智能鐵路客運站2.0總體框架及應(yīng)用研究

彭凱貝，史天運，伍柳伊

智能鐵路客運站2.0總體框架及應(yīng)用研究

彭凱貝1，史天運2，伍柳伊1

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

為深化新信息技術(shù)在鐵路客運站的創(chuàng)新應(yīng)用，進(jìn)一步推動智能鐵路客運站的總體發(fā)展，本文基于已建設(shè)的智能鐵路客運站1.0系統(tǒng)（智能客運站旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺）應(yīng)用現(xiàn)狀，以未來智能化需求為導(dǎo)向，提出了智能鐵路客運站2.0的總體目標(biāo)、設(shè)計理念、典型特征和技術(shù)框架，并給出了基于信息物理融合系統(tǒng)（CPS）的智能鐵路客運站2.0系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然后，結(jié)合車站實際業(yè)務(wù)需求及運營痛點，深入研究快速安檢、智能問詢和客流預(yù)測等智能鐵路客運站2.0典型應(yīng)用場景的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)信息技術(shù)與客運站運營管理、旅客服務(wù)的深度融合。最后，通過搭建智能鐵路客運站2.0智能安檢平臺環(huán)境，開展了行李X光圖像智能判別試驗，證實智能鐵路客運站2.0的可行性和有效性。

鐵路運輸；鐵路信息化；信息物理融合系統(tǒng)；智能高鐵；智能客運車站

0 引 言

近年來大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能機(jī)器人、人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，促使鐵路行業(yè)快速進(jìn)入智能時代，對鐵路的發(fā)展提出更高要求[1]。國內(nèi)外多個鐵路企業(yè)制定了鐵路智能化發(fā)展戰(zhàn)略，旨在促進(jìn)鐵路業(yè)務(wù)與新技術(shù)高度融合。法國國家鐵路公司（SNCF）建設(shè)智能旅客服務(wù)系統(tǒng)，打造智能化移動助理，旅客可以在手機(jī)終端自定義行程，系統(tǒng)將多種交通方式統(tǒng)籌銜接提供最優(yōu)行程方案，并實時提醒事故及延誤情況[2]。德國鐵路公司（DB）實施“鐵路4.0戰(zhàn)略”以改善和擴(kuò)大車站服務(wù)，通過開發(fā)智能管控平臺、優(yōu)化運行圖方案等方式改善旅客服務(wù)[3]。2017年國鐵集團(tuán)正式啟用智能京張、智能京雄等重大工程建設(shè)，并將打造智能客運站作為一項明確的具體任務(wù)[4]。鐵科院集團(tuán)公司創(chuàng)新提出“2+1+4+N”的智能鐵路客運站總體藍(lán)圖，其目標(biāo)是生產(chǎn)組織高效、旅客出行暢通、安全實時監(jiān)控、綠色節(jié)能環(huán)保，全面提升車站的旅客服務(wù)和管理水平[5]。

綜上所述，新一代人工智能技術(shù)極大地推動了人類邁進(jìn)智能化社會，傳統(tǒng)客運車站逐漸無法滿足現(xiàn)代交通的需求，車站智能化、信息化建設(shè)已成為未來發(fā)展建設(shè)的重要方向。本文在深入分析我國鐵路客運站智能化發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，明確了智能鐵路客運站2.0的建設(shè)目標(biāo)，提出了智能車站2.0總體框架，研究智能鐵路客運站2.0關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)方案，搭建了智能車站2.0應(yīng)用環(huán)境。通過上述工作，對鐵路智能客運車站進(jìn)行深入的分析，為中國鐵路客站智能化發(fā)展提供了有力的理論和實踐支撐。

1 智能鐵路客運站概況

1.1 現(xiàn)狀分析

鐵路客運車站作為一個龐大的功能集合體，負(fù)責(zé)出行旅客的進(jìn)站候車、站臺登車和下車出站，在整個鐵路運輸系統(tǒng)中具有非常重要的地位。目前已建的智能客站旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺（智能客站大腦），屬于智能鐵路客運站1.0系統(tǒng)，實現(xiàn)了鐵路旅客服務(wù)系統(tǒng)集成管理平臺、客運管理信息系統(tǒng)、客運設(shè)備管理應(yīng)用和客運站應(yīng)急指揮應(yīng)用等四個方面的融合創(chuàng)新[6]。采用數(shù)據(jù)庫集成、應(yīng)用集成、界面集成、用戶集成、接口集成的方式，打造覆蓋除客票系統(tǒng)外的鐵路客運業(yè)務(wù)集成化平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)功能全面集成、硬件資源統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)資源實時共享、生產(chǎn)資源實時管控和協(xié)同聯(lián)動，為鐵路客運車站的智能化發(fā)展提供有力的平臺支撐[7, 8]。目前，該系統(tǒng)已在長沙南站、昆明南站及鄭州東站完成部署及試點工作，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，較好地支撐了客運站相關(guān)業(yè)務(wù)的開展，有效提升了旅客服務(wù)質(zhì)量和客運生產(chǎn)作業(yè)效率。

1.2 存在問題

智能鐵路客運站1.0系統(tǒng)的建設(shè)，打破了客運站信息系統(tǒng)獨立部署、獨立操作、獨立管理的孤島模式，深度集成了各客運信息系統(tǒng)功能。但其側(cè)重于功能及數(shù)據(jù)的集成匯聚，對旅客出行服務(wù)及車站資源狀態(tài)監(jiān)測的考量較薄弱，仍存在以下問題：

（1）安檢智能化水平不高。車站安檢采用人物分離模式，導(dǎo)致排隊和擁堵風(fēng)險增加，給旅客出行造成不便。行李安檢圖像和人身安檢主要依賴于人工作業(yè)，安檢人員勞動強(qiáng)度大，易疲勞，易受外界干擾。

（2）旅客換乘接駁體驗較差。在站內(nèi)或站前廣場與地方交通接駁區(qū)域中，由于存在引導(dǎo)標(biāo)識不準(zhǔn)確、不連續(xù)和流線設(shè)計不合理等因素，造成旅客換乘接駁不順暢的問題。

（3）信息發(fā)布方式不夠完善。車站未建設(shè)統(tǒng)一的交通信息發(fā)布平臺，無法實現(xiàn)旅客與地方公共交通方式之間的信息快速推送與交互，旅客接收信息滯后，無法掌握當(dāng)?shù)貙崟r交通信息。

（4）新技術(shù)的應(yīng)用深度不足。目前人工智能等新技術(shù)與客運業(yè)務(wù)結(jié)合的深度和廣度不夠，且面向旅客的智能化、差異化、人性化服務(wù)較少。

（5）未實現(xiàn)資源按需配置。車站涉及大量的人員、眾多的設(shè)備和復(fù)雜多變的環(huán)境，無法根據(jù)以往客流情況來預(yù)測未來某一時刻客流情況并動態(tài)配置設(shè)備，造成資源浪費。

（6）未建立數(shù)字車站模型。目前數(shù)字孿生車站僅停留在概念階段，沒有實際構(gòu)建車站的數(shù)字化模型，未實現(xiàn)對車站狀態(tài)的高質(zhì)量仿真及模擬。

2 智能鐵路客運站2.0總體框架

2.1 智能鐵路客運站2.0總體目標(biāo)

智能客運站2.0主要以精準(zhǔn)安檢、便捷換乘、信息發(fā)布、智能應(yīng)用、資源配置、數(shù)字孿生等為切入點，利用新一代人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)為創(chuàng)新驅(qū)動，建設(shè)智能客運站大腦2.0，從而達(dá)到出行便捷、信息共享、資源優(yōu)化、科學(xué)決策等目標(biāo)。

2.2 智能鐵路客運站2.0設(shè)計理念

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-physical Systems, CPS）是通過計算、通信與控制技術(shù)的有機(jī)深度融合，實現(xiàn)計算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)的下一代智能系統(tǒng)[9]。其特點是信息空間與物理空間之間相互映射，實時分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，智能模型提供最優(yōu)決策，執(zhí)行器對決策實時反饋。最終解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化[10-12]。

智能鐵路客運站2.0是典型的CPS，C即是車站信息系統(tǒng)，包括信息感知、信息處理、信息控制和信息決策等，是由物理實體對應(yīng)的精確數(shù)字模型組成的不可見的數(shù)字世界；P即是車站物理系統(tǒng)，是由站內(nèi)設(shè)備、移動終端、旅客、環(huán)境等多個可見的物理實體構(gòu)成的真實世界。傳感器采集車站數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳到信息空間，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)整合分析海量數(shù)據(jù)為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)資源，形成數(shù)據(jù)資源池。數(shù)據(jù)資源可以訓(xùn)練人工智能算法，形成適用于車站業(yè)務(wù)的模型，輔助車站管理人員作出最優(yōu)決策。車站工作人員再反向控制物理系統(tǒng)的執(zhí)行器，最終形成一個相互迭代的閉環(huán)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以有效地提高車站服務(wù)質(zhì)量。

圖1 智能客運站2.0的CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 智能鐵路客運站2.0典型特征

智能鐵路客運站2.0將利用人工智能等新技術(shù)為旅客出行和站內(nèi)工作人員生產(chǎn)指揮服務(wù)提供自助化、智能化的基礎(chǔ)支撐，表現(xiàn)出五大特征：快速安檢、便捷換乘、精準(zhǔn)服務(wù)、智能決策、主動運維。

（1）快速安檢

利用圖像識別、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合等新技術(shù)構(gòu)建快速精準(zhǔn)的安檢系統(tǒng)，打造進(jìn)站安檢新模式，實現(xiàn)旅客安全、便捷、有序的進(jìn)站安檢，縮短旅客排隊安檢時間，提升進(jìn)站效率。

（2）便捷換乘

通過提前介入設(shè)計、合理規(guī)劃流線、明晰引導(dǎo)標(biāo)識等方式，幫助有換乘需求的旅客在站內(nèi)完成中轉(zhuǎn)換乘，顯著縮短換乘中轉(zhuǎn)時間，使旅客出行更加方便快捷。

（3）精準(zhǔn)服務(wù)

基于人臉識別、語音識別、人機(jī)交互等新技術(shù)，為普通旅客及重點旅客提供自助進(jìn)出站、差異化安檢、自助售取票、多語言自助問答等多層次、無障礙的個性化服務(wù)。

（4）智能決策

利用大數(shù)據(jù)、云計算及人工智能技術(shù)，建立客運車站的數(shù)字模型，預(yù)測客流的變化情況，并依據(jù)預(yù)測結(jié)果調(diào)配生產(chǎn)和服務(wù)資源，實現(xiàn)對客運組織的智能輔助決策。

（5）主動運維

利用車站業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、車站物理模型、感知設(shè)備，建立真實車站數(shù)字化模型，從而在虛擬的賽博空間中對車站進(jìn)行仿真和模擬，實現(xiàn)對車站設(shè)備、人員、環(huán)境的實時監(jiān)控、主動預(yù)警、可視化分析及數(shù)據(jù)回溯等功能。

2.4 智能鐵路客運站2.0技術(shù)框架

智能鐵路客運站2.0的總體技術(shù)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、智能分析層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層等5個層次，如圖2所示。

圖2 智能鐵路客運站2.0技術(shù)框架

（1）數(shù)據(jù)感知層，采集車站內(nèi)設(shè)備、旅客、環(huán)境等各類信息，全方位感知客運站運行環(huán)境，同時將車站狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化處理。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層，通過車站網(wǎng)絡(luò)將站內(nèi)各業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提供感知設(shè)備、終端與信息系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)存儲層，挖掘匯總站內(nèi)各個業(yè)務(wù)的有效信息數(shù)據(jù)，對站內(nèi)客運數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲、管理，建模形成知識庫，提供核心的數(shù)據(jù)支撐。

（4）智能分析層，利用AI（Artificial Intellig- ence）模型算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)計算，提 供為車站智能化輔助決策并驅(qū)動物理實體執(zhí)行計劃。

（5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層，在車站數(shù)據(jù)和AI算法支撐下，開發(fā)車站所需新業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，為車站管理提供最優(yōu)業(yè)務(wù)策略，滿足出行旅客需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 快速安檢關(guān)鍵技術(shù)

（1）行李X光圖像危險物品檢測的人機(jī)協(xié)同技術(shù)

行李X光安全檢查是確保鐵路客運車站安全的重要措施，提升其安全性和便捷性是安檢業(yè)務(wù)中亟須解決的問題。開發(fā)面向禁限帶物品的智能檢測算法有助于提高安檢效率、降低安檢人員的勞動強(qiáng)度。但是，由于安檢環(huán)境的開放性和行李物品的不確定性，尋求完全無漏檢的自動檢測算法是困難的。因此，提出一種人在回路的行李安檢智能系統(tǒng)架構(gòu)，將安檢員的經(jīng)驗與自動檢測算法結(jié)合起來，以期同時提高安檢效率和安全性。人在回路的行李安檢智能系統(tǒng)架構(gòu)的工作流程如圖3所示。

圖3 行李X光圖像危險物品檢測的人機(jī)協(xié)同架構(gòu)

（2）基于RefineDet的危險物品檢測算法

本文提出一種基于RefineDet的危險物品檢測方法。在SSD（Single Shot Multibox Detector）基礎(chǔ)上引入默認(rèn)框的由粗到細(xì)的級聯(lián)回歸，既保持了單階段檢測算法速度快的優(yōu)點，又提高了單階段檢測網(wǎng)絡(luò)的精度。預(yù)測框預(yù)測的級聯(lián)回歸策略有助于提高網(wǎng)絡(luò)對物品形狀變化的魯棒性。因此，借鑒這種級聯(lián)回歸策略，使用新的特征增強(qiáng)方法來消除無關(guān)物品對目標(biāo)類物品的干擾，添加新的數(shù)據(jù)增廣方法，分別用于降低網(wǎng)絡(luò)對安檢圖像噪聲的敏感性，提高網(wǎng)絡(luò)對物品旋轉(zhuǎn)的魯棒性，使檢測網(wǎng)絡(luò)對各種形狀的物品都能得到充分訓(xùn)練。

（3）人-物關(guān)聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)

建立基于大數(shù)據(jù)的人-物數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，研究基于大數(shù)據(jù)的人-物數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)模型和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，包括人員信息和物品類別的關(guān)聯(lián)。開發(fā)人與所攜帶物品關(guān)系的自主學(xué)習(xí)框架，采用物品檢測模型與人體姿態(tài)估計模型相結(jié)合的人穿攜物品檢測定位方法，實現(xiàn)人物關(guān)系檢測[13]，用于旅客和所攜帶行李綜合評價的安全評估機(jī)制，包括綜合風(fēng)險評估、自動化決策等。

3.2 智能問詢關(guān)鍵技術(shù)

（1）面向旅客服務(wù)具體場景的語料庫構(gòu)建技術(shù)

利用從車站客運服務(wù)手冊、互聯(lián)網(wǎng)資源中采集的大量語料資源，通過預(yù)處理生成中文分詞及詞向量，利用TensorFlow構(gòu)建生成智能應(yīng)答語料庫，同時考慮旅客服務(wù)具體場景（如語音/文字查詢車次、余票、洗手間分布、售取票機(jī)位置、候車站臺編號、車站附近住宿美食等），利用AIML（Artificial Intelligence Markup Language）生成情景式智能應(yīng)答語料庫，兩個應(yīng)答語料庫可實現(xiàn)相互調(diào)用。

（2）面向旅客情緒分類的語音識別技術(shù)

旅客情緒可分為平和與著急兩類，將不同情緒對應(yīng)的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提取短時域特征和長時域特征，實現(xiàn)語音的情感分類。當(dāng)旅客情緒處于平和狀態(tài)，可由智能語音客服完成服務(wù)；當(dāng)旅客情緒處于著急狀態(tài)時，快速跳轉(zhuǎn)接至人工服務(wù)，同時通知現(xiàn)場工作人員前往做好情緒安撫準(zhǔn)備，防止旅客情緒失控。

3.3 客流預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)

基于車站進(jìn)出閘機(jī)的客流數(shù)據(jù)、售票數(shù)據(jù)、視頻圖像識別數(shù)據(jù)、WiFi探針數(shù)據(jù)等歷史數(shù)據(jù)，并綜合考慮節(jié)假日、大型活動、極端天氣及換乘公交、地鐵時刻表等影響因素，深度挖掘客流規(guī)律及客流分布特征，建立傳統(tǒng)時間序列與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的預(yù)測模型，實現(xiàn)對車站關(guān)鍵區(qū)域（進(jìn)站口、候車室、站臺等）的實時客流預(yù)測（5 min客流量及小時客流量）、短期客流預(yù)測（一周客流量）及節(jié)假日客流預(yù)測，提前預(yù)警可能發(fā)生擁擠、人群聚集的區(qū)域，便于車站工作人員提前決策并編制應(yīng)對方案。

4 試驗驗證

選取車站安檢為典型應(yīng)用場景，搭建智能車站2.0精準(zhǔn)安檢試驗環(huán)境，通過實現(xiàn)違禁品智能判別功能來證實上文所提內(nèi)容的可行性和有效性。

安檢智能判圖系統(tǒng)大量采集安檢領(lǐng)域的X光圖像，構(gòu)建違禁品的樣本數(shù)據(jù)集。通過深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圖像識別模型進(jìn)行訓(xùn)練，建立智能識別違禁品算法模型。該模型可識別8類違禁品并標(biāo)記出其位置和類別名稱實現(xiàn)智能判圖，幫助安檢員快速查出可疑危險物品，降低安全檢查人員的工作強(qiáng)度和工作壓力。將X光數(shù)據(jù)集按6∶4的比例劃分成訓(xùn)練集和測試集，共訓(xùn)練30輪，最終結(jié)果如表1所示。將一張含有目標(biāo)危險品的X光安檢圖像輸入網(wǎng)絡(luò)模型，模型可以輸出對該圖片預(yù)測到的危險品種類，以及包含該危險物品的矩形框相對于輸入圖片的坐標(biāo)和矩形框內(nèi)的分割掩碼。將預(yù)測到的結(jié)果結(jié)合起來，就是X光安檢圖像危險物品檢測的最終結(jié)果，檢測結(jié)果如圖7所示。

表1 SSD系列檢測算法在SYH數(shù)據(jù)集上的實驗結(jié)果

圖4 X光安檢圖像危險品可視化結(jié)果圖

5 結(jié)束語

本文基于信息物理融合理論提出了智能鐵路客運站2.0的基本理念、目標(biāo)、典型特征和總體架構(gòu)。其次，分別闡述了智能精準(zhǔn)安檢關(guān)鍵技術(shù)、智能問詢關(guān)鍵技術(shù)、客流預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)等智能鐵路客運站2.0核心技術(shù)。最后，搭建了智能精準(zhǔn)安檢試驗環(huán)境，以智能判圖典型應(yīng)用為例驗證了智能鐵路客運站2.0的可行性和有效性。智能鐵路客運站2.0作為未來智能客運站的發(fā)展方向，能夠有效地實現(xiàn)客運站中物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的深度融合，為旅客提供更溫馨便捷的出行服務(wù)，提高車站安全保障水平，降低運營成本，提升中國鐵路的核心競爭力。

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General Framework and Application for Intelligent Railway Passenger Station 2.0

PENG Kai-bei1, SHI Tian-yun2, WU Liu-yi1

(1. Institute of Computing Technology, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China; 2. China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China)

Guided by future intelligent needs for railway passenger stations, we present the overall goal, design concept, typical features, and technical framework of intelligent railway passenger station 2.0. Our goal is to deepen the innovative application of new information technology in railway passenger stations and further promote the overall development of intelligent railway passenger stations. The architecture of intelligent railway passenger station 2.0 of CPS was presented on the basis of the intelligent railway passenger station 1.0 system (passenger service and production control platform of intelligent railway passenger station). In combination with the actual business needs of the station and the pain points of the operation, the key technologies of the typical application scenarios of intelligent railway passenger station 2.0 (e. g., rapid security inspection, intelligent inquiry, and passenger flow prediction) were thoroughly studied to realize a deep integration of information technology into the railway station. Finally, a test of X-ray intelligent discrimination was conducted through the construction of an intelligent security environment, which proves the feasibility and effectiveness of intelligent railway passenger station 2.0.

railway transportation; railway informatization; Cyber-physical Systems; intelligent railway; intelligent railway passenger station

1672-4747（2021）02-0119-07

U29-39

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2021.02.014

2020-07-06

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司重大課題（2018YJ102）

彭凱貝（1988—），男，北京人，助理研究員，研究方向：智能軌道交通，E-mail：pengkaibei@126.com

史天運（1967—），男，山西運城人，研究員，研究方向：智能鐵路技術(shù)，E-mail：shitianyun@sina.com

彭凱貝，史天運，伍柳伊. 智能鐵路客運站2.0總體框架及應(yīng)用研究[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報，2021, 19(2): 119-125.

PENG Kai-bei, SHI Tian-yun, WU Liu-yi. General Framework and Application for Intelligent Railway Passenger Station 2.0 [J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(2): 119-125.

（責(zé)任編輯：李愈）