,高度(在１．当行人超过该设１m至１．３m之间可调)定高度时,则认为通过的行人为成人;否则认为通过的行人为儿童.目前,国内闸机检测行人身高的方法主要有对射传感器检测法和漫反射传感器检测法.其中,对射传感器检测法检测精度高,主要缺点是需要设计的闸机整体高度高于检测儿童的身高,以满足对射传感器的安装,这种方法严重影响闸机的美观和乘客视野,会使行人在闸机通道中产生压抑的感觉,因此,国内大部分地铁站的闸机采用漫反射传感器检测法检测行人身高.在采用漫反射传感器检测法检测行人身高时,对其的安装精度要求比较高,如果安装精度达不到要求会产生以下现象:造成①身高传感器设置过低,部分身高要求接近的儿童在过闸后闸门直接关闭,带儿童的行人将会判断为无票闯闸,闸机会发出无票闯闸提示;部分身高接近的成人②身高传感器设置过高,在刷卡进站后闸门不关闭,造成闸机漏人现象.以上两种情况的频繁出现均会影响到行人的正常通行,进而影响到地铁的正常运营.大部分已投入运营的地铁站各线路闸机设备并不完全相同,身高传感器布局也不同,并没有统一的身高检测理论依据或标准进行约束,致使

收稿日期:２０１９Ｇ０６Ｇ２８;修订日期:２０１９Ｇ１０Ｇ１１

身高检测传感器的调试和维护比较困难.当前许多城

市都将儿童限高由１而很多闸机设．２m调整到１．３m,因此,研究一套通用、可行的漫反射传感器布置方案作为参考将具有重要意义.本文提出一种按照未成年人平均身高比例为基准的采用漫反射传感器进行身高检测的布置方法和准确性验证方法,可为在地铁闸机采用漫反射传感器检测法检测行人身高提供一个参考.１　漫反射传感器在闸机行人身高检测中的应用１．１　漫反射传感器检测行人身高的原理

备均是按１．２m设计布局通过漫反射传感器进行身高检测的,调整至１．３m布局需要一套理论的计算方法,

光电传感器是通过把光的强度变化转变为电信号的变化,并以此来实现控制的一种电子开关.漫反射传感器采用直反式的检测模式,发射端和接收端在同一个传感器中,位于传感器前面的被检测物通过将发射的红光或红外光部分地反射回传感器的接收器,从而使传感器检测到被检测物.漫反射传感器工作原理示意图如图１所示.

通过将漫反射传感器依照儿童限高要求面对面并与水平面有一定仰角地布置在闸机通道两侧,漫反射传感器的红外射线相互形成一个锥形的限高区间来进

图１　漫反射传感器工作原理示意图

),男,北京人,工程师,本科,从事地铁A作者简介:王帅(１９８１ＧFC设备研发工作.

漫反射传感器在闸机身高检测的应用研究　２０１９年第６期　　　　　　　　　　王帅:

􀅰２１３􀅰

行儿童身高检测.当行人低于两个漫反射传感器射线

经过闸机时,漫反射传感器没有检测到行人,则判断为儿童;如果两个漫反射传感器检测到行人,则判断行人为成人.该方法原理简单,检测准确性高,且不会对闸机的外形结构造成很大的改变.行人过闸检测示意图如图２所示.

)器(检测行人高度,当行人通过闸门进入退HS１、HS３

出区时,第二组漫反射传感器(再次检测行HS２、HS４)人高度,当判断行人为成人时,闸门关闭,判断为儿童时,闸门不关闭,等待带儿童的成人过闸.１．３　行人身高的判断逻辑

以北京市为例,按«北京市城市轨道交通车票使用规则»规定,成人带领一名身高不满１．３m儿童乘车时,儿童免票,按照“儿童在前,成人在后”刷卡通过闸机.因此,儿童不能在没有刷卡的前提下通过闸机,只能由成人带领通过闸机,成人刷卡后,儿童必须在前,图．２　漫反射传感器在闸机中的布置

２　行人过闸检测示意图

闸机通道一般布置人身高(,４个漫反射传感４个漫反射传感器用于检测行器分别布置两侧主闸机和从闸机(付费区和非付费区)通行逻辑传感器的上方在闸机通道两侧)的位置.将４个漫反射传感,位于闸门器分别定义为为一组布置在非HS付１费、H区S２,、HHSS２３、、HHSS４４为,其中一组H布S１置、在HS付３费区.每组的两个漫反射传感器水平对射放置,并与水平面有一个仰角,水平连线形成相同的锐角.两组漫反射传感器分别检测进入闸机通道的行人身高和离开闸机通道的行人身高.闸机漫反射传感器布局示意图如图３所示.

图图３(a)中３　闸机漫反射传感器布局示意图

,S１~S１６为通行逻辑传感器,HS２为漫反射传感器(

身高传感器).行人刷卡H后S１闸、

门打开,行人进入通道,通行逻辑传感器检测到有行人进入通道,在行人进入到监视区时第一组漫反射传感

先于成人通过闸机通道后,成人再通过闸机.如果儿童在成人后面,成人通过闸门后身高传感器检测到成人通过后会关闭闸门,判断儿童为未刷卡尾随.

行人通过闸机通道时,仅当出现以下情形时判断行人为成人,否则判断行人为儿童:行人从非付费区刷卡进站,通过第一组漫反射传感器(个漫反射传感器同时被遮盖,并且至少第二组漫反射

HS１、HS３)时,两传感器(判断的主要依据为HS２、HS４):闸机通道的宽度要大于儿童体形中的一个漫反射传感器被遮盖.的宽度,当儿童在通过闸机通道时,可能靠单侧通过闸机,仅遮挡单侧的漫反射传感器,如图４所示.但采用这种逻辑判断的方法理论上也会造成部分身高超出限高要求的行人在靠单侧通过闸机时被误判为儿童,会造成该行人通过闸机后闸门因等待带儿童的成人通过而未能及时关闭的现象.将成人误判为儿童的最大理论高度值主要取决于漫反射传感器安装高度、安装角度和闸机宽度,以及儿童的判断标准.

图２４　儿童靠单侧过闸身高检测示意图

２　漫反射传感器安装位置的设计．１　儿童身高模型的建立

根据寸»中身高为GB/１T２．２６m~１５８１—．３２０m１０儿«中童国的未相成关年数人据人来体建尺立

儿童身高模型.未成年人体尺寸百分位数为P５０的尺寸如表依照表１所示.

１中数据,分别计算肩高、肩最大宽和头宽与身高的比值当儿童身、,并取平均值得到儿童的身高为０．７７４H高H＝１３＝００．２０５０m６mH时、头宽:肩＝高０＝１０．１２H时:肩高＝肩最大宽７７０H６.

mm,肩最大宽＝３２５．７８mm,头部宽＝１６６．０１mm.

．２

１􀅰２１４􀅰

机械工程与自动化　　　　　　　　　　　　　　　２０１９年第６期　

当儿童身高H＝１２肩高＝９００mm时:２８．８mm,肩最大宽＝３头部宽＝１００．７２mm,５３．２４mm.

表１　未成年人体尺寸百分位数为P５０的尺寸mm

测试对象

身高

肩高８５１８４４

肩最大宽２８６３２６２８２３１９

头宽１５２１５８１５０１５６

１１１３１３２０１１０９１３０６

１０３８１０２４

４岁~６岁未成年男子４岁~６岁未成年女子

７岁~１０岁未成年男子７岁~１０岁未成年女子

建立儿童身高模型示意　　根据对设定高度的计算,图,如图５所示.其中,H１为儿童身高检测限制的高度,H２为儿童的肩高,W１为儿童头宽,W２为儿童最大肩宽.

漫反射传感器安装高度H３越高,W３确定的情况下,

也就是要求传感器安装的角度δ越小;反tanδ值越小,

之,漫反射传感器安装高度H３越低,也tanδ值越大,就是要求传感器安装的角度δ越大.一般情况下,闸机的漫反射传感器安装高度H３都是确定值,要求检测的儿童身高H１根据不同要求改变,但最终也是定值,在闸机宽度W３确定的情况下,可以计算出漫反射传感器安装角度δ的值.同理,在宽通道中,闸机宽度

如果漫反射传感器安装高度H３不W３变大的情况下,

实际应用中,一般在闸机高度小于检测高度时方采用漫反射传感器检测法,因此δ为锐角,在H１和

．２　漫反射传感器的布置高度和角度计算

使用漫反射传感器来检测儿童身高时,漫反射传感器的布置是一个非常关键的因素.漫反射传感器的安装位置与行人在通道内的通行位置如图,H３为漫反射传感器的安装高度,W３为通道宽度６所示.其中,

为漫反射传感器的安装角度.

图５　儿童身高模型示意图

图与行人在通道内的通行位置示意图

６　漫反射传感器的安装位置

由正切函数得出:

tanδ＝WH１－H３

()δ＝tan－１２３WH－W１

．１

１－２H３

(将W１＝δ０＝．１t２a７７n－１

H１代入式２３－W(２

１

．２

)２

)得:WH１－H３H２３

－０．０６３８５H１．(３

)３＝H１－tanδæçWè２３－０．０６３８ö１５．３mH１÷ø

．(４)以北京地铁儿童检测身高标准为例,

普通通道闸机宽度为(４

)得:０．５５m.将数值分别代入式(３)

、式δ＝tan－１

１．３－H３()HH３＝１．３－００．１．１９９１９１９５５

tan．δ式(３分别取１．２m,１．１m,１．０m,􀆺,．代入(５

６

)角度的关系曲线５

)计算并生成漫反射传感器安装高度与安装调整０．３m,

,如图７所示.

变,则要求漫反射传感器安装的角度δ变小.

图．３　误判为儿童的行人最大身高值的计算

７　漫反射传感器安装高度与调整角度的关系

当稍微高出儿童限高标准的行人在靠通道左侧或右侧通行时,可能会误判为儿童,如图１为误判为儿童的行人最大身高值,H８所示.其中,

Hxx２误判为儿童的行人肩高,Wx１为误判为儿童的行人头宽,Wx２为误判为儿童的行人最大肩宽.

图８　漫反射传感器的安装位置与行人在通道内

靠单侧通行的位置示意图

通过正切函数得出:

tanδ＝HxW３－W１－H３

x２Wx１

．

(７

)将式(７)中的Hxt１a－nδ代入式２－

(H３１

)得２

:W３－Wx２Wx１＝WH１３－HW３

１

．(８

)将．２５０６WH２x１＝０Wx．１２＝５２００６－．１２H７７１２,HW１２x１分别代入式＝０－

．１２

２７７H(９１),得W:x２＝

WH,

x１－H３H１３－０．１８９１５Hx１＝W－H３

２

３

－０．０６３８５H１．(９

)２δ２０漫反射传感器在闸机身高检测的应用研究　２０１９年第６期　　　　　　　　　　王帅:

􀅰２１５􀅰

通过计算得出误判为儿童的行人最大身高值与漫

反射传感器安装高度的关系,即:

H３W３

２)Hx．(１０１＝

W３

０．１２５３H１－０．１８９１５H３＋

２

以北京地铁儿童检测身高标准１．普通通道３m、

)闸机宽度为０．分别代入式(得:５５m为例,１０

H１(W３－０．０６３８５H３)－

０．７１５－０．３５８００５H３

()Hx１＝．１１

０．４３７８９－０．１８９１５H３

􀆺,分别代入式(计H３取１．２,１．１,１．０,０．３,１１)

算并生成漫反射传感器安装高度与误判为儿童的行人最大身高值的关系,如图９所示.

１．４２６３m.即０．５５m标准通道的安装角度约为

,误判为儿童的行人最大身高值为１．５５．０８°４２６３m.分别将H１＝１．３m、H３＝１．０２５m、W３＝０．９m误判为儿童的行人最大身高值为１．４８８４m.

,代入式(和式(中计算得到:３)１０)δ＝３６．８５°Hx１＝

;１．４８８４m.即０．９m宽通道的安装角度约为３６．８５°将北京地铁５号线闸机儿童身高检测值由１．２m

调整为１．３m,０．５５m标准通道闸机需调整漫反射传;感器角度为５５．０８°０．９m宽通道闸机需调整漫反射

.０．传感器角度为３６．８５°５５m标准通道闸机误判为４　结语

采用漫反射传感器检测儿童身高,一般适用于闸机整体高度低于需要检测儿童的身高,漫反射传感器需要形成一定的角度进行检测,在闸机通道宽度确定、需检测儿童的身高值确定的前提下,漫反射传感器安装位置的高度越高,形成的角度越小,误判的高度值越小;反之,漫反射传感器布置的高度越低,形成的角度越大,误判的高度值越大.目前,国内很多闸机是在原有１．改为１．在２m儿童身高而设计的,３m标准后,不改动漫反射传感器安装位置的情况下,调整角度是可以通过计算得出的,但判断偏差肯定会增高,是否满足要求,还需每个城市相关标准制定机构进行研究分析.在设计漫反射传感器安装位置时,尽量设计在闸机侧面的顶部区域,从而减少判断误差.在同一个城市闸机通道宽度和儿童限定身高标准化的情况下,制定出一个统一的安装标准,可以降低儿童身高检测传感器调整和维护的难度.

参考文献:

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/北京服装学院,等．GBT２６１５８—２０１０中国未成年人人[]]李明．一种闸机行人身高检测的新方法[轨道２　夏劲松,J．

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儿童的行人最大身高值为１．４２６３m,０．９m宽通道闸

机误判为儿童的行人最大身高值为１．４８８４m.

图９　漫反射传感器的安装高度与误判为儿童的行人

最大身高值的关系

从图９中可以看出,漫反射传感器的安装高度越

高,误判为儿童的行人最大身高值越低,检测精度越准)、确.式(式(是在要求检测儿童身高H１确定的３４)情况下,根据不同的闸机宽度计算漫反射传感器安装的角度δ和闸机的漫反射传感器安装高度H３的数

)值,而式(是在确定漫反射传感器安装的角度δ和１０闸机的漫反射传感器安装高度H３数值的前提下,计

算出误判为儿童的行人最大身高值Hx从而进行１值,误差范围大小的判断.此方法可对已投入运营的闸机身高传感器的最高误判值进行检测计算.

３　应用举例

以北京地铁５号线闸机为例,目前北京地铁将儿童身高由１．即H１为１．２m调整为１．３m,３m.５号线闸机漫反射传感器安装高度H３为１．在不０２５m,改动漫反射传感器安装位置的前提下,通过计算得出漫反射传感器需要调整的角度和误判为儿童的行人最大身高值.

AlicationResearchofDiffuseReflectanceSensorinHeihtDetectionofTurnstileppg

:M,Abstractetroturnstilemachinesgenerallavethefunctionofheihtdetectionallowinhildrenwhomeettheheihtreuirementstoyhggcgqridefreeofchare．Commonlsedheihtdetectionmethodsaretheoositesensordetectionmethodandthediffusereflectionsensorgyugpp

,detectionmethod．Aimintthedetectionmethodofdiffusereflectionsensoradetectionmethodbasedontheaveraeheihtratioofminorsgagg

,isproosed．ThemethodanalzestherelevantarametersthrouhtwoＧdimensionalmodelinesinusesthefunctionalrelationshietweenpypggdgpb

,theparameterstogeneratethechanecurvefindsthemutualinfluencebetweentherelevantparameters．Theotimalarranementofthegpg

diffusereflectionsensorintheturnstileandtheverificationmethodofthedetectionaccuracreproosed．yap

:;;Keordsturnstileheihtdetectiondiffusereflectancesensorgyw

(,,)BeiinetroTechnoloevelomentCo．Ltd．Beiin０００７２,ChinajgMgyDpjg１

分别将H１＝１．３m、H３＝１．０２５m、W３＝０．５５m

,代入式(和式(中计算得到:３)１０)δ＝５５．０８°Hx１＝

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