“踏跡守衛(wèi)”——智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

引言

從2004年的北京密云元宵燈會(huì)踩踏事件到2022年發(fā)生的韓國(guó)首爾的踩踏事件，傷亡慘重的意外踩踏事件引起了社會(huì)越來越多的關(guān)注和反思。如何避免踩踏的發(fā)生，成為了社會(huì)廣泛關(guān)注的話題以及研究方向。研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)防踩踏系統(tǒng)缺乏針對(duì)性算法和多場(chǎng)景化應(yīng)用，所以本團(tuán)隊(duì)選擇了與該系統(tǒng)契合度較高的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為系統(tǒng)基礎(chǔ)，并以Al技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)作為輔助研發(fā)。當(dāng)前市場(chǎng)相關(guān)設(shè)備具有固定性、場(chǎng)景局限性、計(jì)算人流密度等缺點(diǎn)，而本項(xiàng)目所研發(fā)的系統(tǒng)更加具有人性化、智能化和精確性，可以針對(duì)不同場(chǎng)景在踩踏發(fā)生時(shí)智能分析相關(guān)數(shù)據(jù)得出多種對(duì)策輔助措施的落實(shí)，并且著眼于保護(hù)個(gè)人安全，解決安全隱患。

一、問題的提出和研究目的

踩踏事故是單位面積、單位空間、高密度人群發(fā)生無序混亂而造成的重大傷亡事故，我國(guó)早就制定有《大型群眾性活動(dòng)安全管理?xiàng)l例》，且于2007年10月1日起正式施行，明確規(guī)定了大型群眾性活動(dòng)的安全責(zé)任制度和安全監(jiān)督管理措施。在2022年10月份韓國(guó)首爾梨泰院踩踏事故，我國(guó)也在密切關(guān)注并關(guān)心我國(guó)在韓群眾的安危，人們對(duì)于公共場(chǎng)所的安全性越來越關(guān)注，期望能夠通過技術(shù)手段提高人流管理和安全防護(hù)水平。踩踏事件的發(fā)生具有突發(fā)性、群體性和不可預(yù)見性等特點(diǎn)，從安全管理角度，當(dāng)人群出現(xiàn)擁擠時(shí)，及時(shí)有效地疏散人群是預(yù)防事故發(fā)生的重要手段。項(xiàng)目以此為基礎(chǔ)，為防止踩踏事件的發(fā)生提供科學(xué)、合理的方案。

智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)以人員檢測(cè)為基礎(chǔ)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控、分析、處理。針對(duì)人流密集場(chǎng)所，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的人員進(jìn)行預(yù)警提示，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)通知工作人員采取有效措施進(jìn)行疏散控制和救援。智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)的首要目標(biāo)是通過提前預(yù)警和疏導(dǎo)人群，減少事故發(fā)生的可能性，為群眾提供安全的出行環(huán)境。踩踏事故不僅造成人員傷亡，還會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。該系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用可以增強(qiáng)公眾的安全意識(shí)，從而形成全社會(huì)共同維護(hù)安全的良好氛圍。智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用為預(yù)警和疏導(dǎo)人群提供數(shù)據(jù)支持，從而降低醫(yī)療、救援等費(fèi)用，同時(shí)避免因事故導(dǎo)致的停工、停產(chǎn)等經(jīng)濟(jì)損失。

二、文獻(xiàn)綜述

（一）針對(duì)踩踏事故問題的研究觀點(diǎn)

為了解決擁擠踩踏事故的問題，許多學(xué)者提出了關(guān)于應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的思考和方案。其中，姚建義（2021）等人通過探討突發(fā)公共衛(wèi)生事件智慧應(yīng)急的發(fā)展，為應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供了思路。此外，還有學(xué)者研究了如何利用智能技術(shù)提高災(zāi)害事故的應(yīng)急響應(yīng)能力。這些研究對(duì)于思考如何構(gòu)建智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)具有重要的參考價(jià)值，為智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建提供了理論支持和方法指導(dǎo)。在具體應(yīng)用方面，羅回彬（2023）等人以人流監(jiān)控為例，研究了智慧城市視野下的城市公共安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法。除了人流監(jiān)測(cè)技術(shù)，智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)還需要考慮事故防范和應(yīng)急管理。彭妮娜提出（2019）了一個(gè)擁擠踩踏事故防范與應(yīng)急管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)擁擠踩踏態(tài)勢(shì)并采取應(yīng)急措施。

（二）針對(duì)預(yù)防踩踏事故技術(shù)的研究觀點(diǎn)

在相關(guān)問題的技術(shù)構(gòu)建和應(yīng)用方面，越來越多學(xué)者開始關(guān)注人群密度估算和人流監(jiān)控技術(shù)，也是防踩踏預(yù)警系統(tǒng)的難點(diǎn)。郝豫（2017）研究了一種基于Matlab GUI的大型公共活動(dòng)擁擠踩踏事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法，通過圖形用戶界面實(shí)現(xiàn)對(duì)擁擠踩踏風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。曾茂桃（2018）從人群密度分析對(duì)踩踏事件的預(yù)警作用，通過對(duì)人群密度的分析來判斷是否存在擁擠情況。宋軍平（2019）等人從居民住宅著手，進(jìn)行了智能小區(qū)人流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在人流監(jiān)測(cè)方面，朱軍（2022）等人提出了一種顧及小目標(biāo)特征的視頻人流量智能統(tǒng)計(jì)方法，通過對(duì)視頻圖像進(jìn)行分析來實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)人流量。陳金立（2022）則提出了一種基于雙時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)的毫米波雷達(dá)人流量監(jiān)測(cè)方法，通過對(duì)人流量的檢測(cè)來判斷人群擁擠情況。

綜上所述，針對(duì)擁擠踩踏事故的問題，研究者們從不同的角度提出了諸多智能預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建方法和應(yīng)用方案。然而當(dāng)前的研究還存在一些問題，比如人流監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性需要進(jìn)一步提高，事故防范和應(yīng)急管理的效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文將綜合參考相關(guān)文獻(xiàn)，提出該智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)，提高擁擠踩踏事故的預(yù)警和管理能力。

三、導(dǎo)致踩踏事故的因素分析

（一）踩踏事故誘發(fā)因素及事故擴(kuò)大因素分析

經(jīng)搜集、整理和核實(shí)，將2015年至2022年共103起擁擠踩踏事件納入本次研究。分別對(duì)各類型踩踏事故的誘發(fā)因素、擴(kuò)大因素等進(jìn)行分析，總結(jié)了不同場(chǎng)所內(nèi)踩踏事故發(fā)生、發(fā)展的普遍規(guī)律。據(jù)分析，踩踏事故的誘發(fā)因素大致分為五種。因素一是突發(fā)情況，主要包括火災(zāi)、地震、暴雨、設(shè)施垮塌、突然熄燈斷電、宗教活動(dòng)高潮等。因素二是人員摔倒。因素三是人為破壞，包括謊稱“炸彈”、打架斗毆、燃放鞭炮、故意推推嚷嚷等。因素四是人群密度發(fā)生變化，如局部場(chǎng)地人群高度密集等。因素五是人群流動(dòng)變化，如人流速度，靜止人群忽然移動(dòng)，由低速流動(dòng)轉(zhuǎn)為高速流動(dòng)；人群異向流動(dòng)等。

在誘發(fā)因素的影響下事件若未能得到有效控制，則人群管理、疏導(dǎo)失敗，人群不穩(wěn)定狀態(tài)加劇。在環(huán)境因素、人的因素等影響下，人群未做出反映或來不及采取措施，從而引發(fā)踩踏事故。踩踏引起的人群騷動(dòng)在人群中迅速傳播，當(dāng)人群高度密集，恐慌人群在喪失理智、思考能力的情況下，將引發(fā)整個(gè)人群混亂，恐懼、無序的人流將很難控制，正常秩序被徹底打破，場(chǎng)面崩潰，進(jìn)而導(dǎo)致踩踏事件擴(kuò)大。若救援不及時(shí)，或方法不正確，則會(huì)加劇踩踏事件，人員傷亡人數(shù)增長(zhǎng)，救援失敗。

（二）不同場(chǎng)景踩踏事故的誘發(fā)因素分析

以商場(chǎng)為代表的大型室內(nèi)娛樂場(chǎng)所，誘發(fā)原因：商場(chǎng)搞促銷活動(dòng)，吸引消費(fèi)者，導(dǎo)致商場(chǎng)人群更加集中；人群因情緒激動(dòng)而出現(xiàn)騷亂，發(fā)生踩踏；因好奇心驅(qū)使，去人多擁擠處探索究竟，造成不必要的人員集中而踩踏。樓梯、街道等狹窄場(chǎng)所，誘發(fā)原因：事發(fā)場(chǎng)地過于狹小；同時(shí)大量人員涌入導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)過于擁擠；地形不平穩(wěn)，易發(fā)生推搡、摔倒事故；事故發(fā)生突然，影響迅速，現(xiàn)場(chǎng)缺乏有力疏導(dǎo)，引流措施。輪船、車站、宗教朝圣儀式等人員聚集地，誘發(fā)原因：人流量過于龐大且聚集；人員行進(jìn)匆忙，現(xiàn)場(chǎng)秩序難以管控；易發(fā)生大型意外事故。

四、智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和功能

（一）設(shè)計(jì)原理

智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、預(yù)警模塊、通信模塊、顯示模塊和控制模塊組成。各模塊相互協(xié)作，共同構(gòu)建起一個(gè)實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的防踩踏預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了多種傳感器技術(shù)，如紅外傳感器、超聲波傳感器和攝像頭等。這些傳感器可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到人群的位置、速度和密度等信息，為后續(xù)預(yù)警方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和分析，數(shù)據(jù)融合與分析采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別，以便更準(zhǔn)確地估計(jì)人群密度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

人群密度是衡量踩踏風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。系統(tǒng)采用了一種基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法，通過對(duì)攝像頭捕捉到的圖像進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)人群密度的精確估計(jì)。此外，系統(tǒng)還可以通過超聲波傳感器等設(shè)備對(duì)人群密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高預(yù)警的準(zhǔn)確性。在人群密度估計(jì)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)需要對(duì)踩踏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估并發(fā)出預(yù)警。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法綜合考慮了人群密度、人群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、場(chǎng)地容量等多種因素，以確定是否存在踩踏風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)系統(tǒng)判斷存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，將通過通信模塊向相關(guān)人員發(fā)送預(yù)警信息，提醒他們采取相應(yīng)的防范措施。

（二）功能

智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)通過智能視頻分析技術(shù)對(duì)人群密集的公共場(chǎng)所進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過AI算法對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行智能分析，獲取人群密度、人群空間分布等信息。當(dāng)某個(gè)區(qū)域聚集的人群達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過AI算法分析并實(shí)時(shí)報(bào)警，提示管理人員及時(shí)疏散人群，避免意外事故的發(fā)生。實(shí)時(shí)監(jiān)控可以對(duì)人流密度、空間分布規(guī)律、行為方式等特征進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷。當(dāng)預(yù)測(cè)到有潛在安全隱患時(shí)，例如有人摔倒等情況，系統(tǒng)會(huì)通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和智能視頻算法分析，并通過文字、語音等方式進(jìn)行提醒。

通過實(shí)時(shí)采集監(jiān)控視頻，并對(duì)視頻進(jìn)行存儲(chǔ)，在視頻存儲(chǔ)的過程中，可以通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要是對(duì)監(jiān)控畫面中的人流密度、流向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。該系統(tǒng)還設(shè)立了多級(jí)預(yù)警機(jī)制，根據(jù)人員密集程度的不同，發(fā)出不同程度的預(yù)警信號(hào)，以便場(chǎng)所管理人員采取相應(yīng)的措施。如果某一區(qū)域發(fā)生擁擠狀況時(shí)，系統(tǒng)可以聯(lián)動(dòng)前端攝像頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)判斷該區(qū)域的人流密度是否超過了設(shè)定的預(yù)警值。當(dāng)超過了預(yù)警值，會(huì)對(duì)突發(fā)事件的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前發(fā)出預(yù)警信息。一旦出現(xiàn)意外事故時(shí)，通過預(yù)先設(shè)置好的預(yù)警機(jī)制及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，與緊急疏散預(yù)案相結(jié)合，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒管理人員采取相應(yīng)的措施，系統(tǒng)也可以自動(dòng)啟動(dòng)緊急疏散程序，提醒管理人員，引導(dǎo)人群安全疏散。

五、智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)的創(chuàng)新之處

（一）科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新

“踏跡守衛(wèi)”智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)綜合添加視頻監(jiān)控手段，實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)測(cè)人流量變化及人群行動(dòng)軌跡，起到防范和預(yù)處理的作用。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就配備多種事故場(chǎng)所發(fā)生模型，依據(jù)場(chǎng)所的差異系統(tǒng)會(huì)形成不同的解決方案，具備多元化實(shí)施方案和運(yùn)行機(jī)制。從室內(nèi)大型娛樂場(chǎng)所、狹窄場(chǎng)所到戶外人員聚集地，根據(jù)場(chǎng)所特征分門別類生成不同的應(yīng)急方案，基于云計(jì)算算法和數(shù)據(jù)資源支持，該項(xiàng)目可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、全面分析、自動(dòng)預(yù)警、快速響應(yīng)的應(yīng)急管理系統(tǒng)一體化。研究使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以進(jìn)行踩踏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和事故模擬預(yù)測(cè)，有效預(yù)防擁擠踩踏事故的發(fā)生，即使在事故發(fā)生不可避免的情況下，也可以先一步避免事故影響擴(kuò)大化。我們研究基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時(shí)代下智能化科技打造的多場(chǎng)景應(yīng)用模式的防踩踏預(yù)警系統(tǒng)，采用多預(yù)備方案式系統(tǒng)設(shè)置，從整體的復(fù)雜系統(tǒng)考慮建立了基于人群風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的事故預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。

（二）功能創(chuàng)新

“踏跡守衛(wèi)”智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)可以針對(duì)不同級(jí)別的突發(fā)事件展示不同級(jí)別的應(yīng)急策略，使各單位能夠根據(jù)預(yù)案進(jìn)行及時(shí)應(yīng)對(duì)和快速準(zhǔn)確處理。在踩踏發(fā)生的第一時(shí)間，往往救援的失誤導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)此“踏跡守衛(wèi)”——智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)中會(huì)利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等科學(xué)技術(shù)聯(lián)合預(yù)防踩踏的方式減少發(fā)生事故時(shí)及解救人員時(shí)人力上所帶來的主觀上造成的延誤救援最佳時(shí)機(jī)。例：在應(yīng)急狀態(tài)下，系統(tǒng)可在地圖上點(diǎn)亮各類疏散元素，自動(dòng)顯示疏散預(yù)案?！疤ほE守衛(wèi)”智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)還能協(xié)助救護(hù)車和消防力量在趕往事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的路上進(jìn)行道路規(guī)劃，避開交通流量大的路段，開通綠色通道，不耽誤每一秒搶救的時(shí)間。

（三）應(yīng)用模式創(chuàng)新

“踏跡守衛(wèi)”智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)可以評(píng)估人群在短期大規(guī)模集聚的可能性和重大安全隱患,并建立智能防踩踏預(yù)警系統(tǒng)模型。根據(jù)韓國(guó)首爾梨泰院踩踏事故小巷人群應(yīng)急疏散的特點(diǎn)，通過對(duì)行人的疏散行為規(guī)律和道路布局進(jìn)行仿真分析。根據(jù)2015年上海外灘陳毅廣場(chǎng)踩踏事件，將模型轉(zhuǎn)化為特定區(qū)域的趨勢(shì)圖，為管理者實(shí)時(shí)提供檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的人流速度和人流方向，在特定時(shí)間內(nèi)的人流趨勢(shì)，以及歷史人流熱度等綜合統(tǒng)計(jì)信息，觸發(fā)不同級(jí)別響應(yīng)策略。有效避免由于現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確信息傳達(dá)不及時(shí)或安全通道擁堵沒有及時(shí)加派人員疏散而造成擁擠踩踏，減少人員主觀排查；提前警示管理者，提高管理的前置性。大幅度降低人為因素造成的事故后果，達(dá)到智能預(yù)警防范的目標(biāo)。同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域或場(chǎng)所的精細(xì)化管理，提出了“互聯(lián)網(wǎng)＋智能系統(tǒng)”創(chuàng)新模式，系統(tǒng)配備專業(yè)設(shè)備控制人員，實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的突發(fā)事件應(yīng)急管控，提升公共安全領(lǐng)域應(yīng)對(duì)與處置能力。

文章來源：  《上海輕工業(yè)》   http://m.12-baidu.cn/w/kj/30978.html