基于物聯網技術的智慧車站全景管理系統的設計與應用

文/俞軍燕、祝唯、陸橋、彭偉澤，廣州地鐵集團有限公司

車站管理是城軌交通運營管理的核心業務板塊之一，但傳統車站工控系統存在如下問題：一是傳統已建的信息系統，大多為垂直系統，“煙囪化”嚴重，專業間無交互，車站缺乏打通各專業的集中式管理系統，及具備總攬全局的信息展示與控制中心；二是車站監控中心集中且單一，站務人員只能在特定場所對車站進行監控及日常業務處理，其他站務人員由于缺乏監控終端而無法及時了解車站情況并采取必要的措施；三是目前主要通過人工操作的方式來處理站務日常工作（如人工設備巡檢、人群引流等），人力投入成本較高。

隨著客流量的增加及地鐵線網的迅速發展，日常業務發生量及站務人員數量將呈幾何倍數增長，將給運營管理帶來更大難度。新時代軌道交通急需運用各類先進智能技術來解決以往車站管理運作的難題。因此，本文基于物聯網技術設計地鐵車站的智慧車站全景系統，并結合廣州塔智慧站示范工程，闡述其在地鐵車站管理中的應用。

一、現狀分析及思路

傳統地鐵車站運營環境所涉及的設備系統約20多種，涵蓋了日常車站管理工作必須的功能模塊，包括機電設備管理、安防管理、照明、乘客服務、信息發布、設備運維、能源管理、環境檢測等。每套系統都包括各種類型、性能、功能、形態不同的設備。這些專業系統獨立設置、孤島運行，存在系統架構復雜、層級多、設備配置數量多且利用率低等問題，難以實現數據交換及共享，為城市軌道交通車站的運營、維護和管理帶來了諸多不便。此外，各專業系統的PC（Personal Computer）端界面，集中設置在車控室內，車控室外的站務人員無法及時了解車站情況，因而，傳統信息系統在應對突發事件時存在一定滯后性。

因此，要實現地鐵車站管理的智慧升級，關鍵在于打破各專業系統間的壁壘，實現各專業主要設備的物聯接入，并最終實現信息的集中化和移動化管理。鑒于此，本文基于物聯網技術設計了智慧車站全景系統，其總體設計思路包括：第一，基于先進的物聯網技術，實現各專業主要設備的物聯接入，使各設備具有自動感知能力；第二，匯聚各專業系統數據，對各專業設備進行統一管理，并形成統一的信息中心和指揮中心；第三，通過多個智能終端來實現站務管理信息化。如：通過大屏指揮終端總攬全局，展示整個車站的全局信息，并下達跨專業的聯動指令；通過PC端實現輔助監控與任務配置；通過PAD（Portable Android Device）端，實現不受區域限制的站務監控與管理。

二、系統架構設計

本文設計的基于物聯網技術的智慧車站全景系統，包括“設備層、物聯網邊緣網關層、平臺層、應用層、智能終端層”5個層級。其中，設備層由各專業系統設備組成；物聯網邊緣網關基于物聯網技術實現各專業設備的統一接入，為數據連接和系統集中控制奠定基礎；平臺層對設備進行統一管理，對數據進行標準化處理，從而匯聚各專業數據，形成全局信息；應用層則面向車站管理的各個專題進行專業的數據分析與算法設計；智能終端層包括大屏端、PC端和PAD端3類終端系統。具體系統架構如圖1所示。

圖1 基于物聯網技術的智慧車站全景系統架構圖

1.設備層由地鐵站內各類運作設備及設備管理系統組成，被系統接入的設備都存于設備層中。設備層通過互聯網協議將各類設備接到物聯網邊緣網關層，從而不斷上報設備及系統的狀態數據。同時，設備層還接收智能終端下發的控制指令，執行場景聯動的設備動作（如閘機開關等）。

2.物聯網邊緣網關層是系統接入底層設備的關鍵模塊，承接了設備和系統數據的接入，對站內各系統設備進行統一監控。將各類設備的數據和消息統一轉換，翻譯成平臺層可識別的數據和消息；將智能終端下發的指令轉換成各設備可理解的命令。物聯網邊緣網關層包括業務服務層、標準消息構成層、協議適配層和感知延伸層4個部分。

在廣州塔智慧車站示范工程中，通過物聯網邊緣網關實現設備及系統的物聯接入，兼容物聯網常用的通訊協議（包括MODBUS、BACNET、MQTT、IEC104、KNX、OPC、RTSP、ONVIF等等），支持SDK集成和通訊協議連接等多種接入方式，可實現信息的大范圍、深層次匯集，構建信息技術系統的數據基礎，為上層應用提供設備接入能力、協議轉換能力、邊緣數據處理能力等，實現城市軌道交通眾多業務系統和設備的物聯功能。智慧車站全景系統接入超過20個專業系統（包括智能安檢、列車自動監控等），逾1000個設備、逾100路視頻、8種通信協議，實現了信息分發便捷操控和站務移動化的管理運作。

3.平臺層主要實現設備管理和數據匯聚，設備和系統數據接入后，由平臺層進行統一管理，從而構建車站全局的信息中心和指揮中心。平臺層包括設備管理和數據匯聚兩個部分。

（1）設備管理包括設備注冊、設備和系統狀態上報、控制指令下發3部分。通過設備層和物聯網邊緣網關層接入的設備和系統，在平臺上進行注冊，將設備和系統ID通過一定的規則轉化成平臺內唯一的ID，并根據用戶權限表進行權限映射；持續接入設備和系統上報的信息，基于人工智能算法，對上報的設備和系統的歷史數據進行分析，從而獲取設備和系統的運行狀態，匹配設備和系統適合的運行策略；站務人員通過各個終端對設備和系統下發業務控制命令，這些業務控制命令會在平臺層分解為各設備的標準動作并下發到設備。

（2）數據匯聚：各專業的數據接入后，平臺層會通過標準轉化成口徑統一的數據，匯聚并構建成整體信息，供應用層進行按專題的計劃或分析。最終，車站全局性的信息會在大屏終端顯示，從而為站務管理決策提供參考。

4.應用層在平臺層之上，根據車站運作管理的實際需要，研發各個專題應用，如客流預測與引導、設備遠程監控、設備異常上報、視頻巡站等。應用后臺基于人工智能算法（如人數識別算法、扶梯異常行為檢測算法等），將各種設備和系統的歷史數據、實時狀態進行組合分析與判斷預測，并發出輔助站務人員的一系列提示、警報，或自動進行相應的設備規則聯動。

5.智能終端層是系統成果的最終呈現，包括大屏端、PC端和PAD端。大屏端可實現車站的全域監控與集中展現（如：客流情況、環境情況、列車到站信息、全視頻、設備設施監控、值班人員情況、報警通知等），實現以第一人稱在場景內自由行走的漫游功能，通過漫游功能查看設備實時數據。此外，大屏端還可實現簡單的設備遠程控制。PC端是智慧車站全景系統的配置平臺和操作平臺，可進行數據輔助展現和配置管理（如，信息配置、設備控制、設備設施配置、系統維護等）。PAD端具有移動化優勢，可不受區域限制地實現簡單的站務管理工作。如：查看車站的物理空間、客流信息、設備信息等；提供導航能力、服務乘客的信息查詢能力；對卷閘門、電扶梯、閘機等設備進行簡單的控制；實現與管理系統的互動，上報巡視中發現的異常信息。3種終端通過平臺層實現數據的同步。

三、系統的應用

研發的智慧車站全景系統，在廣州塔示范站的應用功能包括智能客流引導、智能安防、智能站務和綜合信息發布。

1.智能客流引導。基于視頻客流統計、客流熱力圖與遷移圖計算等，智慧車站全景系統可迅速獲取客流數據及客流形態，并每隔15分鐘自動判斷、顯示客流引導方案，站務人員可在PAD端進行“一鍵客控”。同時，基于系統設置的設備聯動控制功能，自動對相關設施設備（如，閘機、電子導向、廣播、智能照明等）進行聯動控制。此外，終端系統的三維地圖可顯示人流熱力分布圖，顯示實時客流數和不同階段的預測客流數（圖2），提供客流信息查詢、客流預警等能力，使站務人員能及時掌握精準的站內客流情況并采取對應措施。

圖2 客流監控

（二）智能安防。智慧車站全景系統共接入超過100個攝像頭，涵蓋車站出入口、通道、站廳、站臺、隧道等全站管理區域，可在大屏端實現全站實時監控（圖3）。在全站監控的基礎上，智慧車站全景系統可基于圖像識別及視頻分析技術（如，禁區監控、安全帽檢測、火災檢測、人臉布控等），實現安全異動行為的研判，使站務人員可按需實現重點區域、乘客高危行為等的全程防控與及時預警。基于人臉采集設備、視頻分割、自動數字化、自動關聯、視頻結構化等技術，實現安檢數據關聯、視頻智能化檢索等功能。此外，智能安防還可以與智能客流引導、智能終端等系統實現互聯互通、統一監控、統一協調指揮。

圖3 全站視頻實時監控

（三）智能站務。智慧車站全景系統可基于大屏端、PC端和PAD端，實現站內建筑、系統和設備的全方位集中監控（圖4），并將分散的設備數據進行整合、聚集、聯動分析，從而擺脫人工收集信息、人工分析決策的低效模式。此外，該系統還可實現遠程場景聯控功能，如：一鍵開關站（即一鍵完成開關站操作及部分設備的操控）；遠程視頻巡站（通過智能終端依次調取車站內的視頻監控畫面，實現遠程巡站；巡站時間可從30分鐘降至3分鐘，見圖5）；遠程設備控制（閘機、電子導向、電梯、照明等設備）等。

圖4 大屏端運營指揮中心界面

圖5 視頻巡站功能

（四）綜合信息發布

綜合信息發布系統旨在使站內各設備的孤立信息，具備可聯動的模式化控制，并通過PIDS、電子導引屏、廣播、App等渠道，實現一體化管理與發布。具體包括：通過公眾號、App等方式發布客流信息，使乘客及時通過地鐵APP了解客控信息；通過電子導引屏、廣播、門匾、LED屏等終端，發布車站擁擠度、出行指引、客流控制導引等信息；當設備出現故障或人員出現意外時，通過PIDS、電子導引屏、廣播等發布公告信息，避免故障或意外擴大；結合車站內外的交通信息，提供聯乘服務指引，使站內外信息得以有效整合。

四、展望

本文基于物聯網技術及集成化、移動化管理模式研發一種智慧車站全景系統，實現了基于設備全息感知、系統集成聯控、終端移動操控的高度自運轉的全時全景車站管理模式，完成新時代城市軌道交通智能化及信息化的發展模式驗證，形成落地先行的創新經驗，支撐廣州地鐵數字化轉型，可推廣至線路、線網應用。未來，新時代軌道交通將主要圍繞乘客服務和運營管理兩大業務，利用互聯網的思維和技術對傳統軌道交通進行重構和再造，致力于打造全時空精準便捷的乘客服務和全景式靈活高效安全的運營管理，滿足新時代乘客多元化的服務需求。

1.乘客服務方面，將以人為本，主動延伸服務價值，通過智能客服、多元票務、資訊服務、自適應誘導、生活服務等新業態的構建，打造新時代乘客出行服務體系，實現精準化的資訊服務、多元化的票務服務、生活化的增值服務，確保乘客可在出行全鏈條過程中，通過線上、線下多渠道獲取及時、精準、豐富的多元化運輸場景服務。

·全時空的資訊服務：打造全時空服務平臺，構建“虛擬客服+人工客服”相輔的資訊服務平臺，支持APP、微信、官網及車站自助客服中心等線上+線下設備應用，實現一鍵式響應服務。通過大數據挖掘乘客需求，提供“個性化”主動資訊服務。

·精準的客運組織：通過點線面客流精準預測，提供精準數據支撐，行車-客運自適應聯動，實現運能精準投放；匹配場景，預見性啟動不同客流控制模式，并對乘客發送車站信息引導。

·便捷的票務服務：構建多元支付手段+多元票種選擇+多元購票方式+生物特征無感過閘的多元便利的票務體系；搭建線上（APP）+線下（自助客服中心等）完善的自助票務處理渠道。

2.運營管理方面，將圍繞以乘客出行為中心的服務本質，通過精準靈活的運輸組織、協同高效的調度指揮、全景管控的車站管理、體系迭代的智能運維、集成一體的安防技術等五大新業態的構建，全面構筑精準高效的運營管理體系，實現運能的精準投放、調度的智能聯動、車站的無人值守、設備的主動運維、安防的一站式管理。

·精準靈活的運輸服務：基于多源異構數據融合的精準客流預測分析技術，實現宏觀、中觀與微觀客流的精準預測，再匹配超前的規劃設計和列車全自動運行技術，實現靈活的運能配置、多樣化的行車方式，支撐運能的精準投放。

·協同高效的調度指揮：通過設備物聯接入、信息獲取立體化等手段，實現多維度全息感知、情況看得見、指令聽得見、位置找得到的可視化指揮調度；通過前段感知、多媒體融合、智能決策、多渠道信息報送等手段，實現通信指揮全融合、調度控制一體化、調度處置智能化，最后達到精準調度決策、高效調度指揮。

·全景管控的車站服務：通過車站 “人、機、環”全方位動態智能感知，構建基于設備全息感知、系統集成聯控、終端移動操控的全時全景車站管理模式，實現區域站點集中值守和遠郊車站無人值守的管理模式。

·體系迭代的智能運維：將依托在線監測、故障診斷和預測、數據融合、專家分析決策、全壽命周期管理等關鍵技術，形成基于狀態感知的精準維護維修模式和面向線網運營場景需求的智能決策，最終形成體系迭代的智能運維。

·集成一體的安防技術：融合了多元智能安檢技術，實現人物同檢、無感掃描、集中判圖、精準識別等功能，為乘客提供“一站式、無感化”的安檢服務，提升乘客的通行體驗以及地鐵線網大客流通行能力。