物聯(lián)網(wǎng)在高速鐵路智能客站中的應(yīng)用研究

李 超，陳庚榮，左才為

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081)

近年來，鐵路客運車站圍繞客運生產(chǎn)組織和旅客信息服務(wù)，建設(shè)了客運管理信息系統(tǒng)、旅客服務(wù)系統(tǒng)、客票發(fā)售與預(yù)定系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并按照國家規(guī)范建設(shè)了樓宇自動化系統(tǒng)和火災(zāi)報警系統(tǒng)。但是，由于現(xiàn)有系統(tǒng)分專業(yè)設(shè)計、分批次建設(shè)，各自獨立部署、縱向切分，軟、硬件資源共享不充分，平臺化、集成化程度不高，存在數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，各應(yīng)用間無法實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)共享，且未實現(xiàn)站內(nèi)作業(yè)、列車、人員、設(shè)備、環(huán)境等信息的實時匯集和共用，難以對人員及設(shè)備進行合理配置、優(yōu)化運用[1]。由于系統(tǒng)間功能交叉重復(fù)，鐵路客運車站在使用這些系統(tǒng)時，普遍存在同一數(shù)據(jù)多次錄入，導(dǎo)致同類信息在各系統(tǒng)間不一致等問題，亟需從車站整體運營管理角度出發(fā)，統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，通過橫向拉通相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)功能去重補強、數(shù)據(jù)共享共用和業(yè)務(wù)協(xié)同聯(lián)動。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具備泛在感知、互聯(lián)互通、反饋控制等特征，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能交通、智慧城市、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域[2]。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以提升高速鐵路智能客站的基礎(chǔ)信息獲取能力，推動業(yè)務(wù)信息可靠傳輸和互聯(lián)互通，拓展車站業(yè)務(wù)應(yīng)用和服務(wù)[3]，進一步提升車站信息化水平，改善車站旅客服務(wù)，增強安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理能力。因此，積極開展基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵路智能客站應(yīng)用研究具有重要意義[4]。

1 鐵路智能客站物聯(lián)網(wǎng)總體方案

1.1 總體藍圖

鐵路智能客站緊密結(jié)合業(yè)務(wù)需求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新型信息化、智能化技術(shù)，實現(xiàn)高效、安全的生產(chǎn)組織，提升旅客出行便捷性，提高車站的綠色、節(jié)能、環(huán)保水平。鐵路智能客站通過全鏈條統(tǒng)一的規(guī)劃、設(shè)計，動態(tài)優(yōu)化軟、硬件資源配置，構(gòu)建規(guī)范標準接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚融合與全面互聯(lián)互通，以及基于數(shù)據(jù)的分析和決策。為此，構(gòu)建包含“一個大腦、四大業(yè)務(wù)版塊、N 個應(yīng)用”的鐵路智能客站“1+4+N”的總體藍圖[5-6]。鐵路智能客站總體藍圖如圖1 所示。

圖1 鐵路智能客站總體藍圖Fig.1 Overall blueprint of intelligent railway passenger stations (IRPSs)

由圖1 可知，“一個大腦”指鐵路智能客站大腦，也稱智能客站旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺(以下簡稱“管控平臺”)，是鐵路智能客站的核心平臺，提供數(shù)據(jù)處理、分析、展示及輔助決策等功能。“四大業(yè)務(wù)版塊”包括旅客服務(wù)、生產(chǎn)組織、安全應(yīng)急、綠色節(jié)能4 個版塊。“N 個應(yīng)用”是指四大業(yè)務(wù)版塊中的具體業(yè)務(wù)應(yīng)用，是平臺支撐的擴展功能。“1+4+N”的鐵路智能客站總體藍圖支撐鐵路智能客站的旅客服務(wù)能力、安全生產(chǎn)能力和經(jīng)營管理能力。

1.2 總體架構(gòu)

鐵路智能客站旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺總體架構(gòu)如圖2 所示。該平臺采用集中部署3 級應(yīng)用的架構(gòu)：在鐵路主數(shù)據(jù)中心部署中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)級和鐵路局集團公司級系統(tǒng)；在鐵路局集團公司部署前置服務(wù)器；在車站配置接口、邊緣計算、視頻分析等服務(wù)器，以及操作終端、生產(chǎn)指揮中心大屏等相關(guān)設(shè)備。部署于鐵路局集團公司或車站的具體業(yè)務(wù)應(yīng)用通過安全設(shè)備接入管控平臺。

圖2 鐵路智能客站旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺總體架構(gòu)Fig.2 Overall framework of passenger service and production control of IRPSs

1.3 邏輯架構(gòu)

鐵路智能客站從站內(nèi)、外各系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，形成共用數(shù)據(jù)資源池，并通過模型和算法分析數(shù)據(jù)，為車站生產(chǎn)服務(wù)和各站內(nèi)、外系統(tǒng)提供輔助決策支持[7-8]。鐵路智能客站邏輯架構(gòu)如圖3 所示，主要分為外部數(shù)據(jù)源層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)分析層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

圖3 鐵路智能客站邏輯架構(gòu)Fig.3 Logical architecture of IRPSs

（1）外部數(shù)據(jù)源層。外部數(shù)據(jù)源層是智能客站的數(shù)據(jù)來源，鏈接了客票系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、動車管理系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)等鐵路內(nèi)部信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以及市政、消防、氣象、醫(yī)院、交通等鐵路外部信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以及輿情、問詢、資訊等互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。用于數(shù)據(jù)的傳輸，涵蓋數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、客票網(wǎng)、調(diào)度網(wǎng)、綜合視頻網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等。鐵路智能客站通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)在國鐵集團、鐵路局集團公司和車站3 級之間進行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）數(shù)據(jù)層。對數(shù)據(jù)進行管理和共用，通過統(tǒng)一規(guī)范的格式存儲到統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)進行管理，將接入的數(shù)據(jù)以相同的格式規(guī)范存儲。對數(shù)據(jù)清洗融合后，形成分類管理的數(shù)據(jù)資源，存儲到數(shù)據(jù)資源池中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享。

（4）數(shù)據(jù)分析層。負責建立數(shù)據(jù)分析模型及算法，根據(jù)業(yè)務(wù)需求確定分析場景及目標，通過對各類數(shù)據(jù)的深入分析挖掘、仿真實驗，同時結(jié)合人工智能庫，實現(xiàn)智能化服務(wù)，包括語音問詢、人流量分析、能耗分析、設(shè)備狀態(tài)分析等。

（5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成化、可視化展示，工作人員可以對生產(chǎn)運營進行智能管控。以數(shù)據(jù)資源、分析模型、分析算法為基礎(chǔ)，全面集成鐵路旅客服務(wù)系統(tǒng)集成管理平臺、客運管理信息系統(tǒng)、鐵路客運設(shè)備管理應(yīng)用和客運站應(yīng)急指揮應(yīng)用的功能，支撐車站高效、便捷的客運一體化生產(chǎn)和服務(wù)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵路智能客站業(yè)務(wù)和應(yīng)用

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的客運業(yè)務(wù)

以旅客“安全出行、方便出行、溫馨出行”為目標，采用智能感知物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，圍繞旅客到站前、購票、進站、候車、換乘、乘車、出站等出行環(huán)節(jié)，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自助票務(wù)、智能查詢、安檢動態(tài)調(diào)整、環(huán)境舒適度監(jiān)控、旅客出行引導(dǎo)等服務(wù)，提升旅客出行體驗。面向智能客站旅客服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖4 所示。其中，涵蓋的應(yīng)用包括以下5 項。

圖4 面向智能客站旅客服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.4 Architecture of Internet of Things (IoT) system for passenger service of IRPSs

（1）基于身份識別的票務(wù)自助業(yè)務(wù)。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動采集旅客的頭像信息，智能識別旅客身份，從而為旅客提供自主化的綜合票務(wù)服務(wù)。在車站售票廳前設(shè)置自助服務(wù)區(qū)，部署自助退票機、遠程可視化智能查詢終端、臨時身份制證機，在集中的區(qū)域辦理票務(wù)綜合業(yè)務(wù)。

（2）基于物聯(lián)網(wǎng)的智能查詢問詢服務(wù)。通過安裝智能查詢機，自動采集并識別旅客頭像信息，利用語音交互、視頻識別等技術(shù)，實現(xiàn)車票二維碼識別、站內(nèi)電子地圖導(dǎo)航、站內(nèi)商業(yè)信息發(fā)布、車次正晚點信息查詢等功能。

（3）基于智能視頻監(jiān)控的安檢通道動態(tài)調(diào)整。為了減少進站環(huán)節(jié)的安檢排隊時間，部署攝像頭，通過智能視頻分析監(jiān)測安檢口排隊人數(shù)。安檢值班可以根據(jù)實時監(jiān)測情況，動態(tài)調(diào)整安檢口開放的通道數(shù)目，減少安檢排隊時間。

（4）基于傳感器的環(huán)境舒適度監(jiān)控系統(tǒng)。利用智能感知傳感器監(jiān)測車站溫度、濕度、亮度、噪聲、氣味，結(jié)合列車到發(fā)、上下車人數(shù)等數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整區(qū)域環(huán)境溫度，提高旅客出行舒適度。

（5）基于物聯(lián)網(wǎng)的旅客引導(dǎo)導(dǎo)航服務(wù)。采用物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)，融合室內(nèi)導(dǎo)航和室外導(dǎo)航技術(shù)，為旅客提供路徑規(guī)劃、定位導(dǎo)航等服務(wù)，可以為旅客提供從出發(fā)地點直接到旅客所乘車次檢票口的導(dǎo)航服務(wù)。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)組織

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動監(jiān)測車站設(shè)備設(shè)施、人員和環(huán)境，并進行業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)智能客站指揮中心可視化展示、無線通信業(yè)務(wù)、上水智能卡控等生產(chǎn)組織。面向智能客站生產(chǎn)組織的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 面向智能客站生產(chǎn)組織的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)示意圖Fig.5 IoT architecture for production organization of IRPSs

（1）基于物聯(lián)網(wǎng)的指揮中心可視化展示。在車站的候車廳實時展示檢票口作業(yè)狀態(tài)，采用不同的顏色顯示列車即將開始檢票、正在檢票、停止檢票狀態(tài)。在檢票口通過人數(shù)超過閾值時，或者同一個檢票口存在2 列車同時作業(yè)時給予預(yù)警提醒。在車站的站臺層實時顯示股道占用情況，包括列車的到達、出發(fā)、折返、入庫與出庫情況，將視頻與列車接發(fā)作業(yè)信息關(guān)聯(lián)，出現(xiàn)風險時自動給出視頻與文字提示。

（2）DMR 無線通信應(yīng)用。傳統(tǒng)的客運無線模擬對講，一般采用一個大組呼叫通話，無法實現(xiàn)一對一通信，難以滿足日益發(fā)展的客運組織作業(yè)需求，而采用模擬直通方式存在覆蓋盲區(qū)。通過部署DMR 系統(tǒng)，實現(xiàn)車站無線對講全站信號覆蓋。可以對客運業(yè)務(wù)進行分組，按組別進行對講通話，提高對講通話質(zhì)量。同時，利用DMR 通道窄帶通信，實現(xiàn)站臺、檢票口關(guān)鍵作業(yè)崗位工單派發(fā)、簽收、崗位自動打卡功能，對關(guān)鍵作業(yè)項點的作業(yè)風險進行安全卡控提示，確保接發(fā)列車作業(yè)安全與旅客乘降安全。還可以優(yōu)化中心站和代管站之間遠距離對講功能，實現(xiàn)“大站呼小站”，提升中心站管控能力。

（3）基于傳感器的上水智能卡控。在股道上水設(shè)備處加裝傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)與管控平臺實現(xiàn)聯(lián)動，實現(xiàn)上水管頭歸位、上水量、設(shè)備故障監(jiān)測，以及管頭開關(guān)控制出水、自動回管等功能。一般高速鐵路中間站上水作業(yè)時間為3 ～ 5 min，通過遙控開關(guān)控制加水與停水，可以避免上水工人在上水設(shè)備與車廂上水口之間來回走行，提高上水作業(yè)效率。通過管頭歸位監(jiān)測以及站臺、指揮中心聯(lián)動，上水工人離開股道作業(yè)時，可以在股道管理機上查看上水設(shè)備情況。上水作業(yè)結(jié)束時，如果上水管頭未歸位，股道管理機與指揮中心大屏可以自動報警提示，規(guī)避了帶管開車風險。

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的安全保障業(yè)務(wù)

（1）智能音視頻分析。采用智能視頻分析技術(shù)，實現(xiàn)候車室客流密度分析，廣場落客平臺車輛停靠數(shù)量分析，廣場進站口、安檢口、檢票口、售票窗口排隊人數(shù)統(tǒng)計，進站口、出站口、檢票換乘口等區(qū)域重點人員識別，站臺白線和站臺兩端入侵監(jiān)測，旅客逆向行為分析，客運作業(yè)標準化分析等功能，降低人工巡查監(jiān)控的勞動強度，充分發(fā)揮事中監(jiān)控作用，有效提升車站安全運營管理能力。

（2）基于智能移動終端的車站應(yīng)急指揮。采用智能移動作業(yè)終端，對車站列車大面積晚點、自然災(zāi)害等事件的應(yīng)急處置預(yù)案進行電子化、流程化處理。結(jié)合作業(yè)計劃、人員排班等信息，引入工作流機制，對各類應(yīng)急預(yù)案進行流程管理和精準指揮。

2.4 基于物聯(lián)網(wǎng)的綠色節(jié)能業(yè)務(wù)

采用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融合故障預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)、結(jié)構(gòu)化電子手冊技術(shù)，以設(shè)備構(gòu)型管理為基礎(chǔ)，搭建車站客運設(shè)備維修平臺，實現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)測、維修管理、知識支撐、能效管理等功能。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能客站客運設(shè)備管控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能客站客運設(shè)備管控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.6 Architecture for the equipment control system of IoT-based IRPSs

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能客站客運設(shè)備管控系統(tǒng)采用智能電表、水表等物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，實時監(jiān)測設(shè)備用能和系統(tǒng)用能，并采用人工智能算法分析最優(yōu)能效點，達到整體節(jié)能最優(yōu)，實現(xiàn)車站站臺與候車區(qū)燈光照明、導(dǎo)向屏的自動管控，保障站臺“有車亮燈、無車滅燈”，站臺導(dǎo)向屏“有車亮屏、無車滅屏”和候車區(qū)根據(jù)光照亮度自動調(diào)控燈光照明。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)車站候車區(qū)空調(diào)系統(tǒng)溫度自動調(diào)節(jié)功能，保障候車區(qū)“人多降溫、人少升溫”。通過設(shè)備智能維修，降低運營成本，有效提高高速鐵路車站設(shè)備的利用率，同時確保設(shè)備處在最佳的工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，提供安全、高效、便捷、舒適的公共環(huán)境。

3 現(xiàn)場試點應(yīng)用與效果

針對旅客出行、內(nèi)部作業(yè)、安全風險管控、設(shè)備運維與節(jié)能等方面，在長沙南站開展智能客站物聯(lián)網(wǎng)試點應(yīng)用。長沙南站指揮中心車站大屏如圖7 所示。長沙南站在旅客服務(wù)、客運作業(yè)、安全保障、綠色節(jié)能等業(yè)務(wù)場景均采用了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端和智能感知手段，為旅客提供了更加便捷、舒適的出行體驗，提升了客運管理和作業(yè)效率，提高了客運設(shè)備運維效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標，具體效果如下。

圖7 長沙南站指揮中心車站大屏Fig.7 Display of the command center at Changsha South Railway Station

（1）旅客出行體驗顯著提升。借助智能化的物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備與技術(shù)，旅客可以快速便捷地進出車站，車站也可以實時監(jiān)測旅客環(huán)境舒適度信息，為旅客提供溫馨舒適的候車環(huán)境。

（2）客運作業(yè)效率大大提高。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集設(shè)備、人員、環(huán)境、列車等生產(chǎn)要素的信息，并通過作業(yè)人員、集成模塊及設(shè)備的一體化調(diào)度指揮，實現(xiàn)客運業(yè)務(wù)的協(xié)同控制。

（3）安全風險管控更精準有效。通過智能視頻監(jiān)控，將數(shù)據(jù)分析研判和預(yù)警相結(jié)合。出現(xiàn)風險時，將預(yù)警信息推送至崗位工作人員手持作業(yè)終端，并在綜控室大屏自動彈出監(jiān)控視頻，實現(xiàn)了站臺端部入侵，上水管頭卡控，檢票口、售票廳、安檢口旅客排隊人數(shù)過多，上下車人數(shù)超過閾值，同站臺同檢票口2 趟車接發(fā)車作業(yè)等風險點智能預(yù)警。

（4）提高客運設(shè)備運維效率，降低維護成本。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動采集客站設(shè)備運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動巡檢、故障診斷、預(yù)警管理、運維保養(yǎng)等功能，保障設(shè)備安全可靠運行，減少人工巡檢工作量。

（5）實現(xiàn)節(jié)能降耗。采用物聯(lián)網(wǎng)手段，針對長沙南站京廣場的照明、導(dǎo)向屏、空調(diào)、電梯等設(shè)備，結(jié)合客運業(yè)務(wù)、環(huán)境等因素，制訂客運設(shè)備的節(jié)能運用策略和計劃，對設(shè)備進行合理智能的節(jié)能運行控制，達到用能精細化管理。長沙南站京廣場改造設(shè)備節(jié)能率為19%，2019 年總節(jié)能量為180 萬kW·h。

4 結(jié)束語

智能客站建設(shè)以管控平臺為核心，采用物聯(lián)網(wǎng)智能感知設(shè)備和相關(guān)技術(shù)，通過共享客票、車輛、調(diào)度命令、列車運行、設(shè)備監(jiān)控、綜合視頻、12306 客服業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，有效整合旅客服務(wù)、客運管理、安全保障、綠色節(jié)能等業(yè)務(wù)功能。結(jié)合車站的實際需求，融合個性化應(yīng)用，在客運生產(chǎn)流程管控、旅客智能服務(wù)、動態(tài)作業(yè)監(jiān)控分析、設(shè)備精細化管理和應(yīng)急快速響應(yīng)等方面得到有效提升，為高速鐵路車站管理效能提升提供了有力支撐，為建立“集中化指揮、一體化管理、集約化運營、智能化作業(yè)”的智能客站生產(chǎn)指揮模式提供技術(shù)支撐。