鐵路智能客運車站系統總體設計及評價

史天運，張春家

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

近年來隨著云計算、物聯網、大數據、人工智能等新技術的發展及應用，使得人類社會向技術與產業高度耦合、深度迭加、創新并行的智能社會演進，催生了智慧機場、智能交通、智慧工廠、智慧物流、智能樓宇等多行業的智能化建設。 “智慧機場”利用新一代信息技術實現點到點的時時互聯，圍繞運行、服務、管理、安全、商業5個方面，打造業務自動化、服務個性化、功能人性化、管理流程化的新運營模式[1]?！爸悄芙煌ā眲t聚焦交通信息提供、電子收費、商業車輛管理、交通燈智能控制、汽車自動駕駛/無人駕駛等方面，特別是無人駕駛汽車已經在上海和北京上路測試[2]。“智慧工廠”則圍繞生產設備網絡化、生產數據可視化、生產文檔無紙化、生產過程透明化、生產現場無人化5個方面開展工作，最終目標是做到“無人”工廠[3]。

客運車站作為鐵路與旅客的交互窗口，是一個龐大的功能集合體，具有非常重要的社會地位。JR東日本鐵路公司為實現“所有人都能夠方便、愉快地使用車站”專門建立了智能客運車站實驗室，用于相關新技術和創新理念的驗證與評判[4]。法國鐵路公司以數字化車站為突破口，打造數字化移動助理，圍繞乘客預算統籌多種交通方式的銜接、自定義行程、直接預訂和支付、事故及延誤情況實時提醒以及智能機器人等方面開展工作[5]。德國鐵路公司提出“鐵路4.0”戰略，圍繞創新網上和手機銷售渠道、改善和擴大車站及列車上的Wi-Fi服務、開發新的APP（列車實時追蹤軟件ZUGRADAR、多種交通方式的實時查詢、門對門旅行規劃軟件QIXXIT以及ICE平臺）、通過互聯網優化運行圖方案等改善旅客服務[6]。瑞士聯邦鐵路公司則在其“2020戰略”中，將擴展車站數字服務視為一項重點任務，并與谷歌、蘇黎世聯邦理工學院等合作開展研發工作，將虛擬現實技術充分應用到車站數字化建設中[4]；中國鐵路總公司2017年舉辦的智能鐵路主題論壇設立了智能客運車站子論壇，探討國內外智能客運車站的研究和發展情況[7-8]。

智能客運車站的研究和應用方興未艾，目前，我國處于智能車站研究起步階段，缺少建設智能客運車站明確的規范。本文對智能客運車站藍圖及功能進行總體設計，提出智能客運車站評價指標。

1 智能客運車站基本概念

1.1 定義

智能客運車站是在現代鐵路管理、服務理念和云計算、物聯網、大數據、人工智能、機器人等新信息技術基礎上，以旅客便捷出行、車站溫馨服務、生產高效組織、安全有力保障、綠色節能環保為目標，實現鐵路客運車站智能出行服務、智能生產組織、智能安全應急、智能綠色節能有機統一的新型生產服務系統[9]。

1.2 目標

智能客運車站的目標是旅客無障礙暢通出行、人性化無縫自助服務、安全實時監控、生產高效組織、全面綠色節能。

（1）旅客無障礙便捷出行：通過行程規劃、重要時刻提醒、通道按需動態開行、智能精準安檢、刷證刷臉檢票和一站式換乘等新功能，加快旅客進出站速度，縮短旅客排隊時間，實現旅客無障礙便捷出行。

（2）人性化無縫自助服務：通過站內定位導航、多語言智能問詢、環境舒適度主動監控、個性化資訊推薦、重點旅客服務等功能，為旅客提供人性化無縫自助服務，讓旅客享受出行過程。

（3）安全實時監控：通過對站內重點區域的煙霧、聲音、溫度、振動等車站安全要素實時監測，對站內重點人員、可疑物品進行辨識和跟蹤，做到危險及時報警、快速處置，為旅客提供安全的乘候車環境。

（4）生產高效組織：通過車站作業計劃一體化編制、人員設備動態調配、任務自動下發、設備狀態實時監測、及時反饋及評價，實現車站作業–人員–設備–設施–環境的協同聯動和業務全流程的可視化。

（5）全面綠色節能：通過站內各類設備的按需運行、自然資源的循環利用、新能源的開發、環保材料的使用，降低車站的能源消耗、資源浪費、環境污染，實現全面綠色節能。

1.3 顯著標志

智能客運車站的顯著標志是自助化、集成化、智能化、國際化、綠色化[10]。

（1）自助化：通過全面電子客票、“刷臉”進出站、清晰的引導標識等為旅客出行全流程提供自助化服務，實現旅客自助購票、自助安檢、自助進站乘車、自助出站、自助換乘等。

（2）集成化：通過集成站內各信息系統，打破系統之間的通信壁壘，實現系統之間的互聯互通和數據共享。

（3）智能化：通過智能化設備為旅客提供更加清晰的路徑指引、更加豐富的信息咨詢、更加個性化的出行服務；通過人工智能為工作人員提供更高效的生產組織、更科學的輔助決策。

（4）國際化：通過多語言、多形式的客運服務，為不同國家、不同類型的旅客提供更加舒適、便捷的出行服務。

（5）綠色化：通過設備節能控制、自然資源循環利用、新能源應用等方式，實現車站的綠色運營和節能減排。

2 智能客運車站總體設計

2.1 總體藍圖

圍繞提高旅客服務、生產經營和開放共享3大能力，滿足旅客“即到即走”、無障礙出行的需求，結合鐵路客運車站的業務需求，提出 “2+1+4+N”的智能客運車站總體藍圖，即2個體系、1個平臺、4大業務版塊、N個應用。“2個體系”是指信息安全保障體系和標準化評價體系；“1個平臺”是指智能車站管控與服務平臺，也稱車站大腦；“4大業務版塊”包括旅客服務、生產組織、安全應急、綠色節能；“N個應用”是指4大業務版塊中的具體業務應用，包含既有系統和新增系統。智能客運車站總體藍圖如圖1所示。

圖 1 智能客運車站總體藍圖

相比現有鐵路客運車站的系統構成，本文依據“網絡互聯互通、數據集成共享、融合業務系統、拓展服務邊界”的設計原則，構建了基于智能車站管控與服務平臺的智能客運車站總體藍圖。智能車站管控與服務平臺是智能客運車站的大腦，建有可自主學習的旅客服務和生產協同模型，實時監控站內全生產要素的狀態并及時預警，自動生成輔助決策指令，實現客運車站的可視、可控和可學習，保障車站所有設備、設施、系統、人員、作業的高效運轉，與車站應用互聯互通、互不取代，為各應用增智賦能、提供全面支撐，保障客運車站安全穩定運行。

2.2 總體架構

智能客運車站采用一級部署、兩級應用的總體架構，通過智能車站管控與服務平臺聯通鐵路總公司、鐵路局以及車站的客運相關信息系統，實現數據的及時共享、業務的協同聯動、過程的閉環管控、服務的精準外延。智能客運車站系統的總體架構如圖2所示。

在鐵路總公司設置接口服務器，從鐵路總公司相關專業系統獲取調度信息、客票信息、列車正晚點信息等數據，并通過廣域網實時傳輸至車站大腦。

在鐵路局配置服務器、網絡設備和操作終端等必要的設備，部署智能車站管控與服務平臺（車站大腦）。平臺從鐵路局數據服務平臺獲取基礎數據（站名字典、局名字典、線名字典）和GIS數據；從鐵路局相關專業系統獲取旅客服務信息、視頻監控信息、客運車站設備信息、客運管理信息、應急指揮信息等；通過鐵路局鐵路安全平臺實現與互聯網、站車交互網的聯通，獲取路外相關信息系統的數據（天氣、輿情等）以及列車乘務和即將進站的列車信息。

車站配置接口服務器，用于平臺與站內系統、設備間的數據交互。一般情況下車站不配備主機和存儲設備，若特殊大站需要較強的數據分析、視頻分析等能力，可根據情況考慮自身設置相應的硬軟件平臺。

圖 2 智能客運車站總體架構圖

2.3 技術架構

智能客運車站技術架構包含數據感知技術、網絡傳輸技術、數據處理技術、業務應用技術和通用技術，如圖3所示。

圖3 智能客運車站技術架構

（1）數據感知技術：利用RFID電子標簽、攝像機、拾音器、空氣質量監測、iBeacon等技術采集車站內的客流密度、排隊長度、設備運行狀況、環境參數、噪聲、廣播、人員位置等信息，實現車站主要生產要素的全覆蓋實時感知。

（2）網絡傳輸技術：通過感知網進行感知數據的傳輸，接入網通過有線接入或無線接入的方式將數據傳輸至承載網，實現網絡組織與互聯互通。

（3）數據處理技術：通過大數據分析、微服務、人工智能、智能視頻分析、數據建模、并行計算、神經網絡等數據處理技術，進行數據的存儲、處理、分析、融合、建模、應用等。

（4）業務應用技術：通過云計算、信息共享、微服務等技術進行數據資源和應用服務的整合，實現環境、設備、人員的實時監控、客流分析、業務反饋、協同辦公、站地智能聯動、數據共享和可視化展示等。

（5）通用技術：包括公共技術、安全技術、QoS管理和網絡管理等。

2.4 應用架構

2.4.1 平臺應用架構

智能車站管控與服務平臺包括：數據匯集與共享、管控與協同聯動、大數據分析、車站智能服務、數字化車站、云計算服務6個子平臺和平臺管理，其應用架構如圖4所示。

（1）數據匯集與共享子平臺：打破現有信息系統之間數據共享的模式，構建以“車站大腦”為中心的星型數據共享模式，各業務系統與“車站大腦”構建標準化數據接口，“車站大腦”實現站內作業、列車、人員、旅客、設備、環境等全生產要素狀態的實時采集，并通過接口與各系統共享數據。

圖 4 智能車站管控與服務平臺（車站大腦）應用架構

（2）管控與協同聯動子平臺：利用分析算法和模型實時計算站內擁擠度、舒適度、通過能力、人員和設備響應速度等運營指標，當出現異常時自動發出報警信息，并結合車站的運營狀況給出處置建議，進行作業–人員–設備的協同聯動處置，實現車站運營狀態的智能監控、評判和協同聯動。

（3）大數據分析子平臺：基于車站運營過程產生的龐大的服務和生產數據，利用大數據分析技術構建面向車站服務和生產具體場景的智能分析模型，構建次日客流、列車正晚點等車站運營核心要素預測模型，并通過實際生產數據與預測數據的比較更新模型；將實際生產數據放入模型中進行計算實驗、模擬和驗證，自動生成決策建議和新的運營計劃，實現基于大數據分析的主動決策[11]。

（4）車站智能服務子平臺：將車站各業務應用需要的人工智能服務和算法集中在“車站大腦”中，包括專家經驗規則庫、支撐高并發的實時智能音視頻分析算法庫、面向服務和生產的語義理解知識庫、面向業務分析的模型庫等，為站內服務和生產系統、智能機器人、移動APP、站內查詢機、操作終端等提供支撐，提升其智能水平。

（5）數字化車站子平臺：利用虛擬現實+BIM+GIS技術構建車站1:1實景3D模型。將站內

設備設施、工作人員、業務流程、現場音視頻資料等所有生產要素在車站實景模型中以3D可視化數字展示，實現基于實景3D模型的車站旅客服務、生產組織、安全應急等業務的集成化指揮，利用實景3D模型對車站的服務流線、設備協同、應急處置等場景進行模擬仿真，優化流程提高效率。

（6）云計算服務子平臺：利用云計算技術將部署在鐵路局或大型客運車站的客運相關計算資源、存儲資源和網絡設備進行整合，構建云端服務集群。不再為信息系統配備獨立的計算資源，而是在云端服務集群中為所管轄的一個或多個車站動態分配計算資源，實現計算資源的按需分配和使用，避免資源浪費、降低維護成本[12]。

（7）平臺管理：構建統一的身份認證和標識管理體系，做到“一人一賬號、一物一標識”。構建業務需要動態調整人員和設備的權限，動態劃分各系統的計算、網絡和存儲資源。因此，在平臺中需統一進行各數據接口的申請、審核、運用監控和報警，實現管理透明化、配置最優化和接口標準化。

2.4.2 業務應用架構

依據智能客運車站藍圖將客運車站的業務劃分為旅客服務、生產組織、安全應急、綠色節能4大業務版塊[9]，如圖5所示。

圖 5 智能客運車站業務應用架構

（1）旅客服務業務版塊：為旅客提供線上線下出行服務，內容涵蓋旅客出行的全過程，使旅客感受到便捷、舒適、溫馨的出行體驗。主要包括：客票發售與預定、自動驗檢票、旅客服務、移動APP等系統。

（2）生產組織業務版塊：涵蓋站內所有生產作業，通過對工作人員、客站設備的協同指揮，實現更加快捷、高效的業務組織。主要包括：客運管理與指揮系統及客站設備運用監控系統。

（3）安全應急業務版塊：以車站的安全生產、風險管理和危險預防為目標，為旅客提供安全的出行環境及快速的應急處置。主要包括：客站應急指揮、智能音視頻監控、站臺全防護等系統。

（4）綠色節能業務版塊：從綠色環保、節能降耗的角度考慮車站建設和運營。主要包括：設備節能控制、環境舒適度監控、太陽能發電等系統。

2.5 關鍵技術

（1）基于物聯網的客運車站運行環境全天候、全區域監測理論技術

以“安全、節能、舒適”為原則，運用物聯網技術全天候、全區域實時監測和感知車站候車室、檢票口、進站口、出站口、換乘通道等關鍵區域的人流密度、排隊長度、通過速度、移動方向、環境舒適度等車站運行環境信息。

（2）基于信息、人員、設備、環境的協同聯動技術

“車站大腦”通過統一的數據接口實現車站作業、列車、人員、設備、環境等信息實時匯集和共享，依托信息的實時流轉打破信息系統獨立運行造成的人員、設備各自為戰，實現人員、設備、環境的協同聯動。

（3）基于人工智能和大數據的客運車站安全應急決策和處置技術

針對列車大面積晚點、大批旅客滯留、火災、暴恐等站內各類突發事件的典型場景，結合車站的實際運營狀況和應急處置預案，給出科學的決策建議；快速調配站內各類應急資源，及時監控和回傳現場狀況，保證指令準確及時下發；實現貫穿突發事件監測、預案、組織、響應、處置、恢復和評估的一體化應急。

（4）基于深度學習和邊緣計算的智能音視頻分析技術

通過神經網絡、深度機器學習、邊緣計算等人工智能技術，對車站進站身份核驗處、檢票口、候車大廳、售票廳、自動售取票廳、中轉換乘通道、電梯附近等重點區域的視頻、圖像、音頻進行深度學習訓練，使機器模擬人完成人臉檢測、身份證信息比對、客流趨勢監控、客流分析預警等操作，減輕車站工作人員負擔，優化客運組織流程。

（5）基于生物特征識別的虛擬閘機技術

通過多種檢測手段對旅客的指紋、臉形、虹膜、視網膜、手形、步態、聲音等生物特征進行采集，采用圖像識別、語音處理、智能視頻分析等技術對旅客生物特征進行識別，將結果與旅客身份信息和購票信息進行比對，保障已購票旅客正常便捷出行，并對異常旅客進行預警和追蹤。

（6）基于語音識別的多語種交互式旅客服務技術

在旅客服務APP或查詢終端設計語音交互查詢服務?；谛盘柼幚?、模式識別、發聲機理和聽覺機理、人工智能等技術，對旅客查詢話語進行智能分析，并為旅客提供語音回答。語音交互服務提供多種語言、多種口音的智能識別功能，為不同國家、不同地區的旅客提供無障礙查詢服務。

（7）智能客運車站評價指標體系構建技術

根據智能客運車站需求及功能建設，設計智能客運車站評價指標體系。設計指標類型、指標個數、指標級別和權重比例，并根據車站類型構建不同評價模型。

3 評價指標

評價指標是對智能客運車站建設成果和運營效果的綜合量化描述，不僅能夠客觀、準確地評價已運營客運車站的智能化水平，而且能夠引導未建成客運車站朝著正確、合理的方向建設和發展。智能客運車站的評價指標需要深入結合車站的具體業務功能，并融合新的信息化技術發展趨勢，實現對鐵路客運車站智能化水平的準確評價、智能化發展方向的正確引領，達到以評定級、以評促建、以評規范的效果。評價指標的構建遵循系統性、典型性/代表性、科學性/客觀性、可比/可操作/可量化、綜合性/引導性、可擴展性6大原則[13-15]。

在鐵路客運車站發展戰略規劃和目標實現的過程中，信息服務資源、智能生產及服務設備為發展目標提供支撐和服務的程度是衡量智能客運車站發展水平的重要指標。智能客運車站的評價指標主要從3個方面進行構建。

（1）智能化應用覆蓋度：通過信息系統、智能化生產及服務設備對車站固有功能、業務及服務的覆蓋程度，衡量智能化信息系統和設備對車站智能化發展的影響程度。

（2）智能應用效果：采用智能化系統和設備后，對原有車站業務和服務的提升、改進和創新作用。

（3）智能應用持續改進：智能化信息系統和設備能否隨車站發展的需要持續改進和創新，是否能夠不斷提升或者具備不斷提升的潛力。

智能客運車站評價指標體系是反應新型客運車站信息化、智能化、產業化發展建設水平、應用效果的評價指標全集，其中一級指標5個，二級指標17個，如圖6所示。

圖6 智能客運車站評價指標體系

4 試驗

為驗證智能客運車站系統的合理性和先進性，選擇太原站為試點，進行了智能客運車站系統建設試驗，圍繞旅客服務、生產組織、安全應急、綠色節能開展相應工作。以下通過幾個典型應用對智能客運車站系統的先進性進行說明。

4.1 基于3D實景模型的客運信息集中展示

根據太原站實際結構布局搭建了可視化3D實景模型圖，在3D實景模型中可實時展示到發信息、環境監測數據、視頻監控信息、設備基礎信息及實時狀態、區域人流量及密度等，并能夠對異常情況進行報警。另外，可通過3D實景模型進行應急疏散演練，設計和優化疏散路線等，如圖7所示。

圖7 車站信息全景展示

4.2 基于語音識別和語義理解的智能服務

在智能車站管控與服務平臺中構建支撐高并發的實時智能音視頻分析算法庫、面向服務和生產的語義理解知識庫和專家經驗規則庫。旅客能夠通過語音問詢在旅客服務APP及語音交互機器人上進行信息查詢，APP和語音交互服務機器人將查詢語音發送到后臺分析中心，通過語音識別及語義理解對音源進行分析，獲取最優答案提供給旅客。

4.3 基于智能音視頻分析的閉環監控

通過攝像頭及拾音器對LED屏及廣播進行實時監控。通過智能視頻分析技術分析LED屏的狀態及顯示內容的準確性，將分析結果反饋到LED屏控制模型進行閉環控制；通過拾音器采集廣播信息，采用智能音頻分析技術對廣播信息進行分析，并反饋到控制系統，實現廣播的閉環控制。對LED屏及廣播的閉環管控保障了LED屏和廣播的準確性。

5 結束語

本文提出了鐵路智能客運車站的定義、目標和顯著標志，根據客運業務提出了智能客運車站總體藍圖以及總體架構、技術架構以及應用架構，從新技術應用、信息系統構成、業務應用等角度對智能客運車站進行闡述，并給出了智能客運車站評價指標。通過在太原站搭建試驗環境，對智能客運車站部分典型應用進行試驗，試驗結果表明，智能客運車站建設具有較高的可行性和先進性。