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      大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在智慧地鐵上的應(yīng)用分析

      2021-09-08 10:10:32
      電視技術(shù) 2021年7期
      關(guān)鍵詞:運(yùn)維人工智能智慧

      余 凱

      (武漢烽火信息集成技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430000)

      0 引 言

      在城鎮(zhèn)化不斷推進(jìn)的背景下,城鎮(zhèn)人口迅速增加,使得城市的交通越來越擁擠。傳統(tǒng)公共交通運(yùn)客量不足,地鐵系統(tǒng)的建造極大地緩解了城市內(nèi)部的交通擁堵問題。截至2020年12月31日,北京地鐵系統(tǒng)開通了24條運(yùn)營網(wǎng)線,全長727 km,共428個站點(diǎn),單日最高客運(yùn)量達(dá)1 327.46萬人次??梢?,地鐵作為一種公共交通方式,承擔(dān)了巨大的客運(yùn)量。面對如此之大的客運(yùn)量,地鐵系統(tǒng)的安全性和效率值得深入探討。在探討地鐵的安全與效率的同時,地鐵的智能化水平還有很大的提升空間,因此也要重視地鐵的智能化水平的提升。

      地鐵系統(tǒng)大都具有自動售票功能、自動控制功能以及充電功能,還安裝有完善的監(jiān)控系統(tǒng)等。然而,各個子系統(tǒng)信息共享程度不夠,聯(lián)動效果差,大大影響了運(yùn)行效率的提高。盡管地鐵發(fā)展到現(xiàn)在,自動化程度已經(jīng)很高,如具有自動駕駛、自動防護(hù)系統(tǒng)等功能,但是智能化程度還比較低,這降低了數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的效率。因此,引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù),是解決數(shù)據(jù)有效利用和智能化問題的關(guān)鍵[1]。

      1 智慧地鐵概述與研究方向

      1.1 智慧地鐵的定義

      地鐵與大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的結(jié)合就是智慧地鐵,即大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用到地鐵領(lǐng)域的產(chǎn)物。

      1.2 智慧地鐵的研究方向

      智慧地鐵的研究分為3個步驟:收集數(shù)據(jù),包括客流量、監(jiān)控視頻及列車關(guān)鍵部位的檢測數(shù)據(jù);構(gòu)建平臺,以收集到的大數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ),并與其他地鐵系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享、合并;通過人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

      智慧地鐵主要分為4個研究方向:大數(shù)據(jù)平臺、地鐵運(yùn)行智能監(jiān)測技術(shù)、地鐵運(yùn)行智能調(diào)度技術(shù)以及智慧地鐵軟件開發(fā)。其中,大數(shù)據(jù)平臺是其他技術(shù)的基礎(chǔ),它將數(shù)據(jù)提供給監(jiān)測和調(diào)度系統(tǒng)。智能監(jiān)測技術(shù)的作用是保證地鐵運(yùn)行過程中的安全,以AI為核心技術(shù),監(jiān)測大量數(shù)據(jù)后針對異常情況進(jìn)行報(bào)警。智能調(diào)度技術(shù)可以更好地滿足乘客的需求,提高乘客的滿意度。通過分析客流量,適當(dāng)調(diào)整列車運(yùn)行時間安排,滿足出行人員的乘坐需求。智慧地鐵軟件開發(fā)以軟件工程技術(shù)作為核心技術(shù),前期所有研究環(huán)節(jié)的研究成果通過軟件開發(fā)環(huán)節(jié)形成一個智慧地鐵軟件,這樣就形成了一個完整的智慧地鐵有機(jī)整體。

      2 智慧地鐵的基礎(chǔ)——大數(shù)據(jù)平臺

      在智慧地鐵的搭建過程中,大數(shù)據(jù)平臺是重中之重。作為智慧地鐵的基礎(chǔ),大數(shù)據(jù)平臺為其他研究方向提供了數(shù)據(jù)支撐。大數(shù)據(jù)平臺的搭建分為3個步驟:首先搜集視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、刷卡數(shù)據(jù)及傳感器數(shù)據(jù);其次采用Hadoop、Spark等對各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合;最后通過服務(wù)接口為大數(shù)據(jù)的智能分析應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。具體架構(gòu)如圖1所示。

      圖1 “智慧地鐵”大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

      3 大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在智慧地鐵技術(shù)方面的應(yīng)用

      3.1 地鐵運(yùn)行智能監(jiān)測技術(shù)

      以視頻數(shù)據(jù)和關(guān)鍵部位傳感器數(shù)據(jù)為例來說明智能監(jiān)測技術(shù)的研究內(nèi)容。

      3.1.1 視頻數(shù)據(jù)的監(jiān)測

      一些擾亂秩序的突發(fā)事件在視頻監(jiān)控中會有所體現(xiàn),因此用視頻來監(jiān)控乘客乘車情況,是一個非常直觀并且有效的監(jiān)測辦法,這種監(jiān)測方法為機(jī)器學(xué)習(xí)算法。如果系統(tǒng)在視頻里監(jiān)測到了異常情況,就會自動發(fā)出報(bào)警信號。優(yōu)點(diǎn)是安保人員不用實(shí)時觀察監(jiān)控視頻的動態(tài)就可以及時了解現(xiàn)場情況并進(jìn)行及時處理,避免造成更嚴(yán)重的情況。

      3.1.2 關(guān)鍵部位傳感器數(shù)據(jù)的監(jiān)測

      故障監(jiān)測技術(shù)可以分析列車故障部位的數(shù)據(jù)并給出準(zhǔn)確判斷。這樣能夠減少排查列車運(yùn)行故障所需的人工工作量,降低列車日常維護(hù)成本。總體來說,故障檢測算法的檢測效率可以隨著數(shù)據(jù)量的增大以及算法技術(shù)的發(fā)展而提升。

      3.2 地鐵運(yùn)行智能調(diào)度技術(shù)

      地鐵運(yùn)行智能調(diào)度技術(shù)可以將乘客的出行情況和列車的發(fā)車情況完美結(jié)合,能夠有效提高地鐵的運(yùn)行效率。以前的列車時間表主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定,客流數(shù)據(jù)不夠可靠。通過對刷卡系統(tǒng)提供的客流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,利用AI技術(shù)進(jìn)行智能優(yōu)化,可以做到需求與供給的最佳匹配。地鐵運(yùn)行智能調(diào)度可以通過以下算法實(shí)現(xiàn)。

      3.2.1 地鐵客流時空模式挖掘算法

      根據(jù)大數(shù)據(jù)平臺提供的乘客出行刷卡數(shù)據(jù),研究乘客在時空、地域上的交通流動分布。通過對于時空模型的挖掘,進(jìn)一步深入地研究站點(diǎn)乘客流量預(yù)測算法,預(yù)測各站點(diǎn)在不同的時間段內(nèi)的乘客流量。

      3.2.2 列車運(yùn)行時刻表優(yōu)化算法

      該算法對刷卡、視頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,再加上客流量在時空上表現(xiàn)的規(guī)律,優(yōu)化列車運(yùn)行時刻表,力求在降低地鐵運(yùn)行成本的同時滿足乘客的出行需求。地鐵客流量是有規(guī)律可循的,但也不排除一定的隨機(jī)性和不確定性,尤其是突發(fā)事件的影響。因此,真正做到最佳匹配是非常艱巨的任務(wù),還需要更加深入的研究。

      3.3 智慧地鐵軟件開發(fā)技術(shù)

      軟件開發(fā)是將前期所有的研究過程轉(zhuǎn)化為落地成果的一個環(huán)節(jié)。研究成果需要轉(zhuǎn)化和應(yīng)用到實(shí)際生活中,因此智慧地鐵還需要進(jìn)行軟件系統(tǒng)開發(fā)。智慧地鐵軟件開發(fā)技術(shù)是未來科技創(chuàng)新的趨勢,這個研究方向以軟件開發(fā)作為核心技術(shù)[2]。

      智慧地鐵軟件的開發(fā)涉及很多種類,軟件開發(fā)應(yīng)該著重從以下幾點(diǎn)出發(fā)。

      3.3.1 地鐵視頻智能監(jiān)測軟件

      視頻智能監(jiān)測軟件不僅可以監(jiān)測地鐵運(yùn)行過程中的異常情況,針對視頻中的異常情況進(jìn)行報(bào)警,還能夠輸出視頻監(jiān)控區(qū)域的擁擠度。

      3.3.2 地鐵運(yùn)行關(guān)鍵部位智能監(jiān)測軟件

      智能監(jiān)測軟件可以對轉(zhuǎn)向架和受電弓等列車關(guān)鍵部位的工作狀態(tài)進(jìn)行智能分析,及時呈現(xiàn)異常報(bào)警消息,避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

      3.3.3 地鐵運(yùn)行智能調(diào)度軟件

      智能調(diào)度軟件根據(jù)視頻數(shù)據(jù)和客流量對列車時刻表進(jìn)行合理配置,智能調(diào)度列車運(yùn)行時間,可以提高列車運(yùn)行效率,增加乘客的滿意度。

      在大數(shù)據(jù)平臺上,運(yùn)用智能AI核心技術(shù),可以研究出很多軟件,用于提高地鐵的運(yùn)行效率和安全性能,降低地鐵運(yùn)營成本,提升地鐵服務(wù)質(zhì)量。利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù),可以通過物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)等現(xiàn)代化的科技打造一個智慧地鐵系統(tǒng)。目前,地鐵建設(shè)者的一個重要任務(wù)就是通過軟件工程技術(shù)開發(fā)出更多實(shí)用的智慧地鐵軟件,促進(jìn)智慧地鐵的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,全面提高感知力和分析能力,為地鐵運(yùn)營的決策提供科學(xué)的、真實(shí)的依據(jù),此外,還能助力提升精確的執(zhí)行能力,從而打造一個現(xiàn)代化、智能化的城市軌道交通系統(tǒng)。

      4 大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在智慧地鐵運(yùn)維方面的應(yīng)用

      良好的運(yùn)維管理可以為地鐵系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。然而,運(yùn)維工作卻是各個地鐵公司都難以突破的技術(shù)堡壘。難以突破的原因主要有人力資源使用量大、成本高、運(yùn)維手段技術(shù)含量比較低、各系統(tǒng)信息共享程度低、數(shù)據(jù)分析不夠準(zhǔn)確及時、設(shè)備維護(hù)主要依靠人工導(dǎo)致維護(hù)效率低以及運(yùn)營公司無法給出正確的策略方法等。地鐵系統(tǒng)的運(yùn)維工作一直阻礙著地鐵系統(tǒng)的良性發(fā)展。為了打造一個健康有效的運(yùn)維系統(tǒng),地鐵公司必須把握住改革的機(jī)會,將大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用到智慧地鐵的建設(shè)中去,打造一套完整的、立體化的運(yùn)維系統(tǒng)。

      4.1 智慧地鐵運(yùn)維的平臺架構(gòu)

      智慧地鐵運(yùn)維系統(tǒng)由感知執(zhí)行層、數(shù)據(jù)傳輸層以及業(yè)務(wù)分析層構(gòu)成。

      4.1.1 感知執(zhí)行層

      感知執(zhí)行層的工作內(nèi)容有:將熱量、力度、紅外線、激光及聲音視覺傳感器進(jìn)行對接,利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對傳感裝置進(jìn)行改造。改造的目的是把傳感裝置建設(shè)成一個微型和集成為一體的標(biāo)準(zhǔn)化、可移動的裝置系統(tǒng),達(dá)到智能感知前端數(shù)據(jù)的效果。

      4.1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

      數(shù)據(jù)傳輸層以骨干網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),將通信運(yùn)輸作為骨干網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容,把大數(shù)據(jù)、5G通信等先進(jìn)的科技應(yīng)用到數(shù)據(jù)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中,構(gòu)建一個效率高、速度快的數(shù)據(jù)信息傳輸渠道。使用這個數(shù)據(jù)信息傳輸通道后,數(shù)據(jù)的存儲能力和傳輸能力都會得到大幅度提升。數(shù)據(jù)傳輸和存儲的空間也會有所增加,地鐵的運(yùn)維就有了標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、可持續(xù)的信息數(shù)據(jù)存儲運(yùn)輸體系。這個體系將為地鐵運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析提供科學(xué)、準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)支持。

      4.1.3 業(yè)務(wù)分析層

      業(yè)務(wù)分析層是地鐵運(yùn)維體系的一個重要構(gòu)成部分。業(yè)務(wù)分析層的工作內(nèi)容是將大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用到地鐵運(yùn)維系統(tǒng)中。業(yè)務(wù)分析層不僅能夠利用人工智能設(shè)備整合音頻和視頻等影像數(shù)據(jù)信息,還能夠綜合分析處理那些非結(jié)構(gòu)性的內(nèi)容。地鐵運(yùn)維過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各種突發(fā)事件,合理地調(diào)度維護(hù)人員,可以節(jié)約運(yùn)維成本和人工管理成本,提高工作效率和工作質(zhì)量。運(yùn)維工作的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無人化、科學(xué)化的管理,業(yè)務(wù)分析層的建立有助于實(shí)現(xiàn)這個總目標(biāo)[3]。

      4.2 智慧地鐵運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)

      智慧地鐵運(yùn)維技術(shù)的突破是構(gòu)建智慧地鐵的重點(diǎn)工作。智慧地鐵運(yùn)維過程不能沒有科學(xué)技術(shù)的支持。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力能夠更好地將感知層與設(shè)備關(guān)聯(lián)起來。因此,充分利用好物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的同時還需要提升無線網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋,同時也應(yīng)該利用好BIM技術(shù),為可視化地鐵運(yùn)維系統(tǒng)的建成助力。另外,技術(shù)人員還要分析地鐵運(yùn)維系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,及時調(diào)整所運(yùn)用的技術(shù)。

      5 結(jié) 語

      目前,智慧地鐵是一個新興的研究方向,具有很大的研究和發(fā)展?jié)摿?。只有合理?yīng)用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù),才能夠更好更快地構(gòu)建智慧地鐵系統(tǒng)。智慧地鐵的智能化建設(shè),可以促進(jìn)城市軌道交通的蓬勃發(fā)展。

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