城市軌道交通智慧車站實(shí)施方案研究

陳 星，陰佳騰，范禮乾

（1.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司 科技研發(fā)部，南昌 330038；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)設(shè)計(jì)研究院，武漢 430063）

城市軌道交通作為一個(gè)大型綜合系統(tǒng)，其信息化、智慧化建設(shè)是一項(xiàng)浩大的工程。而車站作為城市軌道交通系統(tǒng)為乘客服務(wù)的窗口和重要客運(yùn)生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)，可直接反映運(yùn)營(yíng)主體的生產(chǎn)水平和服務(wù)水平。采用智能化設(shè)施設(shè)備實(shí)現(xiàn)車站管理智能化和服務(wù)人性化的智慧車站已成為未來(lái)智慧城市軌道交通發(fā)展的重要方向[1]。歐洲聯(lián)盟Shift2Rail 項(xiàng)目將“未來(lái)智慧車站”列為2019—2022 年重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[2]，設(shè)置了兩項(xiàng)研究課題[3]：（1） Future Secure and Accessible Rail Stations（FAIR Stations）課題，主要研究車站客流需求預(yù)測(cè)模型、復(fù)雜車站的客流誘導(dǎo)管理、基于實(shí)時(shí)3D 仿真的擁擠度防控等內(nèi)容；（2）Innovative Solutions in Future Stations,Energy Metering & Power Supply（In2Stempo）課題，主要研究智慧車站客流數(shù)字化管理、車站應(yīng)急決策、風(fēng)險(xiǎn)與抗毀性評(píng)估、乘客出行、信息安全及車站低碳能源管理等內(nèi)容。

針對(duì)智慧車站，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了深入研究，分別從智能設(shè)計(jì)、智能管理、智能服務(wù)等方面提出智慧車站建設(shè)內(nèi)容與實(shí)施建議。2020 年，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布《城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[4]，將研發(fā)智慧車站系統(tǒng)列為中國(guó)智慧城市軌道交通建設(shè)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目之一。國(guó)內(nèi)一些高等院校和運(yùn)營(yíng)企業(yè)相繼開(kāi)展智慧車站的研發(fā)及前期示范應(yīng)用[5]。例如，上海地鐵10 號(hào)線新江灣站示范應(yīng)用[6]、西安地鐵智慧車站實(shí)施方案研究[7]。

近年來(lái)，南昌軌道交通集團(tuán)有限公司積極推進(jìn)軌道交通信息化、智慧化建設(shè)進(jìn)程。本文以南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站建設(shè)為例，提出該智慧車站的整體架構(gòu)、技術(shù)難點(diǎn)及實(shí)施方案。

1 軌道交通智慧車站需求與內(nèi)涵

軌道交通智慧車站創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)質(zhì)是堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，利用5G 移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，研發(fā)智能化服務(wù)平臺(tái)；通過(guò)構(gòu)建場(chǎng)景化管理模式，實(shí)現(xiàn)更加高效可靠的運(yùn)營(yíng)管理；針對(duì)不同乘客出行需求及特點(diǎn)，提供更加便捷、人性化的客運(yùn)服務(wù)。

1.1 智慧車站需求

按照主體不同進(jìn)行劃分，智慧車站的需求主要分為以下3 個(gè)方面。

（1）從乘客角度：乘客是城市軌道交通服務(wù)的對(duì)象，乘客需要更舒適、更便捷、滿足個(gè)性化需求的出行體驗(yàn)。

（2）從運(yùn)營(yíng)商角度：運(yùn)營(yíng)商是服務(wù)的提供方，也是智慧車站的終端用戶。因此，智慧車站的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)需要從乘客需求出發(fā)，同時(shí)，需要考慮智慧車站對(duì)運(yùn)營(yíng)商使用過(guò)程的友好性，在一定程度上降低運(yùn)營(yíng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高其工作積極性，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

（3）從環(huán)境角度：降低車站能耗、減少碳排放，是智慧車站建設(shè)的重要需求。

圍繞以上需求，智慧車站應(yīng)以5G 移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)為支撐，從乘客智能服務(wù)、車站智能感知和智能管理入手，注重環(huán)境保護(hù)，提升其便捷性、安全性和個(gè)性化服務(wù)能力。

1.2 智慧車站內(nèi)涵

智慧車站建設(shè)內(nèi)涵主要體現(xiàn)在感知、決策和服務(wù)3 個(gè)方面。

（1）車站狀態(tài)實(shí)時(shí)全息感知

人工智能框架中，感知是實(shí)現(xiàn)智慧管理和精準(zhǔn)決策的基礎(chǔ)。智慧車站可利用5G 移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站客流分布、車站機(jī)電設(shè)備狀態(tài)和車站環(huán)境參數(shù)等全息感知，實(shí)現(xiàn)乘客、設(shè)施設(shè)備、環(huán)境等實(shí)體信息的智能融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軌道交通車站票務(wù)安檢融合、多源客流信息實(shí)時(shí)感知與短時(shí)預(yù)測(cè)、車站環(huán)境控制全時(shí)域檢測(cè)、多域智能視頻分析與危險(xiǎn)物智能識(shí)別、車站設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)預(yù)警，以及基于大數(shù)據(jù)的多網(wǎng)融合等。

（2）車站管理決策智能化

作為軌道交通網(wǎng)絡(luò)重要的銜接部分，車站記錄了乘客進(jìn)站、刷卡、乘車/換乘和出站的全時(shí)空軌跡數(shù)據(jù)，其管理決策的智能化程度與乘客出行體驗(yàn)直接相關(guān)。以車站客流、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，智慧車站通過(guò)全業(yè)務(wù)、全場(chǎng)景的管理和控制，實(shí)現(xiàn)更高效的車站運(yùn)營(yíng)管理，主要體現(xiàn)在：智慧車站設(shè)備數(shù)字巡檢、全景集成與監(jiān)視、場(chǎng)景化的車站管理、數(shù)字施工監(jiān)管、設(shè)備智慧運(yùn)控預(yù)警、車站微觀客流熱力圖、運(yùn)營(yíng)管理綜合決策，以及突發(fā)公共安全事件下的應(yīng)急預(yù)案優(yōu)化等。

（3）乘客服務(wù)人性化

智慧車站的乘客服務(wù)人性化主要是指利用新技術(shù)，為乘客提供更加便捷、智能、舒適、個(gè)性化的乘客服務(wù)，包括便捷購(gòu)票、個(gè)性化出行方案推薦、智能求助、無(wú)障礙出行設(shè)施等，進(jìn)而全面提升乘客滿意度。

2 智慧車站總體架構(gòu)

南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站建設(shè)以需求為導(dǎo)向，利用5G 移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能等技術(shù)，通過(guò)安裝傳感器、視頻監(jiān)控、智能控制等設(shè)備，構(gòu)建車站生產(chǎn)與服務(wù)實(shí)時(shí)狀態(tài)感知體系，實(shí)現(xiàn)車站設(shè)施設(shè)備狀態(tài)、客流分布等全息感知。同時(shí)，以提升車站生產(chǎn)作業(yè)效率和客運(yùn)服務(wù)水平為目的，采取信息化手段，實(shí)現(xiàn)車站管理一體化和智能化，并為乘客提供個(gè)性化服務(wù)。

南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站總體架構(gòu)如圖1 所示[8]。

圖1 南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站總體架構(gòu)

2.1 信息感知層

利用各類傳感器、視頻監(jiān)控和智能設(shè)施設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、客流分布、能耗及站務(wù)人員位置等信息的實(shí)時(shí)感知，為實(shí)現(xiàn)精細(xì)、高效的車站管理及客運(yùn)組織提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 服務(wù)執(zhí)行層

深度挖掘各類業(yè)務(wù)需求，以車站運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，確定各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及客流實(shí)時(shí)狀態(tài)，并對(duì)故障與突發(fā)事件等進(jìn)行預(yù)警；針對(duì)設(shè)備管理、乘客服務(wù)、客運(yùn)管理和站務(wù)管理等車站生產(chǎn)業(yè)務(wù)，分析其特點(diǎn)及作業(yè)流程，建立場(chǎng)景化管理模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車站設(shè)施設(shè)備的遠(yuǎn)程操控及遠(yuǎn)程智能旅客服務(wù)（簡(jiǎn)稱：客服）。

2.3 運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)層

針對(duì)設(shè)備管理、乘客服務(wù)、客運(yùn)管理和站務(wù)管理等車站生產(chǎn)業(yè)務(wù)，充分考慮車站實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并利用5G 移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和可視化手段，實(shí)時(shí)展示車站運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)警，為車站智慧化乘客服務(wù)、智能化設(shè)備管理提供決策支持。

3 技術(shù)難點(diǎn)

軌道交通智慧車站本質(zhì)上是一種先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即融合工業(yè)控制和信息通信的多維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，采用自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)與工業(yè)物理過(guò)程的協(xié)同，達(dá)到生產(chǎn)最優(yōu)化、流程最簡(jiǎn)化、效率最大化。其技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在感知、傳輸和控制3 個(gè)層面，智慧車站關(guān)鍵技術(shù)體系如圖2 所示。

圖2 智慧車站關(guān)鍵技術(shù)體系

3.1 感知層面的技術(shù)難點(diǎn)

感知層面的技術(shù)難點(diǎn)在于資源受限條件下的異構(gòu)終端難以融合。例如，車站多種傳感器（視頻、環(huán)控）數(shù)據(jù)融合難度大。在南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站建設(shè)中，利用異步視頻智能分析、太赫茲成像、自然語(yǔ)言處理等技術(shù)快速獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)，并依托物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的融合。

3.2 傳輸層面的技術(shù)難點(diǎn)

受車站內(nèi)通信環(huán)境復(fù)雜多變的影響，要實(shí)現(xiàn)高水準(zhǔn)的信息傳輸可靠性與安全性，其難度較大。在南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站建設(shè)中，積極探索基于5G移動(dòng)通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車站設(shè)施設(shè)備的快速組網(wǎng)，為車站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)快速上傳提供通道保障。

3.3 控制層面的技術(shù)難點(diǎn)

控制層面的技術(shù)難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)基于多源信息的車站多工種協(xié)同控制與優(yōu)化，以滿足智慧車站對(duì)實(shí)時(shí)可靠、泛在通信、協(xié)同控制等的需求。在南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站建設(shè)中，利用視頻、智能表計(jì)和傳感器等設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取客流、設(shè)備等狀態(tài)信息；基于圖像識(shí)別、智能數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，挖掘車站運(yùn)行特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)；根據(jù)實(shí)時(shí)客流情況，智能化、精細(xì)化控制各類能源消耗設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車站運(yùn)能的智能管控。

4 智慧車站實(shí)施方案

4.1 乘客服務(wù)方面

（1）智能客服應(yīng)用

深度挖掘城市軌道交通客服內(nèi)涵，構(gòu)建場(chǎng)景化客運(yùn)服務(wù)，并通過(guò)提供豐富的智能客服設(shè)備和手機(jī)線上自助服務(wù)，實(shí)現(xiàn)虛擬客服智能應(yīng)答，為乘客提供快速便捷的咨詢服務(wù)；同時(shí)，建立現(xiàn)場(chǎng)快速求助渠道，實(shí)現(xiàn)車控室值守員快速響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)求助。車站智能客服應(yīng)用邏輯架構(gòu)如圖3 所示，其功能如下：

圖3 智能客服應(yīng)用邏輯架構(gòu)

①采用語(yǔ)音語(yǔ)義智能識(shí)別技術(shù)向乘客提供線上、線下的虛擬客服應(yīng)答；

②現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程音頻交互、可視化對(duì)講、一鍵求助；

③可對(duì)特殊乘客、工作人員等人采用人臉注冊(cè)方式進(jìn)行票務(wù)查詢與處理。

（2）線下自助服務(wù)

通過(guò)布置智能客服中心及現(xiàn)場(chǎng)自助客服設(shè)備，替代傳統(tǒng)的站務(wù)人員，實(shí)現(xiàn)車站票務(wù)、客服、資訊服務(wù)的自助化，進(jìn)而節(jié)省車站的人力成本，如圖4所示。

圖4 車站線下自助服務(wù)內(nèi)容

（3）乘客資訊

乘客資訊主要包括以下兩個(gè)方面：

①利用車地通信實(shí)時(shí)獲取車輛載重信息和車廂視頻信息，計(jì)算、分析車廂人員密度，并將其顯示在車站屏蔽門上，引導(dǎo)乘客上車；

②通過(guò)設(shè)置在站臺(tái)門上方、出/入口、扶梯等位置的信息顯示屏，乘客信息系統(tǒng)在正常情況下，提供車廂擁擠度、列車到站、商業(yè)廣告、出入口附近地標(biāo)等實(shí)時(shí)多媒體信息；在火災(zāi)及阻塞情況下，提供緊急疏散提示，提高運(yùn)營(yíng)安全性[9]。

4.2 車站管理方面

利用視頻監(jiān)控、綜合監(jiān)控及傳感器等，識(shí)別、感知車站環(huán)境、設(shè)施設(shè)備狀態(tài)及站內(nèi)客流狀態(tài)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全靈活的車站管理，主要包括全景管控的車站管理、視頻智能分析、門梯安全管理、智能邊門、智慧安檢、人員定位等，如圖5 所示。

圖5 安全靈活車站管理方案

（1）全景管控的車站管理

基于既有車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)，圍繞運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備、運(yùn)營(yíng)開(kāi)站、高峰監(jiān)護(hù)、日常監(jiān)護(hù)等車站業(yè)務(wù)場(chǎng)景，從視頻終端、智能表計(jì)和傳感器等設(shè)備獲取客流、設(shè)備等實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行智能數(shù)據(jù)分析，并在車站控制室設(shè)置綜合管理監(jiān)控大屏，實(shí)現(xiàn)車站設(shè)備、環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)狀況的全景管控，提升車站管理水平和管理效率。

（2）視頻智能分析

運(yùn)用行為識(shí)別技術(shù)，根據(jù)用戶需求設(shè)定目標(biāo)行為規(guī)則，實(shí)時(shí)分析視頻信息，及時(shí)捕捉違反規(guī)則的突發(fā)或危險(xiǎn)事件，進(jìn)而實(shí)施預(yù)警/報(bào)警，實(shí)現(xiàn)事前/事中及時(shí)提示，提高安全防范級(jí)別和監(jiān)控管理的工作效率，節(jié)省施工成本和管理成本。

（3）智能邊門

智能邊門，旨在擺脫傳統(tǒng)的實(shí)體票務(wù)模式，利用人工智能技術(shù)，構(gòu)建乘客出行無(wú)感化票務(wù)服務(wù)環(huán)境。考慮到在本項(xiàng)目全面實(shí)施無(wú)感化票務(wù)服務(wù)環(huán)境需要對(duì)現(xiàn)有的清分中心、數(shù)字票務(wù)平臺(tái)進(jìn)行較大程度的改造，并且，儲(chǔ)存乘客的人臉信息存在潛在的信息安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，本項(xiàng)目中，主要為車站工作人員和特殊乘客在公共區(qū)邊門搭建人臉識(shí)別、無(wú)感過(guò)閘的體驗(yàn)環(huán)境，上述人員可在實(shí)名注冊(cè)及驗(yàn)證情況下無(wú)感進(jìn)/出車站。

（4）智慧安檢

城市軌道交通具有客流量大且不均衡、安檢點(diǎn)多、范圍廣、限帶物品種類繁多等特點(diǎn)，傳統(tǒng)安檢模式存在乘客大量滯留于安檢點(diǎn)的問(wèn)題，需要投入更多的安檢人員，加大了安檢的管理難度。智慧安檢主要實(shí)現(xiàn)集中判圖和無(wú)感安檢：

①采用網(wǎng)絡(luò)化、圖像智能識(shí)別手段，將多個(gè)安檢點(diǎn)的安檢數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、整合及智能預(yù)警，實(shí)現(xiàn)多個(gè)安檢點(diǎn)的集中判圖 ，節(jié)省人力資源，提高乘客安檢效率；

②安檢設(shè)備采用太赫茲成像技術(shù)，能夠快速檢測(cè)到人體攜帶的危險(xiǎn)物品并及時(shí)通知安檢人員，保證了乘客過(guò)檢的效率。

（5）人員定位

南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站人員定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)定位和被動(dòng)定位。主動(dòng)定位用于支持管理人員對(duì)車站內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，協(xié)助管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行精細(xì)化管理；被動(dòng)定位支持現(xiàn)場(chǎng)工作人員與乘客對(duì)自身進(jìn)行定位與導(dǎo)航，為其提供更具體和更準(zhǔn)確的引導(dǎo)信息，如提供站內(nèi)路徑導(dǎo)航和關(guān)鍵點(diǎn)的導(dǎo)向信息（垂梯、扶梯、衛(wèi)生間、出入口等）。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G 移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧車站的內(nèi)涵日新月異。本文梳理了近年來(lái)歐洲聯(lián)盟及國(guó)內(nèi)一些單位關(guān)于智慧車站的研究動(dòng)向，介紹軌道交通智慧車站需求與內(nèi)涵；以南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站建設(shè)為例，分析了智慧車站建設(shè)的技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了智慧車站實(shí)施方案。該方案已應(yīng)用于南昌地鐵4 號(hào)線智慧車站建設(shè)。未來(lái)，南昌城市軌道交通建設(shè)部門將進(jìn)一步打破車站數(shù)據(jù)壁壘，依托大數(shù)據(jù)、5G 移動(dòng)通信、人工智能等技術(shù)，構(gòu)建以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的車站業(yè)務(wù)融合管控平臺(tái)，從業(yè)務(wù)流程、管理流程上進(jìn)行優(yōu)化，打造更加智能化、智慧化的智慧車站，探索符合我國(guó)國(guó)情的智慧城市軌道交通發(fā)展模式。