智慧地鐵系統(tǒng)融合應(yīng)用層研究與設(shè)計

秦志遠(yuǎn)

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

新型智慧城市是目前國家努力推進(jìn)的方向，各地地鐵建設(shè)單位也在穩(wěn)步推進(jìn)地鐵智慧化建設(shè)進(jìn)程。智慧城市的核心在于對城市各個運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的綜合感知，完成城市各類數(shù)據(jù)的橫向打通，讓城市成為一個有機(jī)的整體[1]。

地鐵作為城市最重要的交通方式，也是最重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，是智慧城市建設(shè)中不可或缺的重要部分。同時，各地地鐵建設(shè)單位也逐步意識到這一點(diǎn)，并在地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)中尋求突破，但是在設(shè)計和建設(shè)的過程中，各個地方并沒有對如何建設(shè)智慧地鐵形成統(tǒng)一的思路。智慧地鐵系統(tǒng)并不是獨(dú)立于智慧城市系統(tǒng)來重新建立1套智能化系統(tǒng)，而是強(qiáng)調(diào)分散數(shù)據(jù)的集中和流通，其核心是通過公共信息平臺接入智慧城市體系當(dāng)中。

1 智慧地鐵總體架構(gòu)

智慧地鐵的建設(shè)核心就是把地鐵系統(tǒng)（包括列車、車站、車輛段、線路區(qū)間等）分散的信息進(jìn)行收集和整理，形成一個有機(jī)整體[2]。根據(jù)這樣的思路，智慧地鐵系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計如圖?1?所示。

圖1 智慧地鐵系統(tǒng)整體架構(gòu)

智慧地鐵系統(tǒng)總體架構(gòu)分以下?5?層。

第?1?層為基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)層，功能是對數(shù)據(jù)感知和采集以及數(shù)據(jù)的處理。主要包括網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù)（目前主流的?4G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）和分布式計算、人工智能（AI）以及數(shù)據(jù)可視化（如建筑信息模型BIM、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)?AR、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)?VR）等技術(shù)。著重提升智慧地鐵系統(tǒng)的綜合感知能力。

第?2?層為公共信息平臺層，主要作用是匯聚和整合由基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)層采集的分散數(shù)據(jù)。地鐵信息平臺接入城市公共信息平臺，形成支撐融合應(yīng)用層和交互展示層的數(shù)據(jù)融合交換共享平臺[3]。

第?3?層為能力支撐層，該層與公共信息平臺層物理上處于同一層次，包含一系列軟件組件。ETL?組件對數(shù)據(jù)完成從來源端的抽取（extract）、交互轉(zhuǎn)換（transform）、加載（load）；消息隊(duì)列（MQ）技術(shù)為分布式應(yīng)用間交換信息提供通信支持；地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)提供準(zhǔn)確的定位信息；企業(yè)服務(wù)總線（ESB）提供事件驅(qū)動和文檔導(dǎo)向的處理模式和分布式運(yùn)行管理機(jī)制。各個軟件組件組成了能力支撐層，為融合應(yīng)用層和交互展示層提供組件支撐。

第?4?層為融合應(yīng)用層[4]，包括數(shù)據(jù)多維度可視化展示、各類智慧化應(yīng)用、多部門協(xié)同等。

第?5?層為交互展示層，例如：面向普通用戶的手機(jī)APP?和政府門戶，面向城市管理者的?BIM?展示和大屏，面向城市居民的?AR?增強(qiáng)顯示等。著重實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化以及交互能力的提升。

本文主要針對融合應(yīng)用層的設(shè)計進(jìn)行深入探討。融合應(yīng)用層位于整個智慧地鐵設(shè)計架構(gòu)的第?4?層，包含各類智慧應(yīng)用。通過將地鐵采集到的數(shù)據(jù)接入智慧城市公共信息平臺，打通數(shù)據(jù)壁壘，從而使地鐵數(shù)據(jù)與公安、消防等部門數(shù)據(jù)以及市民卡公司、共享單車公司、電子商務(wù)等公司的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入數(shù)據(jù)交換融合，最終形成一系列的融合應(yīng)用。

2 地鐵智慧安防

地鐵作為城市最重要的公共交通方式，將地鐵安防納入城市智慧安防體系中，將形成更全面的城市智慧安防網(wǎng)。在車站安檢口、出入口通道、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）檢票口以及場段的周界設(shè)立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合人臉識別技術(shù)和圖像處理技術(shù)，分析比較人臉視覺特征信息，進(jìn)行身份鑒別，實(shí)時對重點(diǎn)車站、重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全方位排查。地鐵智慧安防數(shù)據(jù)接入公安系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對可疑人員的監(jiān)控、對犯罪嫌疑人的追蹤，實(shí)現(xiàn)對預(yù)先設(shè)定的異常行為和可疑物體進(jìn)行識別和報警，形成覆蓋整個地鐵線路的綜合安防網(wǎng)絡(luò)[5]。

3 地鐵數(shù)據(jù)可視化和綜合指揮調(diào)度

三維建模技術(shù)的應(yīng)用極大提高了地鐵數(shù)據(jù)的可視化程度，提高了地鐵建設(shè)和運(yùn)營階段的各項(xiàng)工作效率。BIM?技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地鐵設(shè)計、施工、運(yùn)營全過程：多專業(yè)協(xié)同、圖紙審核、方案模擬、管線切改模擬、交通導(dǎo)通模擬、場地現(xiàn)狀模擬、材料統(tǒng)計、面積統(tǒng)計、方案交底、運(yùn)營培訓(xùn)、管線碰撞檢查、施工進(jìn)度管理等[6]。除此之外，包括傾斜攝影在內(nèi)的建筑物外部輪廓建模技術(shù)的應(yīng)用，將地鐵站點(diǎn)所處位置地理信息直觀地展示出來，極大地提高了地鐵周邊建筑和環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化水平。將這些技術(shù)獲取的地鐵及周邊環(huán)境三維數(shù)據(jù)與時間軸動態(tài)變化特征相結(jié)合，可廣泛應(yīng)用于城市綜合智慧調(diào)度。城市管理者足不出戶，便可快速全面地了解地鐵建設(shè)和運(yùn)營的整體面貌和細(xì)節(jié)，了解地鐵建設(shè)對城市遷改和周邊環(huán)境的影響。城市管理者可以在城市指揮中心實(shí)時了解地鐵的建設(shè)情況、運(yùn)行情況，并針對突發(fā)事件進(jìn)行聯(lián)動反應(yīng)、綜合指揮調(diào)度，在戰(zhàn)時也可快速反應(yīng)，使地鐵人防工程更好地完成人員轉(zhuǎn)運(yùn)、重要物資輸送的重要任務(wù)。

4 多元化支付和智能客服

多元化的支付為城市居民乘坐地鐵出行帶來了極大的便利，減少了乘車環(huán)節(jié)，改善了購票和進(jìn)站體驗(yàn)。目前主要應(yīng)用的支付方式有二維碼、近場支付、銀聯(lián)閃付，已在研究并會在不遠(yuǎn)的將來投入使用的支付和進(jìn)站方式有生物識別。所謂生物識別就是通過計算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計學(xué)原理等高科技手段的密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性（指紋、虹膜），以及臉部信息和行為特征（聲音、步態(tài)），來進(jìn)行個人身份鑒定。

多元化的支付方式同時可以多方位采集乘客信息，形成更加全面的乘客信息資源池，構(gòu)建更加準(zhǔn)確的用戶畫像，為智能客服的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

當(dāng)前人工智能技術(shù)發(fā)展迅猛，智能客服正逐步進(jìn)入地鐵，成為人工客服的輔助并逐漸成為人工客服的替代。人工智能技術(shù)簡單的理解就是大數(shù)據(jù)加深度學(xué)習(xí)，其中獲取大數(shù)據(jù)是最重要的環(huán)節(jié)，而多元化支付方式為智能客服的實(shí)現(xiàn)提供了用戶數(shù)據(jù)輸入。地鐵服務(wù)正由人工服務(wù)向自助服務(wù)逐步轉(zhuǎn)變。面向乘客的服務(wù)將逐步由車站分散式服務(wù)逐步向智慧的信息化服務(wù)、集中的中心客服管理模式轉(zhuǎn)變。

5 人流潮汐分析和地鐵可達(dá)性分析

利用多元化支付獲取的乘客大數(shù)據(jù)，進(jìn)行地鐵人流潮汐分析和地鐵的可達(dá)性分析，綜合衡量當(dāng)前城市規(guī)劃的合理性，為下一步城市建設(shè)和地鐵規(guī)劃提供參考。

所謂地鐵人流潮汐分析是對地鐵沿線各站在時間軸上進(jìn)行乘客流向分析，例如早高峰時段地鐵某線路主要的上客點(diǎn)和下客點(diǎn)有哪些等，以輔助確認(rèn)城市的主要居住區(qū)、購物區(qū)、工作區(qū)。

所謂地鐵可達(dá)性分析，即從當(dāng)前地鐵線各站點(diǎn)出發(fā)到乘客目的地的便利程度的分析，主要表現(xiàn)為地鐵對于臨近區(qū)域的步行和共享單車可達(dá)區(qū)域的覆蓋力度，減少居民換乘其他交通工具的次數(shù)和里程。地鐵可達(dá)性分析是規(guī)劃地鐵車站位置、設(shè)計地鐵出入口、確定車站規(guī)模、衡量地鐵車站設(shè)計合理性的有利工具。

目前主流的可達(dá)性分析算法中[7]，累積機(jī)會法和等值線法易于理解，不需考慮復(fù)雜的距離衰減因子，操作相對簡便。

調(diào)查地鐵站周圍各類重點(diǎn)關(guān)注的設(shè)施分布情況，進(jìn)行可達(dá)性評價[7]。重點(diǎn)關(guān)注步行和共享單車覆蓋的建筑包括：居住類（小區(qū)和公寓等）、其他換乘（公共自行車點(diǎn)和公交站臺等）、公共類（醫(yī)療機(jī)構(gòu)和科教機(jī)構(gòu)等）、商業(yè)類（酒店、大型商場、超市便利店和寫字樓等）[8]。

以步行為例，模擬測試某城市中心商業(yè)區(qū)地鐵站點(diǎn)的可達(dá)性，利用可達(dá)性分析算法對步行?5??min、10??min、15??min?覆蓋情況進(jìn)行建模分析，其覆蓋區(qū)域重點(diǎn)公共設(shè)施和建筑統(tǒng)計見表?1。

表1 步行覆蓋的各類建筑的數(shù)量

6 地鐵能耗監(jiān)控和優(yōu)化

地鐵正線各站點(diǎn)、場段、區(qū)間和列車運(yùn)行都是耗電大戶。對地鐵能耗的檢測和智能優(yōu)化具有重要意義[9]。

利用采集的地鐵運(yùn)行和乘客信息大數(shù)據(jù)，結(jié)合地鐵沿線附屬建筑運(yùn)營時間和人流量時間規(guī)律分布特點(diǎn)，建立地鐵機(jī)電設(shè)備能耗優(yōu)化算法模型，對地鐵系統(tǒng)的各機(jī)電設(shè)備進(jìn)行自動化監(jiān)控和節(jié)能控制。例如：在人流量小的時候，自動降低空調(diào)運(yùn)行功率，降低電扶梯的運(yùn)行速度和運(yùn)行數(shù)量，對廣告照明進(jìn)行智能化關(guān)閉等。在保證地鐵正常運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能目標(biāo)。

7 總結(jié)

智慧地鐵系統(tǒng)是地鐵數(shù)據(jù)信息化和智能化的集中體現(xiàn)，充分匯聚了分散在地鐵系統(tǒng)各個子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，對于提升地鐵管理水平和城市的智慧化水平有重要意義。

本文主要分析了智慧地鐵系統(tǒng)的架構(gòu)，設(shè)計和展望了智慧地鐵系統(tǒng)融合應(yīng)用層的各類應(yīng)用，以期對智慧地鐵未來的發(fā)展提供建設(shè)性意見。