大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在智慧地鐵上的應(yīng)用分析

余 凱

（武漢烽火信息集成技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

在城鎮(zhèn)化不斷推進(jìn)的背景下，城鎮(zhèn)人口迅速增加，使得城市的交通越來越擁擠。傳統(tǒng)公共交通運(yùn)客量不足，地鐵系統(tǒng)的建造極大地緩解了城市內(nèi)部的交通擁堵問題。截至2020年12月31日，北京地鐵系統(tǒng)開通了24條運(yùn)營網(wǎng)線，全長727 km，共428個站點(diǎn)，單日最高客運(yùn)量達(dá)1 327.46萬人次?？梢?，地鐵作為一種公共交通方式，承擔(dān)了巨大的客運(yùn)量。面對如此之大的客運(yùn)量，地鐵系統(tǒng)的安全性和效率值得深入探討。在探討地鐵的安全與效率的同時，地鐵的智能化水平還有很大的提升空間，因此也要重視地鐵的智能化水平的提升。

地鐵系統(tǒng)大都具有自動售票功能、自動控制功能以及充電功能，還安裝有完善的監(jiān)控系統(tǒng)等。然而，各個子系統(tǒng)信息共享程度不夠，聯(lián)動效果差，大大影響了運(yùn)行效率的提高。盡管地鐵發(fā)展到現(xiàn)在，自動化程度已經(jīng)很高，如具有自動駕駛、自動防護(hù)系統(tǒng)等功能，但是智能化程度還比較低，這降低了數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的效率。因此，引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，是解決數(shù)據(jù)有效利用和智能化問題的關(guān)鍵[1]。

1 智慧地鐵概述與研究方向

1.1 智慧地鐵的定義

地鐵與大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的結(jié)合就是智慧地鐵，即大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用到地鐵領(lǐng)域的產(chǎn)物。

1.2 智慧地鐵的研究方向

智慧地鐵的研究分為3個步驟：收集數(shù)據(jù)，包括客流量、監(jiān)控視頻及列車關(guān)鍵部位的檢測數(shù)據(jù)；構(gòu)建平臺，以收集到的大數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，并與其他地鐵系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享、合并；通過人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

智慧地鐵主要分為4個研究方向：大數(shù)據(jù)平臺、地鐵運(yùn)行智能監(jiān)測技術(shù)、地鐵運(yùn)行智能調(diào)度技術(shù)以及智慧地鐵軟件開發(fā)。其中，大數(shù)據(jù)平臺是其他技術(shù)的基礎(chǔ)，它將數(shù)據(jù)提供給監(jiān)測和調(diào)度系統(tǒng)。智能監(jiān)測技術(shù)的作用是保證地鐵運(yùn)行過程中的安全，以AI為核心技術(shù)，監(jiān)測大量數(shù)據(jù)后針對異常情況進(jìn)行報(bào)警。智能調(diào)度技術(shù)可以更好地滿足乘客的需求，提高乘客的滿意度。通過分析客流量，適當(dāng)調(diào)整列車運(yùn)行時間安排，滿足出行人員的乘坐需求。智慧地鐵軟件開發(fā)以軟件工程技術(shù)作為核心技術(shù)，前期所有研究環(huán)節(jié)的研究成果通過軟件開發(fā)環(huán)節(jié)形成一個智慧地鐵軟件，這樣就形成了一個完整的智慧地鐵有機(jī)整體。

2 智慧地鐵的基礎(chǔ)——大數(shù)據(jù)平臺

在智慧地鐵的搭建過程中，大數(shù)據(jù)平臺是重中之重。作為智慧地鐵的基礎(chǔ)，大數(shù)據(jù)平臺為其他研究方向提供了數(shù)據(jù)支撐。大數(shù)據(jù)平臺的搭建分為3個步驟：首先搜集視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、刷卡數(shù)據(jù)及傳感器數(shù)據(jù)；其次采用Hadoop、Spark等對各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合；最后通過服務(wù)接口為大數(shù)據(jù)的智能分析應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 “智慧地鐵”大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

3 大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在智慧地鐵技術(shù)方面的應(yīng)用

3.1 地鐵運(yùn)行智能監(jiān)測技術(shù)

以視頻數(shù)據(jù)和關(guān)鍵部位傳感器數(shù)據(jù)為例來說明智能監(jiān)測技術(shù)的研究內(nèi)容。

3.1.1 視頻數(shù)據(jù)的監(jiān)測

一些擾亂秩序的突發(fā)事件在視頻監(jiān)控中會有所體現(xiàn)，因此用視頻來監(jiān)控乘客乘車情況，是一個非常直觀并且有效的監(jiān)測辦法，這種監(jiān)測方法為機(jī)器學(xué)習(xí)算法。如果系統(tǒng)在視頻里監(jiān)測到了異常情況，就會自動發(fā)出報(bào)警信號。優(yōu)點(diǎn)是安保人員不用實(shí)時觀察監(jiān)控視頻的動態(tài)就可以及時了解現(xiàn)場情況并進(jìn)行及時處理，避免造成更嚴(yán)重的情況。

3.1.2 關(guān)鍵部位傳感器數(shù)據(jù)的監(jiān)測

故障監(jiān)測技術(shù)可以分析列車故障部位的數(shù)據(jù)并給出準(zhǔn)確判斷。這樣能夠減少排查列車運(yùn)行故障所需的人工工作量，降低列車日常維護(hù)成本。總體來說，故障檢測算法的檢測效率可以隨著數(shù)據(jù)量的增大以及算法技術(shù)的發(fā)展而提升。

3.2 地鐵運(yùn)行智能調(diào)度技術(shù)

地鐵運(yùn)行智能調(diào)度技術(shù)可以將乘客的出行情況和列車的發(fā)車情況完美結(jié)合，能夠有效提高地鐵的運(yùn)行效率。以前的列車時間表主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定，客流數(shù)據(jù)不夠可靠。通過對刷卡系統(tǒng)提供的客流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用AI技術(shù)進(jìn)行智能優(yōu)化，可以做到需求與供給的最佳匹配。地鐵運(yùn)行智能調(diào)度可以通過以下算法實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 地鐵客流時空模式挖掘算法

根據(jù)大數(shù)據(jù)平臺提供的乘客出行刷卡數(shù)據(jù)，研究乘客在時空、地域上的交通流動分布。通過對于時空模型的挖掘，進(jìn)一步深入地研究站點(diǎn)乘客流量預(yù)測算法，預(yù)測各站點(diǎn)在不同的時間段內(nèi)的乘客流量。

3.2.2 列車運(yùn)行時刻表優(yōu)化算法

該算法對刷卡、視頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再加上客流量在時空上表現(xiàn)的規(guī)律，優(yōu)化列車運(yùn)行時刻表，力求在降低地鐵運(yùn)行成本的同時滿足乘客的出行需求。地鐵客流量是有規(guī)律可循的，但也不排除一定的隨機(jī)性和不確定性，尤其是突發(fā)事件的影響。因此，真正做到最佳匹配是非常艱巨的任務(wù)，還需要更加深入的研究。

3.3 智慧地鐵軟件開發(fā)技術(shù)

軟件開發(fā)是將前期所有的研究過程轉(zhuǎn)化為落地成果的一個環(huán)節(jié)。研究成果需要轉(zhuǎn)化和應(yīng)用到實(shí)際生活中，因此智慧地鐵還需要進(jìn)行軟件系統(tǒng)開發(fā)。智慧地鐵軟件開發(fā)技術(shù)是未來科技創(chuàng)新的趨勢，這個研究方向以軟件開發(fā)作為核心技術(shù)[2]。

智慧地鐵軟件的開發(fā)涉及很多種類，軟件開發(fā)應(yīng)該著重從以下幾點(diǎn)出發(fā)。

3.3.1 地鐵視頻智能監(jiān)測軟件

視頻智能監(jiān)測軟件不僅可以監(jiān)測地鐵運(yùn)行過程中的異常情況，針對視頻中的異常情況進(jìn)行報(bào)警，還能夠輸出視頻監(jiān)控區(qū)域的擁擠度。

3.3.2 地鐵運(yùn)行關(guān)鍵部位智能監(jiān)測軟件

智能監(jiān)測軟件可以對轉(zhuǎn)向架和受電弓等列車關(guān)鍵部位的工作狀態(tài)進(jìn)行智能分析，及時呈現(xiàn)異常報(bào)警消息，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

3.3.3 地鐵運(yùn)行智能調(diào)度軟件

智能調(diào)度軟件根據(jù)視頻數(shù)據(jù)和客流量對列車時刻表進(jìn)行合理配置，智能調(diào)度列車運(yùn)行時間，可以提高列車運(yùn)行效率，增加乘客的滿意度。

在大數(shù)據(jù)平臺上，運(yùn)用智能AI核心技術(shù)，可以研究出很多軟件，用于提高地鐵的運(yùn)行效率和安全性能，降低地鐵運(yùn)營成本，提升地鐵服務(wù)質(zhì)量。利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，可以通過物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)等現(xiàn)代化的科技打造一個智慧地鐵系統(tǒng)。目前，地鐵建設(shè)者的一個重要任務(wù)就是通過軟件工程技術(shù)開發(fā)出更多實(shí)用的智慧地鐵軟件，促進(jìn)智慧地鐵的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，全面提高感知力和分析能力，為地鐵運(yùn)營的決策提供科學(xué)的、真實(shí)的依據(jù)，此外，還能助力提升精確的執(zhí)行能力，從而打造一個現(xiàn)代化、智能化的城市軌道交通系統(tǒng)。

4 大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在智慧地鐵運(yùn)維方面的應(yīng)用

良好的運(yùn)維管理可以為地鐵系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。然而，運(yùn)維工作卻是各個地鐵公司都難以突破的技術(shù)堡壘。難以突破的原因主要有人力資源使用量大、成本高、運(yùn)維手段技術(shù)含量比較低、各系統(tǒng)信息共享程度低、數(shù)據(jù)分析不夠準(zhǔn)確及時、設(shè)備維護(hù)主要依靠人工導(dǎo)致維護(hù)效率低以及運(yùn)營公司無法給出正確的策略方法等。地鐵系統(tǒng)的運(yùn)維工作一直阻礙著地鐵系統(tǒng)的良性發(fā)展。為了打造一個健康有效的運(yùn)維系統(tǒng)，地鐵公司必須把握住改革的機(jī)會，將大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用到智慧地鐵的建設(shè)中去，打造一套完整的、立體化的運(yùn)維系統(tǒng)。

4.1 智慧地鐵運(yùn)維的平臺架構(gòu)

智慧地鐵運(yùn)維系統(tǒng)由感知執(zhí)行層、數(shù)據(jù)傳輸層以及業(yè)務(wù)分析層構(gòu)成。

4.1.1 感知執(zhí)行層

感知執(zhí)行層的工作內(nèi)容有：將熱量、力度、紅外線、激光及聲音視覺傳感器進(jìn)行對接，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對傳感裝置進(jìn)行改造。改造的目的是把傳感裝置建設(shè)成一個微型和集成為一體的標(biāo)準(zhǔn)化、可移動的裝置系統(tǒng)，達(dá)到智能感知前端數(shù)據(jù)的效果。

4.1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層以骨干網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將通信運(yùn)輸作為骨干網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容，把大數(shù)據(jù)、5G通信等先進(jìn)的科技應(yīng)用到數(shù)據(jù)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建一個效率高、速度快的數(shù)據(jù)信息傳輸渠道。使用這個數(shù)據(jù)信息傳輸通道后，數(shù)據(jù)的存儲能力和傳輸能力都會得到大幅度提升。數(shù)據(jù)傳輸和存儲的空間也會有所增加，地鐵的運(yùn)維就有了標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、可持續(xù)的信息數(shù)據(jù)存儲運(yùn)輸體系。這個體系將為地鐵運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析提供科學(xué)、準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)支持。

4.1.3 業(yè)務(wù)分析層

業(yè)務(wù)分析層是地鐵運(yùn)維體系的一個重要構(gòu)成部分。業(yè)務(wù)分析層的工作內(nèi)容是將大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用到地鐵運(yùn)維系統(tǒng)中。業(yè)務(wù)分析層不僅能夠利用人工智能設(shè)備整合音頻和視頻等影像數(shù)據(jù)信息，還能夠綜合分析處理那些非結(jié)構(gòu)性的內(nèi)容。地鐵運(yùn)維過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各種突發(fā)事件，合理地調(diào)度維護(hù)人員，可以節(jié)約運(yùn)維成本和人工管理成本，提高工作效率和工作質(zhì)量。運(yùn)維工作的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無人化、科學(xué)化的管理，業(yè)務(wù)分析層的建立有助于實(shí)現(xiàn)這個總目標(biāo)[3]。

4.2 智慧地鐵運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)

智慧地鐵運(yùn)維技術(shù)的突破是構(gòu)建智慧地鐵的重點(diǎn)工作。智慧地鐵運(yùn)維過程不能沒有科學(xué)技術(shù)的支持。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力能夠更好地將感知層與設(shè)備關(guān)聯(lián)起來。因此，充分利用好物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的同時還需要提升無線網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，同時也應(yīng)該利用好BIM技術(shù)，為可視化地鐵運(yùn)維系統(tǒng)的建成助力。另外，技術(shù)人員還要分析地鐵運(yùn)維系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，及時調(diào)整所運(yùn)用的技術(shù)。

5 結(jié) 語

目前，智慧地鐵是一個新興的研究方向，具有很大的研究和發(fā)展?jié)摿?。只有合理?yīng)用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，才能夠更好更快地構(gòu)建智慧地鐵系統(tǒng)。智慧地鐵的智能化建設(shè)，可以促進(jìn)城市軌道交通的蓬勃發(fā)展。