現(xiàn)代城市軌道交通行業(yè)TOS 系統(tǒng)與AI 技術(shù)的嫁接應(yīng)用研究

靳鴻澤 郭大為

（1 大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2 大連交通大學(xué)理學(xué)院，遼寧 大連 116028）

一、研究目的及背景

隨著智慧交通的發(fā)展，我國(guó)目前針對(duì)交通擁堵問(wèn)題的方式更加智慧化，管理效率不斷提高。本文通過(guò)以數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)決策、數(shù)據(jù)服務(wù)為主線，基于TOS 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)不同車站的站臺(tái)占地面積，不同環(huán)境下的車廂滿載率情況控制及限流措施，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中仍然需要通過(guò)嫁接AI 技術(shù)與VER 等3D 呈現(xiàn)技術(shù)，更加有效地呈現(xiàn)出車站車廂擁擠度，為乘客出行提供便捷的路徑選擇，全面深入推進(jìn)智能交通建設(shè)，助推為優(yōu)化軌道交通運(yùn)營(yíng)服務(wù)。

TOS（三色運(yùn)營(yíng)狀態(tài)TRI-COLOR OPERATING STATUS 的簡(jiǎn)稱），通過(guò)“紅、黃、綠”三色狀態(tài)生動(dòng)地向公眾提供實(shí)時(shí)的軌道擁堵信息，幫助乘客選擇設(shè)計(jì)最優(yōu)的出行路徑。而當(dāng)?shù)罔F發(fā)生重大事件或典型故障等問(wèn)題時(shí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的緊急預(yù)案，TOS 系統(tǒng)將發(fā)布疏導(dǎo)信息，避免造成客流大量積壓導(dǎo)致交通癱瘓，起到疏散誘導(dǎo)作用[1]。

二、基于TOS 系統(tǒng)與AI 技術(shù)嫁接的數(shù)據(jù)模型分析

TOS 系統(tǒng)基于目前較成熟應(yīng)用的售檢票系統(tǒng)（AFC）、列車自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)（ATS）、列車稱重系統(tǒng)等系統(tǒng)采集的軌道網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)多種數(shù)據(jù)模型處理計(jì)算生成多項(xiàng)定量化的、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的運(yùn)營(yíng)服務(wù)指標(biāo)，并通過(guò)在軌道交通行業(yè)網(wǎng)站、App 等途徑，同時(shí)與各類城市融媒體、新媒體、傳統(tǒng)媒體等系統(tǒng)的嫁接同步等多種方式，向乘客和社會(huì)發(fā)布實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)信息，傳統(tǒng)TOS 系統(tǒng)與AI 技術(shù)嫁接模塊鏈路詳見(jiàn)圖1。

參照智慧城市建設(shè)參考模型[2],從運(yùn)營(yíng)規(guī)則入手進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和著色模型，從采集上來(lái)的數(shù)據(jù)中得出各車站、區(qū)間和列車的故障及客流狀態(tài)，然后根據(jù)設(shè)定的閾值和規(guī)則進(jìn)行設(shè)定VR 虛擬人數(shù)及圖像呈現(xiàn),，通過(guò)Python 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)具體可視化界面[3]。TOS 系統(tǒng)與AI技術(shù)嫁接后形成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將針對(duì)城市軌道全路網(wǎng)的線路、車站及列車運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)從各類數(shù)據(jù)監(jiān)控獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分析、挖掘，盡量完整準(zhǔn)確的抽象出車站關(guān)鍵區(qū)域（譬如：車廂、站臺(tái)、站廳、電扶梯、換乘樓梯等處）的滿載率、舒適度，通過(guò)3D 技術(shù)模擬展示列車運(yùn)行班次、軌跡、計(jì)劃，采取3D 動(dòng)畫(huà)模式直管闡述全路網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

（一）傳統(tǒng)TOS 系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)TOS 系統(tǒng)主要基于AFC 系統(tǒng)票務(wù)數(shù)據(jù)，結(jié)合部分天氣數(shù)據(jù)等做簡(jiǎn)單顏色分布，通過(guò)紅、黃、藍(lán)三種顏色來(lái)體現(xiàn)線路、區(qū)間及車廂內(nèi)的擁擠度。因?yàn)榈罔FAFC 系統(tǒng)傳統(tǒng)五層架構(gòu)傳輸系統(tǒng)較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)延遲性較大，基于此為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)TOS 系統(tǒng)存在的最大弊端就在于無(wú)法及時(shí)有效地反饋客流及擁擠度，有時(shí)還需要人為干預(yù)。本文在傳統(tǒng)TOS 系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出軌道交通大數(shù)據(jù)資源池的建設(shè)，綜合融合行車運(yùn)行圖數(shù)據(jù)、PIS實(shí)時(shí)到站數(shù)據(jù)、CCTV 視頻信息、車站站臺(tái)面積及規(guī)劃基礎(chǔ)信息、智慧車站屏蔽門傳感器信息、車地通信載體信息等，打造基于AI 技術(shù)的大數(shù)據(jù)資源池，綜合分析和抽象出短時(shí)區(qū)間斷面客流信息，通過(guò)3D 動(dòng)畫(huà)視頻信息實(shí)時(shí)為運(yùn)營(yíng)組織及乘客提供直觀的擁擠度、舒適度畫(huà)面。

（二）人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在基于AI 技術(shù)的軌道交通大數(shù)據(jù)資源池中，增加人臉識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)人體畫(huà)像直接識(shí)別用戶身份，及時(shí)響應(yīng)提供給乘客具體乘車軌跡，為乘客提供實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃，提升乘客出行體驗(yàn)度。

（三）人機(jī)交互及VR 展示模型設(shè)計(jì)

通過(guò)車站智能設(shè)備、手機(jī)App 等智慧出行系統(tǒng)體系對(duì)大數(shù)據(jù)的解析和應(yīng)用功能，增加人機(jī)交互及VR 展示功能，乘客在出行時(shí)可享受語(yǔ)音問(wèn)詢、人臉識(shí)別、軌跡查詢、路徑規(guī)劃、3D 擁擠度模擬體驗(yàn)、舒適度體驗(yàn)等功能，及時(shí)準(zhǔn)確地為乘客提供便捷的出行環(huán)境。

三、TOS 系統(tǒng)與AI 技術(shù)嫁接的功能應(yīng)用

目前城市軌道交通很多城市已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用TOS 系統(tǒng)，通過(guò)車站站臺(tái)信息顯示屏、列車車廂液晶顯示屏以及地鐵網(wǎng)站三種主要載體，分別針對(duì)候車時(shí)、乘坐時(shí)、出門前三類空間和需求，實(shí)現(xiàn)快捷查詢與乘行方便選擇[4]。當(dāng)運(yùn)營(yíng)處于非正常狀態(tài)，尤其是遇到突發(fā)故障時(shí)，運(yùn)營(yíng)信息將“三同步”及時(shí)、透明向乘客發(fā)布。TOS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)客流的與軌道交通其他專業(yè)信息系統(tǒng)進(jìn)行同步，通過(guò)站臺(tái)PIS、車廂車站顯示屏等，實(shí)時(shí)向乘客提供地鐵車站、線路、路網(wǎng)的暢通性、舒適度和擁擠度等運(yùn)營(yíng)信息，避免造成大客流；TOS系統(tǒng)在軌道交通行業(yè)網(wǎng)站、App等途徑，同時(shí)與各類城市融媒體、新媒體、傳統(tǒng)媒體等系統(tǒng)的嫁接同步，實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)營(yíng)信息的圖文展示，及時(shí)有效地向廣大乘客發(fā)布相關(guān)運(yùn)營(yíng)信息。

（一）面向運(yùn)營(yíng)決策的數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用及模塊

1.針對(duì)大客流及特殊日短時(shí)客流實(shí)施3D 可視化監(jiān)測(cè)

在時(shí)間維度和空間維度上，以實(shí)時(shí)的AFC 刷卡數(shù)據(jù)、手機(jī)信令數(shù)據(jù)和CCTV 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)劃列車運(yùn)行圖、實(shí)時(shí)行車監(jiān)察數(shù)據(jù)、車站客運(yùn)組織方式 和乘客走行時(shí)間參數(shù)，對(duì)線路、斷面、車 站、列車的客流狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)[5]，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)未來(lái)5 分鐘時(shí)間粒度線路斷面、車站的進(jìn)出站量、換乘客流量、客運(yùn)量和斷面客流量等。運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和人工智能手段預(yù)測(cè)節(jié)假日期間、大型活動(dòng)日期間不同時(shí)間段的客流變化，以及受大客流影響的時(shí)間段和空間范圍，為線網(wǎng)大型活動(dòng)運(yùn)力配置計(jì)劃、客運(yùn)組織等業(yè)務(wù)提供決策支持。

2.車站智能限流

利用歷史數(shù)據(jù)確定車站限流閾值，結(jié)合短時(shí)客流預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，提前一天推送次日限流時(shí)間段；結(jié)合實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)整限流時(shí)間段。

3.智能客運(yùn)組織

運(yùn)力運(yùn)量匹配預(yù)警；換乘、重點(diǎn)車站負(fù)荷瓶頸預(yù)警；乘客擁擠風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等。

4.全方位3D 視圖仿真大客流演練

可針對(duì)極端天氣、節(jié)假日引起的客流增量和大型活動(dòng)所吸引的客流增量（包括歷史客流、未來(lái)預(yù)測(cè)），建立全方位3D 視圖仿真大客流演練，為制定軌道交通運(yùn)營(yíng)管理制定有效的應(yīng)急預(yù)案。

（二）面向乘客的智慧出行模塊

1.乘客服務(wù)體驗(yàn)

結(jié)合短時(shí)客流預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果、車內(nèi)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)客流量、站內(nèi)實(shí)時(shí)客流量等，實(shí)時(shí)推送可視化的3D 擁擠度圖像畫(huà)面、乘客體驗(yàn)舒適度、哪節(jié)車廂乘客較少等信息，給乘客以更優(yōu)的乘車選擇。

2.車站智能導(dǎo)航

實(shí)現(xiàn)車站內(nèi)3D 導(dǎo)航，智能導(dǎo)航電梯的位置及乘梯擁擠度、樓梯位置及擁擠度、候車廳上下車位置的排隊(duì)人數(shù)等通過(guò)3D 可視化模式展現(xiàn)出來(lái)。

3.乘客乘車最優(yōu)路線規(guī)劃

根據(jù)當(dāng)前車輛乘客擁擠度、換乘走行時(shí)間、換乘候車時(shí)間、乘車舒適度和快捷性等，給乘客實(shí)時(shí)推薦最優(yōu)路線。結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別等AI 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交流。

（三）面向智慧政務(wù)規(guī)劃模塊

通過(guò)以上功能實(shí)現(xiàn)、大數(shù)據(jù)挖掘、實(shí)際應(yīng)用等方面，綜合制定數(shù)據(jù)接口，直接對(duì)接城市公共交通一體化平臺(tái)，為城市總體交通出行規(guī)劃、城市重大節(jié)日、特殊時(shí)期限流等方面提供給可靠的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)時(shí)提供科學(xué)的決策依據(jù)；同時(shí)，對(duì)于城市建設(shè)、公共資源規(guī)劃、國(guó)土資源優(yōu)化、商業(yè)資源開(kāi)發(fā)等方面都有著重大的意義。

總結(jié)

本文主要是在已有的TOS 系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加人機(jī)互動(dòng)，通過(guò)VR 等3D呈現(xiàn)技術(shù)為乘客提供更加有效的出行路徑選擇提供方案，因?yàn)槊總€(gè)車站站臺(tái)面積、站廳結(jié)構(gòu)因站而異，僅僅有TOS 系統(tǒng)的三色實(shí)時(shí)客流呈現(xiàn)對(duì)于乘客而言，還不夠直觀、不夠智慧化，本項(xiàng)目研究將數(shù)字化信息和三色客流系統(tǒng)嫁接AI 技術(shù)，將數(shù)字信息通過(guò)虛擬VR 技術(shù)呈現(xiàn)出更加實(shí)際的擁擠度，通過(guò)人機(jī)交互，更便捷地為乘客提供路徑選擇，譬如：通過(guò)人臉識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)取云平臺(tái)該乘客常常出行的乘車軌跡，根據(jù)乘客偏重的出行首要因素“擁擠度、時(shí)間因素等”提供實(shí)際VR 虛擬3D 呈現(xiàn)技術(shù)盡可能地還原車站客流實(shí)情，同時(shí)，也為城市軌道交通在應(yīng)對(duì)大客流、專項(xiàng)活動(dòng)、特殊時(shí)期提供限流科學(xué)依據(jù)。