城市軌道交通智能列車乘客服務(wù)系統(tǒng)研究

周成堯 劉暢 鄧瑾

摘 要：智能列車乘客服務(wù)系統(tǒng)通過構(gòu)建一體化平臺(tái)，在系統(tǒng)應(yīng)用層支持不同智慧應(yīng)用間的數(shù)據(jù)交互以及新應(yīng)用的便捷接入，在物理連接層支撐不同設(shè)備的信息通信與控制。文章重點(diǎn)介紹智能列車乘客服務(wù)系統(tǒng)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的各種功能以及基本原理，通過整合泛在列車感知、車廂空間數(shù)字化等科技，將北京市軌道交通運(yùn)營的監(jiān)控資源、展示資源進(jìn)行有機(jī)匯總，為城市軌道交通智能化發(fā)展提供全新的方案。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;智能列車;乘客服務(wù)系統(tǒng);列車感知

中圖分類號：U213.9

1 系統(tǒng)簡介

目前國內(nèi)城市軌道交通乘客服務(wù)系統(tǒng)主要注重功能性，可以播放終點(diǎn)站、當(dāng)前站信息即可，在顯示方面與乘客無法形成互動(dòng)。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會(huì)《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[1]第五章“建設(shè)重點(diǎn)”第七項(xiàng)“智能運(yùn)維安全”以及示范工程中的“智慧乘客服務(wù)示范工程”，北京市地鐵運(yùn)營有限公司聯(lián)合其他軌道交通廠商，針對智能列車發(fā)展需求，結(jié)合環(huán)境感知 [2]、大數(shù)據(jù)[3]、人工智能[4]等新興技術(shù)，對智能信息服務(wù)、列車環(huán)境感知、人員行為分析、一體化控制[5]等方面開展研究，推出智能列車乘客服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能列車各類智能化服務(wù)應(yīng)用的接入、集成和集中管控。該系統(tǒng)是面向乘客最優(yōu)出行體驗(yàn)的全新一代地鐵乘客服務(wù)系統(tǒng)，可提供包括到站信息、車站布置、出入口位置等更加豐富多樣的出行信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測車廂乘客的倒地、異常移動(dòng)等異常行為以及司機(jī)打哈氣、閉眼睛的危險(xiǎn)駕駛行為，保障列車及乘客安全。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能列車乘客服務(wù)系統(tǒng)是以云平臺(tái)[6]、物聯(lián)網(wǎng)[7]、大數(shù)據(jù)等智能化技術(shù)服務(wù)于列車應(yīng)用的一體化管控、開放平臺(tái)，具有設(shè)備高度集中，信息整體處理，衡量尺度統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、中臺(tái)層以及應(yīng)用層。

2.1 感知層

感知層相當(dāng)于系統(tǒng)的眼睛，它負(fù)責(zé)連接外部世界與系統(tǒng)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對列車狀態(tài)、人員狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等信息的采集感知。系統(tǒng)感知層具備高并發(fā)條件下的數(shù)據(jù)接收能力，支持多種傳輸協(xié)議，定義數(shù)據(jù)接入標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)加解密算法，同時(shí)具備防火墻功能，防止惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是系統(tǒng)的骨架，實(shí)現(xiàn)車廂級各種傳感器及控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)分層隔離與冗余互聯(lián)，同時(shí)支持多種常見通信協(xié)議，支持自定義數(shù)據(jù)傳輸消息結(jié)構(gòu)，并提供了1 套新設(shè)備加入系統(tǒng)的互聯(lián)認(rèn)證協(xié)議，方便拓展新硬件和新功能。通過構(gòu)建列車級無線自組網(wǎng)絡(luò)，以及車輛級以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)[8]，讓車內(nèi)的傳感器、屏幕等終端時(shí)刻處于物聯(lián)網(wǎng)連接中，結(jié)合4G和WIFI，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)、車-站、車-云信息互通、共享。

2.3 中臺(tái)層

中臺(tái)層是系統(tǒng)的大腦，采用微服務(wù)架構(gòu)搭建，提供了數(shù)據(jù)解析、存儲(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)算法模型等一些通用服務(wù)模塊，具備系統(tǒng)安全防護(hù)、權(quán)限管理、外部應(yīng)用程序接口管理[9]、平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等管理功能，同時(shí)集成了邊緣計(jì)算模塊，使得系統(tǒng)具有超高的實(shí)時(shí)計(jì)算能力。中臺(tái)層實(shí)現(xiàn)對自有算法或外部算法的封裝，提供完整的軟件開發(fā)工具包文件，為內(nèi)部或外部應(yīng)用提供服務(wù)能力，采用集群化服務(wù)部署模式，具有一定的負(fù)載均衡能力。中臺(tái)層建立完整、標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、清洗、融合、存儲(chǔ)、分析、管理一體化的數(shù)據(jù)體系，采用知識圖譜技術(shù) [10]，建立多源數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)綜合關(guān)聯(lián)分析。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是系統(tǒng)的四肢，即執(zhí)行者，根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求在認(rèn)證后從中臺(tái)層獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而面向不同業(yè)務(wù)提供與其相匹配的功能，便于第三方應(yīng)用進(jìn)行拓展。針對不同的應(yīng)用進(jìn)行服務(wù)化切分，使得應(yīng)用具有輕量化、便于移植、可適配等特點(diǎn)，同時(shí)規(guī)范化不同應(yīng)用服務(wù)間的數(shù)據(jù)通信接口，研究制定新應(yīng)用服務(wù)的接入準(zhǔn)則。

3 系統(tǒng)功能

3.1 智能乘客信息服務(wù)

智能乘客信息服務(wù)充分利用新媒介方式，將車廂打造成為數(shù)字化空間，為乘客提供實(shí)時(shí)、多元化、全方位信息服務(wù)。通過車門上方及通道屏幕，讓車廂內(nèi)各個(gè)位置的乘客了解到列車站臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施導(dǎo)航、站臺(tái)出口、運(yùn)行線路等信息。車門、通道屏幕采用4K高清屏幕（圖 2），車窗內(nèi)加裝透明有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示屏（圖3），具備可視角度大、能耗低等特點(diǎn)。列車啟動(dòng)后，分別播放列車當(dāng)前位置、線網(wǎng)圖以及前方車站三維示意圖，乘客不僅可從多個(gè)角度查看到站臺(tái)周邊景點(diǎn)等信息，也可透過車窗觀賞外面美景，為乘客提供科技感十足的乘車體驗(yàn)。后續(xù)還支持顯示沿途各站的周邊建筑、景點(diǎn)推薦，提示幾個(gè)車站的預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，除此之外還可顯示不同車廂擁擠度（目前還在收集運(yùn)營數(shù)據(jù)和測試階段）。

3.2 列車環(huán)境感知檢測

通過空氣質(zhì)量檢測模塊、感知攝像頭和疲勞檢測傳感器等車內(nèi)感知設(shè)備（圖4），結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法[11]提取的人員特征，全天候監(jiān)測車廂內(nèi)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對乘客的倒地、呼救、未佩戴口罩以及司機(jī)的疲勞行為等異常情況檢測報(bào)警，并將報(bào)警信息發(fā)送至站務(wù)及司機(jī)顯示終端，提示工作人員及時(shí)處置。此外，為提高乘客乘車舒適度，車廂邊緣計(jì)算模塊可實(shí)時(shí)檢測車廂擁擠度情況，聯(lián)動(dòng)車廂及站臺(tái)顯示終端顯示，方便乘客合理候車。

3.2.1 乘客異常行為感知檢測

在車廂增加攝像頭，捕獲到車廂圖像。通過異常行為感知算法中的關(guān)鍵點(diǎn)檢測器，識別并標(biāo)記出具有身體特點(diǎn)的部位，幫助身體跟蹤算法了解不同角度下每個(gè)姿勢的表現(xiàn)，并以3D彩色火柴人形式呈現(xiàn)出來。通過人體關(guān)鍵點(diǎn)檢測識別出人體骨骼，并建立動(dòng)態(tài)骨骼模態(tài) [12]，如圖5所示。

基于異常行為感知算法，提取人體關(guān)鍵點(diǎn)，生成骨骼特征圖，即行為檢測原理圖，如圖6所示。在提取人體骨骼后，使用每一幀每一個(gè)人體骨骼的2D坐標(biāo)來表示骨骼序列。根據(jù)骨骼序列特征，生成骨骼序列時(shí)空圖：①幀與幀之間的邊表示人體對應(yīng)骨骼點(diǎn)的時(shí)序關(guān)系[13];②在每一幀內(nèi)部，按照人體的自然骨架連接關(guān)系構(gòu)造空間圖。

結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，針對應(yīng)急事件下監(jiān)控對象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立特殊運(yùn)動(dòng)模板，將骨骼序列時(shí)空圖輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]進(jìn)行行為預(yù)測，通過計(jì)算視頻片段運(yùn)動(dòng)軌跡線和模板的匹配程度，識別人體動(dòng)作，判斷異常情況種類。車廂內(nèi)乘客異常行為檢測終端數(shù)據(jù)顯示如圖7所示。

3.2.2 司機(jī)異常行為感知檢測

在駕駛員駕駛過程中，全天候監(jiān)測駕駛員的疲勞狀態(tài)。在發(fā)現(xiàn)駕駛員出現(xiàn)瞇眼睛、打哈欠等狀態(tài)后，及時(shí)對此類行為進(jìn)行分析，并進(jìn)行聲光提示。司機(jī)疲勞度檢測終端數(shù)據(jù)顯示如圖8所示。

利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，從采集視頻中提取司機(jī)有效特征，結(jié)合智能算法，進(jìn)行跟蹤和理解，通過眼睛閉合時(shí)間、眼睛眨眼頻率、嘴巴張開程度、頭部運(yùn)動(dòng)的計(jì)算，進(jìn)行駕駛員疲勞程度的綜合判定。具體包括采用顏色空間膚色模型進(jìn)行人臉粗定位，根據(jù)人臉特征，逐次進(jìn)行人眼區(qū)域縮小;最后通過核對邊緣信息，進(jìn)行人眼定位和閉合度測量?？紤]到視頻圖像序列幀與幀之間的相關(guān)性，采用線性運(yùn)動(dòng)預(yù)測的方法對人眼進(jìn)行跟蹤，完成瞌睡檢測。

利用深度卷積[15]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依次檢測駕駛員的面部和鼻子，采用局部二比特特征和隨機(jī)森林分類器訓(xùn)練生成在線鼻子檢測器，以此來校正光流跟蹤器在鼻子跟蹤過程中產(chǎn)生的漂移誤差等參數(shù);最后，分析鼻子下方嘴部區(qū)域的邊界梯度變化情況，并結(jié)合鼻子跟蹤器置信度、面部橫向運(yùn)動(dòng)等信息來完成打哈欠檢測。

3.2.3 車廂擁擠度感知檢測

通過構(gòu)建多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采集到的乘客標(biāo)志樣本集進(jìn)行目標(biāo)檢測，獲取抽象的乘客頭部、肩膀等特征，對圖像進(jìn)行辨識和分類，識別乘客標(biāo)志，如圖9所示。通過分析信息的匯總，結(jié)合車廂承載闕值，判斷車廂的擁擠程度。

3.2.4 列車主動(dòng)感知防撞檢測

基于軌道列車行駛環(huán)境，建立數(shù)量龐大、場景豐富的圖像數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫內(nèi)容主要包括含有軌道線、列車、信號燈等的視頻樣本，用于標(biāo)注和訓(xùn)練，如圖10所示?；谏疃葘W(xué)習(xí)的多目標(biāo)識別算法，結(jié)合軌道區(qū)域識別，提取出前向運(yùn)行環(huán)境中軌道限界范圍內(nèi)的列車、行人等目標(biāo)，如圖11所示。為解決視覺傳感器易受光照以及障礙物遮擋等影響，實(shí)現(xiàn)多場景下精確可靠的環(huán)境檢測，通過機(jī)器視覺同雷達(dá)的融合，實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)障礙物目標(biāo)的檢測，對融合算法提取到的目標(biāo)物進(jìn)行進(jìn)一步的軌跡跟蹤，同時(shí)進(jìn)行障礙物的位置及狀態(tài)的實(shí)時(shí)判定，實(shí)現(xiàn)前向障礙物識別及距離測量，保障運(yùn)營安全，提升后備模式下運(yùn)行效率。

3.2.5 車門-屏蔽門間隙檢測

列車到站完成停車作業(yè)并關(guān)閉車門后，利用車門上方傳感器掃描車門與屏蔽門間隙區(qū)域。根據(jù)傳感器返回信息，完成線路區(qū)域和目標(biāo)物體的辨識，判斷間隙內(nèi)是否有乘客存在，識別人員受困的安全隱患，車門-屏蔽門間隙檢測效果如圖12所示。如果在區(qū)域內(nèi)檢測到乘客存在，則向列車控制系統(tǒng)發(fā)送區(qū)域夾人信息以及所對應(yīng)的車門編號。列車控制系統(tǒng)收到夾人信息后打開對應(yīng)車門，不關(guān)閉屏蔽門，列車保持制動(dòng)，并向站務(wù)及司機(jī)進(jìn)行提示。

3.3 數(shù)據(jù)分析監(jiān)測服務(wù)

數(shù)據(jù)分析監(jiān)測服務(wù)實(shí)時(shí)獲取車內(nèi)滿載率、溫度、濕度、CO2、PM10等環(huán)境狀態(tài)信息，通過網(wǎng)絡(luò)層實(shí)時(shí)上傳至云端運(yùn)營監(jiān)控平臺(tái)，為運(yùn)營監(jiān)控、舒適度改善、設(shè)備監(jiān)測提供數(shù)據(jù)依據(jù)。車廂內(nèi)環(huán)境感知采集終端顯示效果如圖13所示。

3.4 一體化平臺(tái)服務(wù)

一體化平臺(tái)是乘客服務(wù)系統(tǒng)的“大腦”，完成對乘客信息服務(wù)、列車環(huán)境感知等業(yè)務(wù)的綜合承載，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全、高速傳輸，具備數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)治理功能和提供平臺(tái)數(shù)據(jù)的能力，支持后續(xù)廠商接入。同時(shí)，為方便管理人員對列車各設(shè)備狀態(tài)的整體監(jiān)控，一體化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)車載、站臺(tái)與云端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，從而將車輛設(shè)備狀態(tài)、列車感知檢測等數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一上傳至運(yùn)營監(jiān)控云平臺(tái)，為車輛運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支撐，方便運(yùn)營人員隨時(shí)查看。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及改進(jìn)建議

4.1 系統(tǒng)應(yīng)用

北京地鐵6號線首次對1列車及1座車站進(jìn)行智能列車乘客服務(wù)系統(tǒng)智能化改造，于2020年3月正式投入運(yùn)營。該系統(tǒng)的使用，不僅提高了乘客乘車滿意度，而且降低了車廂突發(fā)情況帶來的影響，降低了運(yùn)營安全事故發(fā)生概率。此外，該系統(tǒng)已通過室內(nèi)外測試驗(yàn)證，形成完整的智能列車服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為系統(tǒng)應(yīng)用和推廣打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.2 改進(jìn)建議

（1）建議依托既有車廂感知設(shè)備，拓展識別對象和類型，包括車廂內(nèi)打架斗毆等不文明行為監(jiān)測，替代部分乘務(wù)管理員工作，節(jié)約運(yùn)營成本。

（2）建議基于無線自組網(wǎng)技術(shù)，通過構(gòu)建列車無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車廂設(shè)備無線數(shù)據(jù)傳輸，替代部分線纜，可降低后續(xù)列車改造成本，縮短改造周期。

5 結(jié)語

城市軌道交通智能列車乘客服務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)，顯著提升了國內(nèi)城市軌道交通安全技術(shù)領(lǐng)域的理論創(chuàng)新與實(shí)踐能力;填補(bǔ)了國內(nèi)城市軌道交通列車自主環(huán)境感知領(lǐng)域的空白;為軌道交通業(yè)的快速改革和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型提供了動(dòng)力;同時(shí)，為城市軌道交通智能化發(fā)展提供了全新的方案。該系統(tǒng)產(chǎn)出的知識產(chǎn)權(quán)作為城市軌道交通系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的成果，具有完全國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)，有著重要的應(yīng)用推廣價(jià)值和廣闊的市場前景。

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收稿日期 2020-07-07

責(zé)任編輯 宗仁莉