D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.03.016 第35卷第3期 北京科。技大学学报 Vol.35 No.3 2013年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2013 人群聚集预警中基于断面双向流量比的客流误差分析 李焘，金龙哲，刘建四 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通倍作者，E-mail:anyonell@126.com 摘要针对密集人群的安全预警管理，结合商业街人流相向运动的特点，提出通过断面双向流量比进行人群聚集风险 预警的思路，并对该方法的误差进行了理论分析和实例验证.结果表明该方法用于商业街聚集人群的风险预警时，不论 测量值大于真实值还是测量值小于真实值，经过断面进出比的比值误差均比客流统计系统本身误差更小，从而使客流统 计产品在一定范围内精确度有所提高.此外，可应用此方法根据实际要求的测量精度为客流统计设备选型提供依据， 关键词行人安全：人员聚集；客流预警：安全工程：误差分析 分类号X913 Error analisis of passager flow based on the bi-directional flow ratio of the section in crowd gathering early-warning LI Tao,JIN Long-zhe,LIU Jian School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:anyonell@126.com ABSTRACT An early warning method for the risk of crowd gathering based on the bi-directional flow ratio of the section was proposed according to the characteristics of the opposite movement of pedestrian flow at the business street. Its error was analyzed in theory and verified by an example.It is found that using this method as a criterion of crowded events is feasible.Whether the measured values are greater or less than the true values,the error of the ratio between the inward and the outward flow across the section is less than that from a pedestrian flow statistic system,so the method is helpful for improving the accuracy of crowd statistic tools to some extent.In addition,the method can be used as a reference in selecting the type of a pedestrian flow statistic system according to requirements for the measuring accuracy of actual applications. KEY WORDS pedestrian safety;crowd gathering;passenger warning;safety engineering;error analysis 随着城市化进程的加快，城市公共场所人群聚埔寨送水节欢庆活动时，由于游人过多，桥梁产生 集事件日益频繁，如节假日的商业街区、旅游旺季 晃动，引起恐慌，导致相互拥挤踩踏，致456人死 的旅游景点、春运期间的交通枢纽以及其他诸如北 亡，700多人受伤：2011年1月印度举行宗教节庆 京奥运会和上海世博会等大型社会活动现场.这些 活动后，数千人聚集于有限空间，由于惊慌躲避突 人员高度聚集的场所潜在的危险隐患较多，由于多 然行驶过来的汽车，造成109人死亡，上百人受伤 种不确定突发原因，经常造成群死群伤的拥挤踩踏这些灾难性事故的发生都对公共场所人群安全保障 事故.如2010年7月在德国西部音乐节，由于大量 提出了严峻挑战. 观众赶往活动现场，而另一批观众则折返回家，两 目前，众多学者对这种大量人群聚集时的突发 股相向人流在音乐节活动现场附近的地下通道里发 灾害和事故防范已经进行了大量研究，大部分是从 生拥堵，由于人员过度密集，从而引发恐慌性踩踏 人员疏散的角度出发，研究事后的应急管理与救援 事件，造成19人死亡，340人受伤：同年11月来 或是采用风险分析和评价的方法从宏观层面提出预 收稿日期：201203-10
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 人群聚集预警中基于断面双向流量比的客流误差分析 李 点金龙哲刘 建困 北京科技大学 上木 与环境工程学院北京 回 通信作者 一 回 摘 要 针对密集人群的安全预薯管理结合商业街人流相向运动的特点提出通过断面双向流量比进行人群聚集风险 预警的思路 并对该方法 的误差进行 了理论分析和实例验证 结果表 明该方法用于 商业街聚集人群的风险预警 时 不论 测量值大于真实值还是测量值小于真实值经过断面进出比的比值误差均比客流统计系统本身误差更小从而使客流统 计产品在一定范围内精确度有所提高 此外可应用此方法根据实际要求的测量精度为客流统 计设备选型提供依据 关键词 行人安全 人员聚集 客流预警 安全工程 误差分析 分类号 一 尸刀 一 困 困 一 随着城市化进程的加快 城市公共场所人群聚 埔寨送水节欢庆活动时由于游人过多桥梁产生 集事件 日益频繁 如节假 日的商业街区、旅游旺季 晃动 引起恐慌 导致相互拥挤踩踏 致 人死 的旅游景点、春运期间的交通枢纽 以及其他诸如北 亡 多人受伤 年 月印度举行宗教 节庆 京奥运会和上海世博会等大型社会活动现场 这些 活动后 数千人聚集于有 限空间由于惊慌躲避突 人员高度聚集的场所潜在的危险隐患较多由于多 然行驶过来 的汽车 造成 人死亡上 百人受伤 种不确定突发原因经常造成群死群伤 的拥挤踩踏 这些灾难性事故的发生都对公共场所人群安全保障 事故 如 年 月在德国西部音乐节 由于大量 提 出了严峻挑战 观众赶往活动现场 而另一批观众则折返回家 两 目前 众多学者对这种大量人群聚集时的突发 股相 向人流在音乐节活动现场附近的地下通道里发 灾害和事故防范 已经进行 了大量研究大部分是从 生拥堵 由于人员过度密集 从而引发恐慌性踩踏 人员疏散的角度 出发 研究事后的应急管理与救援 事件 造 成 人死 亡 人受伤 同年 月柬 或是采用风险分析和评价 的方法从宏观层面提 出预 收稿 日期 刁 一 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2013．03．016
·410 北京科技大学学报 第35卷 防的建议措施1-引：也有一些学者在人群安全中引 (out).断面双向流量比是指通过某一断面往米人数 入预警管理的思想，尽早发现拥挤踩踏事故的端倪， 之比，即进的人与出的人数量之比.在一般情况下， 采取相应的措施，为密集场所的人群安全管理提供 通过断面的往来人数是相当的，比值大概是1，当某 参考4-6).客流预警是指为了及早发现聚集人群的 段时间内通过断面往米人数差异较大时（比值偏离 数量超出负荷及产生拥挤的不良状态的潜在表征信 1很多)，尤其是通过两相邻断面判断客流往问一区 息，有效预控拥挤踩踏事件的发生，防范于未然.研 域聚集时，可认为该区域人群密度在不断增加，有 究人员主要通过直接观测和录像观测、人群疏散演 可能发生突发事件 习、个体试验和问卷调查，得到人群在不同安全状 2通过断面双向流量比判据的误差分析 态下人员密度和人群速度等基础数据，以此作为密 集人群风险管理的依据7-8】.然而，在实际应用中这 使用断面双向流量比作为客流预警判据时，人 些方法存在一定的局限性，人员密度以人员数量为 员数量是其中必不可少的参数.日前，客流统计系 基础，在实际应用时受到测量环境的影响，精确度 统的精度一般在85%左右9，存在一定误差.此外， 难以保证，其次人员并非均匀分布，在类似商业街 这些客流统计系统精确度容易受到测量环境的影响 这种面积巨大的场所加剧了人员密度统计的难度： (如测承时的光线、风速和其他天气状况的影响)，或 而人群速度通过记录行人运动的距离与移动时间米 是受到测量环境安装条件的限制，使客流统计产品 获得，其准确性较高，且算法简单，但需要一定时 的精确度进一步降低，在测量精度要求较高或是某 间内能够获得足够多的样本才足以反映人群的平均 些特殊测量环境下达不到要求，Ⅱ容易产生误报警 运动速度，存在一定难度.因此，在测量环境比较复 的情况.采用断面双向流量比判据时，对于问一套 杂的情况下，应结合人群密度和速度为主要判据并 测量系统，由于往米统计误差其有相似性，通过这 辅以其他判据作为更加理想的预警指标.在此基础 种比值则可以抵消部分误差，作为客流预警的判据 上，本文针对商业街人流相向运动的特点，采用通 也更为理想，其原理如下 过断面双向流量比作为客流预警的辅助判据，对该 客流统计时，定义误差计算公式为： 方法的原理和误差进行了分析，并结合某商业街实 ITin-Minl 际测量数据对其进行了验证，证明此方法的可行性 Min Tout-Moutl 1通过断面双向流量比判据的基本原理 Mout 实现商业街的客流预警，首先要获取街面人群 Tin Min 的运动信息.采用人工统计的方法既耗时又不能保 E Tout Mout 证长时间数据的精确度，因此本文采用视频智能分 Min 析对行人进行识别并提取运动信息的可行方法，而 Mout 其中，Min和Mout为进、出的测值，Tn和Tout 且目前已有比较成熟的客流统计产品用于统计通过 为进、出的真实值，En和Eout为进、出的误差，此 某一断面的往来人流量. 部分误差即客流统计系统本身误差，E为进出比的 如图1所示，用方框表示的测量区域称之为 比值误差. 断面，本文设定从上至下为进(n),从下至上为出 (1)测量值偏大（即测量值比真实值大）时，即 Min≥Tin,Mout≥Tout时， 测量区域 Ein Min -Tin Min Mout -Tout Eout=一 Mout ①当Tin Mout≥Tout Min时， Tin Min Min 1-En-1, 1-Eout 图1断面双向流示意图 Mout Fig.1 Bi-directional flow sketch of the section 又E≥0→En≤Eout:
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 防的建议措施 ‘一 也有一些学者在人群安全中引 入预警管理的思想 尽早发现拥挤踩踏事故的端倪 采取相应的措施 为密集场所 的人群安全管理提供 参考 一“ 客流预警是指为 了及早发现聚集人群 的 数量超 出负荷及产生拥挤的不 良状态的潜在表征信 息 有效预控拥挤踩踏事件的发生防范于未然 研 究人员主要通过直接观测和录像观测、人群疏散演 习、个体试验和 问卷调查得到人群在不同安全状 态下人员密度和人群速度等基础数据 以此作为密 集人群风险管理的依据 【一 然而在实际应用中这 些方法存在一定的局 限性人员密度 以人员数量为 基础 在实际应用时受到测量环境的影响精确度 难 以保证其次人员并非均匀分布 在类似商业街 这种面积 巨大 的场所加剧 了人员密度统计 的难度 而人群速度通过记录行人运动的距离与移动时间来 获得 其准确性较高且算法简单 但需要一定时 间内能够获得足够多的样本才足 以反映人群的平均 运动速度 存在一定难度 因此 在测量环境 比较复 杂的情况下应结合人群密度和速度为主要判据并 辅 以其他判据作为更加理想 的预警指标 在此基础 上 本文针对商业街人流相 向运动的特 点采用通 过断面双 向流量 比作为客流预警 的辅助判据 对该 方法的原理和误差进行 了分析 并结合某商业街实 际测量数据对其进行 了验证证明此方法的可行性 断面双向流量比是指通过某一断面往来人数 之 比即进 的人与出的人数量之 比 在一般情况下 通过断面的往来人数是相当的比值大概是 当某 段时间内通过断面往来人数差异较大时 比值偏离 很多 尤其是通过两相邻断面判断客流往 同一区 域聚集时可认为该区域人群密度在不断增加 有 可能发生突发事件 通 过断面双 向流 量 比判据 的误差 分析 使用断面双 向流量 比作为客流预警判据时人 员数量是其 中必不 可少的参数 口前 客流统计 系 统的精度一般在 左右 存在一定误差 此外 这些客流统计系统精确度容易受到测 量环境的影响 如测量时的光线、风速和其他天气状况的影响 或 是受到测量环境安装条件的限制 使客流统计产品 的精确度进一步降低 在测量精度要求较高或是某 些特殊测量环境下达不到要求 且容易产生误报警 的情况 采用断面双 向流量 比判据时对 川司一套 测量系统 由于往来统计误差具有相似性 通过这 种 比值则 ’以抵消部分误差作为客流预警的判据 也更为理想 其原理如下 客流统计时定义误差计算公式为 通过断面双 向流量 比判据的基本原理 实现商业街 的客流预警 首先要获取街面人群 的运动信息 采用人工统计 的方法既耗时又不能保 证长时间数据 的精确度 因此本文采用视频智能分 析对行人进行识别并提取运动信息的可行方法而 且 目前 已有 比较成熟的客流统计产品用于统计通过 某一断面的往来人流量 如 图 所示 用方框表示 的测量 区域称之为 断面本文设定从上至下为进 从下至上为出 界。一人么 石 汤 二二二‘ 一一一二二二 ’一 似 。 了乙 一 力 一一一一花气二一一一一一一 、 其 中 。和 入么〕 为进 、出的测最值不。和 为进 、出的真实值 。和 为进 、出的误差此 部分误差即客流统计系统本身误差 为进 出比的 比值误 差 测量值偏大 即测量值 比真实值大 时即 。 界 七 。时 占占 占 己 人寿 一界 城 入人〕 一 百 去卜 ① 当 人几 七 。 时 界 入么 一 一 一 图 断面双 向流示意图 一 又 冷 毛
第3期 李焘等：人群聚集预警中基于断面双向流量比的客流误差分析 411· 假设在实际应用中E允许误差为（则实际精 Ein Eout, 度为1-)，则 1+Em>1-ξ 1+Eout 1-En≤1+， 1-Eim-1≤ξ÷1-Eout 由于客流统计系统计数的对称性，进、出的测 1-Eout 量值与真实值相比，只存在问时偏大或同时偏小的 内此测值与真实值应满足 情况，所以本文只讨论以上四种情况.且在实际应 用中，考虑到客流统计系统实际测量时的状况，每 Ein≤Eout, 种测量方法并不能保证在每秒或是每分钟都保持在 1-Em≤1+5 一定精确度，所以应根据实际情况，采用一定时间 1-Eout 内的平均误差满足以上不等式即可，避免误报警 ②Tin Mout<Tout Min时， 3实例分析验证 Mo此TuL=1-1-Ein 下面将对测异值大于真实值和测量值小于真 E= Min 1-Eout 实值这两种情况下在某商业街进行客流统计时所得 Mout 数据进行分析.真实值由视频人工计数获得，分三 同理可得 次计数并反复核对，以此保证精确度：测承值由客 Ein Eout, 流统计系统读出. 1-Em>1-e 图2为测量值大于真实值时（情况A)客流统 1-Eout 计系统进、出的测量值与真实值示意图。在这种情 (2)测承值偏小（即测量值比真实值小）时，即 况下，由于当时光照影响形成影子，系统难以对行 Min≤Tin,Mout≤Tout时，同理可得： 人进行精确识别，使得测承值大于真实值.表1为 测承数据带入误养计算公式所得的进、出和进出比 Ein≥Eout, 1+Em≤1+5 三种不同的误差.从表中可以看出，经过客流进出 、1+Eout 流量比计算后，比值误差均小于进或出的误差， 80( (a) 70 -Mi 90(b Mout 80 70 60 0 20 024681012141618202224262830 30 24681012141618202224262830 时间/min 时间/min 图2情况A中从上往下()和从下往上.(b)通过断面的测量值与真实值示意图 Fig.2 Measured values and true values across the section from the top to bottom(a)and from the bottom to top(b)in Scenario A 图3为测量值小于真实值时（情况B)客流统 平游后的数值，平滑时间为5min,从图中可以看 计系统进、出的测值与真实值示意图.在这种情 出，进出流量比的比值误差在一定范围内极大地减 况中，由于当时商业街有一定数量人员处于驻足休 小了客流统计系统测量时的误差，尤其是当进、出 息状态，面视频分析系统是通过前后两帧画面差异 的误差越接近时，比值误差越小， 米对人员进行识别，一定时间内人员静止时，则放 通过以上两种不同情况下客流统计系统的数 弃追踪，使得进和出的测量值小于真实值.图4为 据分析，可以得出无论是测量值大于真实值的情 情况B中客流统计系统各种误差示意图。由于每 况，还是测量值小于真实值的情况，经过断面进出 分钟误差波动值较大，图中数据为采用运动平均法 比的比值误差都比客流统计系统本身误差更小，从
第 期 李 寿等 人群聚集预警中基于断面双向流量比的客流误差分析 假设在实际应用中 允许误差为 石则实际精 度为 一动则 · ’ 弋 场 二尸 二 一 七 办 一 一 一 石井 一 一 簇 乙 因此测量值与真实值应满足 吃 凡。一呱各 。 二一 二二 毛 石 气 一 七 由于客流统计系统计数的对称性 进 、出的测 量值一与真实值相 比只存在 同时偏大或 同时偏小的 情况所 以本文只讨论 以上 四种情况 且在 实际应 用中考虑到客流统计系统实际测量时的状况 每 种测量方法并不能保证在每秒或是每分钟都保持在 一定精确度 所 以应根据实际情况采用一定时间 内的平均误差满足 以上不等式即可避 免误报警 ②不 。 。时 五风几 一 一 一 同理 可得 。 一 一 一春 测量值偏小 即测量值 比真实值小 时即 。簇 几么〕。廷 时 同理 可得 妻 凡 毛 吞 实例分析验证 下面将对测 量值大 于真实值和测 量值 小于真 实值这两种情况下在某商业街进行客流统计时所得 数据进行分析 真实值 由视频人工计数获得 分三 次训。数并反复核对 以此保证精确度 测量值 由客 流统计 系统读 出 图 为测最值大于真实值时 情况 客流统 计 系统进 、出的测量值与真实值示意图 在这种情 况 下 由于 当时光照影响形成影子 系统难 以对行 人进行精确识别使得测量值大于真实值 表 为 测 最数据带入误差计算公式所得的进 、出和进 出比 二种不同的误差 从表 中 可以看 出经过客流进 出 流量 比计算后 比值误差均小 于进或 出的误差 从 双 姜尸流树啊俪、协 燕拭 燕 长 跪寸穿药滋时茹布蔽滋前豪茹。 “跪寸亨抓益时间有茹兹茄荻石荡 图 情况 中从 上往下 和从下往 卜 通过断面的测量值 与真实值示意图 · 图 为测量值小于真实值 时 情况 客流统 计 系统进 、出的测 录值 与真 实值 示意 图 在这种情 况 中由 于当时商业街有一定数最人员处于驻足休 息状态 而视频分析系统是通过前后两帧画面差异 来对人 员进 行识别 一定时间 内人 员静 时 则放 弃追踪 使得进和 出的测量值 小于真 实值 图 为 情况 中客流统计 系统各种误 差示意图 由 几每 分钟误差波动值较 大 图中数据 为采用运动平均法 平滑后的数值 平滑时间为 从 图中 可以看 出进 出流量 比的比值误差在一定范围内极大地减 小 了客流统计系统测量 时的误 差 尤其 是 当进 、出 的误差越接近 时 比值误 差越 小 通过 以上两种 不 同情况 下客流统计 系统 的数 据 分析 可 以得 出无论是测量值 大于真 实值 的情 况 还是测量值小于真实值的情况 经过断面进 出 比的比值误差都 比客流统计系统本身误差更小从
.412 北京科技大学学 报 第35卷 表1情况A中客流统计误差情况 0.40 Table 1 Error of pedestrian flow statistics in Scenario A 0.35 0.30 T/min Ein Eout E T/min Ein Eout E 0.25 1 0.1960.1940.002 16 0.3610.0470.330 0,20 2 0.3060.1630.171 17 0.0980.0910.008 0.15 3 0.1800.2500.093 18 0.2350.1410.110 0.10 0.3410.2500.122 19 0.0970.0500.049 0.05 5 0.3380.262 0.102 20 0.1040.0230.083 0.0 0 50 100150 200 6 0.2800.0160.268 2 0.0890.0000.089 时间/min 7 0.0410.246 0.165 22 0.3410.063 0.297 0.0190.1080.099 23 0.0420.0630.022 图4情况B客流统计误差示意图 9 0.039 0.259 0.297 24 0.0980.163 0.078 Fig.4 Errors of pedestrian flow statistics in Scenario B 10 0.2130.0630.161 0.0690.0420.028 11 0.1280.116 0.013 26 0.2450.0850.175 12 4 0.1690.162 结论 0.008 27 0.1280.0360.096 13 0.0000.038 0.040 28 0.0700.1470.091 (1)人员密度和人群速度是最为常见的预警方 14 0.2000.0480.160 29 0.1030.1560.063 15 0.1670.0570.116 法，但在实际操作中存在一定困难，尤其在商业街 这种测量环境比较复杂的情况下应辅以其他判据 本文结合商业街中人流相向运动的特点，提出通过 a 。Mm 50 Tn 断面双向流比作为客流预警辅助判据的新思路 40 (2)现有的客流统计系统精确度普遍不高，而 30 * 且易受到测强环境的影响，不能满足某些精度要求 比较高的情况，而利用断面双向流承比的比值误差 20 则可以在一定程度上减小这种误差，避免产生误报 警的情况 10 (3)在实际应用过程中，可以在人流较大的 50 100 150 200 地方或是道路交叉路口、行人天桥和交通枢纽等 时间/min 重点区域设置断面，利用断面双向流承比作为客 流预警的判据，并根据误差分析的方法，按照实孙 (b) ●Mit 要求的测量精确度为客流统计产品的选型提供参考 专Toa 依据. 0 30 参考文献 食 20 [1]Chen J,Chen Z F,Huang C F.Review of risk assessment of large-scale public places.J Nat Disasters,2005,14(6): 10p 16 (陈晋，陈志芬，黄崇福.大型公共场所风险评价研究现状 50 100 150 200 与展望.自然灾#学报，2005,14(6：16) 时间/min [2 Wang Z.The Study of Risk Theory and Application in 图3情况B中从上.往下(a)和从下往.上.(b)通过断面的测 Crowded Public Places in the City [Dissertation).Tian- 量值与真实值示意图 jin:Nankai University,2007:74 Fig.3 Measured values and true values across the section (王振.城市公共场所人群聚集风险弹论及其应用研究[学 from the top to bottom (a)and from the bottom to top (b)in 位论文.天津：南开大学，2007：74) Scenario B [3]Kou L P.Cause analysis and prevention of mass stam- pede incidents.J Chin People's Public Secur Univ Soc 而使客流统计产品在一定范围内精确度有所提高. Sci,2005(4):16 此外，可应用此方法根据实际要求的测量精度为客 (寇丽平.群体性挤踏事件原因分析与预防研究.中固人民 流统计设备选型提供依据. 公安人学学报：社会科学版，2005(4)：16)
第3期 李表等：人群聚集预警中基于断面双向流量比的客流误差分析 ·413· [4)Ye H M,Ji F.Cause-effect analysis of large-scale social 究.灾害学，2006,21(1)：108) activity accidents and construction of alert organizational [7]Xu F,Wei D,Wei X.Analysis on the original data of crowd model.J Catastrophol,2006,21(4):51 evacuation in public gathering places.China Saf Sci J, (叶海明，嵇方.大型社会活动安全事故成因分析及预警组 2008,18(4):137 织模型构建.灾害学，2006,21(4)：51) (徐方，魏东，魏星.公共聚集场所人群疏散基础数据的分 5 Fu Y.Construction of the Crisis Early Warning System 析.中国安全科学学报，2008,18(4)：137) of Tourism Festivals [Dissertation].Dalian:Dongbei Uni- [8 Thompson PA,Marchant E W.A computer model for versity of Finance and Economics,2005:44 the evacuation of large building populations.Fire SafJ, (付岩.旅游节庆活动的危机预警系统构建学位论文].大 1995,24(2):131 连：东北财经大学，2005：44) [9]Huang L.Human Flow Statistic and Recognition Sys- [6 Hu Z Y,Ye H M.Research on crowd safety protection sys- tem Based on Binocular Vision Dissertationl.Shanghai: tem for large scale social activities.J Catastrophol,2006 Shanghai Jiaotong University,2008:22 21(1):108 (黄亮.基于双目视觉的客流统计识别系统[学位论文].上 (胡志莹，叶明海.大型社会活动人群拥挤事故防范系统研 海：上海交通大学，2008：22)
第 期 李 燕等 人群聚集预价中基干断面双向流量比的客流误差分析 · · · 云阳 毛 叶海明稽方 大型社会活动安全事故成因分析及预警组 织模型构建 灾害学 【 。亡、 ‘ 亡 凸气 ‘二￡。夕即 。 叭 亡￡。 』 付岩 旅游节庆活动的危机预警系统构建 学位论文」大 连 东北财经大学 邢 胡志莹叶明海 大型社会活动人群拥挤事故防范系统研 【 【 究 灾害学 七 七 葱 乞 徐方魏东魏星 公共聚集场所人群疏散基础数据的分 析 中国安全科学学报 八陀 万 饥 几 叨 。亡葱 葱 四。艺艺。介 勺 亡 。 乞。。 』 黄亮 基于双目视觉的客流统计识别系统 学【位论文〕上 海 上海交通大学