物联网在高速铁路智能客站中的应用研究

李 超，陈庚荣，左才为

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081)

近年来，铁路客运车站围绕客运生产组织和旅客信息服务，建设了客运管理信息系统、旅客服务系统、客票发售与预定系统、综合视频监控系统，并按照国家规范建设了楼宇自动化系统和火灾报警系统。但是，由于现有系统分专业设计、分批次建设，各自独立部署、纵向切分，软、硬件资源共享不充分，平台化、集成化程度不高，存在数据孤岛现象，各应用间无法实现实时数据共享，且未实现站内作业、列车、人员、设备、环境等信息的实时汇集和共用，难以对人员及设备进行合理配置、优化运用[1]。由于系统间功能交叉重复，铁路客运车站在使用这些系统时，普遍存在同一数据多次录入，导致同类信息在各系统间不一致等问题，亟需从车站整体运营管理角度出发，统筹考虑系统的关联性，通过横向拉通相关专业系统，实现功能去重补强、数据共享共用和业务协同联动。目前，物联网技术具备泛在感知、互联互通、反馈控制等特征，已经广泛应用于智能交通、智慧城市、智慧医疗等领域[2]。应用物联网技术可以提升高速铁路智能客站的基础信息获取能力，推动业务信息可靠传输和互联互通，拓展车站业务应用和服务[3]，进一步提升车站信息化水平，改善车站旅客服务，增强安全生产和经营管理能力。因此，积极开展基于物联网的铁路智能客站应用研究具有重要意义[4]。

1 铁路智能客站物联网总体方案

1.1 总体蓝图

铁路智能客站紧密结合业务需求，应用物联网、云计算等新型信息化、智能化技术，实现高效、安全的生产组织，提升旅客出行便捷性，提高车站的绿色、节能、环保水平。铁路智能客站通过全链条统一的规划、设计，动态优化软、硬件资源配置，构建规范标准接口，实现数据的汇聚融合与全面互联互通，以及基于数据的分析和决策。为此，构建包含“一个大脑、四大业务版块、N 个应用”的铁路智能客站“1+4+N”的总体蓝图[5-6]。铁路智能客站总体蓝图如图1 所示。

图1 铁路智能客站总体蓝图Fig.1 Overall blueprint of intelligent railway passenger stations (IRPSs)

由图1 可知，“一个大脑”指铁路智能客站大脑，也称智能客站旅客服务与生产管控平台(以下简称“管控平台”)，是铁路智能客站的核心平台，提供数据处理、分析、展示及辅助决策等功能。“四大业务版块”包括旅客服务、生产组织、安全应急、绿色节能4 个版块。“N 个应用”是指四大业务版块中的具体业务应用，是平台支撑的扩展功能。“1+4+N”的铁路智能客站总体蓝图支撑铁路智能客站的旅客服务能力、安全生产能力和经营管理能力。

1.2 总体架构

铁路智能客站旅客服务与生产管控平台总体架构如图2 所示。该平台采用集中部署3 级应用的架构：在铁路主数据中心部署中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)级和铁路局集团公司级系统；在铁路局集团公司部署前置服务器；在车站配置接口、边缘计算、视频分析等服务器，以及操作终端、生产指挥中心大屏等相关设备。部署于铁路局集团公司或车站的具体业务应用通过安全设备接入管控平台。

图2 铁路智能客站旅客服务与生产管控平台总体架构Fig.2 Overall framework of passenger service and production control of IRPSs

1.3 逻辑架构

铁路智能客站从站内、外各系统获取数据，形成共用数据资源池，并通过模型和算法分析数据，为车站生产服务和各站内、外系统提供辅助决策支持[7-8]。铁路智能客站逻辑架构如图3 所示，主要分为外部数据源层、网络传输层、数据层、数据分析层和业务应用层。

图3 铁路智能客站逻辑架构Fig.3 Logical architecture of IRPSs

（1）外部数据源层。外部数据源层是智能客站的数据来源，链接了客票系统、调度系统、动车管理系统、综合视频监控系统等铁路内部信息系统的数据，以及市政、消防、气象、医院、交通等铁路外部信息系统数据，以及舆情、问询、资讯等互联网数据。

（2）网络传输层。用于数据的传输，涵盖数据通信网、客票网、调度网、综合视频网、互联网等。铁路智能客站通过数据通信网在国铁集团、铁路局集团公司和车站3 级之间进行数据传输。

（3）数据层。对数据进行管理和共用，通过统一规范的格式存储到统一数据库中，对数据进行管理，将接入的数据以相同的格式规范存储。对数据清洗融合后，形成分类管理的数据资源，存储到数据资源池中，实现数据资源的共享。

（4）数据分析层。负责建立数据分析模型及算法，根据业务需求确定分析场景及目标，通过对各类数据的深入分析挖掘、仿真实验，同时结合人工智能库，实现智能化服务，包括语音问询、人流量分析、能耗分析、设备状态分析等。

（5）业务应用层。实现数据的集成化、可视化展示，工作人员可以对生产运营进行智能管控。以数据资源、分析模型、分析算法为基础，全面集成铁路旅客服务系统集成管理平台、客运管理信息系统、铁路客运设备管理应用和客运站应急指挥应用的功能，支撑车站高效、便捷的客运一体化生产和服务。

2 基于物联网的铁路智能客站业务和应用

2.1 基于物联网的客运业务

以旅客“安全出行、方便出行、温馨出行”为目标，采用智能感知物联网技术，围绕旅客到站前、购票、进站、候车、换乘、乘车、出站等出行环节，实现基于物联网技术的自助票务、智能查询、安检动态调整、环境舒适度监控、旅客出行引导等服务，提升旅客出行体验。面向智能客站旅客服务的物联网系统架构示意图如图4 所示。其中，涵盖的应用包括以下5 项。

图4 面向智能客站旅客服务的物联网系统架构示意图Fig.4 Architecture of Internet of Things (IoT) system for passenger service of IRPSs

（1）基于身份识别的票务自助业务。采用物联网技术，自动采集旅客的头像信息，智能识别旅客身份，从而为旅客提供自主化的综合票务服务。在车站售票厅前设置自助服务区，部署自助退票机、远程可视化智能查询终端、临时身份制证机，在集中的区域办理票务综合业务。

（2）基于物联网的智能查询问询服务。通过安装智能查询机，自动采集并识别旅客头像信息，利用语音交互、视频识别等技术，实现车票二维码识别、站内电子地图导航、站内商业信息发布、车次正晚点信息查询等功能。

（3）基于智能视频监控的安检通道动态调整。为了减少进站环节的安检排队时间，部署摄像头，通过智能视频分析监测安检口排队人数。安检值班可以根据实时监测情况，动态调整安检口开放的通道数目，减少安检排队时间。

（4）基于传感器的环境舒适度监控系统。利用智能感知传感器监测车站温度、湿度、亮度、噪声、气味，结合列车到发、上下车人数等数据，动态调整区域环境温度，提高旅客出行舒适度。

（5）基于物联网的旅客引导导航服务。采用物联网定位技术，融合室内导航和室外导航技术，为旅客提供路径规划、定位导航等服务，可以为旅客提供从出发地点直接到旅客所乘车次检票口的导航服务。

2.2 基于物联网的生产组织

采用物联网技术自动监测车站设备设施、人员和环境，并进行业务关联，实现智能客站指挥中心可视化展示、无线通信业务、上水智能卡控等生产组织。面向智能客站生产组织的物联网架构示意图如图5 所示。

图5 面向智能客站生产组织的物联网架构示意图Fig.5 IoT architecture for production organization of IRPSs

（1）基于物联网的指挥中心可视化展示。在车站的候车厅实时展示检票口作业状态，采用不同的颜色显示列车即将开始检票、正在检票、停止检票状态。在检票口通过人数超过阈值时，或者同一个检票口存在2 列车同时作业时给予预警提醒。在车站的站台层实时显示股道占用情况，包括列车的到达、出发、折返、入库与出库情况，将视频与列车接发作业信息关联，出现风险时自动给出视频与文字提示。

（2）DMR 无线通信应用。传统的客运无线模拟对讲，一般采用一个大组呼叫通话，无法实现一对一通信，难以满足日益发展的客运组织作业需求，而采用模拟直通方式存在覆盖盲区。通过部署DMR 系统，实现车站无线对讲全站信号覆盖。可以对客运业务进行分组，按组别进行对讲通话，提高对讲通话质量。同时，利用DMR 通道窄带通信，实现站台、检票口关键作业岗位工单派发、签收、岗位自动打卡功能，对关键作业项点的作业风险进行安全卡控提示，确保接发列车作业安全与旅客乘降安全。还可以优化中心站和代管站之间远距离对讲功能，实现“大站呼小站”，提升中心站管控能力。

（3）基于传感器的上水智能卡控。在股道上水设备处加装传感器，通过物联网与管控平台实现联动，实现上水管头归位、上水量、设备故障监测，以及管头开关控制出水、自动回管等功能。一般高速铁路中间站上水作业时间为3 ～ 5 min，通过遥控开关控制加水与停水，可以避免上水工人在上水设备与车厢上水口之间来回走行，提高上水作业效率。通过管头归位监测以及站台、指挥中心联动，上水工人离开股道作业时，可以在股道管理机上查看上水设备情况。上水作业结束时，如果上水管头未归位，股道管理机与指挥中心大屏可以自动报警提示，规避了带管开车风险。

2.3 基于物联网的安全保障业务

（1）智能音视频分析。采用智能视频分析技术，实现候车室客流密度分析，广场落客平台车辆停靠数量分析，广场进站口、安检口、检票口、售票窗口排队人数统计，进站口、出站口、检票换乘口等区域重点人员识别，站台白线和站台两端入侵监测，旅客逆向行为分析，客运作业标准化分析等功能，降低人工巡查监控的劳动强度，充分发挥事中监控作用，有效提升车站安全运营管理能力。

（2）基于智能移动终端的车站应急指挥。采用智能移动作业终端，对车站列车大面积晚点、自然灾害等事件的应急处置预案进行电子化、流程化处理。结合作业计划、人员排班等信息，引入工作流机制，对各类应急预案进行流程管理和精准指挥。

2.4 基于物联网的绿色节能业务

采用物联网、边缘计算等工业互联网技术，融合故障预测与健康管理(PHM)技术、结构化电子手册技术，以设备构型管理为基础，搭建车站客运设备维修平台，实现了设备状态监控、故障预测、维修管理、知识支撑、能效管理等功能。基于物联网的智能客站客运设备管控系统架构示意图如图6所示。

图6 基于物联网的智能客站客运设备管控系统架构示意图Fig.6 Architecture for the equipment control system of IoT-based IRPSs

基于物联网的智能客站客运设备管控系统采用智能电表、水表等物联网感知设备，实时监测设备用能和系统用能，并采用人工智能算法分析最优能效点，达到整体节能最优，实现车站站台与候车区灯光照明、导向屏的自动管控，保障站台“有车亮灯、无车灭灯”，站台导向屏“有车亮屏、无车灭屏”和候车区根据光照亮度自动调控灯光照明。采用物联网技术实现车站候车区空调系统温度自动调节功能，保障候车区“人多降温、人少升温”。通过设备智能维修，降低运营成本，有效提高高速铁路车站设备的利用率，同时确保设备处在最佳的工作状态，保证系统运行稳定、可靠，提供安全、高效、便捷、舒适的公共环境。

3 现场试点应用与效果

针对旅客出行、内部作业、安全风险管控、设备运维与节能等方面，在长沙南站开展智能客站物联网试点应用。长沙南站指挥中心车站大屏如图7 所示。长沙南站在旅客服务、客运作业、安全保障、绿色节能等业务场景均采用了物联网监测终端和智能感知手段，为旅客提供了更加便捷、舒适的出行体验，提升了客运管理和作业效率，提高了客运设备运维效率，实现节能降耗的目标，具体效果如下。

图7 长沙南站指挥中心车站大屏Fig.7 Display of the command center at Changsha South Railway Station

（1）旅客出行体验显著提升。借助智能化的物联网感知设备与技术，旅客可以快速便捷地进出车站，车站也可以实时监测旅客环境舒适度信息，为旅客提供温馨舒适的候车环境。

（2）客运作业效率大大提高。采用物联网技术采集设备、人员、环境、列车等生产要素的信息，并通过作业人员、集成模块及设备的一体化调度指挥，实现客运业务的协同控制。

（3）安全风险管控更精准有效。通过智能视频监控，将数据分析研判和预警相结合。出现风险时，将预警信息推送至岗位工作人员手持作业终端，并在综控室大屏自动弹出监控视频，实现了站台端部入侵，上水管头卡控，检票口、售票厅、安检口旅客排队人数过多，上下车人数超过阈值，同站台同检票口2 趟车接发车作业等风险点智能预警。

（4）提高客运设备运维效率，降低维护成本。采用物联网技术自动采集客站设备运行数据，实现自动巡检、故障诊断、预警管理、运维保养等功能，保障设备安全可靠运行，减少人工巡检工作量。

（5）实现节能降耗。采用物联网手段，针对长沙南站京广场的照明、导向屏、空调、电梯等设备，结合客运业务、环境等因素，制订客运设备的节能运用策略和计划，对设备进行合理智能的节能运行控制，达到用能精细化管理。长沙南站京广场改造设备节能率为19%，2019 年总节能量为180 万kW·h。

4 结束语

智能客站建设以管控平台为核心，采用物联网智能感知设备和相关技术，通过共享客票、车辆、调度命令、列车运行、设备监控、综合视频、12306 客服业务数据，有效整合旅客服务、客运管理、安全保障、绿色节能等业务功能。结合车站的实际需求，融合个性化应用，在客运生产流程管控、旅客智能服务、动态作业监控分析、设备精细化管理和应急快速响应等方面得到有效提升，为高速铁路车站管理效能提升提供了有力支撑，为建立“集中化指挥、一体化管理、集约化运营、智能化作业”的智能客站生产指挥模式提供技术支撑。