城市軌道交通AFC終端設(shè)備智能化管控

王照華，張 莉，周鱗真，張曉曦，史 楠

（北京軌道交通路網(wǎng)管理有限公司，北京 100101）

截至2020年底，北京軌道交通路網(wǎng)自動售檢票系統(tǒng)（簡稱AFC系統(tǒng)）覆蓋23條線路，430座車站，終端設(shè)備超過18 000臺。在既有AFC系統(tǒng)粗放式的設(shè)備運(yùn)行管理模式下，車站終端設(shè)備采用全運(yùn)營時(shí)段全開機(jī)運(yùn)營的方式為乘客提供票務(wù)服務(wù)。北京軌道交通的運(yùn)營里程長、車站分布廣，各站客流規(guī)律多樣，不同時(shí)期、不同時(shí)段客流對票務(wù)設(shè)備的使用需求差異很大；另一方面，車站設(shè)備配置考慮客流增長趨勢和高峰需求情況，設(shè)備配置往往比較充裕。因此，在客流低峰、平峰時(shí)段，甚至在有些車站的客流高峰時(shí)段都存在大量的設(shè)備閑置現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅使大量閑置設(shè)備長時(shí)間空轉(zhuǎn)造成設(shè)備運(yùn)行損耗嚴(yán)重，降低設(shè)備生命周期，提高故障率，增加運(yùn)維成本，而且造成大量能源浪費(fèi)。

為解決AFC終端設(shè)備閑置和空轉(zhuǎn)造成的浪費(fèi)問題，本文研究AFC終端設(shè)備運(yùn)行的智能化管控模型，依據(jù)設(shè)備使用歷史規(guī)律，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析不同時(shí)段，不同種類設(shè)備服務(wù)能力需求，按照供需匹配的原則，采用提前預(yù)制開機(jī)計(jì)劃、實(shí)時(shí)監(jiān)測和動態(tài)調(diào)整3個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備服務(wù)的自動化管控，實(shí)現(xiàn)AFC終端設(shè)備的智能化管控，在滿足乘客服務(wù)需求的基礎(chǔ)上，提高設(shè)備使用效率，降低設(shè)備運(yùn)行損耗，減少運(yùn)行維護(hù)成本，節(jié)省能源成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。

1 基于客流需求的AFC設(shè)備智能化管控模型

地鐵車站的AFC終端設(shè)備按照極限客流需求設(shè)計(jì)和配置，以滿足在高峰時(shí)段或者大客流條件下乘客票務(wù)服務(wù)的需要。但是大部分車站在實(shí)際運(yùn)營中的客流往往呈現(xiàn)出明顯的高低峰特征，在低峰時(shí)段客流量小，票務(wù)服務(wù)能力需求低，導(dǎo)致設(shè)備服務(wù)能力浪費(fèi)。本文提出基于客流需求的AFC設(shè)備智能化管控模型，如圖1所示。

圖1 基于客流需求的AFC設(shè)備智能管控模型Fig.1 Intelligent control model of AFC devices based on passenger flow demands

鑒于每個地鐵車站的客流和票務(wù)服務(wù)需求各不相同，因此采用一站一方案進(jìn)行設(shè)備管控，換乘站按一個車站處理；將每個車站的同類服務(wù)功能的設(shè)備群組作為設(shè)備管控的獨(dú)立單元進(jìn)行智能化管控。如望京西站東廳可分為出站群組1、進(jìn)站群組1和東廳自助售票/充值群組1。

針對售票/充值、進(jìn)站、出站等不同票務(wù)業(yè)務(wù)種類進(jìn)行歷史大數(shù)據(jù)分析，分析自動售票機(jī)（TVM）、互聯(lián)網(wǎng)自動售票機(jī)（ITVM）、自動檢票機(jī)（AG）等不同類型設(shè)備的服務(wù)需求。針對每種設(shè)備的服務(wù)需求，根據(jù)每個車站服務(wù)需求量的波動，將每個運(yùn)營日劃分為不同的時(shí)段。根據(jù)每個時(shí)段的設(shè)備服務(wù)能力需求，以及單臺設(shè)備的服務(wù)能力，計(jì)算該時(shí)段的設(shè)備開機(jī)數(shù)量，滿足票務(wù)服務(wù)需求。根據(jù)車站設(shè)備配置數(shù)量、布局，制定每個時(shí)段指定類型設(shè)備開機(jī)計(jì)劃（開機(jī)數(shù)量、具體哪些設(shè)備開機(jī)、開/關(guān)機(jī)時(shí)間）。設(shè)備開機(jī)計(jì)劃制定應(yīng)考慮設(shè)備使用均衡度，避免不均衡使用，提高設(shè)備使用壽命；應(yīng)考慮開機(jī)設(shè)備的安排符合車站現(xiàn)場客流組織和引導(dǎo)作業(yè)方式，不對乘客正常出行造成影響。

按照設(shè)備開機(jī)計(jì)劃執(zhí)行，在每個不同時(shí)段開啟或關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)的智能管控模式。同時(shí)，對車站客流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)大客流（開機(jī)設(shè)備負(fù)荷超限，或其他方式發(fā)現(xiàn)大客流）時(shí)，及時(shí)通過系統(tǒng)或人工控制開啟更多設(shè)備，滿足客流異常波動、突發(fā)大客流，或應(yīng)急狀態(tài)下的票務(wù)服務(wù)需求，保證提供足夠的票務(wù)服務(wù)能力，不影響乘客出行。

2 設(shè)備服務(wù)需求分析

2.1 客流特征日劃分

城市軌道交通客流呈現(xiàn)出明顯的日期特征屬性，不同特征日期的客流由于客流構(gòu)成、出行目的等的不同而呈現(xiàn)出不同的客流數(shù)量和波動規(guī)律特征，而每種特征日期的客流規(guī)律又呈現(xiàn)出較高的相似度和波動規(guī)律。因此，本文客流需求分析首先劃分不同的特征日期，包括工作日（周一到周五）、雙休日（周六、日）、法定假日（五一、十一、春節(jié)等）等，對每種特征日期的客流規(guī)律進(jìn)行分析。

2.2 車站特征日基準(zhǔn)客流提取

將未來日期根據(jù)特征日分類標(biāo)準(zhǔn)貼標(biāo)簽，根據(jù)未來某一日的日期標(biāo)簽組合，尋找歷史日期同類日期標(biāo)簽的客流。同類日期標(biāo)簽判定原則如下。

1）未來某一日的日期標(biāo)簽組合必須找歷史日期中一樣的日期標(biāo)簽組合。例如，“工作日第一天-活動日”與“工作日第一天”不屬于同類日期標(biāo)簽。

2）若未來某一日的日期標(biāo)簽組合在歷史日期中無法找到完全一樣的日期標(biāo)簽組合，則在歷史同類標(biāo)簽組合中提取客流。當(dāng)“節(jié)假日”“農(nóng)歷節(jié)日”“活動日”日期標(biāo)簽與“法定節(jié)假日”日期標(biāo)簽組合時(shí)，認(rèn)為法定節(jié)假日的客流不受節(jié)假日、農(nóng)歷節(jié)日、活動日因素的影響，則“法定節(jié)假日”與“法定節(jié)假日-節(jié)假日”“法定節(jié)假日-活動日”“法定節(jié)假日-農(nóng)歷節(jié)日”“法定節(jié)假日-節(jié)假日-活動日”“法定節(jié)假日-農(nóng)歷節(jié)日-活動日”“法定節(jié)假日-節(jié)假日-農(nóng)歷節(jié)日”“法定節(jié)假日-節(jié)假日-農(nóng)歷節(jié)日-活動日”為同類標(biāo)簽。找到歷史同一日期標(biāo)簽組合的分時(shí)段進(jìn)站客流作為基準(zhǔn)客流，若歷史這一日期標(biāo)簽組合下有多個日期的客流，則以客流疊加后各時(shí)段客流最大值作為該日期標(biāo)簽組合下的基準(zhǔn)客流。

2.3 車站客流時(shí)段劃分

很多車站客流呈現(xiàn)出明顯的高低峰波動規(guī)律，而客流高峰期和低峰期對設(shè)備服務(wù)能力的需求差異很大，但是每個車站的客流波動規(guī)律和高低峰特征又各不相同。因此，對車站的客流分析首先要根據(jù)歷史客流大數(shù)據(jù)分析，劃分每個車站客流時(shí)段。

本文提出一種基于車站進(jìn)出站量的高平峰時(shí)段劃分方法，能夠針對車站進(jìn)站客流實(shí)際分布對各車站高平峰時(shí)段逐一劃分，形成各車站獨(dú)有的時(shí)段，為后續(xù)更好地分析、預(yù)測客流做準(zhǔn)備。具體步驟如下。

1）利用車站歷史AFC數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)不同日期類型（包括工作日、雙休日、法定假日等）車站分時(shí)段（如30 min粒度）進(jìn)站客流；

2）計(jì)算車站不同日期類型的平均分時(shí)進(jìn)站量；

3）將分時(shí)進(jìn)站量高于某一既定指標(biāo)（如平均分時(shí)進(jìn)站量）的連續(xù)時(shí)段劃分為初始高峰時(shí)段；

4）調(diào)整時(shí)段，對車站較短的高峰時(shí)段（小于30 min）進(jìn)行合并，得到最終的高峰時(shí)段和平峰時(shí)段；

5）重復(fù)上述步驟，生成路網(wǎng)所有車站所有日期類型的高平峰時(shí)段。

車站時(shí)段劃分需要定期根據(jù)歷史客流數(shù)據(jù)重新計(jì)算一次，作為下階段的客流分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，新開通車站采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段劃分方法。

3 設(shè)備應(yīng)用分析

3.1 設(shè)備群組劃分

結(jié)合車站設(shè)備布局、車站實(shí)際運(yùn)營組織需要、設(shè)備功能配備等情況對車站自助檢票設(shè)備、自助售票設(shè)備進(jìn)行群組劃分。將空間區(qū)域相連的設(shè)備劃分為一個群組，如圖2所示。

圖2 車站設(shè)備群組劃分Fig.2 Station AFC device group division

3.2 設(shè)備綜合服務(wù)能力分析

本文通過對車站設(shè)備使用情況的大數(shù)據(jù)分析，獲取車站設(shè)備在實(shí)際使用中滿負(fù)荷分布情況，采用高峰客流時(shí)段下的負(fù)荷加權(quán)合計(jì)算車站實(shí)際服務(wù)能力值，作為本車站的設(shè)備服務(wù)能力。

3.3 設(shè)備開機(jī)優(yōu)先順序分析

由于各車站實(shí)際布局、現(xiàn)場運(yùn)營進(jìn)出站組織方式以及電梯/扶梯等其他便利性措施影響，乘客往往會在選擇使用設(shè)備時(shí)具有傾向性，在方便乘客的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用乘客習(xí)慣使用的設(shè)備進(jìn)行開機(jī)服務(wù)，因此本文統(tǒng)計(jì)每個群組、每臺設(shè)備的累計(jì)使用量，在制定設(shè)備開機(jī)計(jì)劃時(shí)，盡可能地安排累計(jì)使用量較高的設(shè)備，并且可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況人工調(diào)整設(shè)備選用順序或者進(jìn)行周期性輪換，以便達(dá)到設(shè)備均衡使用的目的。

4 設(shè)備開機(jī)計(jì)劃

AFC設(shè)備智能管控模型需要針對每一種票務(wù)服務(wù)類型進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，制定各類服務(wù)的設(shè)備開機(jī)計(jì)劃，包括售票、充值、進(jìn)站、出站等。本文以進(jìn)站AG為例說明如何制定設(shè)備開機(jī)計(jì)劃。

4.1 設(shè)備開機(jī)數(shù)量計(jì)算

分時(shí)段進(jìn)站AG開機(jī)數(shù)量=分時(shí)段進(jìn)站客流需求/車站進(jìn)站AG單設(shè)備能力（向上取整）。

4.2 設(shè)備開機(jī)計(jì)劃制定規(guī)則

根據(jù)車站設(shè)備部署的數(shù)量和位置等情況，配置每個時(shí)段的具體開機(jī)設(shè)備，開機(jī)設(shè)備配置規(guī)則如下。

1）一個進(jìn)站閘機(jī)群組應(yīng)最少開啟2臺進(jìn)站閘機(jī)，開啟的進(jìn)站閘機(jī)中應(yīng)至少有1臺寬通道閘機(jī)。

2）在滿足條件1）的情況下，群組內(nèi)進(jìn)站AG按2019年進(jìn)站交易總量由高到低的順序依次輪換開/關(guān)機(jī)。

語言中的絕大多數(shù)詞都擁有多個意義。傳統(tǒng)的語義研究沒有認(rèn)識到多義詞各個義項(xiàng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，沒有對語義擴(kuò)展的機(jī)制做出合理的解釋。認(rèn)知語言學(xué)揭示了多義現(xiàn)象的本質(zhì)，認(rèn)為詞的多個意義中除了基本義之外，其他意義是通過隱喻和轉(zhuǎn)喻的方式由基本義擴(kuò)展而來的。雷可夫指出，一詞多義起源于不同認(rèn)知域之間以及同一認(rèn)知域中不同元素之間的關(guān)系。詞的基本義與擴(kuò)展義之間有直接的認(rèn)知性關(guān)系。詞的各義項(xiàng)之間存在著理據(jù)性關(guān)系是因?yàn)樵~義的擴(kuò)展從主觀上來說主要是通過隱喻和轉(zhuǎn)喻思維來實(shí)現(xiàn)的。詞義擴(kuò)展的方式主要有兩種:基于與中心義的相似性關(guān)系派生新義為詞義的隱喻性擴(kuò)展，基于與中心義的鄰近關(guān)系派生新義為詞義的轉(zhuǎn)喻性擴(kuò)展。

3）設(shè)備開/關(guān)機(jī)時(shí)段劃分方法：以進(jìn)站閘機(jī)開機(jī)需求數(shù)量＞2臺（參數(shù)設(shè)置，可更改）為時(shí)段劃分規(guī)則。在進(jìn)站閘機(jī)開機(jī)需求數(shù)量＞2臺（參數(shù)設(shè)置，可更改）的時(shí)段，這個時(shí)段內(nèi)以基準(zhǔn)客流最高進(jìn)站量計(jì)算所需進(jìn)站閘機(jī)數(shù)量。

4）AG設(shè)備開/關(guān)機(jī)由系統(tǒng)自動化運(yùn)行控制。在客流上升時(shí)段，考慮設(shè)備開機(jī)需要時(shí)間，每個時(shí)段開始時(shí)間點(diǎn)前30 min（參數(shù)設(shè)置，可更改）開啟下一個時(shí)段所需要的AG數(shù)量。在客流下降時(shí)段，每個時(shí)段結(jié)束時(shí)間點(diǎn)后30 min（參數(shù)設(shè)置，可更改）關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備。設(shè)備在不同時(shí)段需要開機(jī)或關(guān)機(jī)前，提前提示車站人員即將開啟/關(guān)閉的設(shè)備編號，全站設(shè)備逐臺陸續(xù)開啟/關(guān)閉，開/關(guān)機(jī)間隔5 min（參數(shù)設(shè)置，可更改）。

4.3 設(shè)備開機(jī)計(jì)劃

1）車站設(shè)備配置和使用情況

根據(jù)各站自身設(shè)備配置規(guī)模、設(shè)備布局和各設(shè)備歷史使用頻次情況，并且兼顧現(xiàn)場的運(yùn)營管理需求，按照業(yè)務(wù)功能分類將車站設(shè)備進(jìn)行群組劃分和選用優(yōu)先級排序，如圖3所示。

圖3 車站設(shè)備群組劃分和開機(jī)順序Fig.3 Station AFC device group division and operating sequence

2）某工作日的設(shè)備開機(jī)計(jì)劃

根據(jù)該站歷史大數(shù)據(jù)分析和智能化管控模型計(jì)算得到某工作日的設(shè)備開機(jī)計(jì)劃，如圖4所示。

圖4 某工作日的設(shè)備開機(jī)計(jì)劃Fig.4 Operating plan of station AFC devices for a working day

5 實(shí)時(shí)監(jiān)控動態(tài)調(diào)整

通過車站客流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)實(shí)時(shí)客流需求進(jìn)行設(shè)備開機(jī)的動態(tài)調(diào)整，以應(yīng)對突發(fā)大客流情況。以進(jìn)站AG為例，具體方法如下。

1）實(shí)時(shí)采集車站AFC數(shù)據(jù)，對開機(jī)設(shè)備使用負(fù)荷（每分鐘使用量）進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控。

2）如出現(xiàn)開機(jī)設(shè)備的整體負(fù)荷值接近或達(dá)到滿負(fù)荷（單設(shè)備能力值×開機(jī)數(shù)量）的一定比例（參數(shù)，例如80%），并持續(xù)一定時(shí)間（例如2 min），則判定現(xiàn)場可能存在排隊(duì)的風(fēng)險(xiǎn)，立即開啟一臺備用設(shè)備；繼續(xù)實(shí)施監(jiān)控，如果還持續(xù)高負(fù)荷，則繼續(xù)開啟另一臺備用設(shè)備，以此類推，直至全部設(shè)備開機(jī)。

3）如果開啟備用設(shè)備后，開機(jī)設(shè)備的整體負(fù)荷值不斷降低，低于滿負(fù)荷的一定比例（參數(shù)，例如50%），并持續(xù)一定時(shí)間（例如5 min），則判定客流需求下降，關(guān)閉一臺備用設(shè)備。繼續(xù)監(jiān)控，如果開機(jī)設(shè)備的整體負(fù)荷仍然低于設(shè)定的滿負(fù)荷比例，則繼續(xù)判定客流需求下降，繼續(xù)關(guān)閉一臺備用設(shè)備。以此類推，直至達(dá)到該時(shí)段開機(jī)計(jì)劃數(shù)量為止。

6 自學(xué)習(xí)優(yōu)化

定期對車站設(shè)備開機(jī)計(jì)劃的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，采用自學(xué)習(xí)方法對設(shè)備開機(jī)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，包括車站客流特征日相似度的分析以優(yōu)化車站客流特征日的劃分；每種特征日客流時(shí)段的分析，以更加精準(zhǔn)地劃分時(shí)段，提高設(shè)備使用效率；對車站設(shè)備使用負(fù)荷峰值情況進(jìn)行分析，以對車站單設(shè)備能力值進(jìn)行修正；對每個時(shí)段內(nèi)的客流異常波動和備用設(shè)備啟用情況進(jìn)行分析，以調(diào)整時(shí)段設(shè)備開機(jī)數(shù)量等。從而對整體車站設(shè)備開機(jī)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，以便更精準(zhǔn)地滿足車站客流需求，提高設(shè)備使用效率。

7 試點(diǎn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證AFC設(shè)備智能化管控方法和模型，本文先后在京港地鐵運(yùn)營線路、軌道運(yùn)營線路和北京地鐵運(yùn)營線路的12座車站采用預(yù)制開機(jī)計(jì)劃的方式進(jìn)行驗(yàn)證。其中14號線望京南站的試點(diǎn)情況如下。

1）設(shè)備配置

14號線望京南站設(shè)備配置如圖5所示。

圖5 望京南站設(shè)備群組劃分和開機(jī)順序Fig.5 Wangjing South station AFC device group division and operating sequence

2）設(shè)備開機(jī)計(jì)劃

依據(jù)AFC設(shè)備智能化管控模型制定設(shè)備開機(jī)計(jì)劃，如圖6所示。

圖6 望京南站設(shè)備開機(jī)計(jì)劃Fig.6 Operating plan of Wangjing South station AFC devices

3）試點(diǎn)結(jié)果

通過上述試點(diǎn)結(jié)果可以看出，本文提出的AFC設(shè)備智能化管控方法沒有對乘客的正常出行造成影響，設(shè)備的使用效率大大提升。全站自助售票類設(shè)備開機(jī)總時(shí)長降低33%，自助檢票類設(shè)備開機(jī)時(shí)長降低70%以上，達(dá)到提高設(shè)備使用效率、降低設(shè)備損耗、節(jié)省能源成本的目標(biāo)。以群組1為例，實(shí)際開機(jī)情況如圖7所示。

圖7 車站開機(jī)設(shè)備數(shù)量情況Fig.7 Number of station AFC devices in operation

8 結(jié)論與展望

本文提出了城市軌道交通AFC終端設(shè)備智能化管控的方法，構(gòu)建AFC設(shè)備智能化管控模型，通過歷史大數(shù)據(jù)分析，制定車站分時(shí)段的設(shè)備開機(jī)計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的按需服務(wù)運(yùn)行方式，達(dá)到降本增效的目的。通過在試點(diǎn)車站進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，取得良好的效果。

AFC設(shè)備的智能化管控是新一代AFC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智慧化票務(wù)系統(tǒng)的目標(biāo)之一，將在未來新一代AFC系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用，并不斷完善和發(fā)展。