地鐵智慧車(chē)站運(yùn)營(yíng)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范東明 胡恩華 張兵建

目前，在城市軌道交通車(chē)站客運(yùn)管理建設(shè)中尚存在一些不足，比如：不能及時(shí)掌握故障點(diǎn)及站內(nèi)關(guān)鍵客流擁堵位置，在特殊事件發(fā)生時(shí)不能快速引導(dǎo)乘客到達(dá)安全出口；站內(nèi)缺乏協(xié)同指揮能力與信息共享能力，車(chē)站工作人員還停留在使用移動(dòng)對(duì)講溝通階段，不能有效分享位置信息等。隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的快速發(fā)展，提升車(chē)站客運(yùn)管理、聯(lián)動(dòng)能力和車(chē)站管理效率，已逐步成為未來(lái)車(chē)站發(fā)展趨勢(shì)和建設(shè)要求。為此，將BIM（建筑信息模型）、視頻監(jiān)測(cè)、人員定位、設(shè)備監(jiān)控、遠(yuǎn)程排故等技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)了智慧車(chē)站運(yùn)營(yíng)指揮系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智慧車(chē)站運(yùn)營(yíng)指揮系統(tǒng)主要應(yīng)提升客流管理、站點(diǎn)管理、行車(chē)組織、乘客服務(wù)、運(yùn)維管理等方面的效率，需實(shí)現(xiàn)車(chē)站內(nèi)的聯(lián)動(dòng)指揮，要保障在大客流場(chǎng)景下應(yīng)急預(yù)案的執(zhí)行。該系統(tǒng)部署在管理網(wǎng)域，通過(guò)與線網(wǎng)數(shù)據(jù)中心對(duì)接，實(shí)時(shí)接收ATS（列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)）信息、稱重信息、AFC（自動(dòng)售檢票系統(tǒng)）清分?jǐn)?shù)據(jù)、公安視頻數(shù)據(jù)，并通過(guò)接口服務(wù)器接收視頻分析數(shù)據(jù)、藍(lán)牙定位信息、手機(jī)信令及移動(dòng)視頻信息。采用單向網(wǎng)閘對(duì)管理網(wǎng)和生產(chǎn)網(wǎng)進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)各系統(tǒng)的報(bào)警和實(shí)時(shí)狀態(tài)信息傳輸，從而構(gòu)建一個(gè)完整的指揮系統(tǒng)。地鐵智慧車(chē)站運(yùn)營(yíng)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

在車(chē)站生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)部署視頻分析服務(wù)器，負(fù)責(zé)車(chē)站視頻圖像采集、處理和智能識(shí)別分析，并將結(jié)果經(jīng)網(wǎng)閘實(shí)時(shí)發(fā)送給熱力圖服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)加工，最后由BIM 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總展示；藍(lán)牙定位系統(tǒng)由硬件定位設(shè)備、定位引擎和應(yīng)用軟件組成，提供車(chē)站工作人員實(shí)時(shí)位置、運(yùn)行軌跡、行為分析等信息，并將信息實(shí)時(shí)發(fā)送至BIM 服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)人員布崗、客流路線功能；將稱重信息、AFC清分信息、手機(jī)信令等數(shù)據(jù)上傳至應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行綜合處理，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析對(duì)客流趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)送至BIM 服務(wù)器進(jìn)行匯總展示。

圖1 智慧車(chē)站運(yùn)營(yíng)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能邏輯結(jié)構(gòu)如圖2 所示，分為設(shè)備數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)分析層和應(yīng)用層。依托于視頻監(jiān)控、視頻分析、路徑規(guī)劃、信令分析、模型優(yōu)化等算法，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)BIM 車(chē)站及設(shè)備展示、客流預(yù)測(cè)、客流路徑規(guī)劃、客流熱力圖、人員布崗及定位、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）遠(yuǎn)程排故、區(qū)域客運(yùn)組織、客運(yùn)預(yù)案調(diào)整等功能。

圖2 系統(tǒng)功能邏輯結(jié)構(gòu)圖

2.1 客流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

將接入車(chē)站的高清視頻流數(shù)據(jù)、車(chē)站周邊視頻數(shù)據(jù)和移動(dòng)視頻數(shù)據(jù)等，運(yùn)用視頻分析技術(shù)，實(shí)時(shí)識(shí)別區(qū)域內(nèi)的客流密度、流向、速度等信息，繪制客流熱力狀態(tài)圖，并將數(shù)據(jù)疊加到BIM 車(chē)站模型，實(shí)時(shí)反饋客流擁擠情況。

連接5G 網(wǎng)絡(luò)，從電信運(yùn)營(yíng)商的基站獲取手機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)量信息，通過(guò)解碼分析獲取手機(jī)當(dāng)前掃頻信息，并與儀表測(cè)量值進(jìn)行比較，獲取手機(jī)所在網(wǎng)格。由手機(jī)掃頻定時(shí)器信息，不斷進(jìn)行更新，建立動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)手機(jī)位置數(shù)據(jù)。

通過(guò)AFC 獲取進(jìn)、出站客流及歷史客流情況，提供客流實(shí)時(shí)監(jiān)視功能；并結(jié)合實(shí)時(shí)客流和歷史客流，進(jìn)行客流動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)分析，提前預(yù)知可能的大客流情況，便于指揮人員及時(shí)調(diào)整客流和行車(chē)的組織策略，為乘客提供更好的服務(wù)。

2.2 應(yīng)急客流組織與行車(chē)組織

目前調(diào)度員只能通過(guò)CCTV（閉路電視） 畫(huà)面查看客流情況，且同時(shí)查看畫(huà)面數(shù)量有限；當(dāng)線路上突發(fā)大客流時(shí)，調(diào)度員只能憑據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇運(yùn)控策略。

在本系統(tǒng)中，采用手機(jī)信令、視頻分析等多種手段采集關(guān)鍵點(diǎn)客流信息，并根據(jù)實(shí)時(shí)客流信息，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行客流疏散。對(duì)線路行車(chē)信息實(shí)時(shí)監(jiān)視，通過(guò)與線路信號(hào)系統(tǒng)接口，獲取ATS 實(shí)時(shí)列車(chē)運(yùn)行信息，從而掌握列車(chē)運(yùn)行動(dòng)態(tài)；根據(jù)車(chē)站及場(chǎng)館周邊不同的客流場(chǎng)景，及時(shí)調(diào)整組織策略，根據(jù)不同的應(yīng)急預(yù)案，采用可視化BIM的方式，展現(xiàn)出、入口的開(kāi)放/關(guān)閉狀態(tài)；利用藍(lán)牙定位技術(shù)，在車(chē)站模型中提供站務(wù)人員定位功能，實(shí)時(shí)掌握站務(wù)人員到位布崗情況；動(dòng)態(tài)設(shè)置欄桿開(kāi)啟/關(guān)閉，調(diào)整客流流向，以便實(shí)現(xiàn)客流與列車(chē)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，聯(lián)合指揮。

根據(jù)運(yùn)營(yíng)策略和實(shí)時(shí)客流數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)跟蹤交路配比、每個(gè)交路車(chē)輛對(duì)數(shù)、運(yùn)行間隔以及備車(chē)數(shù)量等配置。如果發(fā)現(xiàn)客流和運(yùn)營(yíng)策略不匹配，及時(shí)預(yù)警并給出相應(yīng)的調(diào)整建議，供網(wǎng)調(diào)決策后下發(fā)線路調(diào)度執(zhí)行。

2.3 AR 遠(yuǎn)程排故

基于5G 網(wǎng)絡(luò)的AR 遠(yuǎn)程排故是一種創(chuàng)新高效的實(shí)時(shí)多方協(xié)作應(yīng)用，利用5G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延的特性，通過(guò)AR 眼鏡的即時(shí)傳遞，將第一視角高清視頻信息發(fā)送至指揮中心，極大地提高了運(yùn)營(yíng)工作效率。

AR 遠(yuǎn)程排故工作模式：現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員佩戴AR 眼鏡，通過(guò)攝像頭采集第一視角畫(huà)面，將信號(hào)通過(guò)5G 傳至AR 維護(hù)云，再轉(zhuǎn)發(fā)至專家端，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員在通信過(guò)程中始終保持雙手操作，專家端指導(dǎo)，同時(shí)配合語(yǔ)音識(shí)別交互，后臺(tái)管理自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

主要功能：①第一視角畫(huà)面多方共享，沉浸式的通信體驗(yàn)如同親臨現(xiàn)場(chǎng)；②凍屏標(biāo)注、實(shí)時(shí)標(biāo)注，遠(yuǎn)程用戶可以一鍵暫停通信畫(huà)面或直接在畫(huà)面上進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)注，指導(dǎo)結(jié)果將同步展現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)用戶視野中；③多方、多終端協(xié)作，多人通信支持一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多等各種場(chǎng)景，且用戶可以自由選擇接入通信的終端設(shè)備；④支持在通信過(guò)程中傳輸多種類型的文件，包括文檔、圖片、視頻等；⑤可以直接記錄、保存現(xiàn)場(chǎng)一手?jǐn)?shù)據(jù)，并對(duì)任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，便于信息的管理與追溯。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維熱力圖繪制

通過(guò)BIM 模型疊加熱力影像，將視頻分析、手機(jī)信令對(duì)客流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，疊加渲染算法，繪制客流熱力狀態(tài)圖，可以實(shí)時(shí)反饋客流擁擠狀況，及時(shí)掌握站內(nèi)故障點(diǎn)及客流擁堵點(diǎn)，并開(kāi)展分流、引流工作，具體方法如下：

1）從服務(wù)端獲取繪制熱力圖所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包含客流關(guān)鍵位置坐標(biāo)點(diǎn)、區(qū)域范圍、客流密度值、熱力圖形狀類型等。根據(jù)每個(gè)坐標(biāo)創(chuàng)建一個(gè)二維數(shù)據(jù)，數(shù)組長(zhǎng)度為數(shù)據(jù)中區(qū)域范圍的大小，數(shù)組的值根據(jù)客流密度值和形狀進(jìn)行計(jì)算，使數(shù)組的值從中心到邊緣平滑變化，中心大，邊緣小，之后將所有點(diǎn)繪制到畫(huà)布上，每個(gè)點(diǎn)給予較低的透明度。

2）獲取畫(huà)布每個(gè)點(diǎn)的位數(shù)據(jù)，根據(jù)其alpha 值（alpha ∈［0，255］） 的大小，計(jì)算每一位r，g，b（顏色標(biāo)準(zhǔn)）的值，得出所有新的位數(shù)據(jù)；然后重新繪制，使之呈現(xiàn)紅色至藍(lán)色漸變。對(duì)所有點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出每個(gè)點(diǎn)的密度值，依據(jù)密度值由低到高繪制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3）創(chuàng)建一張圖片，大小與區(qū)域范圍等比，根據(jù)上一步生成的數(shù)組，為圖片相應(yīng)的像素點(diǎn)賦值顏色，將創(chuàng)建的圖片賦值到3D 平面上，就可以在3D場(chǎng)景中顯示出熱力圖效果。

3.2 三維場(chǎng)景定位

三維場(chǎng)景定位技術(shù)可以在客流密集流動(dòng)性較大的車(chē)站中，掌握每個(gè)工作人員的實(shí)時(shí)位置，方便統(tǒng)一調(diào)度管理，遇到突發(fā)狀態(tài)可以通過(guò)調(diào)度平臺(tái)，調(diào)度距離最近的工作人員去處理問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景定位需要由3 部分組成：①工作人員佩戴的手環(huán)，負(fù)責(zé)發(fā)送定位數(shù)據(jù)；②在車(chē)站中安裝的基站，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)；③定位引擎軟件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。即通過(guò)基站實(shí)時(shí)獲取手環(huán)定位坐標(biāo)信息，定位引擎軟件，根據(jù)三維地形三個(gè)坐標(biāo)的最值建立其外切長(zhǎng)方體，并以多維數(shù)組形式存儲(chǔ)長(zhǎng)方體頂點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算各頂點(diǎn)變換后坐標(biāo)。在三維場(chǎng)景中計(jì)算得出地形值（X，Y，Height［x］［y］），從而把獲取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維場(chǎng)景坐標(biāo)系的坐標(biāo)，由于模型是按實(shí)際比例1：1 建模，處理數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行比例轉(zhuǎn)換。定位技術(shù)中的難點(diǎn)是將手環(huán)發(fā)送的實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息進(jìn)行分析和過(guò)濾，從而在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)虛擬人物的自動(dòng)尋路。

自動(dòng)尋路采用A*算法。該算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑最有效的方法，其公式為F（n）=G（n）+H（n），其中F（n）是節(jié)點(diǎn)n 從初始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的估價(jià)函數(shù)，G（n）是在狀態(tài)空間中從初始節(jié)點(diǎn)到n 節(jié)點(diǎn)的實(shí)際代價(jià)函數(shù)，H（n）是從n 節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最佳路徑的估價(jià)函數(shù)。找到最短路徑條件關(guān)鍵是H（n）的選取。在本系統(tǒng)中，手環(huán)發(fā)送的實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息的頻率是每秒3 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，所以只需從3 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)中計(jì)算最佳估價(jià)（距離）即可。

把計(jì)算后的最佳坐標(biāo)數(shù)據(jù)賦值給三維人物模型，模擬人物沿著計(jì)算好的路徑移動(dòng)?？紤]到數(shù)據(jù)異常情況，需對(duì)定位進(jìn)行容錯(cuò)處理。若最新數(shù)據(jù)距離當(dāng)前位置過(guò)遠(yuǎn)（或消失），在視覺(jué)定位失效時(shí)，利用前一幀位置信息和后續(xù)合格數(shù)據(jù)進(jìn)行加速度積分運(yùn)算，估算人物模型所在位置，補(bǔ)全缺失數(shù)據(jù)。這樣可以有效處理快速移動(dòng)和移動(dòng)延時(shí)的問(wèn)題。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，該系統(tǒng)已在上海地鐵徐涇東站現(xiàn)場(chǎng)指揮點(diǎn)部署使用。由于進(jìn)博會(huì)期間約半數(shù)參展觀展客可能經(jīng)徐涇東站進(jìn)入展館，因此為了保障交通安全有序，指揮系統(tǒng)對(duì)進(jìn)博會(huì)場(chǎng)館客流和徐涇東站、虹橋火車(chē)站、諸光路站3 個(gè)周邊站點(diǎn)客流，以及上海2 號(hào)線、10 號(hào)線、17 號(hào)線線路客流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了“進(jìn)博三線”之間的運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)，以及“進(jìn)博三站”之間的聯(lián)動(dòng)指揮，從而形成“三線三站”的區(qū)域化聯(lián)合指揮體系，大幅提升地鐵行車(chē)組織、客運(yùn)組織及維護(hù)保障等服務(wù)能力。

在客流管理方面，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)“三線三站”的客流信息和進(jìn)博會(huì)場(chǎng)館的客流數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)15 min的客流情況（如預(yù)測(cè)排隊(duì)時(shí)間），讓指揮人員可以更有效地判斷當(dāng)日運(yùn)營(yíng)組織和工作計(jì)劃，必要時(shí)提前啟動(dòng)客流應(yīng)急管理預(yù)案。該系統(tǒng)不僅能夠獲取“人”的信息，還能實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛稱重信息，從而計(jì)算列車(chē)運(yùn)能。當(dāng)客流與運(yùn)能不匹配時(shí)，及時(shí)給出黃、橙、紅三色預(yù)警，并給出開(kāi)啟疏散通道、閘機(jī)或電扶梯等設(shè)備運(yùn)行方式、出入口開(kāi)啟/關(guān)閉，以及地面客流疏散引導(dǎo)等建議。

此外，地鐵工作人員的管理也將呈現(xiàn)全新的數(shù)字化模式。如利用定位手環(huán)，站務(wù)員可實(shí)時(shí)同步到位布崗；通過(guò)AR 眼鏡，指揮人員可第一視角指導(dǎo)站務(wù)員處理突發(fā)情況。而在運(yùn)維管理方面，系統(tǒng)也新增了維護(hù)保障人員待命狀態(tài)、基于AR 的遠(yuǎn)程排故、維保人員值班等信息。后續(xù)還將根據(jù)多專業(yè)運(yùn)維平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備故障情況，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)與運(yùn)維的智能聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)展示效果見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)展示效果

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹的智慧車(chē)站運(yùn)營(yíng)指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在客運(yùn)組織、客運(yùn)服務(wù)、客流分析上的深化管理，并初步實(shí)現(xiàn)了智慧運(yùn)營(yíng)、智慧服務(wù)、智慧維保。該系統(tǒng)的成功上線，對(duì)于我國(guó)進(jìn)一步推行智慧地鐵建設(shè)具有一定的示范性意義，也為業(yè)界同仁提供參考性案例和數(shù)據(jù)。