城市軌道交通智慧車站技術方案研究與設計

周勇

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043；2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院），西安710043）

車站是城市軌道交通公司管理運輸設備、提供運輸服務、管理經營的重要場所，也是城市軌道交通運輸組織和管理的關鍵節點。隨著物聯網、大數據、人工智能技術的不斷發展和成熟，如何在車站層面進一步提升智能化水平，已成為城市軌道交通行業信息化和智能化發展的重要課題。

作為一個新興的概念，城市軌道交通智慧車站還沒有權威的標準化定義［1］。從技術視角智慧車站可以理解為在信息化、數字化的基礎上，利用物聯網、數據分析、機器學習、人工智能等技術手段，依托智能系統和大數據平臺，實現設計施工、運輸組織、設備設施維護、經營開發管理、安全管理等過程智能化的系統。智慧車站的主要任務可以描述為面向乘客提供全方位便捷出行體驗，面向設備提供智能維護數據支撐，面向站務管理提供全景狀態管控，面向車站管理提供決策支持，從而實現更安全的運營、更智慧的服務和更高效的管理［2］。

1 智慧車站需求分析

1.1 智慧車站的需求

1）城市軌道交通發展迅速，網絡規模快速擴展，路網規模，特別是路網復雜程度顯著增加。大型換乘站越來越多，與之相關的客流量和客流OD（Origin-Destination，起訖點）越來越復雜，客流特征的變化對車站的運營效率、安全管理能力提出了更高要求，須要借助智能化手段進一步提升車站的管理水平。

2）車站內的機電設備數量不斷增加，智能化程度不斷提高，相關照明、通風、電梯、顯示屏等設備狀態監測能力不斷增強，管理人員能夠獲得大量數據；但如何處理并利用相關數據分析預測設備狀態和故障，目前還沒有成熟的解決方案［3］，須通過大數據、人工智能等技術提升設備監測和智能維修管理的能力。

3）隨著互聯網技術發展，基于網絡、二維碼、生物特征等支付形式的票務服務已經成熟。乘客須要相關票務系統、支付系統與互聯網體系構建無縫融合，從而獲得更加便利的出行服務和出行體驗［4］。同時，車站內信息系統也須要通過智能化的乘客行為分析、乘客特征分析提供更貼近乘客需求的個性化服務。

4）車站對安全管理的要求越來越高，而安全事件信息越來越多元化，需要更全面的監控能力對車站的綜合安全情況進行監控和實時分析，以便應對大客流、突發事件、治安事件等特殊情況，須借助視頻監控、周界監控等手段，結合圖像分析、數據分析等技術，實現對車站的全面監控和應急事件的更高效處置［5］。

5）車站已經在運行管理等方面建設了旅客引導服務、設備監控、車站級綜合監控、設備設施管理等相關信息系統，初步實現了作業過程的信息化，且相關系統的信息采集能力和設備狀態監控能力持續提升，這些系統及其采集的相關數據使車站具備智慧系統建設的技術條件。

6）典型城市軌道交通車站的各類業務系統往往分別規劃建設，系統功能集成、數據規范化等缺乏統一的標準，各系統功能模塊間設置相對獨立，數據資源無法共享，數據格式不統一［6］，數據整合和全過程的數據分析存在困難，需要打通數據流，共享數據資源。

總之，建設智慧車站是提升運營安全可靠性、提升運輸組織效率、提升乘客服務水平、改善旅客出行體驗和提升資源經營開發能力的重要手段。

1.2 智慧車站需求特征

智慧車站作為城市軌道交通的重要智能化發展方向，各類業務需求不斷涌現，特征如下：

1）系統集成復雜。智慧車站是典型的集成性系統，必須以車站的票務、機電設備監控、車站級綜合監控等系統為基礎建設［7］，基于專業系統的集成性平臺，實現原有分散系統的流程貫通和信息整合，為管理者、業務人員和乘客提供統一的應用接口。

2）以數字化為核心。智慧車站的核心是實現智能化，而智慧能力的構建必然基于數據資源管理和數據分析技術。原有的相關系統已經實現車站管理和業務流程的系統化，智慧車站建設的重點是實現系統的智慧賦能，這就須要從技術上構建車站層面的數據整合平臺，匯聚車站級相關數據資源，并通過數據分析技術構建能夠提升業務效能和智能化水平的數據應用場景，因此數字化、數字資源管理和分析應作為智慧車站建設的核心。

3）以設備智能化為基礎。車站有大量的機電設備和其他類型設備，對相關設備的監測和管理應以設備本身的數據采集、信息通信為基礎。設備狀態傳感器的安裝、傳感器信息的傳輸、控制指令信息的傳輸需要設備在設計、制造及安裝過程中預先考慮和集成。

4）業務價值多樣。智慧車站是車站各類系統的集成，在設計規劃階段，應從運輸組織效率、安全處置效率、設備維修優化、資源經營開發等方面多角度分析系統建設需求，評估業務價值。智慧車站的建設不是完全替代既有的業務流程系統，而是基于大數據、人工智能等技術全面優化各類業務流程。

2 智慧車站總體方案

2.1 總體架構

基于人工智能和大數據技術，從智慧應用、數據整合和設備感知設計城市軌道交通智慧車站總體架構（圖1）。智慧應用層分為2個子層級，其中應用系統實現車站管理、運輸組織相關的業務邏輯，智慧賦能通過數據分析技術賦予應用系統優化提升能力。

圖1 智慧車站總體架構

1）應用層。在數據層的基礎上，面向車站的監控、運行管理、設備維護、管理決策等業務場景構建智能化應用。其中，賦能層面向客流疏導、設備運用等不同需求，應用專門的方法和工具完成相關數據分析，分析結果可以直接為車站運行管理人員所用，也可以通過接口發布到應用系統中，實現應用系統智能化。智慧賦能層的數據分析功能，與應用系統層的業務流程不是一一對應的關系，同一個數據分析功能可以服務于不同的業務流程，一個業務流程處理也可能需要多個數據分析功能輔助。

2）數據層。智慧車站應構建支持海量數據存儲，支持復雜數據分析、計算、存儲的數據技術平臺，實時、準實時匯聚和批量處理各類數據。數據層應實現多種技術功能，比如邏輯數據模型的設計和組織，算法設計與分析工具的部署和實施，客流分析、設備狀態分析等各類數據專題庫的建設，其中數據資源的采集、存儲和分析是智慧車站的核心功能。

3）感知層。數據感知是智慧車站建設的基礎，通過應用系統和車站設備上的傳感器，將數據源從綜合監控、扶梯運行等應用系統傳輸到數據平臺。通過物聯網技術實時匯聚設備狀態、環境、客流、機電設備報警和故障信息，再通過網絡和傳輸協議匯聚到數據層，并通過相關的系統向車站運行管理人員發布，以便實時掌握車站運行狀態，合理決策。

2.2 應用層技術方案

智慧車站的功能基于車站實際業務按照功能模塊化、流程整合化、數據集中化的原則進行設計，總體上分為智慧監控、智慧運營管理、智慧運行控制、智慧運用維護、智慧應急和智慧決策6個部分。

2.2.1 智慧監控

智慧車站應根據感知層采集的信息實時監控機電設備、給排水設備、消防系統、自動售檢票系統等，結合位置、3D圖形、狀態、預警等綜合信息在統一的監控界面展示車站綜合狀態視圖，通過智慧監控功能為

車站運營管理人員提供一站式的狀態查看界面，同時應根據不同崗位提供定制化的展現方式。

2.2.2 智慧運營管理

智慧車站應針對乘客的乘車過程，在車站出入口的信息LED顯示屏根據站內情況靈活顯示各出入口的擁擠情況，提供智慧引導服務，并通過站內廣播實時播放最優的進出站方案。在車站內提供票卡信息的查詢與分析，為乘客和站務管理者提供便利，并設置問詢機器人實現智能語音問詢服務。

2.2.3 智慧運行控制

通過將車站設備信息和控制指令聯動實現動力照明、自動扶梯、卷簾門、視頻監控、廣播、乘客信息服務、自動售檢票等系統的開關管理和聯動，包括日常的自動開關站。根據客流情況，對于大密度的人群區域或針對聚集、滯留等異常狀況，通過分析和聯動指令調整相關設備運行的狀態和開關，并將相關信息傳送至終端進行報警顯示，發布信息提示。

2.2.4 智慧運用維護

設備維護是站務管理的重要內容，通過數據監控和分析，能夠優化車站關鍵設備故障分析、故障預警和維修規程，長周期地分析設備能耗情況，給出優化能耗的方案。智慧運維的數據分析范圍不限于單個車站內的設備，應綜合分析多個車站同型號設備的狀態、故障、維修工單數據，發現潛在的規律，對故障維修和管理給出智能化的優化方案。

2.2.5 智慧應急

智慧應急功能主要有應急預案管理、應急預警集中感知、應急指揮聯動等，基于對歷史事件的分析輔助編制應急指導文件，并預制應急場景下的設備聯動控制規則，支持快速應急響應。同時，通過數據層的數據整合，實現包括區域火災、突發客流、站廳異常等信息的集中預警，全面支持應急過程中信息同步和設備聯動，為指揮人員提供全面、及時、準確的應急輔助信息，并實現視頻、安全設備、乘客引導等系統的聯動。

2.2.6 智慧決策

運營管理、運行控制、運用維護等專業領域的智慧化最終能夠以綜合分析、趨勢預測等方式，為車站管理和企業管理者提供全面的輔助決策支撐，實現決策的智慧化。通過數據采集和分析計算車站運行的各類相關指標，量化反映車站生產組織情況；根據票務、站務、運維等業務系統分析人員績效，為提升勞動效率、降低成本提供依據；通過統一界面展示車站各類關鍵指標，為管理人員綜合展示設備狀態、客流趨勢、線路信息、BIM信息等，輔助管理者優化決策。

2.3 數據層技術方案

數據層是智慧車站的核心，技術上一般體現為面向車站進行數據采集、管理和應用的大數據平臺，可以物理上獨立部署，也可以通過城軌云平臺統一規劃提供，但邏輯上數據層應是面向車站提供數據處理和服務的技術平臺。數據層從功能上分為數據采集、數據存儲和數據分析，見圖2。

圖2 數據層技術架構

2.3.1 數據采集

數據采集在功能上應實現車站基本情況、設備狀態、視頻監控、乘客行為、票務、外部環境等各類信息數據同步上傳和集中，不同的信息數據需要不同的處理技術和接口規范，數據層應該能夠采集結構化、非結構化、流式等不同類型數據，并提供便捷規范的數據采集管理服務，監控采集任務。設置相關規則檢查數據標準，保證進入平臺的數據質量，定期生成質量報告，并提供管理數據質量的工具。

2.3.2 數據存儲

數據存儲層是數據層的關鍵部分，通常從技術上選擇Hadoop框架構建，一般包括實時處理、并行計算、流式計算等組件。為適應復雜分析的應用場景，須改變傳統的數據表格存儲模式，設計合理的基礎數據模型，按照分層存儲結構進行數據存儲。大量的視頻、語音等數據可直接在Hadoop分布式文件系統存儲和管理，以便有效控制存儲規模和成本。

2.3.3 分析算法

數據采集和存儲的目標是通過數據分析發現數據價值，分析算法是智慧車站借助數據賦能應用智慧化的重要技術基礎，通過數據分析層的模型和工具產生統計報表、趨勢預測等符合車站智能化需求的分析指標。數據平臺通過聚類、決策樹、神經網絡等數據分析算法支持對數據的深層分析和挖掘，通過對大量歷史數據的處理構建計算指標的數學模型，在一定約束條件下量化分析和預測未來一段時間內車站各類運行指標。視頻、語音等數據須用圖像識別、語音識別、自然語言處理等技術預處理后再用于數據分析。

2.4 感知層技術方案

智慧車站感知層是監測各類機電設備和系統，向數據層提供完整的信息，滿足各類設備全生命周期管理和健康管理的要求。

2.4.1 數據采集內容

不同設備采集的數據有所不同，但總體上應有：①設備基礎信息，包括設備名稱、規格型號、生產廠家、出廠時間等；②設備安裝信息，包括安裝時間、安裝位置、交付使用時間等；③設備特性參數，包括額定輸入、額定輸出、特性曲線、工作模式等；④詳細的技術參數，根據不同類型設備的具體情況采集，如給排水系統應對納管排放水質pH值、溶解氧、氨氮等詳細參數進行監測。

2.4.2 設備類型

系統感知層應覆蓋的信息采集范圍包括機電設備、給排水、消防、門禁、自動售檢票、視頻監控、自動扶梯、卷簾門、動力照明、站臺門、智能終端等設備。通過設備本身的系統采集設備的基礎信息，上傳到數據層長周期存儲，用于后續的狀態分析、故障預測等。

2.4.3 接口規范

智慧車站各類設備的狀態信息須通過安全、規范的網絡傳輸到數據層，選擇標準、通用、開放的接口協議或規約，串行接口一般應符合EIA標準RS422或RS485，以太網接口應符合IEEE 802.3標準中CSMA/CD協議。協議應保證通用性、開放性和軟件解碼能力，接口的通信采用查詢或事件觸發方式進行，以保證傳輸的經濟性。在網絡安全區域劃分的約束下，可以對同類安全等級的產品設置統一的數據接口平臺，實現接口的標準化管理和通信協議的標準化。

3 結語

本文以城市軌道交通智慧車站業務需求分析為核心，引入大數據技術，研究了城市軌道交通智慧車站的總體解決方案，并從智慧應用、數據整合和設備感知3個層面總體構建智慧車站，并給出了具體的技術方案，可供未來城市軌道交通行業深入研究智慧車站參考。