铁路智能客运车站总体框架研究

张春家，史天运，吕晓军，白 伟，梁 博，胡 昊

(中国铁道科学研究院，北京100081)

0 引言

客运车站作为铁路与旅客的交互窗口，具有非常重要的地位.随着新技术的发展和业务优化的需求，构建智能客运车站是未来的必然发展趋势.法国铁路公司在大型客运站设有信息服务中心，实现了各信息子系统之间的信息共享，并与客运段共享列车运营组织的相关信息，提高了生产效率和服务质量[1-2].德国铁路公司建设的乘客信息系统基本上涵盖了车站旅客所需要的全部信息，实现了车站旅客服务与管理系统的一体化[3-4].日本铁路公司开发了面向旅客服务的车站综合服务信息系统CyberStation，与新干线运行管理系统和客票发售系统联通，并通过互联网向旅客提供各类信息服务[5-6].东日本铁路公司专门修建了与实际车站空间相同的智能车站实验室，按照“安全可靠的车站”“高度便利化的舒适车站”“环保车站”3个主题对相关新技术和创新理念进行验证与评判[7].瑞士联邦铁路公司将扩展车站数字服务视为一项重点任务，与谷歌、苏黎世联邦理工学院等合作伙伴共同开展车站服务技术的研发工作[7].我国车站基本实现了自助化旅客服务，2107年中国铁路总公司在中国铁路国际装备展专门设立了智能车站论坛来探讨国内外智能车站的应用和发展[8-10].

综上所述，铁路客运车站智能化发展的趋势是信息系统高度集成、数据信息充分共享、设备设施协同联动、技术业务深度融合、多式交通快捷联运，为旅客提供全程化、一体化、自助化、个性化的出行服务.

1 智能车站的基本理念

智能车站将突破现有铁路客运车站旅客服务和生产组织模式，以业务、问题和技术驱动的方式建立一套将车站作为整体的通用框架和标准.智能车站致力于实现2个目标：一是为旅客提供轻松便捷的出行服务，二是为车站内部提供高效安全的生产能力.

从服务旅客的角度来看，智能车站将是一位个性化服务助理.在旅客确定出行目的地后，该助理将为旅客提供多套“门到门”的全行程出行方案；在旅客选择方案后，该助理将为旅客提供路径导航、时刻提醒等延伸服务；当旅客进站乘车时，该助理将为旅客提供快速安检、舒适候车、连续引导、个性餐饮、丰富资讯、精准检票等服务；当旅客到站下车后，该助理将为旅客提供便捷的站内换乘、清晰的出站引导、快捷地其他交通工具接驳等服务.

从内部运营的角度来看，智能车站将是一个协同指挥平台.针对车站的客运业务，该平台设置科学的考核标准、自动编制作业—人员—设备的运用计划、提供合理的决策建议、全面展示生产要素、协同控制设备设施；针对车站的各类客运设备，该平台开展设备工作状态实时监测、故障提前预警、全生命周期运维、设备闭环控制等工作；针对车站的工作人员，该平台实现调度命令及时下发、位置状态实时感知、作业情况分析评价、人员设备联动指挥等功能；针对车站的安全，该平台全面监控站内的安全要素，通过数据分析和场景分类制定科学的安全策略，当出现各类安全应急事件时，该助理结合现场情况制定安全应急策略，并对站内的人员、设备进行统一指挥，实现快速处置和人员疏散.

2 定义及特征

2.1 定 义

智能客运车站是以旅客无障碍畅通出行、人性化无缝自助服务、生产高效组织、安全实时监控、全面绿色环保为目标，以现代铁路管理、服务理念和云计算、物联网、大数据、人工智能、机器人等最新信息技术为支撑，通过全面实时感知、信息及时服务和生产自动组织，实现客运车站列车、作业、设备、人员、环境的协同联动和闭环控制，打造高效、自助、安全、绿色有机统一的新型生产服务系统.智能客运车站的显著标志是自助化、集成化、智能化、国际化.

2.2 特 征

铁路智能客运车站将构建1个以数据为基础的统一协同的有机整体，其典型特征是：全面感知、自助服务、资源共享、协同联动、主动适应.

(1)全面感知.

通过对车站的移动设备、固定设施、运营环境、人员状况及其他相关生产要素进行全面透彻的信息感知，掌握车站内各生产要素的实际状态，做到信息的广泛、充分、持续、实时感知.

(2)自助服务.

通过音视频识别、虚拟现实、机器人等新技术和设备的运用，为旅客提供“刷脸”进出站、多语言自助问答、残障人士无障碍进站乘车等人性化、个性化的自助服务.

(3)资源共享.

对感知的海量数据进行统一存储和管理，打通站内信息数据之间的壁垒，实现数据的共享复用，使数据的价值最大化；对站内的硬件资源进行统筹管理、按需分配，减少资源的闲置和浪费.

(4)协同联动.

打破现有信息系统各自为战的状况，通过系统的整合和互相操控、设备的闭环控制、人员的闭环管理形成1套完善的协同指挥体系，实现满足业务需求的作业—人员—设备—设施快速协调联动.

(5)主动适应.

利用数据深度融合技术建立业务模型，在客流、列车等内外部运行环境变化时，自动生成决策建议，辅助管理人员决策，主动调整站内的作业流程、人员部署、设备状态来适应变化，避免旅客排长队、安全处置不及时等情况出现.

3 总体框架

智能客运车站的总体框架包括数据感知、网络传输、数据资源和业务应用4个层次，信息安全保障和标准化评价2个体系，逻辑关系如图1所示.

图1 智能客运车站总体框架Fig.1 The general framework of IRPS

(1)数据感知层.

通过音视频监控、红外监测、高速摄像、定位系统、手持终端、空气质量监测等多种手段，自动获取客运车站内旅客、列车、设备、环境、安全等信息，全方位掌握整个客运车站的运行情况.数据感知层是构建智能车站的基础，信息的实时采集和种类的多样是其重要特征.

(2)网络传输层.

通过多种网络构建和通信技术，搭建联通站内各信息节点的数据传输网络，汇集感知层采集的各类数据传输至数据资源层，为系统间的互联互通提供高效稳定的物理支撑条件.网络传输层是构建智能车站的关键，数据传输通道的全覆盖和网络种类的多样化是其重要特征

(3)数据资源层.

通过数据库、大数据分析、人工智能、数学建模、平行计算等技术，对站内客运数据进行汇集、存储、管理、建模、分析和展示，支撑车站的具体业务应用，实现客运数据的高效利用和价值挖掘.数据资源层是构建智能车站的核心，数据的共享和深度价值挖掘是其重要特征.

(4)业务应用层.

在数据资源的支撑下，开发满足车站实际业务需求的具体应用，实现旅客出行个性化温馨服务、生产—人员—设备的协调联动、全天候的安全风险预防和安全保障.业务应用层是构建智能车站的手段，便捷服务、高效生产和全面安防是其重要特征.

(5)信息安全保障体系.

信息是客运车站智能化的基础，智能车站将通过规则制度、系统设备使用规范、数据备份存储、新技术风险评估、角色和权限管理等方面构建完备的信息安全保障体系，避免现信息丢失、错误、损毁等问题，保障智能客运车站的正常运行.

(6)标准化评价体系.

结合新技术的发展方向和智能车站内涵的变化趋势，构建1套统一完善的可扩展的智能车站标准化的评价指标体系，科学客观地构建客运车站智能化水平的评价模型和方法，达到“以评促建”的目的.

4 业务划分及智能化功能分析

4.1 业务划分

按照服务对外、生产对内、安全贯穿的原则，智能车站的业务可以划分为如图2所示的智能出行服务、智能生产组织和智能安全保障3大类.

图2 智能客运车站的业务划分Fig.2 The business division of IRPS

4.2 智能化功能

(1)智能出行服务.

将新技术与旅客的实际需求相结合，为旅客提供全面的、个性化的、人性化的出行服务，提高旅客的出行体验.主要包含：①对业务数据、用户评价、调查反馈等进行分析，优化客运服务流程，提高旅客对服务的满意度；②依据客流变化自动调整实现验证口、检票口、出站口的开通数量，使旅客排队最短；③通过对空气质量、温湿度、噪声、照度等环境要素的实时监测和自动调控，为旅客提供人性化的站内候车环境；④通过整体风格设计、色彩搭配、动静搭配，为旅客提供高效清晰的引导指示；⑤为旅客提供无接触式验票、检票服务；⑥利用大数据、人工智能、机器人等新技术，为旅客提供个性化、一体化的展示、查询、求助等信息服务.

(2)智能生产组织.

将新技术应用到客运车站生产组织中，在保障车站正常运营、旅客正常出行的基础上，进一步提升生产效率、降低运营成本.主要包括：①依据列车位置数据，精确计算出列车的到离站时间，并结合乘车人数、检票口和车厢分布情况，自动控制广播、导向等旅客引导设备的运行状态和播报展示内容；②依据客运组织的需求，自动编制车站客运人员的工作计划并下发给客运人员，工作人员依据指令到达指定位置完成接发列车、上水吸污、验检票、旅客引导等工作，并及时反馈工作中出现的各类问题；③利用物联网技术实现对站内售检票、照明、电扶梯、通风、空调等设备整机及关键部件运行状态的实际感知，依据客运生产组织需求，自动编组设备的运用计划，实现各类设备的全生命周期管理和“按需运行”；④利用增强现实等技术，实时展示站内全生产要素的状况、决策建议和危险预警信息.

(3)智能安全保障.

通过将新的技术手段和设备应用到安全保障中，实现事前自动预警、事中及时处置和事后科学评价，最大限度保障旅客和车站的安全.主要包括：①利用多数据融合处理等技术对视频、声音、气味、温度等安全要素进行分析，做到安全隐患事前预警；②利用大数据分析、计算实验等技术，建立仿真人员疏散模型，制定人员疏散及应急处置预案；③突发事件发生时，依据站内客流、明火、烟雾等关键安全要素的实际情况，自动给出处置建议和流程，并协同控制站内人员、设备，实现突发事件快速处置；④与当地医院、消防、公安、政府等部门建立联合处理机制，协同处理应急事件.

5 试验分析

按照上文所提总体框架的要求，在太原站搭建了智能车站试验环境，围绕着上文所提的智能化功能开展了相应的工作，下面通过优化业务流程、缩短排队时间两个典型的应用来证实上文所提内容的真实性和可行性.

5.1 基于三维实景模型的全生产要素实时监控

利用三维空间感知和成像技术构建1∶1的车站三维实景建筑模型，将数据感知层实时采集到的旅客、工作人员、列车、环境等信息在三维模型上分类展现，实现生产和服务流程的可视化.建立车站拥挤度和舒适度评价模型，并实时评价车站的运营状况，如有异常情况发生，自动生成相应的报警信息.该功能极大地优化了车站指挥中心的业务流程，减少了客运指挥人员的工作量.

5.2 基于客流预测的进站通道动态开行

进站通道是车站和外界的连接区域，客流密度变化较大，开行通道太少则会造成拥堵，影响旅客的通过体验；开行通道太多则会造成资源浪费，增加车站的运营成本.因此，利用数据资源层汇集的客流相关数据，形成进站区域的客流预测模型，预测未来一天客流的变化情况，并依据预测结果调配生产和服务资源，实现通道动态开行，便于旅客快速进站，如图3所示.

图3 预测与实际客流对比及进站通道开行情况Fig.3 The comparison of predictive and real-time passenger flow and the situation of the entrance

6 结论

本文在概括铁路客运车站现状及发展趋势的基础上，提出了智能车站的基本理念，明确了智能车站的定义及特征，设计了智能车站的功能，构建了智能车站的框架，并搭建试验环境验证了上述内容.通过智能车站的深入研究和应用，将为旅客提供更加便捷的出行服务，为内部生产提供更加高效的运营能力，进一步提高旅客的满意度、降低车站的运营成本、提升车站的安全保障水平、提升中国铁路在世界轨道交通领域的核心竞争力.

参考文献：

[1]维基百科.法国铁路公司[OL].(2017-07-01)[2017-07-01]. https://en.wikipedia.org/wiki/SNCF. [Wikipedia.SNCF[OL].(2017-07-01)[2017-07-01].https://en.wikipedia.org/wiki/SNCF.]

[2]高速铁路客运服务装备和信息技术赴法培训团.高速铁路客运服务装备和信息技术赴法培训总结报告[R].高速铁路客运服务装备和信息技术赴法培训团,2014.[The Training Group of High Speed Railway Passenger Service Equipment and Information Technology in France.The report of high speed railway passenger service equipment and information technology in France[R].The Training Group of High Speed RailwayPassengerServiceEquipmentand Information Technology in France,2014.]

[3]傅迪,吕晓军,王静,等.铁路客运车站旅客服务系统研究[J].铁路计算机应用,2008,17(11):12-15.[FU D,LV X J,WANG J,et al.Study on railway passenger service system for passenger station[J].Railway Computer Application,2008,17(11):12-15.]

[4]维基百科.德国铁路公司[OL].(2017-07-01)[2017-07-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Deutsche_Bahn.[Wikipedia.DB-Deutsche Bahn[OL].(2017-07-01)[2017-07-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Deutsche_Bahn.]

[5]陈璞,滑蓉.东日本铁路站车服务和管理[J].中国铁路,2008(12):47-50.[CHEN P,HUA R.Service and management of stations and vehicles of JR-EAST[J].Chinese Railways,2008(12):47-50.]

[6]史天运,张洪宇,贾利民.日本铁路智能运输系统(RITS):CyberRail框架及研究现状[J].中国铁道科学,2003,24(6):82-88.[SHI T Y,ZHANG H Y,JIA L M.Railway intelligent transport system in Japan:cyberrail framework and research tatus[J].China Railway Science,2003,24(6):82-88.]

[7]中国铁道科学研究院.“智能京张”要建智能车站，国外对智能车站的研究进展到哪一步了？[OL].(2017-09-14)[2017-09-14].https://www.ddvip.com/weixin/20170915A0893300.html. [China Academy of Railway Sciences."Intelligent Jing-Zhang Railway"will build an intelligent station,the research progress of the overseas intelligentstation[OL].(2017-09-14)[2017-09-14]https://www.ddvip.com/weixin/20170915A0893300.html.]

[8]朱建生,单杏花,周亮瑾,等.中国铁路客票发售和预订系统5.0版的研究与实现[J].中国铁道科学,2006,27(6):95-103.[ZHU J S,SHAN X H,ZHOU L J,et al.The research and implementation of China railway ticketing and reservation system(TRS)version 5.0[J].China Railway Science,2006,27(6):95-103.]

[9]杨国元,史天运,方凯,等.铁路客运管理信息系统总体架构及关键技术研究[J].铁路计算机应用,2016,25(3):22-26.[YANG G Y,SHI T Y,FANG K,et al.General framework and key technologies of railway passenger transport management information system[J].Railway Computer Application,2016,25(3):22-26.]

[10]中国铁路总公司.智能铁路论坛[OL].(2017-10-01)[2017-10-01].http://www.modernrailways.com.cn/activity/qyjlh.html.[China Railway.The Forum of Intelligent Railway[OL].(2017-10-01)[2017-10-01].http://www.modernrailways.com.cn/activity/qyjlh.html.]