传媒视角 | 上科大信息学院研发“智能地砖” 实现自供能人群监测

This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore（https://spectrum.ieee.org/tag/ieee-xplore）.

近日，研究人员研发出一款新型“智能地砖”。这款地砖无需外接电源，可被动监测行人数量及流动情况。地砖的运行能量，来自行人踩踏产生的机械能。这项技术进展能够助力实现低成本、便捷化的人群监测，为公共安全保驾护航。

中国上海科技大学信息科学与技术学院副教授Junrui Liang（梁俊睿）表示：“全球范围内，与大规模人群聚集相关的公共安全事故时有发生，在大城市中尤为突出。”他还提到新冠疫情期间的情况 —— 彼时，实时掌握行人流动态势及人员间距，具有极高的实用价值。

梁教授指出，尽管摄像头可用于人群监测，但这种方式存在隐私方面的隐患，比如在公共场所未经同意就被拍摄记录，同时部署成本也较高。“因此，我们构思了多种行人流量监测的替代方案，这款无源地砖便是其中之一。”他说道。研究人员已于11月在《IEEE传感快报》期刊上发表了相关研究成果（

https://ieeexplore.ieee.org/document/11244830）。

梁教授及其团队设计的这款智能地砖厚度仅15毫米，内置准静态触发式电磁采集器。这种采集器借助行人踩踏的力量触发一种类弹簧机构，以此将踩踏产生的机械能转化为电能。当该机构被压缩或释放的位移超过1毫米阈值时，会在线圈中形成磁通量，进而感应出瞬时电压脉冲。这些电能随后会被用于传输数据，数据包含踩踏时间戳和行进方向信息，通过低功耗蓝牙技术上传至云端服务器，实现实时监测。

具体而言，这款智能地砖能够判断行人的行进方向，其原理源于人类的行走步态 —— 脚跟会率先接触地砖，随后是脚掌前掌和脚趾依次落地。单块地砖内不同准静态触发式电磁采集器所记录的带时间戳数据，可依据脚步不同部位触碰地砖的先后顺序，判断出行人的行进方向。

在单人慢速或快速行走的对照实验中，这款地砖对行进方向的判断准确率达到了97.4%。梁教授表示：“即便是在行人奔跑的情况下，判断准确率依然能保持在92.6%。”

那么，这款地砖在人群密集的真实场景中，表现又会如何呢？

研究人员将这款智能地砖安装在自己实验室的入口处，同时借助视频录像，对地砖连续120小时（即5天）监测入口人流量的准确性进行验证。

在这一实地场景 —— 或者说办公室场景中，这款地砖在人数统计和行进方向判断上，依然实现了94.8%的综合准确率。统计显示，地砖共完成714次准确计数，出现35次漏计情况，另有2次方向记录错误。

Siyang Liu

绝大多数计数失误都发生在人流量高峰时段，比如行人脚步快速连续踩踏地砖、有人踩在地砖边缘位置，或是踩踏动作未能完全触发地砖的四个传感器模块。

梁教授表示，这款地砖在不同行走速度和不同踩踏位置下，依然能保持如此高的准确率，这让他颇感意外。尤其是考虑到这套系统的设计极为简易，且无需电池供电。他认为，研究取得成功的主要原因在于准静态触发式能量采集器的高灵敏度，同时研究团队采用的数据处理模型也善于过滤误报信号。

梁教授补充道，这款地砖的现有设计具备诸多优势，包括成本低廉、易于部署以及完全的能源自给能力。不过目前它还存在两个局限性：一是无法统计并排行走的行人，只能识别单列通行的人群；二是蓝牙传输距离被限制在10米以内，数据接收器必须放置在地砖附近。

该研究团队已创立一家名为ViPSN有限公司的物联网初创企业，目前正推进智能地砖的规模化生产与商业化落地工作。从长远来看，他们计划将这款地砖的应用场景从行人监测拓展至安防、虚拟现实等更多领域。

来源：IEEE电气电子工程师学会