城市軌道交通智慧車站實施方案研究

陳 星，陰佳騰，范禮乾

（1.南昌軌道交通集團有限公司 科技研發(fā)部，南昌 330038；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 通信信號設計研究院，武漢 430063）

城市軌道交通作為一個大型綜合系統(tǒng)，其信息化、智慧化建設是一項浩大的工程。而車站作為城市軌道交通系統(tǒng)為乘客服務的窗口和重要客運生產節(jié)點，可直接反映運營主體的生產水平和服務水平。采用智能化設施設備實現(xiàn)車站管理智能化和服務人性化的智慧車站已成為未來智慧城市軌道交通發(fā)展的重要方向[1]。歐洲聯(lián)盟Shift2Rail 項目將“未來智慧車站”列為2019—2022 年重點研究內容[2]，設置了兩項研究課題[3]：（1） Future Secure and Accessible Rail Stations（FAIR Stations）課題，主要研究車站客流需求預測模型、復雜車站的客流誘導管理、基于實時3D 仿真的擁擠度防控等內容；（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、車站應急決策、風險與抗毀性評估、乘客出行、信息安全及車站低碳能源管理等內容。

針對智慧車站，國內學者也開展了深入研究，分別從智能設計、智能管理、智能服務等方面提出智慧車站建設內容與實施建議。2020 年，中國城市軌道交通協(xié)會發(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)列為中國智慧城市軌道交通建設重點研發(fā)項目之一。國內一些高等院校和運營企業(yè)相繼開展智慧車站的研發(fā)及前期示范應用[5]。例如，上海地鐵10 號線新江灣站示范應用[6]、西安地鐵智慧車站實施方案研究[7]。

近年來，南昌軌道交通集團有限公司積極推進軌道交通信息化、智慧化建設進程。本文以南昌地鐵4 號線智慧車站建設為例，提出該智慧車站的整體架構、技術難點及實施方案。

1 軌道交通智慧車站需求與內涵

軌道交通智慧車站創(chuàng)新發(fā)展的實質是堅持可持續(xù)發(fā)展，利用5G 移動通信、物聯(lián)網、人工智能等技術，研發(fā)智能化服務平臺；通過構建場景化管理模式，實現(xiàn)更加高效可靠的運營管理；針對不同乘客出行需求及特點，提供更加便捷、人性化的客運服務。

1.1 智慧車站需求

按照主體不同進行劃分，智慧車站的需求主要分為以下3 個方面。

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

（2）從運營商角度：運營商是服務的提供方，也是智慧車站的終端用戶。因此，智慧車站的設計、建設和運營需要從乘客需求出發(fā)，同時，需要考慮智慧車站對運營商使用過程的友好性，在一定程度上降低運營工作人員的勞動強度，提高其工作積極性，實現(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，是智慧車站建設的重要需求。

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

1.2 智慧車站內涵

智慧車站建設內涵主要體現(xiàn)在感知、決策和服務3 個方面。

（1）車站狀態(tài)實時全息感知

人工智能框架中，感知是實現(xiàn)智慧管理和精準決策的基礎。智慧車站可利用5G 移動通信、物聯(lián)網、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術，實現(xiàn)對車站客流分布、車站機電設備狀態(tài)和車站環(huán)境參數(shù)等全息感知，實現(xiàn)乘客、設施設備、環(huán)境等實體信息的智能融合，進而實現(xiàn)軌道交通車站票務安檢融合、多源客流信息實時感知與短時預測、車站環(huán)境控制全時域檢測、多域智能視頻分析與危險物智能識別、車站設備狀態(tài)預測與動態(tài)預警，以及基于大數(shù)據(jù)的多網融合等。

（2）車站管理決策智能化

作為軌道交通網絡重要的銜接部分，車站記錄了乘客進站、刷卡、乘車/換乘和出站的全時空軌跡數(shù)據(jù)，其管理決策的智能化程度與乘客出行體驗直接相關。以車站客流、設備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)為基礎，智慧車站通過全業(yè)務、全場景的管理和控制，實現(xiàn)更高效的車站運營管理，主要體現(xiàn)在：智慧車站設備數(shù)字巡檢、全景集成與監(jiān)視、場景化的車站管理、數(shù)字施工監(jiān)管、設備智慧運控預警、車站微觀客流熱力圖、運營管理綜合決策，以及突發(fā)公共安全事件下的應急預案優(yōu)化等。

（3）乘客服務人性化

智慧車站的乘客服務人性化主要是指利用新技術，為乘客提供更加便捷、智能、舒適、個性化的乘客服務，包括便捷購票、個性化出行方案推薦、智能求助、無障礙出行設施等，進而全面提升乘客滿意度。

2 智慧車站總體架構

南昌地鐵4 號線智慧車站建設以需求為導向，利用5G 移動通信、物聯(lián)網及人工智能等技術，通過安裝傳感器、視頻監(jiān)控、智能控制等設備，構建車站生產與服務實時狀態(tài)感知體系，實現(xiàn)車站設施設備狀態(tài)、客流分布等全息感知。同時，以提升車站生產作業(yè)效率和客運服務水平為目的，采取信息化手段，實現(xiàn)車站管理一體化和智能化，并為乘客提供個性化服務。

南昌地鐵4 號線智慧車站總體架構如圖1 所示[8]。

圖1 南昌地鐵4 號線智慧車站總體架構

2.1 信息感知層

利用各類傳感器、視頻監(jiān)控和智能設施設備，實現(xiàn)對車站機電設備運行數(shù)據(jù)、客流分布、能耗及站務人員位置等信息的實時感知，為實現(xiàn)精細、高效的車站管理及客運組織提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 服務執(zhí)行層

深度挖掘各類業(yè)務需求，以車站運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)為基礎，通過智能數(shù)據(jù)分析技術，確定各設備運行狀態(tài)及客流實時狀態(tài)，并對故障與突發(fā)事件等進行預警；針對設備管理、乘客服務、客運管理和站務管理等車站生產業(yè)務，分析其特點及作業(yè)流程，建立場景化管理模式，進而實現(xiàn)對車站設施設備的遠程操控及遠程智能旅客服務（簡稱：客服）。

2.3 運營協(xié)調層

針對設備管理、乘客服務、客運管理和站務管理等車站生產業(yè)務，充分考慮車站實時運行狀態(tài)，并利用5G 移動通信、物聯(lián)網、人工智能等技術，通過數(shù)據(jù)分析和可視化手段，實時展示車站運行狀態(tài)并預警，為車站智慧化乘客服務、智能化設備管理提供決策支持。

3 技術難點

軌道交通智慧車站本質上是一種先進的工業(yè)網絡系統(tǒng)，即融合工業(yè)控制和信息通信的多維動態(tài)系統(tǒng)，采用自動控制、計算機、通信、網絡等技術，實現(xiàn)信息系統(tǒng)與工業(yè)物理過程的協(xié)同，達到生產最優(yōu)化、流程最簡化、效率最大化。其技術難點主要體現(xiàn)在感知、傳輸和控制3 個層面，智慧車站關鍵技術體系如圖2 所示。

圖2 智慧車站關鍵技術體系

3.1 感知層面的技術難點

感知層面的技術難點在于資源受限條件下的異構終端難以融合。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 號線智慧車站建設中，利用異步視頻智能分析、太赫茲成像、自然語言處理等技術快速獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)，并依托物聯(lián)網實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的融合。

3.2 傳輸層面的技術難點

受車站內通信環(huán)境復雜多變的影響，要實現(xiàn)高水準的信息傳輸可靠性與安全性，其難度較大。在南昌地鐵4 號線智慧車站建設中，積極探索基于5G移動通信技術的物聯(lián)網技術，實現(xiàn)車站設施設備的快速組網，為車站運行狀態(tài)數(shù)據(jù)快速上傳提供通道保障。

3.3 控制層面的技術難點

控制層面的技術難點在于如何實現(xiàn)基于多源信息的車站多工種協(xié)同控制與優(yōu)化，以滿足智慧車站對實時可靠、泛在通信、協(xié)同控制等的需求。在南昌地鐵4 號線智慧車站建設中，利用視頻、智能表計和傳感器等設備，實時獲取客流、設備等狀態(tài)信息；基于圖像識別、智能數(shù)據(jù)分析等技術，挖掘車站運行特點及風險；根據(jù)實時客流情況，智能化、精細化控制各類能源消耗設備的開關狀態(tài)，實現(xiàn)車站運能的智能管控。

4 智慧車站實施方案

4.1 乘客服務方面

（1）智能客服應用

深度挖掘城市軌道交通客服內涵，構建場景化客運服務，并通過提供豐富的智能客服設備和手機線上自助服務，實現(xiàn)虛擬客服智能應答，為乘客提供快速便捷的咨詢服務；同時，建立現(xiàn)場快速求助渠道，實現(xiàn)車控室值守員快速響應現(xiàn)場求助。車站智能客服應用邏輯架構如圖3 所示，其功能如下：

圖3 智能客服應用邏輯架構

①采用語音語義智能識別技術向乘客提供線上、線下的虛擬客服應答；

②現(xiàn)場設備遠程音頻交互、可視化對講、一鍵求助；

③可對特殊乘客、工作人員等人采用人臉注冊方式進行票務查詢與處理。

（2）線下自助服務

通過布置智能客服中心及現(xiàn)場自助客服設備，替代傳統(tǒng)的站務人員，實現(xiàn)車站票務、客服、資訊服務的自助化，進而節(jié)省車站的人力成本，如圖4所示。

圖4 車站線下自助服務內容

（3）乘客資訊

乘客資訊主要包括以下兩個方面：

①利用車地通信實時獲取車輛載重信息和車廂視頻信息，計算、分析車廂人員密度，并將其顯示在車站屏蔽門上，引導乘客上車；

②通過設置在站臺門上方、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、出入口附近地標等實時多媒體信息；在火災及阻塞情況下，提供緊急疏散提示，提高運營安全性[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，識別、感知車站環(huán)境、設施設備狀態(tài)及站內客流狀態(tài)等，進而實現(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)，圍繞運營準備、運營開站、高峰監(jiān)護、日常監(jiān)護等車站業(yè)務場景，從視頻終端、智能表計和傳感器等設備獲取客流、設備等實時狀態(tài)信息，以此為基礎，進行智能數(shù)據(jù)分析，并在車站控制室設置綜合管理監(jiān)控大屏，實現(xiàn)車站設備、環(huán)境及現(xiàn)場狀況的全景管控，提升車站管理水平和管理效率。

（2）視頻智能分析

運用行為識別技術，根據(jù)用戶需求設定目標行為規(guī)則，實時分析視頻信息，及時捕捉違反規(guī)則的突發(fā)或危險事件，進而實施預警/報警，實現(xiàn)事前/事中及時提示，提高安全防范級別和監(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)的實體票務模式，利用人工智能技術，構建乘客出行無感化票務服務環(huán)境?？紤]到在本項目全面實施無感化票務服務環(huán)境需要對現(xiàn)有的清分中心、數(shù)字票務平臺進行較大程度的改造，并且，儲存乘客的人臉信息存在潛在的信息安全風險，因此，本項目中，主要為車站工作人員和特殊乘客在公共區(qū)邊門搭建人臉識別、無感過閘的體驗環(huán)境，上述人員可在實名注冊及驗證情況下無感進/出車站。

（4）智慧安檢

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

①采用網絡化、圖像智能識別手段，將多個安檢點的安檢數(shù)據(jù)進行匯總、整合及智能預警，實現(xiàn)多個安檢點的集中判圖 ，節(jié)省人力資源，提高乘客安檢效率；

②安檢設備采用太赫茲成像技術，能夠快速檢測到人體攜帶的危險物品并及時通知安檢人員，保證了乘客過檢的效率。

（5）人員定位

南昌地鐵4 號線智慧車站人員定位系統(tǒng)主要實現(xiàn)主動定位和被動定位。主動定位用于支持管理人員對車站內現(xiàn)場工作人員進行實時定位，協(xié)助管理人員對現(xiàn)場工作人員進行精細化管理；被動定位支持現(xiàn)場工作人員與乘客對自身進行定位與導航，為其提供更具體和更準確的引導信息，如提供站內路徑導航和關鍵點的導向信息（垂梯、扶梯、衛(wèi)生間、出入口等）。

5 結束語

隨著5G 移動通信、物聯(lián)網、人工智能等技術的不斷發(fā)展，智慧車站的內涵日新月異。本文梳理了近年來歐洲聯(lián)盟及國內一些單位關于智慧車站的研究動向，介紹軌道交通智慧車站需求與內涵；以南昌地鐵4 號線智慧車站建設為例，分析了智慧車站建設的技術難點，設計了智慧車站實施方案。該方案已應用于南昌地鐵4 號線智慧車站建設。未來，南昌城市軌道交通建設部門將進一步打破車站數(shù)據(jù)壁壘，依托大數(shù)據(jù)、5G 移動通信、人工智能等技術，構建以數(shù)據(jù)為基礎的車站業(yè)務融合管控平臺，從業(yè)務流程、管理流程上進行優(yōu)化，打造更加智能化、智慧化的智慧車站，探索符合我國國情的智慧城市軌道交通發(fā)展模式。