京張高鐵旅客全行程智慧信息服務技術研究與應用

王雪峰，董興芝，原非凡

（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）

隨著新一代信息技術、網絡通信等先進技術的涌現與發展，世界高速鐵路正在向數字化網絡化智能化方向轉變。北京2022 年冬奧會和冬殘奧會（簡稱：冬奧會）是全球首次三賽區聯動、以高速鐵路為主要運送方式的奧運盛會，北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）承擔著冬奧會交通保障功能。京張高鐵具有客流構成復雜、運營服務標準高、運營安全要求高等賽期運營特征，傳統的鐵路運輸服務已無法滿足冬奧會賽事期間旅客出行服務需求，研究京張高鐵全行程智慧出行服務勢在必行[1]。

著眼于為冬奧會京張高鐵旅客提供便捷、舒適、安全的全行程智慧信息服務，研究面向冬奧會的京張高鐵全行程智慧信息服務技術，以提升冬奧會賽事期間旅客出行服務水平，為北京冬奧會提供科技支撐。

1 京張高鐵全行程智慧出行服務構想

1.1 鐵路旅客全行程智慧信息服務內容

鐵路以完成旅客出行位移為主要運輸目的，在旅客全鏈路出行過程中，以“點—線—點”出行方式完成從出發地至目的地的鏈條式出行。

通常，大部分旅客對列車晚點都心存焦慮，為了準時乘坐列車，往往提前數小時抵達車站候車，特別是對于發車時間較早、且處于公共交通運營時間之外的車次[2]。鐵路客運站作為鐵路運輸的主要服務節點，出行旅客往往會在鐵路客運站長時間停留，辦理上車前的票檢、安檢、身份驗證等業務。鐵路大型車站站房面積大，站房內部結構復雜，服務旅客規模較大，旅客因不熟悉車站環境，常常在問詢、探路過程中消耗很多時間。

如何快速、便捷、簡單地引導旅客抵達目的地，以及到站后快速離站是鐵路智能化服務亟需解決的問題[3]。為此，基于人臉識別、消息推送、站內導航等技術，為旅客提供智能化、個性化的出行服務推薦，實現旅客全行程智慧信息服務是十分必要的，其主要服務內容如圖1 所示。

圖1 全行程智慧信息服務

（1）人臉識別：對于已購車票的旅客，當旅客到達火車站進站時，檢票口的人臉識別設備會對旅客進行身份認證，并通過旅客的人臉信息關聯到旅客的身份證號，進而獲取到旅客的訂票信息和行程信息。

（2）出行服務推薦：根據旅客當前位置和目的地位置，通過融合多種交通方式，為旅客動態規劃最優的到站路線，為旅客節約更多的時間。

（3）服務信息推送：當旅客成功購票后，系統會為旅客推送購票信息和行程信息。當快要到達旅客列車發車時間時，系統也會為旅客提供發車提醒，以及建議出發時間的信息推送服務。

（4）站內導航：當旅客進入站內后，通過對站內位置點設置定位標簽，為旅客提供站內定位和目的點個性化導航服務，同時提供站內服務場所的智能化推薦服務。

1.2 鐵路旅客全行程智慧出行服務流程

針對鐵路旅客出行過程中的痛點問題，以鐵路旅客全行程出行引導為目的，設計如圖2 所示的鐵路旅客全行程智慧出行服務流程：

圖2 鐵路旅客全行程智慧出行服務流程

（1）當旅客打開鐵路12306 互聯網售票系統App（簡稱：12306 App）后，可通過人臉識別功能獲取用戶實名認證信息，若自動識別失敗，也可由旅客采用手動輸入方式錄入身份信息；

（2）在用戶完成核驗和確認身份信息后，通過與票務系統進行數據交換，可獲取用戶車票信息和行程信息，在發車前系統會通過12306 App 或微信公眾號，為旅客推送出發提醒信息；

（3）根據旅客行程及其當前定位信息，利用行程路線規劃算法，分析當前點位和線路信息，為旅客推薦多種出行方式，并規劃出每種出行方式對應的出行路線，再根據旅客所選擇的出行方式及路線，為旅客提供智能引導服務；

（4）旅客到站后，系統會自動獲取旅客當前位置，以及所乘車次對應的檢票口信息，通過站內導航服務，為旅客規劃快速進站路線；在時間允許的情況下，還可為旅客推薦進站途中的候車、購物等站內服務場所，讓旅客在候車期間，能夠便捷地體驗車站提供的各類服務，豐富旅客出行體驗。

2 主要應用場景

2.1 進出站閘機人臉識別檢票

鐵路車站人員密度較大，室內環境相對復雜，為了方便旅客快速進出車站，鐵路部門采用了人臉識別智能檢票技術。目前，人臉識別閘機檢票已在我國各大車站廣泛使用，為旅客實現快速進出站提供了便利通道[4]。

在旅客進出鐵路車站時，通過人臉識別進行身份驗證，不僅簡化了旅客進出站業務辦理流程，也減少了排隊取票時間和候車時間，避免旅客因進站耗時過多而晚點，有助于改善旅客出行體驗，也是實現全行程智慧出行服務的技術基礎。同時，進出站采用閘機人臉識別檢票的方式，也極大地減輕了車站工作人員的工作壓力，顯著提高了客運車站運營效率。

2.2 全方位站內導航服務

鐵路客運站站內環境復雜，站內導航服務主要滿足旅客預覽站房布局和站內各類服務設備/設施配備，以及智能化站內導航等需求，方便旅客在車站內快速辦理業務，高效獲取所需服務。

目前，12306 App、中國鐵旅App 等應用均已集成站內導航功能，如圖3 所示中，站內導航系統已在京滬鐵路全線、京張鐵路部分高鐵車站投入應用。

圖3 站內導航效果

站內導航系統可為旅客提供室內三維地圖展示功能，利用藍牙定位為主的定位方式，實現地圖瀏覽、縮放、平移等操作；提供車站公共服務和周邊設施查詢服務，通過檢索目錄或關鍵字搜索，可查詢特定目標位置，在站內地圖上查看該目標所在樓層及精確位置；為旅客提供站內點到點路徑規劃指引，還可提供不同樓層平面圖的換層方案供旅客選擇。

2.3 基于旅客行程智能化消息推送服務

信息推送是全行程旅客信息服務不可或缺的重要組成部分，為滿足旅客多元化、個性化、一站式的綜合信息服務需求，需要基于客運車站導航應用，實現向旅客精準地推送客運服務和營銷信息。

（1）適時向旅客推送所乘坐列車的安檢時間、到站時間、檢票時間、檢票口等出行服務信息，推薦旅客從哪個進站口進站，在什么地方取票購票等，以及站內餐飲、購物等服務信息。

（2）依據旅客當前位置信息以及旅客行程信息，結合客運服務相關數據，智能化地推薦旅客出行方案、出發時間、以及出行方案的路書，并按不同優先層級動態顯示。

（3）對采集的旅客出行數據進行抽取、轉換和融合處理，以智能化方式，向出行旅客精準地推送列車正晚點、周邊景點、交通指引等服務信息。

3 關鍵技術

3.1 基于MTCNN 模型的人臉識別

鐵路車站人員密度較大，室內環境相對復雜，為了實現旅客快速進出站，減少旅客取票、候車時間，鐵路部門采用了人臉識別智能檢票技術，該技術采用 MTCNN 模型。

MTCNN 是一種多任務級聯CNN，是用于人臉檢測的深度學習模型。該模型綜合考慮人臉邊框回歸和面部關鍵點檢測，采用候選框加分類器的思路，實現快速、高效的人臉檢測。如圖4 所示，MTCNN包含3 個級聯網絡：快速生成候選窗口的P-Net、進行高精度候選窗口過濾選擇的R-Net，生成最終邊界框與人臉關鍵點的O-Net。

圖4 MTCNN 級聯網絡結構

MTCNN 算法以從粗略到精細的方式，預測人臉及人臉關鍵點的位置，進行人臉檢測與對齊；其處理過程如圖5 所示。

圖5 基于MTCNN 算法的人臉識別過程

確定臉部5 個基準點后，采用改進的特征提取網絡Insightface，結合損失函數優化方法進行人臉特征提?。焕肍aiss 檢索提取的人臉特征，以完成人臉識別[5]。具體過程如下：

（1）不斷地調整人臉圖片尺寸大小，以生成圖像金字塔；

（2）將圖像金字塔輸入P-Net，生成大量候選（candidate）圖片，通過分類和NMS 篩選，剔除掉大部分假的候選圖片；

（3）將剩余的候選圖片輸入R-Net 進行精調，再次通過NMS 篩選，剔除掉過多的候選圖片；

（4）將其余的候選圖片輸入到O-Net，由ONet 對這些候選圖片進行處理，輸出準確的邊框回歸坐標和地標坐標。

3.2 旅客行程服務信息采集與融合

旅客行程服務信息采集與融合過程，如圖6 所示：

圖6 旅客行程服務信息采集與融合過程

（1）旅客手機上12306 App 的人臉識別功能獲取旅客的實名身份信息后，從購票系統讀取旅客行程數據信息，包括車票的出發到達時間、車次、席別、票種，以及乘車人信息等；

（2）讀取由站內外導航定位模塊采集的旅客當前動態位置信息，結合旅客選擇的出行方式，如出租車、自駕、公交、步行、騎行等，由旅客行程智能規劃模塊計算生成出行線路推薦方案；

（3）在旅客所乘坐列車發車前6 h，12306 App會自動計算出從當前旅客的位置，采用不同出行方式，到達車站的最長時間X，以及從車站進站口到達檢票口的時間Y；若當前時間Tnow+X+Y＞旅客出發站列車開始檢票時間Tck，12306 App 會主動向旅客推送出發提醒信息，并計算出不同出行方式下預估的出行時長及費用；

（4）當旅客進站后，12306 App 會自動讀取旅客歷史行程記錄，分析出旅客的消費偏好，智能地向旅客推薦車站內的休閑和購物場所。

3.3 旅客出行服務信息推送

旅客出行服務信息推送是服務端主動將信息送達客戶端（主要考慮移動端，如旅客手機），旅客出行服務信息推送模塊采用HTTP/HTTPS 接口方式，可將不同客戶端本地APIs 接口差異最小化。該模塊以定時任務方式，自動獲取旅客服務系統的列車正晚點信息，并采用變更數據實時推送的方式，達到與數據源的強一致性。

該模塊采用Java 語言開發，JMS（Java Message Service）消息域采用發布/訂閱模式的廣播模式，消息確認支持本地事務和非本地事務提交，回滾時將重發消息，采用消息隊列和緩存配合NIO 模型的方式，實現大流量的消息推送。

3.4 站內導航相關技術

根據總體規劃要求及車站實際情況，鐵路客運站站內導航應用主要分為鐵路導航應用公用基礎應用、車站導航基礎設施和移動端應用。其中，鐵路導航應用公用基礎應用統一管理全路地圖數據，存儲用戶定位數據和導航數據。車站導航基礎設施主要包括4 個部分：（1）站內定位硬件；（2）站內地圖數據；（3）站內導航服務；（4）站內導航應用接口[6]。移動端應用是安裝在鐵路工作人員移動終端、鐵路客服設備、旅客移動終端等設備上的導航應用模塊，采用統一技術架構與個性化需求相結合的模式進行開發。

3.4.1 站內導航底圖繪制

現場數據采集結合站內引導需求、室內公共設施數據、室內路網數據等數據，結合三維GIS 技術繪制CAD 矢量圖。對鐵路客運站站內的建筑設施、商家、服務站點等場所進行現場測量，完成鐵路站內導航公用基礎數據采集和加工處理，使用CAD 完成現場導航底圖的繪制，具體制作步驟為：

（1）繪制軸線，橫縱向以3 m 為單位；

（2）繪制好軸線后，根據現場實況用測距儀進行現場圖紙繪制；

（3）對初步繪制的CAD 平面圖進行圖像矯正和圖像矢量化[7]。

3.4.2 站內藍牙iBeacon 定位裝置部署

基于不同定位載體的站內導航實驗分析結果如表1 所示，綜合考慮定位精度、成本、受環境干擾度，以及系統兼容性，鐵路客運站站內定位載體選擇藍牙更合理。

表1 定位載體數據比較

在車站底圖區域，按水平方向間隔3～5 m、垂直方向離地面3 m 的距離，部署用于站內定位的藍牙iBeacon 定位裝置。

車站內移動客戶端的定位與導航程序定時掃描藍牙設備信號，并數據庫中藍牙指紋信息進行匹配，通過定位算法計算出當前位置[7]；此外，還可以將藍牙iBeacon 定位信息與移動客戶端上的慣導、地磁以及移動網絡定位數據進行融合，實現站內無縫的、高精度定位和智能導航功能。

3.4.3 指紋定位

站內定位采用的是基于藍牙的多源融合高精度定位技術，即以藍牙定位技術為主，融合4G/5G、Wi-Fi、地磁、手機慣導等技術，實現站內高精度定位，將多種傳感器采集的定位數據進行共享、關聯和融合，以便獲得覆蓋范圍更廣、定位更為精確的位置信息。因受到站內現場環境的約束，藍牙定位設備和Wi-Fi 設備的部署位置與密度會受到一定限制，導致站內局部區域的定位效果較差，需要利用其它定位技術進行彌補，如在站外區域利用4G/5G、GPS 等技術，以達到無盲區、連續順暢的定位效果。

定位模塊采用指紋定位算法，在定位區域收集很多的指紋數據（即無線信號的RSSI 值數據，定義一個個網格點來采集無線強度值）藍牙模塊作為已知節點發送廣播，手機或者其它節點接收廣播信息，從廣播信息中提取已知節點的位置信息；當需要定位時，將手機采集到的無線信號與預先收集的指紋數據庫進行對比，找出最相似指紋的位置，將其標注在室內地圖上。

3.4.4 基于A*算法的站內導航

導航模塊采用A*算法，通過不斷匹配目的地址，當前地址與目的地址重合時結束算法，否則根據A*算法計算出引導路徑并進行導航。A*算法的核心是估價函數：

其中，g(n)是已經走過的代價，表示在狀態空間從起始節點到當前節點n的 深度；h(n) 是 當前節點n到目標的估計代價，表示節點所在地圖的位置到目標位置的直線距離。

4 結束語

京張高鐵全行程智慧出行服務的相關研究與應用，有助于提升鐵路旅客服務質量，降低鐵路工作人員的服務成本，可在一定程度上減少旅客在車站候車等待時間，降低旅客誤車率，提升旅客出行效率和便捷性，方便旅客自主地選擇最佳出行方案，為冬奧會賽事期間京張高鐵帶來較好的社會和經濟效益。