基于物联网技术的智慧车站全景管理系统的设计与应用

文/俞军燕、祝唯、陆桥、彭伟泽，广州地铁集团有限公司

车站管理是城轨交通运营管理的核心业务板块之一，但传统车站工控系统存在如下问题：一是传统已建的信息系统，大多为垂直系统，“烟囱化”严重，专业间无交互，车站缺乏打通各专业的集中式管理系统，及具备总揽全局的信息展示与控制中心；二是车站监控中心集中且单一，站务人员只能在特定场所对车站进行监控及日常业务处理，其他站务人员由于缺乏监控终端而无法及时了解车站情况并采取必要的措施；三是目前主要通过人工操作的方式来处理站务日常工作（如人工设备巡检、人群引流等），人力投入成本较高。

随着客流量的增加及地铁线网的迅速发展，日常业务发生量及站务人员数量将呈几何倍数增长，将给运营管理带来更大难度。新时代轨道交通急需运用各类先进智能技术来解决以往车站管理运作的难题。因此，本文基于物联网技术设计地铁车站的智慧车站全景系统，并结合广州塔智慧站示范工程，阐述其在地铁车站管理中的应用。

一、现状分析及思路

传统地铁车站运营环境所涉及的设备系统约20多种，涵盖了日常车站管理工作必须的功能模块，包括机电设备管理、安防管理、照明、乘客服务、信息发布、设备运维、能源管理、环境检测等。每套系统都包括各种类型、性能、功能、形态不同的设备。这些专业系统独立设置、孤岛运行，存在系统架构复杂、层级多、设备配置数量多且利用率低等问题，难以实现数据交换及共享，为城市轨道交通车站的运营、维护和管理带来了诸多不便。此外，各专业系统的PC（Personal Computer）端界面，集中设置在车控室内，车控室外的站务人员无法及时了解车站情况，因而，传统信息系统在应对突发事件时存在一定滞后性。

因此，要实现地铁车站管理的智慧升级，关键在于打破各专业系统间的壁垒，实现各专业主要设备的物联接入，并最终实现信息的集中化和移动化管理。鉴于此，本文基于物联网技术设计了智慧车站全景系统，其总体设计思路包括：第一，基于先进的物联网技术，实现各专业主要设备的物联接入，使各设备具有自动感知能力；第二，汇聚各专业系统数据，对各专业设备进行统一管理，并形成统一的信息中心和指挥中心；第三，通过多个智能终端来实现站务管理信息化。如：通过大屏指挥终端总揽全局，展示整个车站的全局信息，并下达跨专业的联动指令；通过PC端实现辅助监控与任务配置；通过PAD（Portable Android Device）端，实现不受区域限制的站务监控与管理。

二、系统架构设计

本文设计的基于物联网技术的智慧车站全景系统，包括“设备层、物联网边缘网关层、平台层、应用层、智能终端层”5个层级。其中，设备层由各专业系统设备组成；物联网边缘网关基于物联网技术实现各专业设备的统一接入，为数据连接和系统集中控制奠定基础；平台层对设备进行统一管理，对数据进行标准化处理，从而汇聚各专业数据，形成全局信息；应用层则面向车站管理的各个专题进行专业的数据分析与算法设计；智能终端层包括大屏端、PC端和PAD端3类终端系统。具体系统架构如图1所示。

图1 基于物联网技术的智慧车站全景系统架构图

1.设备层由地铁站内各类运作设备及设备管理系统组成，被系统接入的设备都存于设备层中。设备层通过互联网协议将各类设备接到物联网边缘网关层，从而不断上报设备及系统的状态数据。同时，设备层还接收智能终端下发的控制指令，执行场景联动的设备动作（如闸机开关等）。

2.物联网边缘网关层是系统接入底层设备的关键模块，承接了设备和系统数据的接入，对站内各系统设备进行统一监控。将各类设备的数据和消息统一转换，翻译成平台层可识别的数据和消息；将智能终端下发的指令转换成各设备可理解的命令。物联网边缘网关层包括业务服务层、标准消息构成层、协议适配层和感知延伸层4个部分。

在广州塔智慧车站示范工程中，通过物联网边缘网关实现设备及系统的物联接入，兼容物联网常用的通讯协议（包括MODBUS、BACNET、MQTT、IEC104、KNX、OPC、RTSP、ONVIF等等），支持SDK集成和通讯协议连接等多种接入方式，可实现信息的大范围、深层次汇集，构建信息技术系统的数据基础，为上层应用提供设备接入能力、协议转换能力、边缘数据处理能力等，实现城市轨道交通众多业务系统和设备的物联功能。智慧车站全景系统接入超过20个专业系统（包括智能安检、列车自动监控等），逾1000个设备、逾100路视频、8种通信协议，实现了信息分发便捷操控和站务移动化的管理运作。

3.平台层主要实现设备管理和数据汇聚，设备和系统数据接入后，由平台层进行统一管理，从而构建车站全局的信息中心和指挥中心。平台层包括设备管理和数据汇聚两个部分。

（1）设备管理包括设备注册、设备和系统状态上报、控制指令下发3部分。通过设备层和物联网边缘网关层接入的设备和系统，在平台上进行注册，将设备和系统ID通过一定的规则转化成平台内唯一的ID，并根据用户权限表进行权限映射；持续接入设备和系统上报的信息，基于人工智能算法，对上报的设备和系统的历史数据进行分析，从而获取设备和系统的运行状态，匹配设备和系统适合的运行策略；站务人员通过各个终端对设备和系统下发业务控制命令，这些业务控制命令会在平台层分解为各设备的标准动作并下发到设备。

（2）数据汇聚：各专业的数据接入后，平台层会通过标准转化成口径统一的数据，汇聚并构建成整体信息，供应用层进行按专题的计划或分析。最终，车站全局性的信息会在大屏终端显示，从而为站务管理决策提供参考。

4.应用层在平台层之上，根据车站运作管理的实际需要，研发各个专题应用，如客流预测与引导、设备远程监控、设备异常上报、视频巡站等。应用后台基于人工智能算法（如人数识别算法、扶梯异常行为检测算法等），将各种设备和系统的历史数据、实时状态进行组合分析与判断预测，并发出辅助站务人员的一系列提示、警报，或自动进行相应的设备规则联动。

5.智能终端层是系统成果的最终呈现，包括大屏端、PC端和PAD端。大屏端可实现车站的全域监控与集中展现（如：客流情况、环境情况、列车到站信息、全视频、设备设施监控、值班人员情况、报警通知等），实现以第一人称在场景内自由行走的漫游功能，通过漫游功能查看设备实时数据。此外，大屏端还可实现简单的设备远程控制。PC端是智慧车站全景系统的配置平台和操作平台，可进行数据辅助展现和配置管理（如，信息配置、设备控制、设备设施配置、系统维护等）。PAD端具有移动化优势，可不受区域限制地实现简单的站务管理工作。如：查看车站的物理空间、客流信息、设备信息等；提供导航能力、服务乘客的信息查询能力；对卷闸门、电扶梯、闸机等设备进行简单的控制；实现与管理系统的互动，上报巡视中发现的异常信息。3种终端通过平台层实现数据的同步。

三、系统的应用

研发的智慧车站全景系统，在广州塔示范站的应用功能包括智能客流引导、智能安防、智能站务和综合信息发布。

1.智能客流引导。基于视频客流统计、客流热力图与迁移图计算等，智慧车站全景系统可迅速获取客流数据及客流形态，并每隔15分钟自动判断、显示客流引导方案，站务人员可在PAD端进行“一键客控”。同时，基于系统设置的设备联动控制功能，自动对相关设施设备（如，闸机、电子导向、广播、智能照明等）进行联动控制。此外，终端系统的三维地图可显示人流热力分布图，显示实时客流数和不同阶段的预测客流数（图2），提供客流信息查询、客流预警等能力，使站务人员能及时掌握精准的站内客流情况并采取对应措施。

图2 客流监控

（二）智能安防。智慧车站全景系统共接入超过100个摄像头，涵盖车站出入口、通道、站厅、站台、隧道等全站管理区域，可在大屏端实现全站实时监控（图3）。在全站监控的基础上，智慧车站全景系统可基于图像识别及视频分析技术（如，禁区监控、安全帽检测、火灾检测、人脸布控等），实现安全异动行为的研判，使站务人员可按需实现重点区域、乘客高危行为等的全程防控与及时预警。基于人脸采集设备、视频分割、自动数字化、自动关联、视频结构化等技术，实现安检数据关联、视频智能化检索等功能。此外，智能安防还可以与智能客流引导、智能终端等系统实现互联互通、统一监控、统一协调指挥。

图3 全站视频实时监控

（三）智能站务。智慧车站全景系统可基于大屏端、PC端和PAD端，实现站内建筑、系统和设备的全方位集中监控（图4），并将分散的设备数据进行整合、聚集、联动分析，从而摆脱人工收集信息、人工分析决策的低效模式。此外，该系统还可实现远程场景联控功能，如：一键开关站（即一键完成开关站操作及部分设备的操控）；远程视频巡站（通过智能终端依次调取车站内的视频监控画面，实现远程巡站；巡站时间可从30分钟降至3分钟，见图5）；远程设备控制（闸机、电子导向、电梯、照明等设备）等。

图4 大屏端运营指挥中心界面

图5 视频巡站功能

（四）综合信息发布

综合信息发布系统旨在使站内各设备的孤立信息，具备可联动的模式化控制，并通过PIDS、电子导引屏、广播、App等渠道，实现一体化管理与发布。具体包括：通过公众号、App等方式发布客流信息，使乘客及时通过地铁APP了解客控信息；通过电子导引屏、广播、门匾、LED屏等终端，发布车站拥挤度、出行指引、客流控制导引等信息；当设备出现故障或人员出现意外时，通过PIDS、电子导引屏、广播等发布公告信息，避免故障或意外扩大；结合车站内外的交通信息，提供联乘服务指引，使站内外信息得以有效整合。

四、展望

本文基于物联网技术及集成化、移动化管理模式研发一种智慧车站全景系统，实现了基于设备全息感知、系统集成联控、终端移动操控的高度自运转的全时全景车站管理模式，完成新时代城市轨道交通智能化及信息化的发展模式验证，形成落地先行的创新经验，支撑广州地铁数字化转型，可推广至线路、线网应用。未来，新时代轨道交通将主要围绕乘客服务和运营管理两大业务，利用互联网的思维和技术对传统轨道交通进行重构和再造，致力于打造全时空精准便捷的乘客服务和全景式灵活高效安全的运营管理，满足新时代乘客多元化的服务需求。

1.乘客服务方面，将以人为本，主动延伸服务价值，通过智能客服、多元票务、资讯服务、自适应诱导、生活服务等新业态的构建，打造新时代乘客出行服务体系，实现精准化的资讯服务、多元化的票务服务、生活化的增值服务，确保乘客可在出行全链条过程中，通过线上、线下多渠道获取及时、精准、丰富的多元化运输场景服务。

·全时空的资讯服务：打造全时空服务平台，构建“虚拟客服+人工客服”相辅的资讯服务平台，支持APP、微信、官网及车站自助客服中心等线上+线下设备应用，实现一键式响应服务。通过大数据挖掘乘客需求，提供“个性化”主动资讯服务。

·精准的客运组织：通过点线面客流精准预测，提供精准数据支撑，行车-客运自适应联动，实现运能精准投放；匹配场景，预见性启动不同客流控制模式，并对乘客发送车站信息引导。

·便捷的票务服务：构建多元支付手段+多元票种选择+多元购票方式+生物特征无感过闸的多元便利的票务体系；搭建线上（APP）+线下（自助客服中心等）完善的自助票务处理渠道。

2.运营管理方面，将围绕以乘客出行为中心的服务本质，通过精准灵活的运输组织、协同高效的调度指挥、全景管控的车站管理、体系迭代的智能运维、集成一体的安防技术等五大新业态的构建，全面构筑精准高效的运营管理体系，实现运能的精准投放、调度的智能联动、车站的无人值守、设备的主动运维、安防的一站式管理。

·精准灵活的运输服务：基于多源异构数据融合的精准客流预测分析技术，实现宏观、中观与微观客流的精准预测，再匹配超前的规划设计和列车全自动运行技术，实现灵活的运能配置、多样化的行车方式，支撑运能的精准投放。

·协同高效的调度指挥：通过设备物联接入、信息获取立体化等手段，实现多维度全息感知、情况看得见、指令听得见、位置找得到的可视化指挥调度；通过前段感知、多媒体融合、智能决策、多渠道信息报送等手段，实现通信指挥全融合、调度控制一体化、调度处置智能化，最后达到精准调度决策、高效调度指挥。

·全景管控的车站服务：通过车站 “人、机、环”全方位动态智能感知，构建基于设备全息感知、系统集成联控、终端移动操控的全时全景车站管理模式，实现区域站点集中值守和远郊车站无人值守的管理模式。

·体系迭代的智能运维：将依托在线监测、故障诊断和预测、数据融合、专家分析决策、全寿命周期管理等关键技术，形成基于状态感知的精准维护维修模式和面向线网运营场景需求的智能决策，最终形成体系迭代的智能运维。

·集成一体的安防技术：融合了多元智能安检技术，实现人物同检、无感扫描、集中判图、精准识别等功能，为乘客提供“一站式、无感化”的安检服务，提升乘客的通行体验以及地铁线网大客流通行能力。