城市轨道交通智慧车站实施方案研究

陈 星，阴佳腾，范礼乾

（1.南昌轨道交通集团有限公司 科技研发部，南昌 330038；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司 通信信号设计研究院，武汉 430063）

城市轨道交通作为一个大型综合系统，其信息化、智慧化建设是一项浩大的工程。而车站作为城市轨道交通系统为乘客服务的窗口和重要客运生产节点，可直接反映运营主体的生产水平和服务水平。采用智能化设施设备实现车站管理智能化和服务人性化的智慧车站已成为未来智慧城市轨道交通发展的重要方向[1]。欧洲联盟Shift2Rail 项目将“未来智慧车站”列为2019—2022 年重点研究内容[2]，设置了两项研究课题[3]：（1） Future Secure and Accessible Rail Stations（FAIR Stations）课题，主要研究车站客流需求预测模型、复杂车站的客流诱导管理、基于实时3D 仿真的拥挤度防控等内容；（2）Innovative Solutions in Future Stations,Energy Metering & Power Supply（In2Stempo）课题，主要研究智慧车站客流数字化管理、车站应急决策、风险与抗毁性评估、乘客出行、信息安全及车站低碳能源管理等内容。

针对智慧车站，国内学者也开展了深入研究，分别从智能设计、智能管理、智能服务等方面提出智慧车站建设内容与实施建议。2020 年，中国城市轨道交通协会发布《城市轨道交通智慧城轨发展纲要》[4]，将研发智慧车站系统列为中国智慧城市轨道交通建设重点研发项目之一。国内一些高等院校和运营企业相继开展智慧车站的研发及前期示范应用[5]。例如，上海地铁10 号线新江湾站示范应用[6]、西安地铁智慧车站实施方案研究[7]。

近年来，南昌轨道交通集团有限公司积极推进轨道交通信息化、智慧化建设进程。本文以南昌地铁4 号线智慧车站建设为例，提出该智慧车站的整体架构、技术难点及实施方案。

1 轨道交通智慧车站需求与内涵

轨道交通智慧车站创新发展的实质是坚持可持续发展，利用5G 移动通信、物联网、人工智能等技术，研发智能化服务平台；通过构建场景化管理模式，实现更加高效可靠的运营管理；针对不同乘客出行需求及特点，提供更加便捷、人性化的客运服务。

1.1 智慧车站需求

按照主体不同进行划分，智慧车站的需求主要分为以下3 个方面。

（1）从乘客角度：乘客是城市轨道交通服务的对象，乘客需要更舒适、更便捷、满足个性化需求的出行体验。

（2）从运营商角度：运营商是服务的提供方，也是智慧车站的终端用户。因此，智慧车站的设计、建设和运营需要从乘客需求出发，同时，需要考虑智慧车站对运营商使用过程的友好性，在一定程度上降低运营工作人员的劳动强度，提高其工作积极性，实现可持续发展。

（3）从环境角度：降低车站能耗、减少碳排放，是智慧车站建设的重要需求。

围绕以上需求，智慧车站应以5G 移动通信、物联网、人工智能等技术为支撑，从乘客智能服务、车站智能感知和智能管理入手，注重环境保护，提升其便捷性、安全性和个性化服务能力。

1.2 智慧车站内涵

智慧车站建设内涵主要体现在感知、决策和服务3 个方面。

（1）车站状态实时全息感知

人工智能框架中，感知是实现智慧管理和精准决策的基础。智慧车站可利用5G 移动通信、物联网、人工智能和大数据等技术，实现对车站客流分布、车站机电设备状态和车站环境参数等全息感知，实现乘客、设施设备、环境等实体信息的智能融合，进而实现轨道交通车站票务安检融合、多源客流信息实时感知与短时预测、车站环境控制全时域检测、多域智能视频分析与危险物智能识别、车站设备状态预测与动态预警，以及基于大数据的多网融合等。

（2）车站管理决策智能化

作为轨道交通网络重要的衔接部分，车站记录了乘客进站、刷卡、乘车/换乘和出站的全时空轨迹数据，其管理决策的智能化程度与乘客出行体验直接相关。以车站客流、设备运行状态等数据为基础，智慧车站通过全业务、全场景的管理和控制，实现更高效的车站运营管理，主要体现在：智慧车站设备数字巡检、全景集成与监视、场景化的车站管理、数字施工监管、设备智慧运控预警、车站微观客流热力图、运营管理综合决策，以及突发公共安全事件下的应急预案优化等。

（3）乘客服务人性化

智慧车站的乘客服务人性化主要是指利用新技术，为乘客提供更加便捷、智能、舒适、个性化的乘客服务，包括便捷购票、个性化出行方案推荐、智能求助、无障碍出行设施等，进而全面提升乘客满意度。

2 智慧车站总体架构

南昌地铁4 号线智慧车站建设以需求为导向，利用5G 移动通信、物联网及人工智能等技术，通过安装传感器、视频监控、智能控制等设备，构建车站生产与服务实时状态感知体系，实现车站设施设备状态、客流分布等全息感知。同时，以提升车站生产作业效率和客运服务水平为目的，采取信息化手段，实现车站管理一体化和智能化，并为乘客提供个性化服务。

南昌地铁4 号线智慧车站总体架构如图1 所示[8]。

图1 南昌地铁4 号线智慧车站总体架构

2.1 信息感知层

利用各类传感器、视频监控和智能设施设备，实现对车站机电设备运行数据、客流分布、能耗及站务人员位置等信息的实时感知，为实现精细、高效的车站管理及客运组织提供数据支撑。

2.2 服务执行层

深度挖掘各类业务需求，以车站运行状态实时数据为基础，通过智能数据分析技术，确定各设备运行状态及客流实时状态，并对故障与突发事件等进行预警；针对设备管理、乘客服务、客运管理和站务管理等车站生产业务，分析其特点及作业流程，建立场景化管理模式，进而实现对车站设施设备的远程操控及远程智能旅客服务（简称：客服）。

2.3 运营协调层

针对设备管理、乘客服务、客运管理和站务管理等车站生产业务，充分考虑车站实时运行状态，并利用5G 移动通信、物联网、人工智能等技术，通过数据分析和可视化手段，实时展示车站运行状态并预警，为车站智慧化乘客服务、智能化设备管理提供决策支持。

3 技术难点

轨道交通智慧车站本质上是一种先进的工业网络系统，即融合工业控制和信息通信的多维动态系统，采用自动控制、计算机、通信、网络等技术，实现信息系统与工业物理过程的协同，达到生产最优化、流程最简化、效率最大化。其技术难点主要体现在感知、传输和控制3 个层面，智慧车站关键技术体系如图2 所示。

图2 智慧车站关键技术体系

3.1 感知层面的技术难点

感知层面的技术难点在于资源受限条件下的异构终端难以融合。例如，车站多种传感器（视频、环控）数据融合难度大。在南昌地铁4 号线智慧车站建设中，利用异步视频智能分析、太赫兹成像、自然语言处理等技术快速获取状态数据，并依托物联网实现状态数据的融合。

3.2 传输层面的技术难点

受车站内通信环境复杂多变的影响，要实现高水准的信息传输可靠性与安全性，其难度较大。在南昌地铁4 号线智慧车站建设中，积极探索基于5G移动通信技术的物联网技术，实现车站设施设备的快速组网，为车站运行状态数据快速上传提供通道保障。

3.3 控制层面的技术难点

控制层面的技术难点在于如何实现基于多源信息的车站多工种协同控制与优化，以满足智慧车站对实时可靠、泛在通信、协同控制等的需求。在南昌地铁4 号线智慧车站建设中，利用视频、智能表计和传感器等设备，实时获取客流、设备等状态信息；基于图像识别、智能数据分析等技术，挖掘车站运行特点及风险；根据实时客流情况，智能化、精细化控制各类能源消耗设备的开关状态，实现车站运能的智能管控。

4 智慧车站实施方案

4.1 乘客服务方面

（1）智能客服应用

深度挖掘城市轨道交通客服内涵，构建场景化客运服务，并通过提供丰富的智能客服设备和手机线上自助服务，实现虚拟客服智能应答，为乘客提供快速便捷的咨询服务；同时，建立现场快速求助渠道，实现车控室值守员快速响应现场求助。车站智能客服应用逻辑架构如图3 所示，其功能如下：

图3 智能客服应用逻辑架构

①采用语音语义智能识别技术向乘客提供线上、线下的虚拟客服应答；

②现场设备远程音频交互、可视化对讲、一键求助；

③可对特殊乘客、工作人员等人采用人脸注册方式进行票务查询与处理。

（2）线下自助服务

通过布置智能客服中心及现场自助客服设备，替代传统的站务人员，实现车站票务、客服、资讯服务的自助化，进而节省车站的人力成本，如图4所示。

图4 车站线下自助服务内容

（3）乘客资讯

乘客资讯主要包括以下两个方面：

①利用车地通信实时获取车辆载重信息和车厢视频信息，计算、分析车厢人员密度，并将其显示在车站屏蔽门上，引导乘客上车；

②通过设置在站台门上方、出/入口、扶梯等位置的信息显示屏，乘客信息系统在正常情况下，提供车厢拥挤度、列车到站、商业广告、出入口附近地标等实时多媒体信息；在火灾及阻塞情况下，提供紧急疏散提示，提高运营安全性[9]。

4.2 车站管理方面

利用视频监控、综合监控及传感器等，识别、感知车站环境、设施设备状态及站内客流状态等，进而实现安全灵活的车站管理，主要包括全景管控的车站管理、视频智能分析、门梯安全管理、智能边门、智慧安检、人员定位等，如图5 所示。

图5 安全灵活车站管理方案

（1）全景管控的车站管理

基于既有车站综合监控系统，围绕运营准备、运营开站、高峰监护、日常监护等车站业务场景，从视频终端、智能表计和传感器等设备获取客流、设备等实时状态信息，以此为基础，进行智能数据分析，并在车站控制室设置综合管理监控大屏，实现车站设备、环境及现场状况的全景管控，提升车站管理水平和管理效率。

（2）视频智能分析

运用行为识别技术，根据用户需求设定目标行为规则，实时分析视频信息，及时捕捉违反规则的突发或危险事件，进而实施预警/报警，实现事前/事中及时提示，提高安全防范级别和监控管理的工作效率，节省施工成本和管理成本。

（3）智能边门

智能边门，旨在摆脱传统的实体票务模式，利用人工智能技术，构建乘客出行无感化票务服务环境。考虑到在本项目全面实施无感化票务服务环境需要对现有的清分中心、数字票务平台进行较大程度的改造，并且，储存乘客的人脸信息存在潜在的信息安全风险，因此，本项目中，主要为车站工作人员和特殊乘客在公共区边门搭建人脸识别、无感过闸的体验环境，上述人员可在实名注册及验证情况下无感进/出车站。

（4）智慧安检

城市轨道交通具有客流量大且不均衡、安检点多、范围广、限带物品种类繁多等特点，传统安检模式存在乘客大量滞留于安检点的问题，需要投入更多的安检人员，加大了安检的管理难度。智慧安检主要实现集中判图和无感安检：

①采用网络化、图像智能识别手段，将多个安检点的安检数据进行汇总、整合及智能预警，实现多个安检点的集中判图 ，节省人力资源，提高乘客安检效率；

②安检设备采用太赫兹成像技术，能够快速检测到人体携带的危险物品并及时通知安检人员，保证了乘客过检的效率。

（5）人员定位

南昌地铁4 号线智慧车站人员定位系统主要实现主动定位和被动定位。主动定位用于支持管理人员对车站内现场工作人员进行实时定位，协助管理人员对现场工作人员进行精细化管理；被动定位支持现场工作人员与乘客对自身进行定位与导航，为其提供更具体和更准确的引导信息，如提供站内路径导航和关键点的导向信息（垂梯、扶梯、卫生间、出入口等）。

5 结束语

随着5G 移动通信、物联网、人工智能等技术的不断发展，智慧车站的内涵日新月异。本文梳理了近年来欧洲联盟及国内一些单位关于智慧车站的研究动向，介绍轨道交通智慧车站需求与内涵；以南昌地铁4 号线智慧车站建设为例，分析了智慧车站建设的技术难点，设计了智慧车站实施方案。该方案已应用于南昌地铁4 号线智慧车站建设。未来，南昌城市轨道交通建设部门将进一步打破车站数据壁垒，依托大数据、5G 移动通信、人工智能等技术，构建以数据为基础的车站业务融合管控平台，从业务流程、管理流程上进行优化，打造更加智能化、智慧化的智慧车站，探索符合我国国情的智慧城市轨道交通发展模式。