面向一体化集成及可视化运营的轨道交通智慧车站探索研究

杜呈欣

中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所

中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路与城轨交通系统技术国家工程研究中心

王清永

天津轨道交通运营集团有限公司

摘要

通过在天津文化中心站、天津站智慧车站的试点建设实践，本文研究轨道交通车站运营管理的主要场景，分析车站智能化应用需求，提出面向一体化集成及可视化运营的智慧车站总体设计，构建基于设备全息感知、系统集成联控、终端移动操控、高度自运转的全时全景智慧车站管理系统，大大提升了车站的智慧化水平。

关键词：智慧城轨；智慧车站；人工智能；协同控制

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引言

随着城市轨道交通运营规模的迅速扩展和信息化水平的不断提高，如何高质量推进城轨信息系统向网联化、协同化和智能化方向发展成为重要的研究方向。车站作为城轨网络中最为关键的衔接部分，车站的有效监测与管理关系着整个城市轨道交通运营的基础。针对城轨车站业务系统设备部署分散、信息资源共享程度低、业务流程融合协同效率不足，智能化综合管控提升难等问题，依托数字可视化模型、工业互联网、人工智能等技术，研究以数据为核心构建车站人、机、物等要素的全面互联，实现城轨车站综合业务、复杂专业系统集成的运营管理优化和效率提升，推动城轨车站实现数字可视化、业务协同化、管理智慧化。

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总体定位

智慧车站的建设实施遵循“安全可靠、需求导向、经济合理”的指导原则开展。建设可涵盖智能客服、无感支付、全息感知、智能导向、一键开/关站、智能站务管理等基础通用功能建设及智慧安防、客流监测与预警、能源管理、电扶梯智能监控与乘客异常行为分析等特色项目；根据功能需求和技术条件，实现智慧车站各应用场景。

结合采用全自动运行系统的车站运营场景，设计智慧车站的总体功能，具体实现车站态势全感知、客运服务智能化和人员管控精细化，全面支持多职能队伍的建设，实现岗位复合和减员增效。一方面确定车站运营需求，定义车站管理内容，明确运营场景，并以车站各岗位作业内容为引导，转换车站智能化需求；另一方面梳理现有的技术支持，如系统设备和大数据支撑，以及车站现有的工作流程、台账记录、岗位标准和预案文本等，并从车站运营管理、设备管理和人员管理智能化以及故障联动、消防联动、大客流应急联动需求进行梳理，从人员布岗作业、信息流转和设备联动三方面确定功能需求和系统配置。主要实现如下创新：

1）推进智能感知技术在车站管理中的应用，增强设备运行状态数据的监测广度与深度，为设备运营故障及健康状态的分析提供技术支持；

2）采用基于BIM和数字孪生的车站生产要素全景可视化展示，有利于车站管理的全局管控，保障车站安全稳定运营；

3）实现多种运营场景的可视化监控、应急事件感知、人员异常行为感知，提升车站运营及应急指挥能力。

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轨道交通智慧车站应用需求研究

轨道交通车站管理业务主要分为客运管理、设备管理、人员管理和应急管理等诸多方面。其中客运管理包括乘客事务处理、运营信息发布、车站客运组织等；设备管理包括开站管理、运营管理、关站管理、施工管理等；人员管理包括公司内部人员管理和外部人员管理；应急联动主要是指车站出现异常事件时，站内人员的快速处置管理。由此可见车站业务类型众多且专业性较强，有必要从提高车站智能化水平、提高车站运营人员工作质量、改善乘客用户体验的角度出发，研究相应的解决方案，针对性的解决实际运营中面临的问题，最终提升车站的智慧程度。

3.1安全提升需求

在车站安检工作中，安检人员人工判图可能会有违禁品漏检，并且当车站客流量较大时，安检员长时间识别高密度的过包图像容易造成人员疲劳，降低判图效率；在车站客运组织中，对于瞬时客流无法预测，发生突发大客流时，车站不能及时有效的进行客流疏导。

应急管理作为客运、设备及人员管理的融合应用，主要提升车站在紧急情况的快速应对能力，为此从应急联动场景的可视化、应急联动策略的细化和应急联动的效率三个方面提升：

1、利用BIM技术在“三维可视化”和“信息集成”方面的优势，进行车站的100%仿真和应用，将BIM作为车站应急管理的数据整合展示处理平台。

2、建立应急情况下各方联动的应用场景，基于各专业子系统功能与优势，细化相应的逻辑与顺序来展示各类运营场景，并结合其触发调节来改善既有人员操作的不足之处，从而使车站运营管理人员能够拥有更多的时间和精力来确认问题和解决问题，避免事件恶化及扩大。

3、根据应急管理需求并结合既有设施设备技术水平的现状，通过提升相关专业的自动化水平来提升应急情况下的处置效率，如智能开、关站等。

3.2服务提升需求

在车站服务过程中，运营人员通常为乘客服务的业务较多，需要向乘客提供导乘、问询、票务处理等服务。为了更好的为乘客服务，充分理解乘客关键需求，面向乘客提升服务质量和效率，建设智能客服中心来为不同受众群体提供差异化服务，提高不同顾客的满意程度，推进传统车站服务业务向智能化、信息化转变。完成网络支付方式应用于自动购票机的举措，探索直接刷脸进站的服务方式。通过增设异常票卡自助处理设备，使乘客能自助处理无法进出站的车票，减少客服中心人工票务处理的工作量。通过增设语音购票设备与智能语音机器人等服务设备，向乘客提供更加便捷的购票与问询设施。利用生物识别技术，通过增设特殊人群通行设备，使车站能够准确识别特殊人群并更好为之服务。

3.3效率提升需求

在车站运营管理中，现场巡检的业务多，车站人员需要每天定期至现场对车站内的机电设施设备进行运营状态、故障状态、安全隐患等要素的巡视巡查；在车站设备管理中人工操作执行的业务多，需要至设备现场进行的操作更多。

在既有车站的综合监控系统基础上集成与客运管理提升需求而增设的末端感知设备，完善与既有系统的接口，感知现场信息，实现数据集中，建设智慧车站运营管理系统，以实现对车站机电设备状态全面掌握的目标，从而为实现多种运营场景的联动控制（如智能开、关站）创造前提条件，能够大大提升车站管理的效率。

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面向一体化集成及可视化的智慧车站设计

4.1智慧车站功能设计

智慧车站功能包含：全息感知、自动运行、智能诊断、自主服务、主动进化等功能，如下图所示。

图 1功能结构

（1）全息感知

通过应用智能传感、视频分析等智能感知技术，构建以新型感知为依托的车站设备全自动智能运行系统实现对车站的设备环境、客流、人员等对象的群体智能主动感知与发现。

（2）自动运行 

面向轨道交通车站管理业务，通过应用先进的信息系统集成架构，并应用可视交互引擎、高效人机协作、智能建模集成等技术，构建以可视化为核心的车站全自动智能运行系统，实现车站过程性控制与事务性处理等管理业务的高效化。

（3）智能诊断

应用大数据智能分析与决策技术多源异构数据融合智能学习、设备消耗与健康诊断模型等，构建以车站为建模对象的智能运行系统，通过对各类运营场景下的车站运行数据深度分析挖掘，形成面向轨道交通车站运行管理与应急处置的智能化运营辅助决策功能。

（4）自主服务

面向轨道交通乘客出行服务及车站运维管理需求，应用出行问询机器人设备巡检机器人智能语音购票车站综合信息展示等技术，构建以多媒体信息理解、智能人机对话为载体的车站全自动智能运行系统，实现对车站乘客高品质服务与车站管理的精细化。

（5）主动进化

根据全息感知提供的数据支撑，自动运行、智能诊断、自主服务提供功能支持，进行数据建模，采用机器学习模式，构建智慧车站核心大脑，实现车站运营效果的自我评估与车站运行策略的自动完善。

4.2系统架构设计

智慧车站以高效的运营管理、优质的乘客服务为目标，实现车站系统及设备运行状态的实时监视，实现车站环境、客流、突发事件的实时感知，实现车站的自主运行，实现乘客服务的无人化或者少人化运作，总体框架如下图所示。

图 2系统架构

1）感知系统层。包括各智能化系统、智能设备、控制装置、执行装置和传感设备，实现对建筑结构及建筑内部附属设施、环境和人的实时感知与智能控制。

2）云IaaS层+边缘计算。采用统一的通信接口协议，通过公网或专网以无线或有线方式，将信息、数据与指令在感知系统层与数据层、平台支撑层和应用层之间传递。平台运行所需的计算、存储、网络和安全设备，可在边缘端采用物理服务器，也可采用云服务器。

3）PaaS层。实现数据资源统一组织和管理及数据的标准化与统一表达，为数据交换和共享提供支撑。

4）SaaS层。支撑上层应用的各种服务组件，可根据实际需求不断增加。满足运营管理和办公生活需求的各类应用。根据不同的应用场景，提供多种展示交互方式。

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场景应用

5.1管控平台智能监控

融合云、大数据、AI、IoT、视频、GIS、BIM等新技术，基于城轨云脑平台，联通站、线、网、端的业务与数据，实现车站智能运行与综合管理。为车站客运管理、设备管理和人员管理提供高度融合的智能监控服务。

基于BIM车站设备状态感知数据，构建站内运营要素模型，实时监控车辆、无人客服、AFC、PIS、照明、通风空调、卷帘门、电扶梯、屏蔽门等设备的运营状态，实现基于时间与空间结构的设备资产管理。通过车站BIM与智慧指挥、智慧运维、智慧站务、智慧客服的关键业务场景联动，实现数据与功能的一体化管控。

通过智能视频监控技术，监测与预警站台、通道及其它重要区域客流情况，生成客流动态热力图，并进行态势分析，有效提高车站的客流感知能力，智能调控车站人流量，减少大客流事件，实现车站安全高效的管理。

图 3智慧车站管控平台

5.2智慧安检

利用“AI智能判图+集中判图”，系统自动对违禁品进行标注并向安检值机员报警。首次利用5G传输技术，将AI判图数据实时传输至集中判图室，保证乘客出行安全，为线网级信息实时采集与集中处理提供了依据。

5.3无人客服中心

无人客服中心运用“智能语音+机器视觉”技术，兼顾付费与非付费区乘客，实现了语音购票、补票退票、线路查询、站内导航等功能。中心整体采用现代化的设计风格，配备多个智能交互终端，提供业务功能的同时，实时掌握服务交互过程。通过车站管控平台，实时分析各终端的服务数据，抽取接待人数、服务时长、服务比例、满意度等关键信息，为改善服务质量提供辅助决策与参考依据。

图 4无人客服中心

5.4刷脸进站

 基于人脸识别技术，以乘客脸部特征作为进出站凭证，可极大方便乘客的过闸效率的同时，提升地铁的智慧化服务。乘客可通过无人客服中心或天津地铁APP对人脸身份进行注册及认证，并与手机支付APP进行绑定，“人脸”畅通出行。

图 5人脸识别AFC系统

5.5车站火灾预警联动+应急指挥

出现火灾等应急事件时，智慧车站管控平台实时定位事故点，基于车站BIM模型元素的空间位置与设备状态，启动智慧指挥系统。通过云脑计算模型分析突发事件类型、等级，启动应急预案、联动应急组织、推送应急物资，发布应急信息、跟踪事件动态、监控处置进度、规划最优乘客疏散路线、联动疏散路线中的相关设备。为指挥人员提供智能化的预案调用、资源调配，实现对应急事件处置的可视化指挥。通过突发事件处置过程回放，综合评估分析应急过程关键要点，优化事件处置专家知识库。

5.6设备健康管理+智慧运维

采用基于BIM的综合监控技术，按照设备分类、设备区域、运行状态，监控设备运行参数、告警信息。运用设备运维规则、专家库及故障知识挖掘技术，分析故障信息、故障现象、处理措施、执行单位、维修条件、处理方法，指导维修作业，通过智能运维APP自动派发维修工单，生成多维度统计报表及设备运行报告，对设备运用情况和故障趋势进行分析。

智慧运维实现设备动静态履历管理、生产运营数据管理、检修保养管理、故障及修复状况记录、设备性能分析、设备报废管理的全生命周期管理，设备健康管理与智慧运维的综合运用可有效降低运维成本。

5.7一键开关站

一键开关站包含一键自检、一键开站、一键关站、BIM设备状态健康感知及AI视频监控。为确保运营期间设备状态良好，传统方式运营前需人工逐一确认设备是否正常。智慧车站一键自检可实现对关键设备的在线自动检测、保障开站前设备运行正常。传统方式开站时站务人员需分别开启相关运营系统。结束运营后，需全面巡站，并逐一关闭车站设备。一键开关站功能可实现全设备一键自启动及自关闭，过BIM设备健康状态感知监控设备故障，保障开关站前人员安全、设备正常。通过一键开关站系统，可大大缩短开关站时间及工作量，实现智能化的站务工作。

图 6一键开关站

5.8AI视频+BIM智能巡检

智慧站务系统运用基于云边协同的AI视频监控技术，联动BIM设备状态感知数据，实现BIM视角的远程智能视频巡检。自动设置巡检内容、巡检路线，通过云计算下的设备故障知识挖掘实现智能化的故障分析，与智慧运维系统联动，指导系统运维。

对巡检中发现的安全事件或故障，提供事件上报并联动智慧指挥系统，启动应急处置，根据应急预案，管理人员应急任务，根据人员位置信息灵活派发处置任务；联动开启电扶梯、闸机、卷帘门等相关应急设备；自动发布应急信息，广播、PIS联动播报，保障运营安全。

5.9日常智慧运营

智慧运营通过BIM设备健康状态感知、AI视频分析及人员信息上报，基于云脑平台的设备故障智能分析，实现智能化的运营信息监控、应急事件报警、设备预警及处置。包括日常值守、交接班管理、事件接报、应急预案制定、应急资源管理、智能预测预警、调度指挥、协同工作等功能。系统实现了高效、快捷、可扩展、易维护的数字化运营管理，为安全运营决策、智能化应急处置提供全方位支持。

5.10智慧能源

智慧能源系统包括用电量与用水量的管理，通过加装智能电表、智能水表，实时采集车站电梯、照明、环控等设备用电量信息，实时监测主供水、卫生间、冷塔等水路用水量信息。通过云脑平台服务实现设备能耗监测与分析，对比特定历史时间段的能耗数据，分析能耗趋势，根据应用场景以及节能策略，制定合理的设备运用计划，通过改造车站风水联动系统执行节能控制策略，从而实现节能降耗。

图 7智慧能源管控

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结语

智慧车站的建设运营，能够达到节能、减员增效和提高管理与服务水平的目的，更重要的是可以为乘客提供更为舒适、安全、可靠、一体化和人性化的服务，提升了乘客出行体验。在城轨智慧化提升的前行路上，智慧车站的建设既是响应国家战略规划的需要，优势发挥示范引领作用，带动全国智慧城市建设。

通过总结在天津文化中心站、天津站智慧车站试点建设中遇到的问题，研究提出工业互联网平台架构的智慧车站探索设计，能够较好的实现（1）基于智能物联的车站全息感知；（2）基于车站边缘计算平台的车站场景模式化管理；（3）基于智能终端的车站自主服务；（4）基于大数据分析、人工智能的车站智能诊断和自动进化，具有积极的推广价值。

来源：协会技术装备专委会