邊緣計算在鐵路“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)中的應用研究

端嘉盈 沈海燕 李智

摘 要：客運車站作為鐵路與旅客的交互窗口，為旅客出行提供全流程服務，屬龐大的功能集合體，在整個鐵路運輸系統(tǒng)中具有非常重要的地位。為推進鐵路智能化建設，滿足智能車站建設需求，“智能車站”的建設全面展開。物聯(lián)網(wǎng)為“智能車站”提供了數(shù)據(jù)來源，隨著“智能車站”的發(fā)展，設備種類和采集信息越來越多，對物聯(lián)網(wǎng)提出了更多的挑戰(zhàn)。邊緣計算技術(shù)的應用將為解決物聯(lián)網(wǎng)的瓶頸問題提供可能，文中在詳細分析邊緣計算技術(shù)在“智能車站”應用現(xiàn)狀和需求的基礎上，論述了傳統(tǒng)“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，建立了基于邊緣計算的“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，為“智能車站”的建設提供基礎保障。

關鍵詞：智能車站;物聯(lián)網(wǎng);邊緣計算;架構(gòu)設計;網(wǎng)關;數(shù)字化

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-04

0 引 言

為貫徹落實黨的十九大關于科技強國、交通強國的戰(zhàn)略部署，國鐵集團提出建設“精品工程、智能京張”;為落實“千年大計、交通先行”，提出建設“數(shù)字京雄”，深入實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，著力打造數(shù)字化、智能化鐵路。隨著我國高速鐵路智能化的發(fā)展需求，客運車站、鐵路沿線、鐵路建造等領域智能傳感器、視頻攝像頭、智能機器人等智能終端已大規(guī)模投入使用，采集傳感信息及控制信息的數(shù)量和種類也不斷增長。

“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)是智能鐵路的關鍵技術(shù)之一?！爸悄苘囌尽蔽锫?lián)網(wǎng)通過在客運車站部署各類智能感知、客運、機電、攝像頭、通信等設備及裝置實現(xiàn)客站信息的泛在感知、獲取和處理，經(jīng)有線網(wǎng)與無線網(wǎng)絡傳輸，將感知信息匯聚到“智能車站大腦”物聯(lián)網(wǎng)平臺中進行存儲、分析和處理。隨著智能鐵路建設的不斷擴大，現(xiàn)有車站物聯(lián)網(wǎng)必然存在諸多問題和挑戰(zhàn)，邊緣計算技術(shù)的出現(xiàn)為物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)高度的實時性和可靠性，以及設備在離線情況下的正常運行提供基礎支撐[1-2]。

邊緣計算在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。本文在詳細分析邊緣計算在“智能車站”的應用現(xiàn)狀和需求的基礎上，論述了傳統(tǒng)“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，建立了基于邊緣計算的“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，為該項技術(shù)在鐵路“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)的深入應用奠定了基礎。

1 邊緣計算在“智能車站”的應用現(xiàn)狀分析

我國鐵路發(fā)展“智能車站”以來，運用了包括人工智能、機器人、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)作為“智能車站”的重要基礎保障之一，應用于車站設備能耗管控、人臉識別（智能視頻分析）、環(huán)境舒適度監(jiān)控等領域，在“智能車站”中發(fā)揮著重要作用。邊緣計算作為重要新技術(shù)之一，在這些領域發(fā)揮了關鍵作用，但由于使用時間較短，其應用程度和技術(shù)水平還不夠先進[3-4]。

（1）邊緣計算在車站設備能耗管控方面的應用現(xiàn)狀

鐵路車站設備能耗管控通過先進的技術(shù)手段實現(xiàn)能耗設備的智能采集、統(tǒng)計、分析和管控，從而有效減少客運設備能源消耗，采取保證安全、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的措施，提高管理和維護人員的工作效率，在保證設備安全運行的基礎上降低能耗，提高設備運行效率。邊緣計算技術(shù)在車站設備能耗管控方面的應用通過安裝在設備終端的能耗監(jiān)測傳感器實現(xiàn)，這些傳感器具有簡單的邊緣計算功能，可以實時監(jiān)測設備的能耗情況，如電流、電壓、水壓等。這些傳感器的功能比較單一，在設備邊緣側(cè)可以進行一些簡單的數(shù)據(jù)處理、濾波、定時返回監(jiān)測值等操作，因此其在邊緣計算算法方面還有很大的提升空間。邊緣計算設備的安全性還有待加強。

（2）邊緣計算在車站智能視頻分析方面的應用現(xiàn)狀

智能視頻分析技術(shù)在“智能車站”中應用廣泛，用于實現(xiàn)進站閘機的人臉識別與人員、設備、環(huán)境的智能感知，包括統(tǒng)計、分析、預測站內(nèi)旅客人數(shù)及聚集密度與非法侵入，異常聚集與擴散等異常行為的智能化分析、評價與決策，同時還能夠支撐其他業(yè)務系統(tǒng)的音視頻等數(shù)據(jù)的分析處理，滿足了“智能車站”提高工作效率和車站智能化水平的需求。邊緣計算技術(shù)應用于攝像頭端主要體現(xiàn)在行為分析、圖像識別方面，但其預測分析的能力較弱。

（3）邊緣計算在車站環(huán)境舒適度監(jiān)控方面的應用現(xiàn)狀

車站環(huán)境舒適度監(jiān)控對車站運營環(huán)境的相關因素進行監(jiān)控，在保障車站安全、穩(wěn)定運營的前提下實現(xiàn)節(jié)能減排、提高旅客出行舒適度，對提高客運服務質(zhì)量而言意義重大。在環(huán)境舒適度監(jiān)控方面，邊緣計算技術(shù)有兩方面應用，一方面是邊緣計算終端傳感器，即安裝在車站各角落的溫濕度、亮度、空氣質(zhì)量、照度等傳感器具有簡單的數(shù)據(jù)處理能力，可以對重復數(shù)據(jù)進行濾波處理，定時返回監(jiān)測數(shù)據(jù);另一方面是邊緣計算網(wǎng)關，上述部署的傳感器以無線網(wǎng)絡為主，兼有有線網(wǎng)絡，這些傳感器的信息需要匯聚到特定網(wǎng)關中，進行進一步的數(shù)據(jù)處理，然后邊緣計算網(wǎng)絡再將處理后的信息發(fā)送至后臺服務器。但邊緣計算傳感器和邊緣計算網(wǎng)關的處理能力較弱，信息處理算法較為簡單，與市面上的邊緣計算設備相比還有較大差距。

2 邊緣計算在“智能車站”的應用需求分析

目前，降低建設成本、提高實時分析能力、減少網(wǎng)絡帶寬占用、減少網(wǎng)絡傳輸時延、提高系統(tǒng)安全性、提高系統(tǒng)效率等是邊緣技術(shù)應用需解決的“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)的七大問題，這也將是推動邊緣計算在鐵路“智能車站”設備能耗管控、智能視頻分析、人臉識別、環(huán)境舒適度等方面解決方案多元化發(fā)展與形成的關鍵因素[5-7]。

（1）邊緣計算技術(shù)降低“智能車站”相關系統(tǒng)的建設成本

邊緣計算的實際部署為天然分布式，往往具備即插即用、無需布線、安裝施工簡單等特征，并且利用窄帶物聯(lián)技術(shù)可實現(xiàn)遠距離覆蓋，信號可覆蓋至地下二層，無線傳感器等終端設備及網(wǎng)關設備可超長待機（部分設備可實現(xiàn)10年以上待機），實現(xiàn)全車站傳感器設備、終端設備、攝像頭設備、網(wǎng)關設備等的無線部署，促進不同系統(tǒng)間終端信息共享，提升終端設備的利用率，降低設備的部署成本，從而減少“智能車站”相關系統(tǒng)的建設成本。未來，邊緣計算在提升“智能車站”的經(jīng)濟性方面大有可為。

（2）邊緣計算技術(shù)提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實時分析能力

目前，車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)控特殊人員、分析特殊情況時主要依靠工作人員人眼識別，事后回顧，其實時性差，耗費大量人力和時間，若每個攝像頭都具備邊緣計算能力，能夠獨立、在線分析異常行為，實時將異常視頻返回后臺，并發(fā)出提醒，便可以大大提高智能視頻監(jiān)控的利用率和實效性。如果說“云計算”使“智能車站大腦”“更聰明”，那么“邊緣計算”就使“智能車站”的系統(tǒng)末梢神經(jīng)“更靈敏”。這兩者在提升“智能車站”系統(tǒng)運行效率方面的作用同樣重要。

（3）邊緣計算技術(shù)提高“智能車站”傳感器終端能力

作為信息感知的基本元件，傳感器是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能制造、人工智能、機器人等新興產(chǎn)業(yè)的核心關鍵技術(shù)之一，是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的重要支柱，在任何物聯(lián)網(wǎng)應用中都不可或缺?！爸悄苘囌尽钡脑O備能耗管控、環(huán)境舒適度、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)在車站各角落均布設有數(shù)量龐大、功能復雜、種類繁多的傳感器，這些傳感器是“智能車站”的終端神經(jīng)末梢，用以實時監(jiān)測車站環(huán)境、設備、人員等參數(shù)。與普通傳感器相比，具有邊緣計算能力的傳感器能對采集的信息進行加工和處理，按照一定的策略對信息進行判斷、傳輸;邊緣計算傳感器更加小型化，能夠隱藏在設備當中或不易被人察覺的地方，不影響車站的裝修效果和設備外觀;邊緣計算傳感器可自帶電源或盡可能少的消耗電源，且部署位置更加靈活;傳感器增加或更換方便，易于維護。隨著邊緣計算傳感器的應用和普及，其成本將越來越低，為實現(xiàn)“智能車站”智能傳感器大規(guī)模的應用和部署提供了保障。

（4）邊緣計算技術(shù)減少“智能車站”網(wǎng)絡帶寬限制

“智能車站”傳統(tǒng)的設備能耗管控、環(huán)境舒適度、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)均采用中心式部署，特別是視頻監(jiān)控系統(tǒng)在攝像頭傳輸視頻數(shù)據(jù)到后臺服務器時將占用較多帶寬資源，這無疑給“智能車站”的網(wǎng)絡傳輸造成巨大壓力，在這種情況下只能通過增加專用網(wǎng)絡的方式滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，因此增加了網(wǎng)絡建設成本。邊緣計算將數(shù)據(jù)篩選過后傳輸至后臺服務器，數(shù)據(jù)“瘦身”后不會占據(jù)太多網(wǎng)絡帶寬。

（5）邊緣計算技術(shù)降低“智能車站”網(wǎng)絡傳輸時延

“智能車站”傳統(tǒng)的設備能耗管控、環(huán)境舒適度、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)設計是中心式的，對網(wǎng)絡帶寬要求高，增加了網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)碰撞機會，數(shù)據(jù)之間相互干擾，延長了網(wǎng)絡傳輸時間。通過采用邊緣計算技術(shù)使計算更接近于收集的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量減少，網(wǎng)絡傳輸時延大大降低。邊緣計算技術(shù)對視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻數(shù)據(jù)進行快速分析，在本地做出決策（并非將數(shù)據(jù)傳至后臺服務器），從而改進系統(tǒng)的延遲性。

（6）邊緣計算技術(shù)提高“智能車站”相關系統(tǒng)的安全性

“智能車站”傳統(tǒng)的設備能耗管控、環(huán)境舒適度、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)若將終端采集的數(shù)據(jù)傳輸回服務器，其操作過程和數(shù)據(jù)極易受到攻擊。邊緣計算技術(shù)將數(shù)據(jù)收集與處理過程在設備端完成，避免敏感信息在網(wǎng)絡傳輸過程中發(fā)生泄漏。邊緣計算將在不同的數(shù)據(jù)中心和設備之間分配數(shù)據(jù)處理工作。因此，黑客無法通過攻擊一臺設備來影響整個網(wǎng)絡。如果數(shù)據(jù)在本地存儲和分析，那么網(wǎng)絡安全團隊可以輕松對其進行監(jiān)視。

（7）邊緣計算技術(shù)提高“智能車站”相關系統(tǒng)的效率

邊緣計算技術(shù)大范圍應用于“智能車站”相關系統(tǒng)后，系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸壓力更小、傳輸時延更小、數(shù)據(jù)處理更快、系統(tǒng)安全性大幅提高、系統(tǒng)建設成本更低，設備能耗管控、環(huán)境舒適度、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)的效率也會大幅提升。

3 傳統(tǒng)“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

“智能車站”的建設目標是滿足智能管控服務、集成數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一AI服務、統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一資源調(diào)度等功能需求。“智能車站”以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，在匯集站內(nèi)數(shù)據(jù)資源的基礎上，全面統(tǒng)一協(xié)調(diào)站內(nèi)有效資源，實現(xiàn)車站客運作業(yè)統(tǒng)一操控、統(tǒng)一指揮、協(xié)同聯(lián)動和輔助決策;統(tǒng)一對外接口，實現(xiàn)站車、站地一體化聯(lián)動指揮;統(tǒng)一管理存儲、計算、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)等資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共用，打破信息孤島;實現(xiàn)統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一操作界面、標準化操作流程、可視化集成展示。數(shù)據(jù)是實現(xiàn)“智能車站”的基礎，物聯(lián)網(wǎng)為“智能車站”的所有信息數(shù)據(jù)的泛在感知、全面采集、有效傳輸、集中管理提供了技術(shù)保障。傳統(tǒng)的“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)由感知層、傳輸層、處理層、應用層組成，架構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)的感知層由眾多機電設備加裝的傳感器以及采集溫濕度、照度、煙感、定位等信息的傳感器組成，實現(xiàn)對基礎數(shù)據(jù)的采集。經(jīng)由傳輸層的有線傳輸網(wǎng)絡或WiFi，ZigBee，LoRa等無線傳輸網(wǎng)絡上傳至處理層數(shù)據(jù)存儲服務器，通過處理層對數(shù)據(jù)進行解析、處理和入庫等，實現(xiàn)集中管理、事件告警、分析報表、流程服務、能源分析、位置服務、系統(tǒng)聯(lián)動服務等功能。應用層是物聯(lián)網(wǎng)應用的最終窗口，在處理層的處理信息基礎上，實現(xiàn)車站空氣質(zhì)量監(jiān)測、能耗管理監(jiān)測、設備狀態(tài)監(jiān)測、人員異常監(jiān)測等功能。

4 基于邊緣計算的“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

隨著“智能車站”的不斷發(fā)展，車站內(nèi)各種客運設備、自助設備、攝像頭設備、機器人設備以及傳感器等數(shù)量急劇上升，需要采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也日益激增，傳統(tǒng)的“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)出現(xiàn)了計算能力低下、傳輸能力不足、能量消耗增大、網(wǎng)絡帶寬受限等問題。邊緣計算技術(shù)的出現(xiàn)可就地解決網(wǎng)絡資源受限問題，為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的低時延、高可靠以及智能控制提供保障。物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算參考模型可分為邊緣設備層、通信層、邊緣計算層、數(shù)據(jù)聚集層、數(shù)據(jù)提取層、應用層、用戶和中心層[1]。本文在參考模型和傳統(tǒng)“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎上，結(jié)合“智能車站”的發(fā)展趨勢以及物聯(lián)網(wǎng)特性和業(yè)務需求，設計了基于邊緣計算的“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，分為設備終端層、傳輸層、邊緣計算層、車站大腦層和應用層，具體如圖2所示。

（1）終端設備層

終端設備層是在傳統(tǒng)“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)感知層的基礎上發(fā)展起來的。隨著“智能車站”的快速發(fā)展，車站的智能化設備和種類不斷增加，同時邊緣計算技術(shù)的應用也使得更多的設備可以接入車站物聯(lián)網(wǎng)中。終端設備層包含接入“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)的所有設備，如客票設備、旅服設備、機電設備、環(huán)境監(jiān)測傳感器、攝像頭、工作人員手持終端以及其他服務機器人等。

（2）傳輸層

傳輸層與傳統(tǒng)“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層相同，分為有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡，不同的是無線網(wǎng)絡的傳輸方式和傳輸協(xié)議有所增加。

（3）邊緣計算層

邊緣計算層是基于邊緣計算的“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)的新增部分，也是邊緣計算技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的集中體現(xiàn)，位于傳輸層之間，將傳輸層分為兩部分。邊緣計算層由邊緣計算節(jié)點組成，邊緣計算節(jié)點具有系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)處理、智能分析、控制管理以及電源管理等功能。邊緣節(jié)點是對邊緣計算層所有邊緣計算設備的簡稱，可以是集成在終端設備上的邊緣處理裝置，也可以是獨立設置的邊緣服務器、邊緣網(wǎng)關、邊緣控制器等。因此對于終端上集成有邊緣處理裝置的終端設備（如機器人、自助機等）直接通過集成的邊緣計算裝置進行處理傳輸，對于無集成邊緣處理裝置的設備，如廣播、照明、空調(diào)、環(huán)境傳感器等需通過傳輸層將采集信息傳輸至車站內(nèi)最近的獨立邊緣計算服務器，再由邊緣計算服務器處理后進行統(tǒng)一傳輸。

（4）車站大腦

“智能車站大腦”是為了更好在智能客站建設中利用數(shù)字化、網(wǎng)絡化、信息化、智能化等先進技術(shù)建立基礎平臺，使其具有數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和服務等功能，其中物聯(lián)網(wǎng)平臺是傳統(tǒng)“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)處理層的升級版本。邊緣計算層將所有處理后的信息統(tǒng)一傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺，形成共用數(shù)據(jù)資源池，供“智能車站大腦”決策使用?！爸悄苘囌敬竽X”通過模型和算法對數(shù)據(jù)進行分析、處理，為車站生產(chǎn)服務和各站內(nèi)外系統(tǒng)提供輔助決策。

（5）應用層

應用層相當于“智能車站”的實際業(yè)務應用，包括智能管控與服務、集成化展示服務、旅客服務、客運管理與指揮、客站設備監(jiān)控、客站應急指揮、智能音視頻分析等。

5 結(jié) 語

近年來，中國鐵路客運業(yè)務發(fā)展迅速，為適應和把握信息化時代發(fā)展的特征和趨勢，更好地利用數(shù)字化、網(wǎng)絡化、信息化、智能化等先進技術(shù)，有效融入“智能鐵路”，全面提升車站整體管理水平，“智能車站”建設全面展開。物聯(lián)網(wǎng)為“智能車站”提供了數(shù)據(jù)來源，隨著“智能車站”建設的發(fā)展完善，車站內(nèi)設備種類和數(shù)量將大幅增加，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將遭遇網(wǎng)絡帶寬、時延、安全等方面的瓶頸，邊緣計算技術(shù)的應用將使這些問題迎刃而解。本文詳細分析了邊緣計算技術(shù)在“智能車站”的應用現(xiàn)狀和應用需求，介紹了傳統(tǒng)“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，建立了基于邊緣計算的“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，為“智能車站”物聯(lián)網(wǎng)的建設發(fā)展提供技術(shù)保障。

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