城市軌道交通車載PIS 情景感知服務技術方案研究

汪曉臣，吳 卉，孫同慶，黃志威，趙偉慧

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

車載乘客信息系統(tǒng)（PIS，Passenger Information System）是地鐵車輛上以車載信息終端為媒介，向乘客提供信息服務的系統(tǒng)，通過提供乘客須知、服務時間、列車到發(fā)時間、列車時刻表、公告、新聞、賽事、廣告、緊急事件通告等資訊信息，豐富乘客乘車體驗，提高地鐵服務水平和質(zhì)量。車載PIS 從地面PIS 獲取媒體資源和消息，以設定的版式布局，在車廂內(nèi)LCD 顯示屏上顯示[1]。當前，車載PIS 的信息服務主要以車廂內(nèi)固定信息顯示、語音播報為主，還不能充分滿足乘客出行需求，存在信息源不夠豐富、人—車—環(huán)境信息融合度不高、整體智能化程度較低等問題。

2020 年發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》提出，應用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等新興信息技術，構(gòu)建新一代中國式智慧城市軌道交通[1]。為此，圍繞為乘客提供更貼合實際需求、更人性化的信息服務的目標，在情景感知、信息融合處理、信息顯示等環(huán)節(jié)融入新一代信息技術，成為車載PIS 發(fā)展的新方向。本文基于云邊端融合的開放邏輯架構(gòu)，通過邊緣端的智能終端和外部接口設備，實現(xiàn)對線路運營、列車運行、列車內(nèi)外環(huán)境、乘客行為等多源信息的感知，并由設置在邊緣側(cè)的司機室主機完成采集信息的就近解析、融合分析和本地調(diào)度計算，提供基于情景感知、動態(tài)自適應的車載PIS 信息服務。

1 車載PIS 發(fā)展趨勢

作為乘客服務的關鍵系統(tǒng)，車載PIS 的智能化服務將成為必然趨勢，京滬穗等城市軌道交通線路中的車載PIS 正在逐步融入基于情景感知、動態(tài)自適應的服務內(nèi)容，并將很快在全國形成燎原之勢。

1.1 乘客服務信息全面感知

車載乘客信息服務智能化的本質(zhì)是對列車運行中的“人、車、物、事件”等信息的實時采集與分析，將列車實時狀態(tài)、乘客出行、運營處置等數(shù)據(jù)進行關聯(lián)和融合，為乘客出行候車、在途乘車、下車換乘等提供全流程信息服務[2]。在車站、列車的重點位置設置傳感設備、智能儀表、智能客服設施等前端感知設備，對線路運營動態(tài)、列車實時狀態(tài)、內(nèi)外部環(huán)境、乘客行為監(jiān)測等影響乘客服務的關鍵因素進行感知和采集，在此基礎上，結(jié)合相關系統(tǒng)提供的信息，通過多源信息融合與智能調(diào)度，為更加精準、更為人性化的乘客服務提供良好的數(shù)據(jù)基礎。

1.2 服務范圍拓展

除了以動態(tài)圖文、音視頻播放等傳統(tǒng)方式發(fā)布乘客服務信息，車載PIS 在信息獲取、處理、應用等方面有更多擴展。

在北京地鐵六號線，列車門上方、列車車廂通道上方新增4 K 高清顯示屏，乘客可方便地了解到前方車站的洗手間、扶梯、換乘路線、出口位置分布以及前、后車廂的擁擠程度；列車車窗上新增可視化透明屏，顯示列車當前位置、線網(wǎng)圖以及車站三維布局圖等信息；利用車廂內(nèi)布置的感知攝像頭，通過圖像識別和智能分析，可監(jiān)測到乘客暈倒、斗毆、求救等異常事件以及司機的疲勞駕駛等不安全行為，實現(xiàn)異常事件及時感知和快速處置；此外，還可采集列車的滿載率、溫度、濕度、空氣質(zhì)量等信息，為改善乘坐舒適度和改進運營管理提供依據(jù)。

在北京地鐵新機場線，通過車載信息與候車引導屏幕、多媒體屏蔽門的結(jié)合，顯示列車運行位置、車廂擁擠程度、車廂類別（強冷車、弱冷車、行李車）、越行大站快車等動態(tài)信息，及早提醒乘客。

2 車載PIS 情景感知信息源分析

目前，車載PIS 可感知的情景信息源主要包括以下幾類。

（1）CCTV 圖像信息：車載攝像頭采集的圖像信息，通過分析CCTV 圖像信息，可獲取車廂內(nèi)乘客密度分布、乘客異常行為、車內(nèi)異常遺留物品等數(shù)據(jù)。

（2）車內(nèi)環(huán)境信息：通過車內(nèi)FAS 傳感器、BAS（Building Automatic System）傳感器等感知裝置，可獲取車廂內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度、火災煙感等信息。

（3）乘客主動觸發(fā)信息：通過車廂內(nèi)設置的乘客緊急求助按鈕、IBP 盤按鍵等，可獲取乘客求助、緊急異常事件觸發(fā)開關等信息。

（4）相關系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)：通過系統(tǒng)接口獲取的相關信息，包括列車運行（目的站、預計到站時間、即將到站、列車進站、車門開門方向、開門/關門信號等）、線網(wǎng)圖、換乘、車站布局和客服設施等信息。

3 基于乘客服務情景感知信息的車載PIS 架構(gòu)設計

3.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)采用基于情景感知信息的技術方案，通過信息傳感裝置和系統(tǒng)接口采集與乘客服務關聯(lián)的情景感知信息，對采集數(shù)據(jù)進行清洗、分析與融合，根據(jù)優(yōu)先級規(guī)則、時間疊加規(guī)則等進行調(diào)度計算，生成車載PIS 乘客服務信息、版式與播放列表（簡稱：播表）。線路中心采用基于容器與分布式的微服務技術架構(gòu)，將生成的乘客服務信息、版式與播表以微服務方式進行管理和發(fā)布，以支持車載終端實現(xiàn)多樣化、自適應的乘客信息服務；車載PIS 終端采用組件化軟件開發(fā)方式，實現(xiàn)多源乘客服務信息的合成顯示與播放。

按邏輯功能劃分，基于情景感知信息的車載PIS 可劃分為5 個層次，如圖1 所示。

（1）情景信息感知及數(shù)據(jù)采集層

實現(xiàn)情景感知與數(shù)據(jù)采集，主要包括：通過內(nèi)網(wǎng)接口采集的信息，如線路中心運營信息、控制信息等；通過攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)智能分析后生成列車客流量、車內(nèi)異常事件、乘客異常行為等數(shù)據(jù)；通過與TCMS（Train Control and Management System）接口采集的數(shù)據(jù)，包括列車運行、軸重信息（可測算出車廂乘客密度指數(shù)）；通過BAS接口采集的溫度、濕度、PM 值、空氣質(zhì)量、天氣狀況等環(huán)境相關信息。此外，通過車地無線傳輸，可將列車上采集的乘客服務信息傳輸給車站上相關乘客服務設備，如站臺多媒體屏蔽門、站臺和站廳PIS顯示器等。

（2）數(shù)據(jù)融合層

搭建數(shù)據(jù)共享服務平臺，集中存儲采集到的各類與乘客服務關聯(lián)的情景感知數(shù)據(jù)，結(jié)合運營業(yè)務流程、規(guī)則進行建模、分析和融合處理，自動生成車載乘客服務所需的數(shù)據(jù)。

（3）運營信息調(diào)度層

對運營信息優(yōu)先級規(guī)則、時間疊加規(guī)則等業(yè)務策略進行抽象、歸納和數(shù)字化表達，生成乘客信息服務業(yè)務規(guī)則；調(diào)度引擎利用算法庫中的算法，解析和執(zhí)行乘客信息服務業(yè)務規(guī)則，生成乘客服務信息、版式與播表。為提高乘客服務信息調(diào)度處理的及時性，在線路中心、車載主機設置2 級調(diào)度，以快速生成乘客服務信息、版式與播表。

圖1 基于感知信息驅(qū)動的車載PIS 邏輯框架

（4）乘客信息微服務中心層

根據(jù)運營信息調(diào)度層生成的乘客服務信息、版式與播表，以微服務方式注冊、發(fā)布和管理，為包括車載終端在內(nèi)的各種業(yè)務應用提供共享信息訪問服務。

（5）終端合成層

車載PIS 終端一般由工控機或嵌入式主機提供信息合成顯示與播放，可采用容器組件化方式實現(xiàn)，生成乘客服務信息的畫面顯示和音視頻播放。

3.2 系統(tǒng)部署架構(gòu)

可以預見，隨著接入的感知終端越來越多，各種高帶寬、低時延、海量連接的新型應用不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)云管端架構(gòu)難以滿足性能要求，需要由終端和邊緣計算設備及時處理所采集的數(shù)據(jù)并做出響應。如圖2 所示，采用云邊端架構(gòu)的車載PIS 主要包括線路云服務中心、邊緣計算節(jié)點和感知終端。

（1）線路云中心

線路云中心集中管理可伸縮的、彈性的共享物理與虛擬資源池，包括服務器、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡、軟件、應用和存儲設備等[3-4]，通過網(wǎng)絡以按需自服務的方式提供使用；同時，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的融合分析和可視化應用，以微服務方式提供業(yè)務數(shù)據(jù)訪問服務。

（2）邊緣計算節(jié)點

邊緣計算是在靠近人、物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的新網(wǎng)絡架構(gòu)和開放平臺，將傳統(tǒng)集中式云計算的部分計算與存儲能力下移至網(wǎng)絡邊緣，面向用戶和終端就近提供邊緣智能服務[5-6]。系統(tǒng)邊緣計算節(jié)點主要包括車載服務器主機、客室視頻分析主機，側(cè)重于情景感知數(shù)據(jù)的匯聚、存儲處理和智能應用，并完成端與云中心之間的數(shù)據(jù)通信。

（3）感知終端

感知終端側(cè)重于車載視頻數(shù)據(jù)、車載環(huán)境數(shù)據(jù)、乘客異常事件數(shù)據(jù)等的采集和前端智能處理[7-8]，包括攝像頭、各類傳感器、數(shù)據(jù)采集設備及數(shù)據(jù)發(fā)送設備。

云邊端融合構(gòu)成云—邊—端協(xié)同的端到端技術架構(gòu)，將部分網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)、存儲、計算、智能分析等工作下放到邊緣計算節(jié)點，在云中心優(yōu)勢基礎上，形成性能更優(yōu)的彈性云平臺。

圖2 基于云邊端架構(gòu)的車載PIS 方案示意

4 車載PIS 情景感知信息調(diào)度及應用

4.1 邊緣端情景感知信息采集與調(diào)度

在運營過程中，車載PIS 獲取線路中心發(fā)布的服務信息、播放板式、播表等，對列車上邊緣端采集的信息進行處理，根據(jù)業(yè)務規(guī)則、優(yōu)先級、顯示時段等完成本列車乘客服務信息、版式與播表的編排，由終端進行合成顯示和播放。

為提高信息處理效率，在邊緣端就近完成信息處理。車載司機室主機作為邊緣端的核心設備，完成對終端感知設備數(shù)據(jù)的采集、分析、調(diào)度；根據(jù)車載PIS 的業(yè)務需求，處理的信息主要包括線路運營和列車運行的動態(tài)參數(shù)、滾動文本、視頻音頻3 類。

以滾動文本為例，其處理流程框架如圖3 所示。滾動文本的處理規(guī)則為：高優(yōu)先級覆蓋低優(yōu)先級、相同優(yōu)先級疊加顯示。車載PIS 采用2 級調(diào)度方式；先由線路中心進行綜合調(diào)度，生成全線列車乘客服務信息、版式與播表；車載終端主機從線路中心獲取本列車的乘客服務信息版式與播表及相關信息，并結(jié)合自主采集的信息，依據(jù)本地調(diào)度規(guī)則進行二次調(diào)度，生成本列車最終播出的乘客服務信息、版式與播表。這種基于邊緣側(cè)的信息采集和二次調(diào)度方法可提升信息解析、調(diào)度處理的效率，減少車地數(shù)據(jù)傳輸對帶寬的需求。

圖3 線路中心、車載司機室主機2 級調(diào)度邏輯示意

4.2 情景感知信息集成應用

通過對面向乘客服務的情景感知信息的采集、加工、分析與融合，車載PIS 可根據(jù)情景感知信息，自適應地提供更人性化的乘客信息服務，目前可實現(xiàn)的主要集成應用場景如下。

（1）首末班車通告：首班車歡迎音視頻，提醒乘車注意事項；末班車運行告知，提示到站時間。

（2）ATS 到站及開門信息通告：提醒乘客列車到站、通過不停車以及列車開門方向等。

（3）乘客密度信息通告：告知車廂乘客密度指數(shù)、乘客擁擠度情況，方便乘客選擇車廂乘車。

（4）火災煙感報警通告：通報火災煙感等異常情況，及時告知車內(nèi)注意事項、乘車疏散要求等。

（5）車內(nèi)環(huán)境及異常事件通告：車廂環(huán)境情況、溫度、濕度顯示；車廂內(nèi)乘客異常行為警示，乘客遺留異物提示。

（6）交互式數(shù)字車窗信息查詢：采用數(shù)字車窗等新技術，提供車載PIS 信息的交互式查詢，乘客通過功能按鈕自主查詢所需信息，還可結(jié)合車站周邊環(huán)境、重點樞紐、景點等提供地圖查詢等。

（7）與站臺屏蔽門聯(lián)動的多媒體信息顯示：通過車地無線傳輸，實現(xiàn)車地信息聯(lián)動控制和顯示，及時將列車內(nèi)乘客密度指數(shù)、車門異常、車門夾人等信息以多媒體方式顯示在站臺屏蔽門上方和側(cè)方。

5 結(jié)束語

作為乘客服務的重要載體，車載PIS 是智慧城市軌道交通建設的一個重要方面。本文分析當前車載PIS 技術發(fā)展趨勢，提出車載PIS 情景感知服務技術解決方案，采用基于云邊端融合的系統(tǒng)架構(gòu)，充分發(fā)揮車載主機的邊緣計算和數(shù)據(jù)分析能力，通過智能網(wǎng)關實現(xiàn)對多種類型傳感設備、多種傳輸協(xié)議、多種接口設備的泛在接入，并可減少延時，節(jié)省車地無線傳輸帶寬。

隨著5G 通信、人工智能等技術在城市軌道行業(yè)的應用，車載PIS 將會集成更多的智能終端采集設備，與更多相關系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互與共享，及時獲取與乘客出行服務相關的情景感知信息，通過智能調(diào)度引擎，自適應地為乘客提供精準貼合需求、更為人性化的信息服務，助力智慧城市軌道交通的發(fā)展。