城軌大客流監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王愛麗， 謝征宇， 孔繁鵬， 王子騰， 于士堯

（1.中鐵信（北京）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院有限公司，北京 100038；2.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

0 引言

城市軌道交通已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營時代，客流安全保障問題日趨突出。2018 年中華人民共和國國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于保障城市軌道交通安全運(yùn)行的意見》，要求牢固樹立和貫徹落實(shí)新發(fā)展理念，切實(shí)保障城市軌道交通安全運(yùn)行［1］。精準(zhǔn)監(jiān)測城軌交通大客流狀態(tài)是進(jìn)行客流安全狀態(tài)評估、辨識和管控的基礎(chǔ)，當(dāng)前大客流監(jiān)測主要依靠AFC 票務(wù)系統(tǒng)、CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)等與客流相關(guān)的設(shè)備［2］。目前，各地鐵運(yùn)營單位積極引入智能視頻、移動終端探測、紅外和激光等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大客流安全狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，并建立大客流預(yù)警動態(tài)指標(biāo)體系和判斷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行客流風(fēng)險預(yù)警和動態(tài)控制。張?jiān)吕ぃ?］針對北京市軌道交通的客流擁堵問題和傳統(tǒng)客流密度監(jiān)測手段，分析軌道交通客流擁堵特點(diǎn)，結(jié)合路網(wǎng)視頻監(jiān)控中心建設(shè)的業(yè)務(wù)需求和初步設(shè)計(jì)，提出對客流擁堵情況進(jìn)行監(jiān)測和應(yīng)對的優(yōu)化方法及建議；王嬋嬋等［4］根據(jù)城市軌道交通日常大客流特征，研究上海軌道交通日常大客流檢測及預(yù)警體系，提出網(wǎng)絡(luò)、線路、車站不同層級的大客流檢測、預(yù)警需求及適用的檢測技術(shù)；潘杰［5］從車站客流的預(yù)警研究切入，在單車站層面對客流進(jìn)行控制，進(jìn)而從線路層面對多車站進(jìn)行協(xié)同控制，致力于從安全的角度設(shè)計(jì)出一整套客流預(yù)警與控制方法，為軌道交通車站的運(yùn)營管理提供新的理論基礎(chǔ)。

由此可知，關(guān)于城市軌道交通客流監(jiān)控技術(shù)研究，眾多學(xué)者開展了討論，理論與實(shí)證成果較為豐富。然而，現(xiàn)有客流智能監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)仍在試驗(yàn)階段，采集的數(shù)據(jù)維度單一，預(yù)測預(yù)警的技術(shù)體系不健全，難以支撐精準(zhǔn)可靠的客流預(yù)測、風(fēng)險管控和合理有效的決策［6-7］。因此，需進(jìn)一步加強(qiáng)城軌交通大客流監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)研究，充分整合現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢，建立綜合監(jiān)測和預(yù)警體系，形成全方位大客流監(jiān)測和預(yù)警的整體解決能力。在此，基于前人積累的經(jīng)驗(yàn)，以大客流監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)用戶需求為基礎(chǔ)，參考行業(yè)相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐，綜合考慮后續(xù)建設(shè)，對城軌交通大客流監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能、部署方案等進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

1 需求分析

（1）車站運(yùn)營管理需求：每個城軌車站需精準(zhǔn)提取站內(nèi)各監(jiān)控區(qū)域不同維度的客流時空信息，如客流量、密度、速度、不同維度的客流時空分布等，以及大客流規(guī)律、異常行為等，需提高檢測和預(yù)警的準(zhǔn)確性；需實(shí)時掌握車站整體及各設(shè)施上的客流擁擠度、安全狀態(tài)、客流變化趨勢及分布規(guī)律，不同時間粒度下的客流預(yù)測和預(yù)警信息；需制定不同擁擠閾值報警體系對車站客流進(jìn)行誘導(dǎo)和管控，需將相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)時傳送給線路級、線網(wǎng)級控制中心。

（2）線路級運(yùn)營管理需求：線路監(jiān)控管理中心與管轄內(nèi)的每個車站需互聯(lián)，需隨時了解管轄區(qū)域內(nèi)每個車站的客流大致情況和列車運(yùn)行詳細(xì)信息，對各車站的所有視頻等相關(guān)信息均可進(jìn)行調(diào)用和選擇性地觀看、分析和存儲，可查閱車站客流監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的熱力圖、客流時空分布等；可根據(jù)需求，將相關(guān)客流信息傳輸?shù)骄€網(wǎng)調(diào)度管理中心，匯總成為線路級的客流信息，用于對管轄內(nèi)多個車站的客流狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管，并向車站下發(fā)預(yù)警信息和指揮命令。

（3）線網(wǎng)級運(yùn)營管理需求：線網(wǎng)監(jiān)控管理中心需與各線路監(jiān)控管理中心互聯(lián)，匯總形成線網(wǎng)級的客流信息，需隨時了解每條線和每個車站的大致情況和運(yùn)行詳細(xì)信息，掌握各車站/線路的實(shí)時報警、應(yīng)急措施、預(yù)測、預(yù)警等信息，對所有線路和車站的相關(guān)信息均可進(jìn)行調(diào)用和選擇性地觀看、分析和存儲，輔助集團(tuán)總部對于全網(wǎng)客流狀態(tài)的監(jiān)測、預(yù)警和應(yīng)急決策。

2 技術(shù)方案

2.1 總體架構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)有城軌用戶管理架構(gòu)，將該系統(tǒng)的總體架構(gòu)劃分為3個層級：車站監(jiān)控管理中心、線路監(jiān)控管理中心、線網(wǎng)監(jiān)控管理中心。3個管理中心由低到高逐級連接，信息的流轉(zhuǎn)可逐級雙向進(jìn)行。同時，可根據(jù)用戶需求和現(xiàn)有線網(wǎng)的復(fù)雜度，某些用戶單位可不設(shè)置線路監(jiān)控管理中心，可將該系統(tǒng)的總體架構(gòu)劃分為2個層級，站級信息直接匯聚到線網(wǎng)總部管理中心，簡化系統(tǒng)流轉(zhuǎn)程序。

為保障該系統(tǒng)的有效性和經(jīng)濟(jì)性，將采用“設(shè)備利舊”和“更新改造”相結(jié)合模式，若車站的空間環(huán)境和設(shè)施允許，可在站級層完成本車站監(jiān)控信息的解析和存儲功能，上級管理中心擁有調(diào)用和選擇性觀看、分析和存儲等權(quán)限，這種模式需在每個車站后端部署計(jì)算資源，額外造成成本增加和管理分散的問題，但網(wǎng)絡(luò)帶寬占用較低，傳輸效率高、實(shí)效性較好、建設(shè)模式簡單。也可采用集中計(jì)算和存儲的模式，在線路調(diào)度管理中心或線網(wǎng)管理中心集中完成管轄車站監(jiān)控信息的智能解析和存儲功能，車站級只用來完成視頻流和信號流等源數(shù)據(jù)的采集，在上級管理中心進(jìn)行集中處理和管理，管理模式相對簡單，整體管控效率較高，為實(shí)現(xiàn)整個線網(wǎng)級的管理奠定基礎(chǔ)，但這種模式對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，將造成傳輸壓力大的問題，需對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行處理和升級改造。

系統(tǒng)的建設(shè)模式和架構(gòu)可根據(jù)城軌用戶實(shí)際情況進(jìn)行靈活設(shè)置和選取，系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

同時，城軌大客流監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)將匯聚ATS、國鐵、公交等相關(guān)內(nèi)外部信息，進(jìn)一步豐富數(shù)據(jù)源，并與其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行交互聯(lián)動（見圖2），進(jìn)一步優(yōu)化和提升大客流運(yùn)營安全管理的精細(xì)化、全面化和有效化。

2.2 邏輯架構(gòu)

圖1 大客流監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)交互聯(lián)動示意圖

圖3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)包括基礎(chǔ)支撐層、源數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)匯聚層、解析處理層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和用戶訪問層（見圖3）?；A(chǔ)支撐層為系統(tǒng)運(yùn)行配備相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備；源數(shù)據(jù)采集層選取適用的檢測技術(shù)，配備相應(yīng)的檢測設(shè)備，搭建檢測環(huán)境，通過多方位檢測和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理，實(shí)現(xiàn)視頻流和信號流等源數(shù)據(jù)的實(shí)時采集；傳輸層將所有采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過有線或無線的方式發(fā)送到后臺監(jiān)控管理中心進(jìn)行深度解析和處理；解析處理層采用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識別等技術(shù)，對客流視頻圖像進(jìn)行深度解析和處理，解算出圖像背景和前景的特征屬性，對AFC 等其他方式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，提取出有效的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)匯聚層將匯聚AFC、視頻監(jiān)控和Wi-Fi 探針等方式采集的源數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對各種不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗（ETL），進(jìn)行質(zhì)量分析和計(jì)算權(quán)重分析；業(yè)務(wù)應(yīng)用層根據(jù)業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)客流量、密度、速度等基礎(chǔ)信息的實(shí)時監(jiān)測、預(yù)測、預(yù)警和綜合管控；用戶訪問層根據(jù)不同的運(yùn)用場景，采用熱力圖、統(tǒng)計(jì)圖形、二維/三維動態(tài)圖像、線網(wǎng)圖等多種方式對客流信息進(jìn)行多維度展示、檢索、查詢、分布、共享等，改善客流相關(guān)信息的透明度，提升乘客用戶的體驗(yàn)?zāi)芰褪孢m度。

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)有城軌用戶的管理架構(gòu)，建議將該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)劃分為3 個層級：車站、線路和線網(wǎng)。各層之間通過網(wǎng)絡(luò)連接完成雙向數(shù)據(jù)傳輸、信息發(fā)布等，具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖4。

（1）車站層：針對部署在車站各采集區(qū)域的設(shè)備，可根據(jù)接入距離和設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口形態(tài)，采用網(wǎng)絡(luò)電纜、光纜等方式接入到設(shè)備室交換機(jī)。后端設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)電纜方式接入到交換機(jī)，車站用戶終端等設(shè)備可根據(jù)接入距離和設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口形態(tài)，采用網(wǎng)絡(luò)電纜、光纜等方式接入到交換機(jī)。設(shè)備室交換機(jī)完成本站設(shè)備的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)本站級客流監(jiān)控與預(yù)警子系統(tǒng)功能。車站層的客流數(shù)據(jù)可通過傳輸服務(wù)器經(jīng)防火墻上傳至線路或線網(wǎng)管理層，為線網(wǎng)級客流分析及更多上層應(yīng)用提供支撐。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）線路層：車站層的客流原始監(jiān)測數(shù)據(jù)或解析后的數(shù)據(jù)通過傳輸服務(wù)器經(jīng)防火墻上傳至線路管理中心層，該層將部署的數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等通過交換機(jī)相連，對匯集的各站數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一深度處理，形成線路級的客流信息，并將相應(yīng)的大客流預(yù)警等信息一并上傳至線網(wǎng)運(yùn)營總部層或下傳車站層。

（3）線網(wǎng)層：車站層或線路層的數(shù)據(jù)通過傳輸服務(wù)器經(jīng)防火墻上傳至線網(wǎng)運(yùn)營總部層，匯集成線網(wǎng)級客流信息，同時運(yùn)營總部層向車站層或線路層發(fā)布信息。

2.4 應(yīng)用功能

根據(jù)大客流監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的功能需求，建議將其主要劃分為業(yè)務(wù)應(yīng)用功能和系統(tǒng)管理功能2 個模塊。其中，業(yè)務(wù)應(yīng)用功能模塊主要包括客流信息智能檢測、客流安全狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析、客流狀態(tài)預(yù)測預(yù)警、客流信息訪問和共享；系統(tǒng)管理功能模塊主要包括系統(tǒng)自診斷與遠(yuǎn)程診斷維護(hù)、權(quán)限管理、日志管理等。具體功能架構(gòu)見圖5。

圖5 系統(tǒng)功能架構(gòu)

客流信息智能檢測模塊主要實(shí)現(xiàn)不同維度、不同區(qū)域、不同時間的客流量、客流密度、客流速度等基礎(chǔ)信息智能檢測，實(shí)現(xiàn)客流運(yùn)動軌跡和特征、特殊個體屬性特征以及異常事件、異常行為等信息的智能檢測、傳輸和管理；客流安全狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析模塊將采用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、分析，實(shí)現(xiàn)不同層級、不同區(qū)域、不同時間的客流時空分布、客流運(yùn)動軌跡、擁擠度、安全狀態(tài)、演變態(tài)勢、均衡性、服務(wù)水平和事件關(guān)聯(lián)性等信息的統(tǒng)計(jì)分析；客流狀態(tài)預(yù)測預(yù)警模塊主要實(shí)現(xiàn)不同維度、不同區(qū)域、不同時間的客流運(yùn)營狀態(tài)和演變態(tài)勢預(yù)測，實(shí)現(xiàn)常態(tài)和非常態(tài)客流安全狀態(tài)預(yù)測預(yù)警，實(shí)現(xiàn)異常隱患的預(yù)測，預(yù)判事態(tài)發(fā)展，智能識別出瓶頸點(diǎn)和安全隱患，并深入結(jié)合運(yùn)營管理需求和環(huán)境特征，建立細(xì)致的預(yù)警動態(tài)指標(biāo)體系和判斷標(biāo)準(zhǔn)，建立靈活和合理的預(yù)警閾值，通過早預(yù)警、早判斷、早處置降低客運(yùn)安全風(fēng)險，提高大客流響應(yīng)和處置效率；客流信息訪問和共享模塊將與運(yùn)營管理系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)管理平臺等內(nèi)外部業(yè)務(wù)系統(tǒng)做好數(shù)據(jù)接口配置和聯(lián)動交互，根據(jù)用戶權(quán)限，其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)可進(jìn)行不同維度和不同粒度的訪問，同時可與廣播系統(tǒng)、PIS、APP 等信息發(fā)布方式互相聯(lián)動，具有信息檢索、查詢、對外發(fā)布和共享等功能。

2.5 系統(tǒng)部署

大客流監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)部署主要劃分為現(xiàn)場前端采集和后端管理中心2個模塊。在建設(shè)過程中，軟硬件配置應(yīng)以滿足城軌交通客流運(yùn)營管理需求為前提進(jìn)行設(shè)計(jì)，新增的硬件和軟件設(shè)備要確保高可用、高性能、高擴(kuò)展和高安全，是國際和國內(nèi)主流廠商的產(chǎn)品，遵循標(biāo)準(zhǔn)開放的原則。

（1）系統(tǒng)前端部署?，F(xiàn)場前端監(jiān)控設(shè)備建議采用復(fù)合式設(shè)備采集部署和聯(lián)動策略［8-9］，結(jié)合實(shí)際場景和監(jiān)測需求，在視頻監(jiān)控設(shè)備部署基礎(chǔ)上，重點(diǎn)區(qū)域加設(shè)Wi-Fi 探針［10］，系統(tǒng)接入AFC 數(shù)據(jù)的組合方式，使AFC、視頻監(jiān)控和Wi-Fi 探針等技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)、相互協(xié)調(diào)和聯(lián)動，并采用線性回歸處理法將多源客流數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)源數(shù)據(jù)的智能采集，并實(shí)時傳送給接入節(jié)點(diǎn)。接入節(jié)點(diǎn)將前端監(jiān)測設(shè)備采集到的源數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送給后端管理中心進(jìn)行智能分析處理，實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)控區(qū)域客流數(shù)據(jù)的解析、提取、傳輸和管理等，為車站客流預(yù)測與預(yù)警提供支撐數(shù)據(jù)源。

（2）系統(tǒng)后端部署。大客流監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的后端部署架構(gòu)劃分為車站管理中心和綜合控制管理中心。車站管理中心包含本地接入設(shè)備（用于接入車站前端采集的相關(guān)數(shù)據(jù)）、數(shù)據(jù)分析處理應(yīng)用服務(wù)器、局域網(wǎng)組成、監(jiān)視終端等硬件，以及車站客流狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測分析子系統(tǒng)、客流狀態(tài)預(yù)測預(yù)警子系統(tǒng)、車站客流狀態(tài)服務(wù)等級展示子系統(tǒng)。綜合控制管理中心包含本地接入設(shè)備（用于接入車站、線網(wǎng)客流監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)）、信息存儲服務(wù)器、數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、局域網(wǎng)組成、監(jiān)視終端等硬件，以及控制中心線網(wǎng)級客流狀態(tài)監(jiān)測和管理系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

結(jié)合城軌實(shí)際場景和不同管理用戶的監(jiān)測需求，對城軌交通大客流監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行深化研究和設(shè)計(jì)，從車站、線網(wǎng)等不同層級提出系統(tǒng)的總體架構(gòu)、邏輯架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能架構(gòu)，從系統(tǒng)需求、業(yè)務(wù)應(yīng)用、軟硬件部署、設(shè)備利舊等角度對系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)大客流信息的采集、傳輸、檢索、管理和綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)不同維度、不同區(qū)域、不同時間客流運(yùn)營狀態(tài)的智能檢測、統(tǒng)計(jì)分析、風(fēng)險評估、預(yù)測預(yù)警等，以提高城市軌道交通大客流安全運(yùn)營的綜合管控能力。