汪曉臣，吳 卉，孫同慶，黃志威，趙偉慧

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

車載乘客信息系統(tǒng)（PIS，Passenger Information System）是地鐵車輛上以車載信息終端為媒介，向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)，通過(guò)提供乘客須知、服務(wù)時(shí)間、列車到發(fā)時(shí)間、列車時(shí)刻表、公告、新聞、賽事、廣告、緊急事件通告等資訊信息，豐富乘客乘車體驗(yàn)，提高地鐵服務(wù)水平和質(zhì)量。車載PIS 從地面PIS 獲取媒體資源和消息，以設(shè)定的版式布局，在車廂內(nèi)LCD 顯示屏上顯示[1]。當(dāng)前，車載PIS 的信息服務(wù)主要以車廂內(nèi)固定信息顯示、語(yǔ)音播報(bào)為主，還不能充分滿足乘客出行需求，存在信息源不夠豐富、人—車—環(huán)境信息融合度不高、整體智能化程度較低等問(wèn)題。

2020 年發(fā)布的《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》提出，應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)，構(gòu)建新一代中國(guó)式智慧城市軌道交通[1]。為此，圍繞為乘客提供更貼合實(shí)際需求、更人性化的信息服務(wù)的目標(biāo)，在情景感知、信息融合處理、信息顯示等環(huán)節(jié)融入新一代信息技術(shù)，成為車載PIS 發(fā)展的新方向。本文基于云邊端融合的開(kāi)放邏輯架構(gòu)，通過(guò)邊緣端的智能終端和外部接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路運(yùn)營(yíng)、列車運(yùn)行、列車內(nèi)外環(huán)境、乘客行為等多源信息的感知，并由設(shè)置在邊緣側(cè)的司機(jī)室主機(jī)完成采集信息的就近解析、融合分析和本地調(diào)度計(jì)算，提供基于情景感知、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的車載PIS 信息服務(wù)。

1 車載PIS 發(fā)展趨勢(shì)

作為乘客服務(wù)的關(guān)鍵系統(tǒng)，車載PIS 的智能化服務(wù)將成為必然趨勢(shì)，京滬穗等城市軌道交通線路中的車載PIS 正在逐步融入基于情景感知、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的服務(wù)內(nèi)容，并將很快在全國(guó)形成燎原之勢(shì)。

1.1 乘客服務(wù)信息全面感知

車載乘客信息服務(wù)智能化的本質(zhì)是對(duì)列車運(yùn)行中的“人、車、物、事件”等信息的實(shí)時(shí)采集與分析，將列車實(shí)時(shí)狀態(tài)、乘客出行、運(yùn)營(yíng)處置等數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合，為乘客出行候車、在途乘車、下車換乘等提供全流程信息服務(wù)[2]。在車站、列車的重點(diǎn)位置設(shè)置傳感設(shè)備、智能儀表、智能客服設(shè)施等前端感知設(shè)備，對(duì)線路運(yùn)營(yíng)動(dòng)態(tài)、列車實(shí)時(shí)狀態(tài)、內(nèi)外部環(huán)境、乘客行為監(jiān)測(cè)等影響乘客服務(wù)的關(guān)鍵因素進(jìn)行感知和采集，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)提供的信息，通過(guò)多源信息融合與智能調(diào)度，為更加精準(zhǔn)、更為人性化的乘客服務(wù)提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 服務(wù)范圍拓展

除了以動(dòng)態(tài)圖文、音視頻播放等傳統(tǒng)方式發(fā)布乘客服務(wù)信息，車載PIS 在信息獲取、處理、應(yīng)用等方面有更多擴(kuò)展。

在北京地鐵六號(hào)線，列車門上方、列車車廂通道上方新增4 K 高清顯示屏，乘客可方便地了解到前方車站的洗手間、扶梯、換乘路線、出口位置分布以及前、后車廂的擁擠程度；列車車窗上新增可視化透明屏，顯示列車當(dāng)前位置、線網(wǎng)圖以及車站三維布局圖等信息；利用車廂內(nèi)布置的感知攝像頭，通過(guò)圖像識(shí)別和智能分析，可監(jiān)測(cè)到乘客暈倒、斗毆、求救等異常事件以及司機(jī)的疲勞駕駛等不安全行為，實(shí)現(xiàn)異常事件及時(shí)感知和快速處置；此外，還可采集列車的滿載率、溫度、濕度、空氣質(zhì)量等信息，為改善乘坐舒適度和改進(jìn)運(yùn)營(yíng)管理提供依據(jù)。

在北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線，通過(guò)車載信息與候車引導(dǎo)屏幕、多媒體屏蔽門的結(jié)合，顯示列車運(yùn)行位置、車廂擁擠程度、車廂類別（強(qiáng)冷車、弱冷車、行李車）、越行大站快車等動(dòng)態(tài)信息，及早提醒乘客。

2 車載PIS 情景感知信息源分析

目前，車載PIS 可感知的情景信息源主要包括以下幾類。

（1）CCTV 圖像信息：車載攝像頭采集的圖像信息，通過(guò)分析CCTV 圖像信息，可獲取車廂內(nèi)乘客密度分布、乘客異常行為、車內(nèi)異常遺留物品等數(shù)據(jù)。

（2）車內(nèi)環(huán)境信息：通過(guò)車內(nèi)FAS 傳感器、BAS（Building Automatic System）傳感器等感知裝置，可獲取車廂內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度、火災(zāi)煙感等信息。

（3）乘客主動(dòng)觸發(fā)信息：通過(guò)車廂內(nèi)設(shè)置的乘客緊急求助按鈕、IBP 盤按鍵等，可獲取乘客求助、緊急異常事件觸發(fā)開(kāi)關(guān)等信息。

（4）相關(guān)系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)：通過(guò)系統(tǒng)接口獲取的相關(guān)信息，包括列車運(yùn)行（目的站、預(yù)計(jì)到站時(shí)間、即將到站、列車進(jìn)站、車門開(kāi)門方向、開(kāi)門/關(guān)門信號(hào)等）、線網(wǎng)圖、換乘、車站布局和客服設(shè)施等信息。

3 基于乘客服務(wù)情景感知信息的車載PIS 架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)采用基于情景感知信息的技術(shù)方案，通過(guò)信息傳感裝置和系統(tǒng)接口采集與乘客服務(wù)關(guān)聯(lián)的情景感知信息，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分析與融合，根據(jù)優(yōu)先級(jí)規(guī)則、時(shí)間疊加規(guī)則等進(jìn)行調(diào)度計(jì)算，生成車載PIS 乘客服務(wù)信息、版式與播放列表（簡(jiǎn)稱：播表）。線路中心采用基于容器與分布式的微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)，將生成的乘客服務(wù)信息、版式與播表以微服務(wù)方式進(jìn)行管理和發(fā)布，以支持車載終端實(shí)現(xiàn)多樣化、自適應(yīng)的乘客信息服務(wù)；車載PIS 終端采用組件化軟件開(kāi)發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)多源乘客服務(wù)信息的合成顯示與播放。

按邏輯功能劃分，基于情景感知信息的車載PIS 可劃分為5 個(gè)層次，如圖1 所示。

（1）情景信息感知及數(shù)據(jù)采集層

實(shí)現(xiàn)情景感知與數(shù)據(jù)采集，主要包括：通過(guò)內(nèi)網(wǎng)接口采集的信息，如線路中心運(yùn)營(yíng)信息、控制信息等；通過(guò)攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)智能分析后生成列車客流量、車內(nèi)異常事件、乘客異常行為等數(shù)據(jù)；通過(guò)與TCMS（Train Control and Management System）接口采集的數(shù)據(jù)，包括列車運(yùn)行、軸重信息（可測(cè)算出車廂乘客密度指數(shù)）；通過(guò)BAS接口采集的溫度、濕度、PM 值、空氣質(zhì)量、天氣狀況等環(huán)境相關(guān)信息。此外，通過(guò)車地?zé)o線傳輸，可將列車上采集的乘客服務(wù)信息傳輸給車站上相關(guān)乘客服務(wù)設(shè)備，如站臺(tái)多媒體屏蔽門、站臺(tái)和站廳PIS顯示器等。

（2）數(shù)據(jù)融合層

搭建數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)，集中存儲(chǔ)采集到的各類與乘客服務(wù)關(guān)聯(lián)的情景感知數(shù)據(jù)，結(jié)合運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)流程、規(guī)則進(jìn)行建模、分析和融合處理，自動(dòng)生成車載乘客服務(wù)所需的數(shù)據(jù)。

（3）運(yùn)營(yíng)信息調(diào)度層

對(duì)運(yùn)營(yíng)信息優(yōu)先級(jí)規(guī)則、時(shí)間疊加規(guī)則等業(yè)務(wù)策略進(jìn)行抽象、歸納和數(shù)字化表達(dá)，生成乘客信息服務(wù)業(yè)務(wù)規(guī)則；調(diào)度引擎利用算法庫(kù)中的算法，解析和執(zhí)行乘客信息服務(wù)業(yè)務(wù)規(guī)則，生成乘客服務(wù)信息、版式與播表。為提高乘客服務(wù)信息調(diào)度處理的及時(shí)性，在線路中心、車載主機(jī)設(shè)置2 級(jí)調(diào)度，以快速生成乘客服務(wù)信息、版式與播表。

圖1 基于感知信息驅(qū)動(dòng)的車載PIS 邏輯框架

（4）乘客信息微服務(wù)中心層

根據(jù)運(yùn)營(yíng)信息調(diào)度層生成的乘客服務(wù)信息、版式與播表，以微服務(wù)方式注冊(cè)、發(fā)布和管理，為包括車載終端在內(nèi)的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用提供共享信息訪問(wèn)服務(wù)。

（5）終端合成層

車載PIS 終端一般由工控機(jī)或嵌入式主機(jī)提供信息合成顯示與播放，可采用容器組件化方式實(shí)現(xiàn)，生成乘客服務(wù)信息的畫面顯示和音視頻播放。

3.2 系統(tǒng)部署架構(gòu)

可以預(yù)見(jiàn)，隨著接入的感知終端越來(lái)越多，各種高帶寬、低時(shí)延、海量連接的新型應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)云管端架構(gòu)難以滿足性能要求，需要由終端和邊緣計(jì)算設(shè)備及時(shí)處理所采集的數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)。如圖2 所示，采用云邊端架構(gòu)的車載PIS 主要包括線路云服務(wù)中心、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和感知終端。

（1）線路云中心

線路云中心集中管理可伸縮的、彈性的共享物理與虛擬資源池，包括服務(wù)器、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、軟件、應(yīng)用和存儲(chǔ)設(shè)備等[3-4]，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需自服務(wù)的方式提供使用；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合分析和可視化應(yīng)用，以微服務(wù)方式提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)。

（2）邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)

邊緣計(jì)算是在靠近人、物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和開(kāi)放平臺(tái)，將傳統(tǒng)集中式云計(jì)算的部分計(jì)算與存儲(chǔ)能力下移至網(wǎng)絡(luò)邊緣，面向用戶和終端就近提供邊緣智能服務(wù)[5-6]。系統(tǒng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)主要包括車載服務(wù)器主機(jī)、客室視頻分析主機(jī)，側(cè)重于情景感知數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)處理和智能應(yīng)用，并完成端與云中心之間的數(shù)據(jù)通信。

（3）感知終端

感知終端側(cè)重于車載視頻數(shù)據(jù)、車載環(huán)境數(shù)據(jù)、乘客異常事件數(shù)據(jù)等的采集和前端智能處理[7-8]，包括攝像頭、各類傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備。

云邊端融合構(gòu)成云—邊—端協(xié)同的端到端技術(shù)架構(gòu)，將部分網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)、計(jì)算、智能分析等工作下放到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在云中心優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，形成性能更優(yōu)的彈性云平臺(tái)。

圖2 基于云邊端架構(gòu)的車載PIS 方案示意

4 車載PIS 情景感知信息調(diào)度及應(yīng)用

4.1 邊緣端情景感知信息采集與調(diào)度

在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，車載PIS 獲取線路中心發(fā)布的服務(wù)信息、播放板式、播表等，對(duì)列車上邊緣端采集的信息進(jìn)行處理，根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則、優(yōu)先級(jí)、顯示時(shí)段等完成本列車乘客服務(wù)信息、版式與播表的編排，由終端進(jìn)行合成顯示和播放。

為提高信息處理效率，在邊緣端就近完成信息處理。車載司機(jī)室主機(jī)作為邊緣端的核心設(shè)備，完成對(duì)終端感知設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、分析、調(diào)度；根據(jù)車載PIS 的業(yè)務(wù)需求，處理的信息主要包括線路運(yùn)營(yíng)和列車運(yùn)行的動(dòng)態(tài)參數(shù)、滾動(dòng)文本、視頻音頻3 類。

以滾動(dòng)文本為例，其處理流程框架如圖3 所示。滾動(dòng)文本的處理規(guī)則為：高優(yōu)先級(jí)覆蓋低優(yōu)先級(jí)、相同優(yōu)先級(jí)疊加顯示。車載PIS 采用2 級(jí)調(diào)度方式；先由線路中心進(jìn)行綜合調(diào)度，生成全線列車乘客服務(wù)信息、版式與播表；車載終端主機(jī)從線路中心獲取本列車的乘客服務(wù)信息版式與播表及相關(guān)信息，并結(jié)合自主采集的信息，依據(jù)本地調(diào)度規(guī)則進(jìn)行二次調(diào)度，生成本列車最終播出的乘客服務(wù)信息、版式與播表。這種基于邊緣側(cè)的信息采集和二次調(diào)度方法可提升信息解析、調(diào)度處理的效率，減少車地?cái)?shù)據(jù)傳輸對(duì)帶寬的需求。

圖3 線路中心、車載司機(jī)室主機(jī)2 級(jí)調(diào)度邏輯示意

4.2 情景感知信息集成應(yīng)用

通過(guò)對(duì)面向乘客服務(wù)的情景感知信息的采集、加工、分析與融合，車載PIS 可根據(jù)情景感知信息，自適應(yīng)地提供更人性化的乘客信息服務(wù)，目前可實(shí)現(xiàn)的主要集成應(yīng)用場(chǎng)景如下。

（1）首末班車通告：首班車歡迎音視頻，提醒乘車注意事項(xiàng)；末班車運(yùn)行告知，提示到站時(shí)間。

（2）ATS 到站及開(kāi)門信息通告：提醒乘客列車到站、通過(guò)不停車以及列車開(kāi)門方向等。

（3）乘客密度信息通告：告知車廂乘客密度指數(shù)、乘客擁擠度情況，方便乘客選擇車廂乘車。

（4）火災(zāi)煙感報(bào)警通告：通報(bào)火災(zāi)煙感等異常情況，及時(shí)告知車內(nèi)注意事項(xiàng)、乘車疏散要求等。

（5）車內(nèi)環(huán)境及異常事件通告：車廂環(huán)境情況、溫度、濕度顯示；車廂內(nèi)乘客異常行為警示，乘客遺留異物提示。

（6）交互式數(shù)字車窗信息查詢：采用數(shù)字車窗等新技術(shù)，提供車載PIS 信息的交互式查詢，乘客通過(guò)功能按鈕自主查詢所需信息，還可結(jié)合車站周邊環(huán)境、重點(diǎn)樞紐、景點(diǎn)等提供地圖查詢等。

（7）與站臺(tái)屏蔽門聯(lián)動(dòng)的多媒體信息顯示：通過(guò)車地?zé)o線傳輸，實(shí)現(xiàn)車地信息聯(lián)動(dòng)控制和顯示，及時(shí)將列車內(nèi)乘客密度指數(shù)、車門異常、車門夾人等信息以多媒體方式顯示在站臺(tái)屏蔽門上方和側(cè)方。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為乘客服務(wù)的重要載體，車載PIS 是智慧城市軌道交通建設(shè)的一個(gè)重要方面。本文分析當(dāng)前車載PIS 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，提出車載PIS 情景感知服務(wù)技術(shù)解決方案，采用基于云邊端融合的系統(tǒng)架構(gòu)，充分發(fā)揮車載主機(jī)的邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)分析能力，通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類型傳感設(shè)備、多種傳輸協(xié)議、多種接口設(shè)備的泛在接入，并可減少延時(shí)，節(jié)省車地?zé)o線傳輸帶寬。

隨著5G 通信、人工智能等技術(shù)在城市軌道行業(yè)的應(yīng)用，車載PIS 將會(huì)集成更多的智能終端采集設(shè)備，與更多相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互與共享，及時(shí)獲取與乘客出行服務(wù)相關(guān)的情景感知信息，通過(guò)智能調(diào)度引擎，自適應(yīng)地為乘客提供精準(zhǔn)貼合需求、更為人性化的信息服務(wù)，助力智慧城市軌道交通的發(fā)展。