智慧車站移動(dòng)云終端設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

劉杰 趙學(xué)舉

（科華數(shù)據(jù)股份有限公司 福建省廈門市 518000）

隨著城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程的加速，面向數(shù)字化運(yùn)營(yíng)的智慧車站需求不斷擴(kuò)大，智慧車站以人、環(huán)境、設(shè)備的泛在互聯(lián)為指導(dǎo)思想，依托大量的邊緣感知、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、智能聯(lián)動(dòng)等技術(shù)，將智能化技術(shù)與運(yùn)營(yíng)服務(wù)雙向融合，帶動(dòng)人員、技術(shù)、服務(wù)等全要素配置的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)控制與隱患排查治理雙重預(yù)防的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)[1]，賦能運(yùn)營(yíng)組織的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨著移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和城軌云體系建設(shè)的推進(jìn)，計(jì)算和服務(wù)能力已經(jīng)從PC 延伸到手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端設(shè)備，移動(dòng)終端具有地理位置無(wú)關(guān)性，不受時(shí)間、地點(diǎn)的約束，適用于站務(wù)運(yùn)營(yíng)中車站全息感知、設(shè)備運(yùn)維管理、智能巡檢、工作協(xié)同等高頻任務(wù)，能將運(yùn)營(yíng)能力從站控中心下放到任何一個(gè)運(yùn)營(yíng)崗位和值班地點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字化云平臺(tái)，與中心高效協(xié)作，提高信息監(jiān)控效率、運(yùn)營(yíng)組織效率和運(yùn)營(yíng)服務(wù)能力。

目前，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的移動(dòng)終端已經(jīng)有相關(guān)研究和應(yīng)用，如智慧工廠移動(dòng)終端可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，掌握生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備信息[2]；智能家居移動(dòng)終端可以對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行隨時(shí)隨地的智能監(jiān)控與自動(dòng)化控制[3]；輸電線路移動(dòng)終端可以完成輸電通道的移動(dòng)巡檢[4]。這些研究側(cè)重于設(shè)備的監(jiān)視及自動(dòng)控制，而在智慧車站運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中，移動(dòng)云終端圍繞著“人-物-流程”的高效協(xié)作，更注重人員管理、設(shè)備運(yùn)維、車站巡檢、工作協(xié)同，同時(shí)還需要考慮車站大數(shù)據(jù)態(tài)勢(shì)感知、故障診斷、故障預(yù)測(cè)等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景下的計(jì)算性能，其設(shè)計(jì)面臨以下問(wèn)題：

（1）移動(dòng)終端在處理能力、內(nèi)存和電池容量方面受到限制，運(yùn)行計(jì)算任務(wù)時(shí)，能量消耗較高，難以支撐車站級(jí)的運(yùn)行監(jiān)視。

（2）移動(dòng)終端自身的開放性給車站運(yùn)營(yíng)引入了更多的安全風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)安全的接入體系是需要著重處理的問(wèn)題。

（3）車站數(shù)字化運(yùn)營(yíng)是個(gè)長(zhǎng)期的迭代過(guò)程，如何賦能地鐵數(shù)字化部門，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中業(yè)務(wù)模型沉淀和迭代派生。

（4）移動(dòng)終端屏幕尺寸有限，界面在滿足簡(jiǎn)潔高效的同時(shí)，如何針對(duì)不同崗位的運(yùn)營(yíng)人員，設(shè)計(jì)多元化的展示界面也是有待解決的問(wèn)題。

1 總體框架設(shè)計(jì)

1.1 智慧車站系統(tǒng)架構(gòu)

智慧車站系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。自底向上分別為設(shè)備感知層、執(zhí)行層和平臺(tái)層，設(shè)備感知層：在現(xiàn)有車站各專業(yè)設(shè)備之上，依托智能物聯(lián)、先進(jìn)傳感器技術(shù)，感知更全面的設(shè)備狀態(tài)，增加面向出行服務(wù)的客服機(jī)器人、互聯(lián)網(wǎng)購(gòu)票等基礎(chǔ)設(shè)施。執(zhí)行層：依托于既有的車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備、人員、環(huán)境等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，實(shí)現(xiàn)智慧車站全息感知、場(chǎng)景模式化自動(dòng)運(yùn)行等功能[5]，構(gòu)建以智能人機(jī)對(duì)話為載體的車站全自動(dòng)智能客運(yùn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)乘客高品質(zhì)服務(wù)與車站管理的精細(xì)化能力，提供視頻分析監(jiān)控、客流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，改善乘客體驗(yàn)與提高運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平。平臺(tái)層：依托感知層、執(zhí)行層的基礎(chǔ)能力，將設(shè)備、人員、環(huán)境、流程等因素信息綜合分析，提供隱患預(yù)警分析、故障智能診斷、設(shè)備健康評(píng)價(jià)、車站運(yùn)營(yíng)評(píng)估、車站策略優(yōu)化以及線路/網(wǎng)級(jí)的協(xié)調(diào)和聯(lián)動(dòng)[6]，滿足高效地信息感知效率、運(yùn)營(yíng)組織效率和運(yùn)營(yíng)服務(wù)能力。

圖1：智慧車站系統(tǒng)架構(gòu)

圖2：移動(dòng)云終端架構(gòu)

1.2 移動(dòng)云終端軟件架構(gòu)

由于桌面終端的使用場(chǎng)景和用戶有較大差別，桌面終端的使用環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)安全防護(hù)性強(qiáng)，可以通過(guò)豐富的人機(jī)交互設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完備的運(yùn)營(yíng)管理功能。移動(dòng)終端作為云平臺(tái)的能力延伸，使用不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，可高效感知車站運(yùn)行狀態(tài)，開展設(shè)備巡檢、站務(wù)管理等車站運(yùn)營(yíng)任務(wù)，更趨重于操作效率、展示性能和用戶體驗(yàn)。移動(dòng)云終端架構(gòu)運(yùn)行于智慧車站管控系統(tǒng)云平臺(tái)之上，如圖2所示。

移動(dòng)云終端應(yīng)用層直接面向站務(wù)人員，主要包含監(jiān)視類業(yè)務(wù)：環(huán)境監(jiān)視、客流監(jiān)視、設(shè)備監(jiān)視等，運(yùn)維類業(yè)務(wù)：設(shè)備管理、智能巡檢、無(wú)紙化作業(yè)等，協(xié)同類業(yè)務(wù)：工作流程、遠(yuǎn)程協(xié)助、應(yīng)急處理等。渲染層提供可視交互引擎、高效人機(jī)協(xié)作等技術(shù)，構(gòu)建以GIS+BIM 三維可視化為核心的車站全數(shù)字化管理體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)車站過(guò)程性控制與事務(wù)性處理等管理業(yè)務(wù)的高效化。基于統(tǒng)一的協(xié)議適配層，APP 客戶端從云平臺(tái)提供的廣域服務(wù)中獲取多源數(shù)據(jù)信息和服務(wù)。云平臺(tái)人機(jī)網(wǎng)關(guān)服務(wù)移動(dòng)端與云平臺(tái)互聯(lián)互通的媒介，負(fù)責(zé)移動(dòng)端與云平臺(tái)的雙向數(shù)據(jù)交互，人機(jī)網(wǎng)關(guān)服務(wù)提供畫面服務(wù)、數(shù)據(jù)交互管理、計(jì)算遷移管理、安全訪問(wèn)管理和多元化展示管理。畫面服務(wù)將存儲(chǔ)在云端的監(jiān)視頁(yè)面?zhèn)鬏斨烈苿?dòng)端展示，數(shù)據(jù)服務(wù)處理移動(dòng)端的實(shí)時(shí)類和業(yè)務(wù)類數(shù)據(jù)請(qǐng)求，計(jì)算遷移管理決定計(jì)算遷移策略，將移動(dòng)端計(jì)算任務(wù)遷移至云端的平臺(tái)服務(wù)執(zhí)行。安全訪問(wèn)管理是與平臺(tái)管理的全局權(quán)限管理和全局資源管理交互，實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限的用戶對(duì)系統(tǒng)資源的授權(quán)訪問(wèn)。多元化展示管理通過(guò)研究用戶的行為數(shù)據(jù)，向移動(dòng)終端推送用戶關(guān)注的內(nèi)容進(jìn)行多元化展示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 計(jì)算遷移

移動(dòng)終端為信息資源訪問(wèn)和協(xié)同工作提供了極大的便利，但是其計(jì)算性能和電量供給難以滿足智慧車站大量畫面渲染和復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的需求。在智慧車站應(yīng)用場(chǎng)景中，城軌云平臺(tái)形成了“資源虛擬化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用服務(wù)化”的調(diào)控技術(shù)支撐體系[7]，移動(dòng)終端可以通過(guò)計(jì)算遷移技術(shù)[8]將部分計(jì)算任務(wù)及畫面處理任務(wù)遷移至云端服務(wù)，云端完成任務(wù)后將計(jì)算結(jié)果和畫面數(shù)據(jù)返回給移動(dòng)終端，充分利用云計(jì)算的強(qiáng)大計(jì)算能力，減小移動(dòng)端的計(jì)算量和能量消耗，提升移動(dòng)終端的性能。

本文提出的移動(dòng)終端的計(jì)算遷移如圖3 所示，移動(dòng)終端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、帶寬及能耗等多方面制定計(jì)算遷移策略，對(duì)時(shí)延要求較高的任務(wù)在本地處理，提高用戶體驗(yàn)；對(duì)計(jì)算資源消耗過(guò)多的任務(wù)，將其遷移至云平臺(tái)服務(wù)處理。資源監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)周期性監(jiān)測(cè)當(dāng)前可用資源，包括當(dāng)前可用的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬和剩余電量等。當(dāng)可用資源數(shù)量發(fā)生較大變化時(shí)，觸發(fā)遷移策略模塊，根據(jù)遷移規(guī)則制定本地計(jì)算或請(qǐng)求計(jì)算遷移，遷移策略問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型[8]，使得移動(dòng)終端完成計(jì)算任務(wù)所需的能耗最少，或者所用的時(shí)間最短，或者運(yùn)算性能最佳等。任務(wù)劃分模塊通過(guò)任務(wù)配置和任務(wù)編排工具，將一個(gè)整體的移動(dòng)應(yīng)用劃分為多個(gè)子任務(wù)，分為本地執(zhí)行任務(wù)和可遷移任務(wù)。遷移決策模塊綜合評(píng)估移動(dòng)終端負(fù)載、移動(dòng)終端及平臺(tái)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素，決定是可遷移任務(wù)否遷移；遷移部署模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，調(diào)用云端的平臺(tái)服務(wù)，再將計(jì)算結(jié)果推送回移動(dòng)終端。移動(dòng)終端的本地計(jì)算模塊是在本地執(zhí)行計(jì)算或畫面渲染，保證了在網(wǎng)絡(luò)條件差的情況下，移動(dòng)展示的流暢性和完整性。

2.2 移動(dòng)終端安全訪問(wèn)

為了保證移動(dòng)端的安全訪問(wèn)，本文研究了身份鑒別和數(shù)據(jù)訪問(wèn)安全兩種機(jī)制，身份鑒別基于令牌信令(Token)的方式，貫穿在移動(dòng)端使用的整個(gè)生命周期內(nèi)：用戶使用用戶名/密碼的身份驗(yàn)證方式登錄移動(dòng)終端，輔助使用生物安全識(shí)別（人臉識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別）功能快捷地登錄系統(tǒng)；登錄完成后，操作業(yè)務(wù)應(yīng)用訪問(wèn)系統(tǒng)資源時(shí)，業(yè)務(wù)應(yīng)用的標(biāo)識(shí)和密鑰自動(dòng)發(fā)送給云端驗(yàn)證；驗(yàn)證通過(guò)后，云端將生成存取令牌并返回給移動(dòng)端，移動(dòng)端業(yè)務(wù)應(yīng)用每次發(fā)送資源請(qǐng)求時(shí)，必須附帶該令牌信息，云端根據(jù)令牌信息對(duì)請(qǐng)求的合法性進(jìn)行校驗(yàn)，有效地防止非法用戶和非法應(yīng)用進(jìn)入系統(tǒng)。

圖3：計(jì)算遷移

圖4：屬性訪問(wèn)控制

圖5：低代碼設(shè)計(jì)框架

對(duì)于合法用戶，還需要防止數(shù)據(jù)的非授權(quán)訪問(wèn)。本文采用基于屬性的訪問(wèn)控制方法[9]，屬性是用戶、資源、環(huán)境和操作的集合，根據(jù)請(qǐng)求者所具有的屬性集合來(lái)決策是否賦予其訪問(wèn)權(quán)限。訪問(wèn)控制流程如圖4 所示，用戶通過(guò)移動(dòng)終端發(fā)起訪問(wèn)資源請(qǐng)求，人機(jī)網(wǎng)關(guān)服務(wù)訪問(wèn)云平臺(tái)的資源管理服務(wù)獲取用戶屬性、資源屬性和環(huán)境屬性。用戶屬性包括用戶標(biāo)識(shí)、用戶角色、部門、職務(wù)和主管業(yè)務(wù)等信息，資源屬性是系統(tǒng)中可被訪問(wèn)的資源，包括資源標(biāo)識(shí)、安全等級(jí)、所屬區(qū)域等信息，環(huán)境屬性包括用戶請(qǐng)求的時(shí)間、地點(diǎn)、資源的使用率等信息。人機(jī)網(wǎng)關(guān)服務(wù)將屬性集合及請(qǐng)求的操作發(fā)送給平臺(tái)的權(quán)限管理服務(wù)，其根據(jù)授權(quán)策略評(píng)估后，將決策結(jié)果返回給人機(jī)網(wǎng)關(guān)服務(wù)，人機(jī)網(wǎng)關(guān)服務(wù)才能被授權(quán)訪問(wèn)平臺(tái)服務(wù)，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源。鑒權(quán)策略負(fù)責(zé)將資源請(qǐng)求者與資源提供者的屬性集通過(guò)屬性規(guī)則進(jìn)行決策評(píng)估，將屬性約束分配到策略的目標(biāo)元素中，對(duì)不同的資源請(qǐng)求進(jìn)行分流，獲得匹配結(jié)果。基于屬性的訪問(wèn)控制可以靈活地進(jìn)行擴(kuò)展，比如用戶在不同的時(shí)間可能有不同的身份，可以動(dòng)態(tài)引入時(shí)間屬性來(lái)約束用戶的訪問(wèn)操作，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的訪問(wèn)控制，保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。

圖6：相似性推薦

2.3 低代碼業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

當(dāng)前移動(dòng)端業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要采用定制化開發(fā)實(shí)現(xiàn)，不具備響應(yīng)業(yè)務(wù)變化的能力。低代碼技術(shù)可以使用戶通過(guò)可視化方式構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用[10]，如自定義頁(yè)面、增加報(bào)表類型、修改制度流程和業(yè)務(wù)規(guī)則等功能，而不是由集成廠家編寫代碼的傳統(tǒng)方式。完成業(yè)務(wù)邏輯、功能構(gòu)建后，即可實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)終端上的自動(dòng)化部署。

圖5 為低代碼基礎(chǔ)框架設(shè)計(jì)，可視化設(shè)計(jì)器對(duì)各類圖形組件、業(yè)務(wù)規(guī)則、工作流程作較高層次的抽象和封裝，用戶通過(guò)拖拉拽、參數(shù)配置、邏輯規(guī)則定義、模板組件調(diào)用等方式，同時(shí)兼容代碼編寫模式，完成業(yè)務(wù)應(yīng)用構(gòu)建，對(duì)于車站運(yùn)營(yíng)高頻變更的業(yè)務(wù)，如交互界面、報(bào)表、業(yè)務(wù)規(guī)則和工作流等均可由設(shè)計(jì)器自定義編排，編排完成后形成配置文件存儲(chǔ)，其采用形式化語(yǔ)言描述業(yè)務(wù)模型和業(yè)務(wù)功能，同時(shí)將下發(fā)至業(yè)務(wù)引擎層；業(yè)務(wù)引擎層包括圖形引擎、報(bào)表引擎、模型引擎、工作流引擎、規(guī)則引擎等，采用領(lǐng)域模型設(shè)計(jì)，在獲取到新編排的業(yè)務(wù)文件后，解析出業(yè)務(wù)模型和業(yè)務(wù)功能，觸發(fā)更新業(yè)務(wù)邏輯，將不同的業(yè)務(wù)分派至對(duì)應(yīng)的引擎執(zhí)行。版本管理模塊跟蹤記錄了整個(gè)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的過(guò)程，對(duì)業(yè)務(wù)的變更和迭代做了歷史追溯，避免了業(yè)務(wù)的丟失、變更的丟失和相互覆蓋。車站的數(shù)字化運(yùn)營(yíng)是長(zhǎng)期迭代的過(guò)程，低代碼的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)能夠賦能地鐵數(shù)字化部門，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中業(yè)務(wù)功能的重構(gòu)和進(jìn)化，適應(yīng)新業(yè)態(tài)、高階業(yè)態(tài)的形成。

2.4 相似性推薦

由于運(yùn)營(yíng)人員崗位和職責(zé)的差異性，其關(guān)注的站內(nèi)信息是不一樣的，移動(dòng)終端統(tǒng)一的展示界面和操作體驗(yàn)難以滿足運(yùn)營(yíng)人員多樣化的管理需求，多元化的信息展示有助于運(yùn)營(yíng)人員高效地感知車站狀態(tài)。 受移動(dòng)終端屏幕尺寸和用戶時(shí)間的限制，運(yùn)營(yíng)人員往往來(lái)不及也不愿意瀏覽大量信息，更傾向于執(zhí)行特定的操作，訪問(wèn)特定的信息和頁(yè)面。基于內(nèi)容的相似性推薦方法[11]根據(jù)運(yùn)營(yíng)人員在終端上的歷史瀏覽記錄，為移動(dòng)終端推薦相似的內(nèi)容，有針對(duì)性地優(yōu)化調(diào)整展示界面，提升用戶體驗(yàn)。比如運(yùn)營(yíng)人員經(jīng)常瀏覽某高級(jí)應(yīng)用或?qū)Ш街聊硞€(gè)功能展示，那么在移動(dòng)終端展示過(guò)程中，可以根據(jù)此行為習(xí)慣在底部導(dǎo)航欄推送此高級(jí)應(yīng)用圖標(biāo)，以及此功能的快捷入口圖標(biāo)，使用戶可以快速切換。圖6 為訪問(wèn)控制流程。

平臺(tái)的行為數(shù)據(jù)分析服務(wù)包括數(shù)據(jù)采集、推薦策略和推薦排序。數(shù)據(jù)采集模塊收集用戶日志和瀏覽記錄獲等行為數(shù)據(jù)，如應(yīng)用的點(diǎn)擊次數(shù)、畫面停留時(shí)間和回訪次數(shù)等，將其分發(fā)給實(shí)時(shí)處理模塊，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)處理對(duì)生成用戶特征模型。推薦策略則是根據(jù)用戶特征模型、歷史數(shù)據(jù)模型和推薦算法，計(jì)算出當(dāng)前情況下最適合推送給用戶的內(nèi)容。協(xié)議調(diào)度模塊負(fù)責(zé)展示請(qǐng)求的發(fā)送和推薦結(jié)果的回傳，展示請(qǐng)求包含用戶信息、地理位置、時(shí)間等信息，結(jié)果回傳返回推薦結(jié)果至移動(dòng)終端，移動(dòng)終端采用圖標(biāo)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航和信息動(dòng)態(tài)顯示等方式多元化展示用戶關(guān)注的內(nèi)容和主題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了智慧車站移動(dòng)終端架構(gòu)設(shè)計(jì)。移動(dòng)終端的身份鑒別和訪問(wèn)控制機(jī)制保證了系統(tǒng)資源訪問(wèn)的安全性；相似推薦展示關(guān)注了運(yùn)營(yíng)人員的行為習(xí)慣，改善了用戶體驗(yàn)；計(jì)算遷移技術(shù)的應(yīng)用，使得移動(dòng)終端部分計(jì)算任務(wù)遷移至云端的平臺(tái)服務(wù)，減少了終端能耗；低代碼的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)過(guò)程中業(yè)務(wù)模型沉淀和迭代派生，使業(yè)務(wù)總量、質(zhì)量、價(jià)值有序增加，提升地鐵智慧化管理效率和服務(wù)水平，促進(jìn)運(yùn)營(yíng)服務(wù)方式、運(yùn)營(yíng)組織方式和運(yùn)營(yíng)管理決策方式的數(shù)字化升級(jí)。