人工智能機(jī)器人在軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)中的應(yīng)用

靳鴻澤 龐敏 郭大為

（1.大連交通大學(xué) 遼寧省大連市 116028 2.大連地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 遼寧省大連市 116039）

1 研究背景及研究目的

隨著全國(guó)城市軌道交通行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)蓬勃發(fā)展，由于地鐵線路覆蓋范圍的廣大，傳統(tǒng)運(yùn)維方式對(duì)于人工需求過(guò)大，運(yùn)維規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)性缺乏統(tǒng)一，運(yùn)維管理難度逐漸增大，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本難以下降，政府財(cái)政負(fù)擔(dān)無(wú)法減輕。智慧交通體系架構(gòu)理念的提出后，城市智能交通一體化建設(shè)規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略逐步實(shí)施，國(guó)內(nèi)各大城市地鐵、公交等系統(tǒng)采用移動(dòng)支付方式標(biāo)志著城市軌道交通智慧化首戰(zhàn)告捷，智能運(yùn)維將成為軌道交通智慧化的下一個(gè)攻克目標(biāo)。

目前，上海地鐵13 號(hào)線將中科路站打造成為上海地鐵智慧化地標(biāo)車站，站內(nèi)有智能問(wèn)詢機(jī)器人。2017 中國(guó)(湖南)國(guó)際軌道交通產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)推出了智能巡檢機(jī)器人“開路者”；2017年西安地鐵四號(hào)線隧道暗挖工程中也采取了智能機(jī)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，2018北京國(guó)際城市軌道交通展覽會(huì)推出了智能隧道巡檢機(jī)器人“奔跑的兔子”。

目前各城市正在規(guī)劃采用智慧化、數(shù)字化的紅利來(lái)推動(dòng)和簡(jiǎn)化運(yùn)維流程，智能地鐵巡檢機(jī)器人的出現(xiàn)，節(jié)省了大量人力資源，不僅降低了運(yùn)維成本，同時(shí)將巡檢機(jī)制規(guī)范化、智慧化，提高實(shí)時(shí)反饋機(jī)制效用，直接推動(dòng)了城市軌道交通向智慧化的第二個(gè)臺(tái)階邁進(jìn)。

2 城市軌道交通傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)運(yùn)維模式

城市軌道交通行業(yè)自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）是基于計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌道交通售票、檢票、計(jì)費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計(jì)、清分、管理等全過(guò)程的自動(dòng)化系統(tǒng)[1]。近些年，城市軌道交通行業(yè)引入移動(dòng)支付互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)掃碼過(guò)閘、云購(gòu)票、手機(jī)PAY 閃付過(guò)閘等功能，城市軌道交通逐步開始邁入智慧時(shí)代，AFC系統(tǒng)的智能運(yùn)維工程開始成為新的研究和應(yīng)用課題。

2.1 AFC系統(tǒng)五層架構(gòu)

2.1.1 車票、銀行卡、移動(dòng)終端（TICKET & Bank Card & Mobile Terminal）

乘客所持的地鐵票卡、城市一卡通等實(shí)體票卡為刷卡乘車出行的媒介，目前國(guó)內(nèi)很多城市已經(jīng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付過(guò)閘功能，譬如云購(gòu)票、銀聯(lián)卡閃付過(guò)閘、二維碼掃碼過(guò)閘、NFC 手機(jī)過(guò)閘等等，此時(shí)作為車費(fèi)支付媒介的載體已經(jīng)擴(kuò)展為車票、銀行卡和移動(dòng)終端（包括手機(jī)、帶NFC 功能手環(huán)等）。

2.1.2 車站終端設(shè)備（SLE: Station Level Equipment）

車站終端設(shè)備安裝在各車站的站廳，乘客可通過(guò)自助使用該類設(shè)備，進(jìn)行自助查詢、買票、充值、掃碼支付、過(guò)閘進(jìn)出站等業(yè)務(wù)，直接為乘客提供售檢票服務(wù)，規(guī)定了車站各類設(shè)備及系統(tǒng)的技術(shù)要求和運(yùn)營(yíng)管理需求。

2.1.3 車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SC：Station Computer System）

其主要功能是將車站級(jí)別所有設(shè)備成網(wǎng)連接起來(lái)，對(duì)車站各類終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、事件監(jiān)控、狀態(tài)控制，規(guī)定了車站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、運(yùn)營(yíng)管理及系統(tǒng)運(yùn)維相關(guān)的技術(shù)要求。

2.1.4 線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（LCC: Line Central Computer System）

其主要功能是將本線路交易數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等各類運(yùn)營(yíng)信息上傳至城市軌道交通清分系統(tǒng)（ACC），同時(shí)與ACC 做好數(shù)據(jù)對(duì)賬、審計(jì)工作，擁有獨(dú)立的線路機(jī)房，包含小型機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器及工作站，共同完成信息系統(tǒng)功能。

2.1.5 城市軌道交通清分中心系統(tǒng)（ACC: AFC Clearing Center）

其主要功能是統(tǒng)一管理城市軌道交通AFC 系統(tǒng)內(nèi)部的各種運(yùn)行參數(shù)，收集城市軌道交通全路網(wǎng)交易數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)賬審核、清分對(duì)賬，同時(shí)負(fù)責(zé)連接AFC 系統(tǒng)與城市一卡通、移動(dòng)支付平臺(tái)、第三方支付平臺(tái)等系統(tǒng)，完成全路網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)及票款的清分，同時(shí)規(guī)定AFC 系統(tǒng)內(nèi)各類車票管理及運(yùn)營(yíng)管理相關(guān)的技術(shù)要求。

2.2 傳統(tǒng)運(yùn)維模式

傳統(tǒng)的AFC 系統(tǒng)運(yùn)維包括設(shè)備運(yùn)維、機(jī)房運(yùn)維、數(shù)據(jù)運(yùn)維三部分，其中車站級(jí)設(shè)備運(yùn)維開展所需人力最大，設(shè)備故障率最高，難度最大。其中：

（1）設(shè)備運(yùn)維：通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一編碼，從LCC 應(yīng)用程序中有設(shè)備監(jiān)控的功能，通過(guò)該功能可以及時(shí)獲得設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，但需要人為進(jìn)行判斷分析，部分設(shè)備或因小概率錯(cuò)誤，或人為操作異常導(dǎo)致時(shí)刻提醒，導(dǎo)致實(shí)際參考性不強(qiáng)。

（2）機(jī)房運(yùn)維：主要是指面向AFC 系統(tǒng)機(jī)房中的計(jì)算機(jī)設(shè)備中的巨、大、中型機(jī)、小型機(jī)、PC 服務(wù)器等，面向存儲(chǔ)設(shè)備中的磁盤陣列、存儲(chǔ)用光纖交換機(jī)、光盤庫(kù)、磁帶機(jī)、磁帶庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備等的運(yùn)維服務(wù)。采取的主要模式是24 小時(shí)人工巡檢，或定時(shí)人工巡檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后進(jìn)行人工報(bào)修，針對(duì)部分重點(diǎn)設(shè)備的故障恢復(fù)是采取專業(yè)委外的方式。

（3）數(shù)據(jù)運(yùn)維：主要包括交易數(shù)據(jù)運(yùn)維、狀態(tài)信息運(yùn)維、管理信息運(yùn)維。

3 人工智能機(jī)器人在AFC智能運(yùn)維平臺(tái)中的應(yīng)用研究

本應(yīng)用研究基于已有的智慧城市建設(shè)參考模型，應(yīng)用于AFC系統(tǒng)智能運(yùn)維平臺(tái)建設(shè)，同時(shí)建立基于云平臺(tái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，為智能巡檢機(jī)器人提供行動(dòng)決策依據(jù)。

3.1 AFC智能運(yùn)維平臺(tái)

參照智慧城市建設(shè)參考模型[2]作為為AFC 智能運(yùn)維系統(tǒng)功能的模型，主要包括：

3.1.1 物聯(lián)感知層

提供對(duì)整個(gè)AFC 系統(tǒng)的感知能力，通過(guò)各種車站各類終端信息采集設(shè)備、各類異構(gòu)傳感器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)以及應(yīng)用BIM[3]技術(shù)開展對(duì)各車站環(huán)境、設(shè)備設(shè)施、客流等方面信息采集、識(shí)別和檢測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)模型可視化、信息共享化、數(shù)據(jù)積累分析，為上層提供海量信息，也為后續(xù)人工智能機(jī)器人提供每日學(xué)習(xí)素材。

3.1.2 AFC 通信網(wǎng)絡(luò)層

借助已有的AFC 傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)，包括互聯(lián)網(wǎng)、光纖、CCTV等骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，以覆蓋全城的采用Wi-Fi、4G、5G 等多種無(wú)線通訊方式搭建異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)，最終建設(shè)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施。

3.1.3 AFC 計(jì)算與存儲(chǔ)層

包括車站級(jí)別SC、線路中心LCC 及路網(wǎng)票務(wù)清分系統(tǒng)ACC的軟件資源、計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，為AFC 智慧運(yùn)維系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算，保障智慧應(yīng)用層對(duì)于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和傳輸?shù)南嚓P(guān)需求。

圖1：AFC 系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)

3.1.4 AFC 數(shù)據(jù)及服務(wù)支撐層

利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和服務(wù)的嫁接融合，支撐承載智慧運(yùn)維應(yīng)用層中的故障診斷、巡檢握手等相關(guān)應(yīng)用，提供各種服務(wù)和共享資源[2]。

3.1.5 AFC 智慧應(yīng)用層

在AFC 智慧運(yùn)維平臺(tái)通過(guò)對(duì)客流數(shù)據(jù)上傳信息規(guī)律及設(shè)備故障信息的比對(duì)分析，及時(shí)分析得出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的脫機(jī)、故障點(diǎn)，為人工智能機(jī)器人后續(xù)在現(xiàn)場(chǎng)握手設(shè)備，采取軟啟動(dòng)、故障修復(fù)等操作提供信息支撐和決策依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的搭建

在AFC 系統(tǒng)運(yùn)維中采用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)、多傳感器識(shí)別技術(shù)，AFC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)位于線路LCC 及線網(wǎng)ACC 級(jí)別，利用已有的AFC 傳統(tǒng)五層架構(gòu)進(jìn)行信息收集，形成面向主題的、集成的、與時(shí)間相關(guān)的、不可修改的數(shù)據(jù)集合，建立基于云平臺(tái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，通過(guò)以數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)、前置核心部件為中間分析層，最終將數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)換、挖掘，達(dá)到再利用，反饋到智慧層，為智能機(jī)器人信息習(xí)得作為重要關(guān)鍵產(chǎn)物，詳見圖1。

3.3 人工智能機(jī)器人借助智能運(yùn)維平臺(tái)的應(yīng)用

隨著目前城市軌道交通行業(yè)進(jìn)入交通大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI 等新一代信息技術(shù)時(shí)代，根據(jù)國(guó)內(nèi)外AFC 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合AFC 系統(tǒng)智慧運(yùn)維平臺(tái)，通過(guò)四步法打造仿真智能機(jī)器人可研性。

3.3.1 建立全方位360 度全景視頻實(shí)時(shí)檢測(cè)與建模機(jī)制

其一，從車站現(xiàn)場(chǎng)或維?，F(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景全部存儲(chǔ)建模，建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，保證機(jī)器人在靈活行動(dòng)與設(shè)備握手（可通過(guò)設(shè)備讀寫器或?qū)Ｓ媒涌冢黄涠?，保證數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街腔圻\(yùn)維平臺(tái)，固定時(shí)間段內(nèi)機(jī)器人通過(guò)增量方式習(xí)得最新情況，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)結(jié)束后通過(guò)全量的方式習(xí)得全天全量數(shù)據(jù)。

3.3.2 智慧運(yùn)維平臺(tái)智能巡檢及故障診斷指數(shù)評(píng)估與在線仿真分析

利用大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)，BIM[3]技術(shù)通過(guò)對(duì)已收集到的信息進(jìn)行在線仿真分析，將分析結(jié)果通過(guò)智能運(yùn)維通道及時(shí)傳輸給機(jī)器人習(xí)得系統(tǒng)。

3.3.3 優(yōu)化智能機(jī)器人學(xué)習(xí)控制能力，提升異構(gòu)傳感器動(dòng)力反饋機(jī)制

重視對(duì)傳感技術(shù)的應(yīng)用，從故障診斷庫(kù)中提取設(shè)備運(yùn)維規(guī)律，制定針對(duì)不同設(shè)備的合適評(píng)估手段，利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)由固定模式向智能化、高端的移動(dòng)模式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人通過(guò)4G、5G、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線聯(lián)網(wǎng)，從海量巡檢維修案例數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化算法，提高機(jī)器人操作精準(zhǔn)度及判斷決策機(jī)制，從而提升易運(yùn)維質(zhì)量。

3.3.4 實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)維保工作中的設(shè)備技術(shù)接口握手、巡檢、故障診斷

從運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域提取信息，確定設(shè)備故障所在區(qū)域，通過(guò)與智能運(yùn)維平臺(tái)實(shí)時(shí)交互確定目標(biāo)，對(duì)上一階段的候選區(qū)域進(jìn)行確認(rèn)，機(jī)器人走到設(shè)備巡檢固定位置，再進(jìn)行與設(shè)備握手，從故障診斷庫(kù)中提取海量案例，判斷確認(rèn)故障點(diǎn)，將故障分類，完成診斷故障分類，最后將處理信息上傳至智能運(yùn)維平臺(tái)，如此往復(fù)迭代計(jì)算，提高智能機(jī)器人的習(xí)得能力和綜合判斷能力。

綜上所述，本文主要是通過(guò)模型可視化、信息共享化、數(shù)據(jù)積累分析，采用Wi-Fi、4G、5G 等多種無(wú)線通訊方式搭建異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集的視頻信號(hào)做實(shí)時(shí)處理，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)的嫁接融合，從而達(dá)到支撐智慧交通應(yīng)用層中的服務(wù)[3]，提供應(yīng)用所需的各種服務(wù)和共享資源，分析探討利用已成型的新型機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及智能控制模型、圖像檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)模型，通過(guò)無(wú)線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)攝像頭狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，以云平臺(tái)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)信息觸發(fā)人工智能機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)代軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)智能運(yùn)維巡檢、報(bào)修、故障診斷、信息匯總、用戶控制以及降級(jí)運(yùn)營(yíng)模式下的突發(fā)狀況處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的智能運(yùn)維，為傳統(tǒng)的軌道交通運(yùn)維難、服務(wù)難提供科技助力。