周勇

（1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043；2.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安710043）

車站是城市軌道交通公司管理運(yùn)輸設(shè)備、提供運(yùn)輸服務(wù)、管理經(jīng)營的重要場所，也是城市軌道交通運(yùn)輸組織和管理的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，如何在車站層面進(jìn)一步提升智能化水平，已成為城市軌道交通行業(yè)信息化和智能化發(fā)展的重要課題。

作為一個新興的概念，城市軌道交通智慧車站還沒有權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)化定義［1］。從技術(shù)視角智慧車站可以理解為在信息化、數(shù)字化的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)手段，依托智能系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工、運(yùn)輸組織、設(shè)備設(shè)施維護(hù)、經(jīng)營開發(fā)管理、安全管理等過程智能化的系統(tǒng)。智慧車站的主要任務(wù)可以描述為面向乘客提供全方位便捷出行體驗(yàn)，面向設(shè)備提供智能維護(hù)數(shù)據(jù)支撐，面向站務(wù)管理提供全景狀態(tài)管控，面向車站管理提供決策支持，從而實(shí)現(xiàn)更安全的運(yùn)營、更智慧的服務(wù)和更高效的管理［2］。

1 智慧車站需求分析

1.1 智慧車站的需求

1）城市軌道交通發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模快速擴(kuò)展，路網(wǎng)規(guī)模，特別是路網(wǎng)復(fù)雜程度顯著增加。大型換乘站越來越多，與之相關(guān)的客流量和客流OD（Origin-Destination，起訖點(diǎn)）越來越復(fù)雜，客流特征的變化對車站的運(yùn)營效率、安全管理能力提出了更高要求，須要借助智能化手段進(jìn)一步提升車站的管理水平。

2）車站內(nèi)的機(jī)電設(shè)備數(shù)量不斷增加，智能化程度不斷提高，相關(guān)照明、通風(fēng)、電梯、顯示屏等設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測能力不斷增強(qiáng)，管理人員能夠獲得大量數(shù)據(jù)；但如何處理并利用相關(guān)數(shù)據(jù)分析預(yù)測設(shè)備狀態(tài)和故障，目前還沒有成熟的解決方案［3］，須通過大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)提升設(shè)備監(jiān)測和智能維修管理的能力。

3）隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)、二維碼、生物特征等支付形式的票務(wù)服務(wù)已經(jīng)成熟。乘客須要相關(guān)票務(wù)系統(tǒng)、支付系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)建無縫融合，從而獲得更加便利的出行服務(wù)和出行體驗(yàn)［4］。同時，車站內(nèi)信息系統(tǒng)也須要通過智能化的乘客行為分析、乘客特征分析提供更貼近乘客需求的個性化服務(wù)。

4）車站對安全管理的要求越來越高，而安全事件信息越來越多元化，需要更全面的監(jiān)控能力對車站的綜合安全情況進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)時分析，以便應(yīng)對大客流、突發(fā)事件、治安事件等特殊情況，須借助視頻監(jiān)控、周界監(jiān)控等手段，結(jié)合圖像分析、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對車站的全面監(jiān)控和應(yīng)急事件的更高效處置［5］。

5）車站已經(jīng)在運(yùn)行管理等方面建設(shè)了旅客引導(dǎo)服務(wù)、設(shè)備監(jiān)控、車站級綜合監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施管理等相關(guān)信息系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過程的信息化，且相關(guān)系統(tǒng)的信息采集能力和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控能力持續(xù)提升，這些系統(tǒng)及其采集的相關(guān)數(shù)據(jù)使車站具備智慧系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)條件。

6）典型城市軌道交通車站的各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)往往分別規(guī)劃建設(shè)，系統(tǒng)功能集成、數(shù)據(jù)規(guī)范化等缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各系統(tǒng)功能模塊間設(shè)置相對獨(dú)立，數(shù)據(jù)資源無法共享，數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一［6］，數(shù)據(jù)整合和全過程的數(shù)據(jù)分析存在困難，需要打通數(shù)據(jù)流，共享數(shù)據(jù)資源。

總之，建設(shè)智慧車站是提升運(yùn)營安全可靠性、提升運(yùn)輸組織效率、提升乘客服務(wù)水平、改善旅客出行體驗(yàn)和提升資源經(jīng)營開發(fā)能力的重要手段。

1.2 智慧車站需求特征

智慧車站作為城市軌道交通的重要智能化發(fā)展方向，各類業(yè)務(wù)需求不斷涌現(xiàn)，特征如下：

1）系統(tǒng)集成復(fù)雜。智慧車站是典型的集成性系統(tǒng)，必須以車站的票務(wù)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控、車站級綜合監(jiān)控等系統(tǒng)為基礎(chǔ)建設(shè)［7］，基于專業(yè)系統(tǒng)的集成性平臺，實(shí)現(xiàn)原有分散系統(tǒng)的流程貫通和信息整合，為管理者、業(yè)務(wù)人員和乘客提供統(tǒng)一的應(yīng)用接口。

2）以數(shù)字化為核心。智慧車站的核心是實(shí)現(xiàn)智能化，而智慧能力的構(gòu)建必然基于數(shù)據(jù)資源管理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)。原有的相關(guān)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)車站管理和業(yè)務(wù)流程的系統(tǒng)化，智慧車站建設(shè)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智慧賦能，這就須要從技術(shù)上構(gòu)建車站層面的數(shù)據(jù)整合平臺，匯聚車站級相關(guān)數(shù)據(jù)資源，并通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建能夠提升業(yè)務(wù)效能和智能化水平的數(shù)據(jù)應(yīng)用場景，因此數(shù)字化、數(shù)字資源管理和分析應(yīng)作為智慧車站建設(shè)的核心。

3）以設(shè)備智能化為基礎(chǔ)。車站有大量的機(jī)電設(shè)備和其他類型設(shè)備，對相關(guān)設(shè)備的監(jiān)測和管理應(yīng)以設(shè)備本身的數(shù)據(jù)采集、信息通信為基礎(chǔ)。設(shè)備狀態(tài)傳感器的安裝、傳感器信息的傳輸、控制指令信息的傳輸需要設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造及安裝過程中預(yù)先考慮和集成。

4）業(yè)務(wù)價值多樣。智慧車站是車站各類系統(tǒng)的集成，在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，應(yīng)從運(yùn)輸組織效率、安全處置效率、設(shè)備維修優(yōu)化、資源經(jīng)營開發(fā)等方面多角度分析系統(tǒng)建設(shè)需求，評估業(yè)務(wù)價值。智慧車站的建設(shè)不是完全替代既有的業(yè)務(wù)流程系統(tǒng)，而是基于大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)全面優(yōu)化各類業(yè)務(wù)流程。

2 智慧車站總體方案

2.1 總體架構(gòu)

基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，從智慧應(yīng)用、數(shù)據(jù)整合和設(shè)備感知設(shè)計(jì)城市軌道交通智慧車站總體架構(gòu)（圖1）。智慧應(yīng)用層分為2個子層級，其中應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車站管理、運(yùn)輸組織相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯，智慧賦能通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)賦予應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)化提升能力。

圖1 智慧車站總體架構(gòu)

1）應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上，面向車站的監(jiān)控、運(yùn)行管理、設(shè)備維護(hù)、管理決策等業(yè)務(wù)場景構(gòu)建智能化應(yīng)用。其中，賦能層面向客流疏導(dǎo)、設(shè)備運(yùn)用等不同需求，應(yīng)用專門的方法和工具完成相關(guān)數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果可以直接為車站運(yùn)行管理人員所用，也可以通過接口發(fā)布到應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)智能化。智慧賦能層的數(shù)據(jù)分析功能，與應(yīng)用系統(tǒng)層的業(yè)務(wù)流程不是一一對應(yīng)的關(guān)系，同一個數(shù)據(jù)分析功能可以服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)流程，一個業(yè)務(wù)流程處理也可能需要多個數(shù)據(jù)分析功能輔助。

2）數(shù)據(jù)層。智慧車站應(yīng)構(gòu)建支持海量數(shù)據(jù)存儲，支持復(fù)雜數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、存儲的數(shù)據(jù)技術(shù)平臺，實(shí)時、準(zhǔn)實(shí)時匯聚和批量處理各類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層應(yīng)實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)功能，比如邏輯數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)和組織，算法設(shè)計(jì)與分析工具的部署和實(shí)施，客流分析、設(shè)備狀態(tài)分析等各類數(shù)據(jù)專題庫的建設(shè)，其中數(shù)據(jù)資源的采集、存儲和分析是智慧車站的核心功能。

3）感知層。數(shù)據(jù)感知是智慧車站建設(shè)的基礎(chǔ)，通過應(yīng)用系統(tǒng)和車站設(shè)備上的傳感器，將數(shù)據(jù)源從綜合監(jiān)控、扶梯運(yùn)行等應(yīng)用系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時匯聚設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境、客流、機(jī)電設(shè)備報警和故障信息，再通過網(wǎng)絡(luò)和傳輸協(xié)議匯聚到數(shù)據(jù)層，并通過相關(guān)的系統(tǒng)向車站運(yùn)行管理人員發(fā)布，以便實(shí)時掌握車站運(yùn)行狀態(tài)，合理決策。

2.2 應(yīng)用層技術(shù)方案

智慧車站的功能基于車站實(shí)際業(yè)務(wù)按照功能模塊化、流程整合化、數(shù)據(jù)集中化的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體上分為智慧監(jiān)控、智慧運(yùn)營管理、智慧運(yùn)行控制、智慧運(yùn)用維護(hù)、智慧應(yīng)急和智慧決策6個部分。

2.2.1 智慧監(jiān)控

智慧車站應(yīng)根據(jù)感知層采集的信息實(shí)時監(jiān)控機(jī)電設(shè)備、給排水設(shè)備、消防系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)等，結(jié)合位置、3D圖形、狀態(tài)、預(yù)警等綜合信息在統(tǒng)一的監(jiān)控界面展示車站綜合狀態(tài)視圖，通過智慧監(jiān)控功能為

車站運(yùn)營管理人員提供一站式的狀態(tài)查看界面，同時應(yīng)根據(jù)不同崗位提供定制化的展現(xiàn)方式。

2.2.2 智慧運(yùn)營管理

智慧車站應(yīng)針對乘客的乘車過程，在車站出入口的信息LED顯示屏根據(jù)站內(nèi)情況靈活顯示各出入口的擁擠情況，提供智慧引導(dǎo)服務(wù)，并通過站內(nèi)廣播實(shí)時播放最優(yōu)的進(jìn)出站方案。在車站內(nèi)提供票卡信息的查詢與分析，為乘客和站務(wù)管理者提供便利，并設(shè)置問詢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能語音問詢服務(wù)。

2.2.3 智慧運(yùn)行控制

通過將車站設(shè)備信息和控制指令聯(lián)動實(shí)現(xiàn)動力照明、自動扶梯、卷簾門、視頻監(jiān)控、廣播、乘客信息服務(wù)、自動售檢票等系統(tǒng)的開關(guān)管理和聯(lián)動，包括日常的自動開關(guān)站。根據(jù)客流情況，對于大密度的人群區(qū)域或針對聚集、滯留等異常狀況，通過分析和聯(lián)動指令調(diào)整相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)和開關(guān)，并將相關(guān)信息傳送至終端進(jìn)行報警顯示，發(fā)布信息提示。

2.2.4 智慧運(yùn)用維護(hù)

設(shè)備維護(hù)是站務(wù)管理的重要內(nèi)容，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析，能夠優(yōu)化車站關(guān)鍵設(shè)備故障分析、故障預(yù)警和維修規(guī)程，長周期地分析設(shè)備能耗情況，給出優(yōu)化能耗的方案。智慧運(yùn)維的數(shù)據(jù)分析范圍不限于單個車站內(nèi)的設(shè)備，應(yīng)綜合分析多個車站同型號設(shè)備的狀態(tài)、故障、維修工單數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律，對故障維修和管理給出智能化的優(yōu)化方案。

2.2.5 智慧應(yīng)急

智慧應(yīng)急功能主要有應(yīng)急預(yù)案管理、應(yīng)急預(yù)警集中感知、應(yīng)急指揮聯(lián)動等，基于對歷史事件的分析輔助編制應(yīng)急指導(dǎo)文件，并預(yù)制應(yīng)急場景下的設(shè)備聯(lián)動控制規(guī)則，支持快速應(yīng)急響應(yīng)。同時，通過數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)包括區(qū)域火災(zāi)、突發(fā)客流、站廳異常等信息的集中預(yù)警，全面支持應(yīng)急過程中信息同步和設(shè)備聯(lián)動，為指揮人員提供全面、及時、準(zhǔn)確的應(yīng)急輔助信息，并實(shí)現(xiàn)視頻、安全設(shè)備、乘客引導(dǎo)等系統(tǒng)的聯(lián)動。

2.2.6 智慧決策

運(yùn)營管理、運(yùn)行控制、運(yùn)用維護(hù)等專業(yè)領(lǐng)域的智慧化最終能夠以綜合分析、趨勢預(yù)測等方式，為車站管理和企業(yè)管理者提供全面的輔助決策支撐，實(shí)現(xiàn)決策的智慧化。通過數(shù)據(jù)采集和分析計(jì)算車站運(yùn)行的各類相關(guān)指標(biāo)，量化反映車站生產(chǎn)組織情況；根據(jù)票務(wù)、站務(wù)、運(yùn)維等業(yè)務(wù)系統(tǒng)分析人員績效，為提升勞動效率、降低成本提供依據(jù)；通過統(tǒng)一界面展示車站各類關(guān)鍵指標(biāo)，為管理人員綜合展示設(shè)備狀態(tài)、客流趨勢、線路信息、BIM信息等，輔助管理者優(yōu)化決策。

2.3 數(shù)據(jù)層技術(shù)方案

數(shù)據(jù)層是智慧車站的核心，技術(shù)上一般體現(xiàn)為面向車站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、管理和應(yīng)用的大數(shù)據(jù)平臺，可以物理上獨(dú)立部署，也可以通過城軌云平臺統(tǒng)一規(guī)劃提供，但邏輯上數(shù)據(jù)層應(yīng)是面向車站提供數(shù)據(jù)處理和服務(wù)的技術(shù)平臺。數(shù)據(jù)層從功能上分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析，見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)層技術(shù)架構(gòu)

2.3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集在功能上應(yīng)實(shí)現(xiàn)車站基本情況、設(shè)備狀態(tài)、視頻監(jiān)控、乘客行為、票務(wù)、外部環(huán)境等各類信息數(shù)據(jù)同步上傳和集中，不同的信息數(shù)據(jù)需要不同的處理技術(shù)和接口規(guī)范，數(shù)據(jù)層應(yīng)該能夠采集結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、流式等不同類型數(shù)據(jù)，并提供便捷規(guī)范的數(shù)據(jù)采集管理服務(wù)，監(jiān)控采集任務(wù)。設(shè)置相關(guān)規(guī)則檢查數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，保證進(jìn)入平臺的數(shù)據(jù)質(zhì)量，定期生成質(zhì)量報告，并提供管理數(shù)據(jù)質(zhì)量的工具。

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲層是數(shù)據(jù)層的關(guān)鍵部分，通常從技術(shù)上選擇Hadoop框架構(gòu)建，一般包括實(shí)時處理、并行計(jì)算、流式計(jì)算等組件。為適應(yīng)復(fù)雜分析的應(yīng)用場景，須改變傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)表格存儲模式，設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，按照分層存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。大量的視頻、語音等數(shù)據(jù)可直接在Hadoop分布式文件系統(tǒng)存儲和管理，以便有效控制存儲規(guī)模和成本。

2.3.3 分析算法

數(shù)據(jù)采集和存儲的目標(biāo)是通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)價值，分析算法是智慧車站借助數(shù)據(jù)賦能應(yīng)用智慧化的重要技術(shù)基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析層的模型和工具產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)報表、趨勢預(yù)測等符合車站智能化需求的分析指標(biāo)。數(shù)據(jù)平臺通過聚類、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)分析算法支持對數(shù)據(jù)的深層分析和挖掘，通過對大量歷史數(shù)據(jù)的處理構(gòu)建計(jì)算指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，在一定約束條件下量化分析和預(yù)測未來一段時間內(nèi)車站各類運(yùn)行指標(biāo)。視頻、語音等數(shù)據(jù)須用圖像識別、語音識別、自然語言處理等技術(shù)預(yù)處理后再用于數(shù)據(jù)分析。

2.4 感知層技術(shù)方案

智慧車站感知層是監(jiān)測各類機(jī)電設(shè)備和系統(tǒng)，向數(shù)據(jù)層提供完整的信息，滿足各類設(shè)備全生命周期管理和健康管理的要求。

2.4.1 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

不同設(shè)備采集的數(shù)據(jù)有所不同，但總體上應(yīng)有：①設(shè)備基礎(chǔ)信息，包括設(shè)備名稱、規(guī)格型號、生產(chǎn)廠家、出廠時間等；②設(shè)備安裝信息，包括安裝時間、安裝位置、交付使用時間等；③設(shè)備特性參數(shù)，包括額定輸入、額定輸出、特性曲線、工作模式等；④詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)不同類型設(shè)備的具體情況采集，如給排水系統(tǒng)應(yīng)對納管排放水質(zhì)pH值、溶解氧、氨氮等詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

2.4.2 設(shè)備類型

系統(tǒng)感知層應(yīng)覆蓋的信息采集范圍包括機(jī)電設(shè)備、給排水、消防、門禁、自動售檢票、視頻監(jiān)控、自動扶梯、卷簾門、動力照明、站臺門、智能終端等設(shè)備。通過設(shè)備本身的系統(tǒng)采集設(shè)備的基礎(chǔ)信息，上傳到數(shù)據(jù)層長周期存儲，用于后續(xù)的狀態(tài)分析、故障預(yù)測等。

2.4.3 接口規(guī)范

智慧車站各類設(shè)備的狀態(tài)信息須通過安全、規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層，選擇標(biāo)準(zhǔn)、通用、開放的接口協(xié)議或規(guī)約，串行接口一般應(yīng)符合EIA標(biāo)準(zhǔn)RS422或RS485，以太網(wǎng)接口應(yīng)符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中CSMA/CD協(xié)議。協(xié)議應(yīng)保證通用性、開放性和軟件解碼能力，接口的通信采用查詢或事件觸發(fā)方式進(jìn)行，以保證傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。在網(wǎng)絡(luò)安全區(qū)域劃分的約束下，可以對同類安全等級的產(chǎn)品設(shè)置統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口平臺，實(shí)現(xiàn)接口的標(biāo)準(zhǔn)化管理和通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。

3 結(jié)語

本文以城市軌道交通智慧車站業(yè)務(wù)需求分析為核心，引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，研究了城市軌道交通智慧車站的總體解決方案，并從智慧應(yīng)用、數(shù)據(jù)整合和設(shè)備感知3個層面總體構(gòu)建智慧車站，并給出了具體的技術(shù)方案，可供未來城市軌道交通行業(yè)深入研究智慧車站參考。