地铁智慧车站运营指挥系统设计与实现

2021-04-14范东明胡恩华张兵建

铁道通信信号 2021年2期

范东明胡恩华张兵建

目前，在城市轨道交通车站客运管理建设中尚存在一些不足，比如：不能及时掌握故障点及站内关键客流拥堵位置，在特殊事件发生时不能快速引导乘客到达安全出口；站内缺乏协同指挥能力与信息共享能力，车站工作人员还停留在使用移动对讲沟通阶段，不能有效分享位置信息等。随着国内城市轨道交通的快速发展，提升车站客运管理、联动能力和车站管理效率，已逐步成为未来车站发展趋势和建设要求。为此，将BIM（建筑信息模型）、视频监测、人员定位、设备监控、远程排故等技术相结合，研发了智慧车站运营指挥系统。

1 系统结构

智慧车站运营指挥系统主要应提升客流管理、站点管理、行车组织、乘客服务、运维管理等方面的效率，需实现车站内的联动指挥，要保障在大客流场景下应急预案的执行。该系统部署在管理网域，通过与线网数据中心对接，实时接收ATS（列车自动监控系统）信息、称重信息、AFC（自动售检票系统）清分数据、公安视频数据，并通过接口服务器接收视频分析数据、蓝牙定位信息、手机信令及移动视频信息。采用单向网闸对管理网和生产网进行隔离，实现生产网内各系统的报警和实时状态信息传输，从而构建一个完整的指挥系统。地铁智慧车站运营指挥系统结构见图1。

在车站生产网内部署视频分析服务器，负责车站视频图像采集、处理和智能识别分析，并将结果经网闸实时发送给热力图服务器进行数据加工，最后由BIM 服务器进行数据汇总展示；蓝牙定位系统由硬件定位设备、定位引擎和应用软件组成，提供车站工作人员实时位置、运行轨迹、行为分析等信息，并将信息实时发送至BIM 服务器，从而实现人员布岗、客流路线功能；将称重信息、AFC清分信息、手机信令等数据上传至应用服务器进行综合处理，通过大数据分析对客流趋势进行预测，将预测结果发送至BIM 服务器进行汇总展示。

图1 智慧车站运营指挥系统结构

2 功能设计

系统功能逻辑结构如图2 所示，分为设备数据接入层、数据分析层和应用层。依托于视频监控、视频分析、路径规划、信令分析、模型优化等算法，系统可以实现BIM 车站及设备展示、客流预测、客流路径规划、客流热力图、人员布岗及定位、AR（增强现实技术）远程排故、区域客运组织、客运预案调整等功能。

图2 系统功能逻辑结构图

2.1 客流实时监测与预测

将接入车站的高清视频流数据、车站周边视频数据和移动视频数据等，运用视频分析技术，实时识别区域内的客流密度、流向、速度等信息，绘制客流热力状态图，并将数据叠加到BIM 车站模型，实时反馈客流拥挤情况。

连接5G 网络，从电信运营商的基站获取手机动态测量信息，通过解码分析获取手机当前扫频信息，并与仪表测量值进行比较，获取手机所在网格。由手机扫频定时器信息，不断进行更新，建立动态基础手机位置数据。

通过AFC 获取进、出站客流及历史客流情况，提供客流实时监视功能；并结合实时客流和历史客流，进行客流动态预测分析，提前预知可能的大客流情况，便于指挥人员及时调整客流和行车的组织策略，为乘客提供更好的服务。

2.2 应急客流组织与行车组织

目前调度员只能通过CCTV（闭路电视）画面查看客流情况，且同时查看画面数量有限；当线路上突发大客流时，调度员只能凭据经验选择运控策略。

在本系统中，采用手机信令、视频分析等多种手段采集关键点客流信息，并根据实时客流信息，启动相应的应急预案进行客流疏散。对线路行车信息实时监视，通过与线路信号系统接口，获取ATS 实时列车运行信息，从而掌握列车运行动态；根据车站及场馆周边不同的客流场景，及时调整组织策略，根据不同的应急预案，采用可视化BIM的方式，展现出、入口的开放/关闭状态；利用蓝牙定位技术，在车站模型中提供站务人员定位功能，实时掌握站务人员到位布岗情况；动态设置栏杆开启/关闭，调整客流流向，以便实现客流与列车的动态调整，联合指挥。

根据运营策略和实时客流数据，实时跟踪交路配比、每个交路车辆对数、运行间隔以及备车数量等配置。如果发现客流和运营策略不匹配，及时预警并给出相应的调整建议，供网调决策后下发线路调度执行。

2.3 AR 远程排故

基于5G 网络的AR 远程排故是一种创新高效的实时多方协作应用，利用5G 网络大带宽、低时延的特性，通过AR 眼镜的即时传递，将第一视角高清视频信息发送至指挥中心，极大地提高了运营工作效率。

AR 远程排故工作模式：现场维护人员佩戴AR 眼镜，通过摄像头采集第一视角画面，将信号通过5G 传至AR 维护云，再转发至专家端，现场维护人员在通信过程中始终保持双手操作，专家端指导，同时配合语音识别交互，后台管理自动进行数据收集及风险评估。

主要功能：①第一视角画面多方共享，沉浸式的通信体验如同亲临现场；②冻屏标注、实时标注，远程用户可以一键暂停通信画面或直接在画面上进行实时标注，指导结果将同步展现在现场用户视野中；③多方、多终端协作，多人通信支持一对一、一对多、多对多等各种场景，且用户可以自由选择接入通信的终端设备；④支持在通信过程中传输多种类型的文件，包括文档、图片、视频等；⑤可以直接记录、保存现场一手数据，并对任务状态进行实时跟踪，便于信息的管理与追溯。

3 关键技术

3.1 三维热力图绘制

通过BIM 模型叠加热力影像，将视频分析、手机信令对客流数据进行处理，叠加渲染算法，绘制客流热力状态图，可以实时反馈客流拥挤状况，及时掌握站内故障点及客流拥堵点，并开展分流、引流工作，具体方法如下：

1）从服务端获取绘制热力图所需的基础数据，包含客流关键位置坐标点、区域范围、客流密度值、热力图形状类型等。根据每个坐标创建一个二维数据，数组长度为数据中区域范围的大小，数组的值根据客流密度值和形状进行计算，使数组的值从中心到边缘平滑变化，中心大，边缘小，之后将所有点绘制到画布上，每个点给予较低的透明度。

2）获取画布每个点的位数据，根据其alpha 值（alpha ∈［0，255］）的大小，计算每一位r，g，b（颜色标准）的值，得出所有新的位数据；然后重新绘制，使之呈现红色至蓝色渐变。对所有点数据进行计算，得出每个点的密度值，依据密度值由低到高绘制点数据。

3）创建一张图片，大小与区域范围等比，根据上一步生成的数组，为图片相应的像素点赋值颜色，将创建的图片赋值到3D 平面上，就可以在3D场景中显示出热力图效果。

3.2 三维场景定位

三维场景定位技术可以在客流密集流动性较大的车站中，掌握每个工作人员的实时位置，方便统一调度管理，遇到突发状态可以通过调度平台，调度距离最近的工作人员去处理问题。

实现三维场景定位需要由3 部分组成：①工作人员佩戴的手环，负责发送定位数据；②在车站中安装的基站，负责接收数据；③定位引擎软件，负责数据处理。即通过基站实时获取手环定位坐标信息，定位引擎软件，根据三维地形三个坐标的最值建立其外切长方体，并以多维数组形式存储长方体顶点坐标，计算各顶点变换后坐标。在三维场景中计算得出地形值（X，Y，Height［x］［y］），从而把获取到的数据转换为三维场景坐标系的坐标，由于模型是按实际比例1：1 建模，处理数据不需要进行比例转换。定位技术中的难点是将手环发送的实时坐标信息进行分析和过滤，从而在三维场景中实现虚拟人物的自动寻路。

自动寻路采用A*算法。该算法是一种静态路网中求解最短路径最有效的方法，其公式为F（n）=G（n）+H（n），其中F（n）是节点n 从初始点到目标点的估价函数，G（n）是在状态空间中从初始节点到n 节点的实际代价函数，H（n）是从n 节点到目标节点最佳路径的估价函数。找到最短路径条件关键是H（n）的选取。在本系统中，手环发送的实时坐标信息的频率是每秒3 个坐标点，所以只需从3 个坐标点中计算最佳估价（距离）即可。

把计算后的最佳坐标数据赋值给三维人物模型，模拟人物沿着计算好的路径移动。考虑到数据异常情况，需对定位进行容错处理。若最新数据距离当前位置过远（或消失），在视觉定位失效时，利用前一帧位置信息和后续合格数据进行加速度积分运算，估算人物模型所在位置，补全缺失数据。这样可以有效处理快速移动和移动延时的问题。

4 系统应用

目前，该系统已在上海地铁徐泾东站现场指挥点部署使用。由于进博会期间约半数参展观展客可能经徐泾东站进入展馆，因此为了保障交通安全有序，指挥系统对进博会场馆客流和徐泾东站、虹桥火车站、诸光路站3 个周边站点客流，以及上海2 号线、10 号线、17 号线线路客流进行实时监测，实现了“进博三线”之间的运营协调，以及“进博三站”之间的联动指挥，从而形成“三线三站”的区域化联合指挥体系，大幅提升地铁行车组织、客运组织及维护保障等服务能力。

在客流管理方面，该系统能够实时监测“三线三站”的客流信息和进博会场馆的客流数据，并结合历史数据进行分析预测，准确预测未来15 min的客流情况（如预测排队时间），让指挥人员可以更有效地判断当日运营组织和工作计划，必要时提前启动客流应急管理预案。该系统不仅能够获取“人”的信息，还能实时获取车辆称重信息，从而计算列车运能。当客流与运能不匹配时，及时给出黄、橙、红三色预警，并给出开启疏散通道、闸机或电扶梯等设备运行方式、出入口开启/关闭，以及地面客流疏散引导等建议。

此外，地铁工作人员的管理也将呈现全新的数字化模式。如利用定位手环，站务员可实时同步到位布岗；通过AR 眼镜，指挥人员可第一视角指导站务员处理突发情况。而在运维管理方面，系统也新增了维护保障人员待命状态、基于AR 的远程排故、维保人员值班等信息。后续还将根据多专业运维平台的建设，实时监视设备故障情况，实现运营与运维的智能联动。系统展示效果见图3。