智慧地鐵系統(tǒng)融合應(yīng)用層研究與設(shè)計

秦志遠

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

新型智慧城市是目前國家努力推進的方向，各地地鐵建設(shè)單位也在穩(wěn)步推進地鐵智慧化建設(shè)進程。智慧城市的核心在于對城市各個運行節(jié)點的綜合感知，完成城市各類數(shù)據(jù)的橫向打通，讓城市成為一個有機的整體[1]。

地鐵作為城市最重要的交通方式，也是最重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，是智慧城市建設(shè)中不可或缺的重要部分。同時，各地地鐵建設(shè)單位也逐步意識到這一點，并在地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)中尋求突破，但是在設(shè)計和建設(shè)的過程中，各個地方并沒有對如何建設(shè)智慧地鐵形成統(tǒng)一的思路。智慧地鐵系統(tǒng)并不是獨立于智慧城市系統(tǒng)來重新建立1套智能化系統(tǒng)，而是強調(diào)分散數(shù)據(jù)的集中和流通，其核心是通過公共信息平臺接入智慧城市體系當中。

1 智慧地鐵總體架構(gòu)

智慧地鐵的建設(shè)核心就是把地鐵系統(tǒng)（包括列車、車站、車輛段、線路區(qū)間等）分散的信息進行收集和整理，形成一個有機整體[2]。根據(jù)這樣的思路，智慧地鐵系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計如圖?1?所示。

圖1 智慧地鐵系統(tǒng)整體架構(gòu)

智慧地鐵系統(tǒng)總體架構(gòu)分以下?5?層。

第?1?層為基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)層，功能是對數(shù)據(jù)感知和采集以及數(shù)據(jù)的處理。主要包括網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù)（目前主流的?4G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）和分布式計算、人工智能（AI）以及數(shù)據(jù)可視化（如建筑信息模型BIM、增強現(xiàn)實技術(shù)?AR、虛擬現(xiàn)實技術(shù)?VR）等技術(shù)。著重提升智慧地鐵系統(tǒng)的綜合感知能力。

第?2?層為公共信息平臺層，主要作用是匯聚和整合由基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)層采集的分散數(shù)據(jù)。地鐵信息平臺接入城市公共信息平臺，形成支撐融合應(yīng)用層和交互展示層的數(shù)據(jù)融合交換共享平臺[3]。

第?3?層為能力支撐層，該層與公共信息平臺層物理上處于同一層次，包含一系列軟件組件。ETL?組件對數(shù)據(jù)完成從來源端的抽?。╡xtract）、交互轉(zhuǎn)換（transform）、加載（load）；消息隊列（MQ）技術(shù)為分布式應(yīng)用間交換信息提供通信支持；地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)提供準確的定位信息；企業(yè)服務(wù)總線（ESB）提供事件驅(qū)動和文檔導(dǎo)向的處理模式和分布式運行管理機制。各個軟件組件組成了能力支撐層，為融合應(yīng)用層和交互展示層提供組件支撐。

第?4?層為融合應(yīng)用層[4]，包括數(shù)據(jù)多維度可視化展示、各類智慧化應(yīng)用、多部門協(xié)同等。

第?5?層為交互展示層，例如：面向普通用戶的手機APP?和政府門戶，面向城市管理者的?BIM?展示和大屏，面向城市居民的?AR?增強顯示等。著重實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化以及交互能力的提升。

本文主要針對融合應(yīng)用層的設(shè)計進行深入探討。融合應(yīng)用層位于整個智慧地鐵設(shè)計架構(gòu)的第?4?層，包含各類智慧應(yīng)用。通過將地鐵采集到的數(shù)據(jù)接入智慧城市公共信息平臺，打通數(shù)據(jù)壁壘，從而使地鐵數(shù)據(jù)與公安、消防等部門數(shù)據(jù)以及市民卡公司、共享單車公司、電子商務(wù)等公司的數(shù)據(jù)進行深入數(shù)據(jù)交換融合，最終形成一系列的融合應(yīng)用。

2 地鐵智慧安防

地鐵作為城市最重要的公共交通方式，將地鐵安防納入城市智慧安防體系中，將形成更全面的城市智慧安防網(wǎng)。在車站安檢口、出入口通道、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）檢票口以及場段的周界設(shè)立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合人臉識別技術(shù)和圖像處理技術(shù)，分析比較人臉視覺特征信息，進行身份鑒別，實時對重點車站、重點區(qū)域進行全方位排查。地鐵智慧安防數(shù)據(jù)接入公安系統(tǒng)，實現(xiàn)對可疑人員的監(jiān)控、對犯罪嫌疑人的追蹤，實現(xiàn)對預(yù)先設(shè)定的異常行為和可疑物體進行識別和報警，形成覆蓋整個地鐵線路的綜合安防網(wǎng)絡(luò)[5]。

3 地鐵數(shù)據(jù)可視化和綜合指揮調(diào)度

三維建模技術(shù)的應(yīng)用極大提高了地鐵數(shù)據(jù)的可視化程度，提高了地鐵建設(shè)和運營階段的各項工作效率。BIM?技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地鐵設(shè)計、施工、運營全過程：多專業(yè)協(xié)同、圖紙審核、方案模擬、管線切改模擬、交通導(dǎo)通模擬、場地現(xiàn)狀模擬、材料統(tǒng)計、面積統(tǒng)計、方案交底、運營培訓(xùn)、管線碰撞檢查、施工進度管理等[6]。除此之外，包括傾斜攝影在內(nèi)的建筑物外部輪廓建模技術(shù)的應(yīng)用，將地鐵站點所處位置地理信息直觀地展示出來，極大地提高了地鐵周邊建筑和環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化水平。將這些技術(shù)獲取的地鐵及周邊環(huán)境三維數(shù)據(jù)與時間軸動態(tài)變化特征相結(jié)合，可廣泛應(yīng)用于城市綜合智慧調(diào)度。城市管理者足不出戶，便可快速全面地了解地鐵建設(shè)和運營的整體面貌和細節(jié)，了解地鐵建設(shè)對城市遷改和周邊環(huán)境的影響。城市管理者可以在城市指揮中心實時了解地鐵的建設(shè)情況、運行情況，并針對突發(fā)事件進行聯(lián)動反應(yīng)、綜合指揮調(diào)度，在戰(zhàn)時也可快速反應(yīng)，使地鐵人防工程更好地完成人員轉(zhuǎn)運、重要物資輸送的重要任務(wù)。

4 多元化支付和智能客服

多元化的支付為城市居民乘坐地鐵出行帶來了極大的便利，減少了乘車環(huán)節(jié)，改善了購票和進站體驗。目前主要應(yīng)用的支付方式有二維碼、近場支付、銀聯(lián)閃付，已在研究并會在不遠的將來投入使用的支付和進站方式有生物識別。所謂生物識別就是通過計算機與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計學(xué)原理等高科技手段的密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性（指紋、虹膜），以及臉部信息和行為特征（聲音、步態(tài)），來進行個人身份鑒定。

多元化的支付方式同時可以多方位采集乘客信息，形成更加全面的乘客信息資源池，構(gòu)建更加準確的用戶畫像，為智能客服的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

當前人工智能技術(shù)發(fā)展迅猛，智能客服正逐步進入地鐵，成為人工客服的輔助并逐漸成為人工客服的替代。人工智能技術(shù)簡單的理解就是大數(shù)據(jù)加深度學(xué)習(xí)，其中獲取大數(shù)據(jù)是最重要的環(huán)節(jié)，而多元化支付方式為智能客服的實現(xiàn)提供了用戶數(shù)據(jù)輸入。地鐵服務(wù)正由人工服務(wù)向自助服務(wù)逐步轉(zhuǎn)變。面向乘客的服務(wù)將逐步由車站分散式服務(wù)逐步向智慧的信息化服務(wù)、集中的中心客服管理模式轉(zhuǎn)變。

5 人流潮汐分析和地鐵可達性分析

利用多元化支付獲取的乘客大數(shù)據(jù)，進行地鐵人流潮汐分析和地鐵的可達性分析，綜合衡量當前城市規(guī)劃的合理性，為下一步城市建設(shè)和地鐵規(guī)劃提供參考。

所謂地鐵人流潮汐分析是對地鐵沿線各站在時間軸上進行乘客流向分析，例如早高峰時段地鐵某線路主要的上客點和下客點有哪些等，以輔助確認城市的主要居住區(qū)、購物區(qū)、工作區(qū)。

所謂地鐵可達性分析，即從當前地鐵線各站點出發(fā)到乘客目的地的便利程度的分析，主要表現(xiàn)為地鐵對于臨近區(qū)域的步行和共享單車可達區(qū)域的覆蓋力度，減少居民換乘其他交通工具的次數(shù)和里程。地鐵可達性分析是規(guī)劃地鐵車站位置、設(shè)計地鐵出入口、確定車站規(guī)模、衡量地鐵車站設(shè)計合理性的有利工具。

目前主流的可達性分析算法中[7]，累積機會法和等值線法易于理解，不需考慮復(fù)雜的距離衰減因子，操作相對簡便。

調(diào)查地鐵站周圍各類重點關(guān)注的設(shè)施分布情況，進行可達性評價[7]。重點關(guān)注步行和共享單車覆蓋的建筑包括：居住類（小區(qū)和公寓等）、其他換乘（公共自行車點和公交站臺等）、公共類（醫(yī)療機構(gòu)和科教機構(gòu)等）、商業(yè)類（酒店、大型商場、超市便利店和寫字樓等）[8]。

以步行為例，模擬測試某城市中心商業(yè)區(qū)地鐵站點的可達性，利用可達性分析算法對步行?5??min、10??min、15??min?覆蓋情況進行建模分析，其覆蓋區(qū)域重點公共設(shè)施和建筑統(tǒng)計見表?1。

表1 步行覆蓋的各類建筑的數(shù)量

6 地鐵能耗監(jiān)控和優(yōu)化

地鐵正線各站點、場段、區(qū)間和列車運行都是耗電大戶。對地鐵能耗的檢測和智能優(yōu)化具有重要意義[9]。

利用采集的地鐵運行和乘客信息大數(shù)據(jù)，結(jié)合地鐵沿線附屬建筑運營時間和人流量時間規(guī)律分布特點，建立地鐵機電設(shè)備能耗優(yōu)化算法模型，對地鐵系統(tǒng)的各機電設(shè)備進行自動化監(jiān)控和節(jié)能控制。例如：在人流量小的時候，自動降低空調(diào)運行功率，降低電扶梯的運行速度和運行數(shù)量，對廣告照明進行智能化關(guān)閉等。在保證地鐵正常運行的前提下，實現(xiàn)綠色節(jié)能目標。

7 總結(jié)

智慧地鐵系統(tǒng)是地鐵數(shù)據(jù)信息化和智能化的集中體現(xiàn)，充分匯聚了分散在地鐵系統(tǒng)各個子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，對于提升地鐵管理水平和城市的智慧化水平有重要意義。

本文主要分析了智慧地鐵系統(tǒng)的架構(gòu)，設(shè)計和展望了智慧地鐵系統(tǒng)融合應(yīng)用層的各類應(yīng)用，以期對智慧地鐵未來的發(fā)展提供建設(shè)性意見。