面向北京冬奥会的京张高速铁路 旅客服务智能化成套关键技术研究

方 凯，史天运，陈瑞凤，钱克非

（1. 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；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 科技和信息化部，北京 100081)

0 引言

京张高速铁路(北京北—张家口，以下简称“京张高铁”)是2022年北京冬奥会重要交通保障设施。北京冬奥会期间面临两地三赛区之间的旅客群体多样、客流量时段集中、出行服务要求差异性大、国际关注度高等挑战，且线路条件复杂，对京张高铁的旅客服务水平和安全保障能力提出了更高的要求。

随着客运车站智能化的发展，国内外高速铁路陆续建设了客运服务相关的信息系统，例如法国国家铁路公司、德国铁路公司、JRs日本铁路公司均设立了旅客信息服务中心，涵盖数据集成共享、车站辅助决策和数据可视化展示等相关客运管理与服务功能[1]。廉文彬[2]介绍了旅客服务与生产管控平台的建设目标、总体架构和主要功能，对铁路客运站旅客服务、生产组织、安全卡控、应急处置、设备监控等业务的智能化发展起到了重要的支撑和推动作用。彭凯贝等[3]提出智能铁路客运站2.0总体框架，从总体目标、设计理念、典型特征和技术框架等方面提出了基于信息物理系统(Cyber-Physical Systems，CPS)的系统结构。由中国铁道科学研究院集团有限公司科研团队研发的客站旅客服务与生产管控平台已实现对数据统一管理、资源统一调配、运营状况总体研判、业务流程再造以及数据集成展示等功能。针对冬奥会旅客服务国际化、个性化、智慧化的出行需求，亟需持续提高铁路旅客服务与生产管控平台的智能化水平，进一步提升京张高铁旅客服务能力。

基于智能旅客服务环境泛在感知技术，实时采集站车“人员—设备设施—环境”等生产要素的状态信息，构建面向冬奥的客运集中管控平台架构，研发基于5G 通信的列车多媒体奥运信息服务系统，研究旅客全行程智慧信息服务技术，实现人员异常行为智能感知和预警、站车应急处置方案自动生成与任务下发，建立站台门智能协同联动与自适应控制模型，全面提升旅客服务能力和安全保障能力，为北京冬奥会提供运力支持。

1 面向冬奥的京张高铁旅客服务智能化技术架构

围绕旅客智能出行、高铁运营安全、人文冬奥三大需求，构建的面向冬奥的京张高铁旅客服务智能化技术架构如图1所示。其中，站车智能旅客服务环境与生产要素泛在感知技术为京张高铁客运业务系统提供环境、人员、列车、设备等各生产要素的状态信息和基础数据，为旅客服务和安全保障业务提供技术支撑手段。

图1 面向冬奥的京张高铁旅客服务智能化技术架构Fig.1 Intelligent passenger service technology architecture of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway for the Winter Olympics

面向冬奥的客运集中管控平台为京张高铁智能车站的稳定运营提供基础支撑条件，通过搭建京张高铁面向旅客服务和安全保障的信息支撑平台，各业务系统和关键技术依托客运集中管控平台，实现各客运业务系统功能，并将业务数据和作业结果反馈至管控平台，保证旅客服务和安全保障相关业务的正常有序运行。

在旅客服务方面，基于5G的列车多媒体奥运信息服务系统以京张高铁全线部署的5G通信网络为传输骨干网，实现面向冬奥的京张高铁站车一体化旅客服务功能。京张高铁旅客全行程智慧信息服务技术也是构成京张高铁旅客服务关键技术的核心内容，为旅客推送出行信息，覆盖旅客进站、候车、乘车、出站等环节，全方位、多层次、图形化、智能化地满足旅客出行需求。

在安全保障方面，人员异常行为感知与预警、站车应急处置智能决策与协同联动、站台门智能协同联动与自适应控制等关键技术和机制共同形成了面向冬奥的京张高铁安全保障体系方法。人员异常行为感知与预警技术可以输出异常人员和异常行为的报警信息，同时作为站车应急处置业务的重要输入和数据来源。针对异常突发事件，提出应急处置智能决策与协同联动机制，实现站车应急处置协同联动，提升冬奥期间京张高铁的应急突发处置能力。通过研究站台门协同联动与自适应控制技术，满足京张高铁开关门高可靠性、高安全性以及车门与站台门的联动控制需求，提升京张高铁旅客乘降过程的安全保障能力。

2 面向冬奥的京张高铁旅客服务智能化关键技术研究

2.1 智能旅客服务环境与生产要素泛在感知技术

生产要素是保障京张高铁稳定运行的关键因素，主要包含运营环境、人员、设备设施、列车等要素。为解决运营环境中各生产要素的科学协同和调配控制难题，深入研究各生产要素的内在规律和发展趋势。通过构建智能站车旅客服务环境演化预测模型，揭示各生产要素按时间发展的本质规律，实现客运集中管控平台技术的智能化提升，创新面向冬奥的京张高铁旅客全流程出行服务，为旅客提供多样化、个性化、国际化的综合信息服务。

通过采用基于5G的泛在感知物联网技术，部署5G NB-IoT、环境感知传感器、无线传感器网络、摄像头、可穿戴设备、智能终端等感知和传输设备，实时采集站车异构多系统的生产要素在不同时间、空间的状态信息、位置信息和作业数据等基础信息[4]。进一步利用机器学习等现代计算机理论和方法，对客流、运营环境等生产要素在时域空间进行预测与推演，分析生产业务与外部因素对各业务系统的作用机理，揭示其按时间发展的本质规律。通过提出基于LSTM-LightGBM算法模型，对面向京张高铁旅客服务的各生产要素发展趋势进行预测和推演，为冬奥期间京张高铁旅客服务智能化水平提升提供理论支撑[5]。

2.2 面向冬奥的客运集中管控平台适配提升技术

客运集中管控平台(以下简称“管控平台”)是以向铁路客运站管理人员、客运人员及旅客提供综合客运生产服务为目标的平台[6]。冬奥会期间京张高铁旅客的出行服务需求相对较高，因而需要对管控平台进行升级，提高旅客服务智能化水平。面向冬奥的管控平台适配提升技术包括了架构改进和功能优化，具体包含以下4方面。

（1）基于中台框架的管控平台构建。基于数据中台和业务中台理念，对管控平台现有架构体系进行优化设计，依托开源的微服务架构以及消息中间件技术，构建面向冬奥的管控平台技术中台与业务中台。系统技术架构从传统的基础资源、后台应用、前台应用优化为基础服务平台，整合后台业务流程、前台数据发布的系统中台以及前台应用。基于中台的管控平台技术架构设计如图2所示。

（2）可视化应急场景处置展示。梳理枢纽车站常见的应急处置场景流程，融合地方交通、气象实时数据，在现有车站集成化展示的基础上，快速构建车站三维BIM模型，并对其进行渲染操作，达到模拟仿真的数字孪生效果。同时，研制视频场景联动、三维热力图展示模拟与报警等模块，实现应急场景的高效联动处置。

（3）轻量级中英文语音播报、引导揭示服务单元研制。基于管控平台统一的广播音源与引导控制中枢，研制轻量级中英文语音播报、引导揭示服务单元，可对接入设备提供实时准确的中英文广播与引导揭示服务。依托中台微服务技术，通过武清统一发布的中英文语音TTS服务和统一部署的中英文翻译引擎，实现京张高铁各站的中英文播报与展示。

（4）路局级管控平台原型系统搭建。在管控平台中台微服务架构的基础上，研究构建中国铁路北京局集团有限公司(以下简称“北京局集团公司”)局级管控平台，将智能调度系统中格式化调度命令与日计划以及京张高铁各站站场特性进行融合，实现对北京局集团公司管内管控平台数据的管理与展示，帮助北京局集团公司管理人员实现应急引导信息发布、数据辅助决策等功能，保障京张高铁管控平台在冬奥期间的安全稳定运行。

2.3 基于5G的列车多媒体奥运信息服务系统

京张高铁沿线已全线部署5G通信网络，通过建立基于5G的列车多媒体奥运信息服务系统，研究资源共享、聚类分析、智能调度等高速铁路内容分发网络技术，研制基于5G的多通道多制式融合通信网关设备，开展动车组多媒体直播服务平台设计，通过移动边缘计算技术优化直播源拉流服务，实现直播流媒体实时回源、汇聚、分发、拉流、播控等功能，为保证高速移动下的列车高清转播、5G智慧观赛提供了技术条件。

基于5G的列车多媒体奥运信息服务系统首次在复兴号上应用并服务于广大旅客，部署在复兴号CR400BF-C-5162京张智能动车组列车上，直播屏更换为4K高清电视，实现高清奥运赛事的直播，乘客在车厢内可以观看实时高清冬奥会，体验了时速350 km列车上的5G+4K冬奥视觉盛宴。此外，基于5G的列车多媒体奥运信息服务系统支持列车时刻表信息查询，实现多样化信息推送，在车厢内智能交互终端、电视上等显示奥运赛事信息、金牌榜、天气信息、航班信息等，提供中、英服务信息提醒，为旅客提供舒适、便利的出行体验。

2.4 京张高铁旅客全行程智慧信息服务技术

为满足面向冬奥的旅客精准定位、智能路径规划导航等旅客出行需求，采用了先进的智能导航技术和指纹定位算法，构建了京张高铁旅客全行程智慧信息推送流程，研发了旅客导航服务系统，完成城市和车站的无缝接续导航，实现了站内的AR，VR实景导航，为旅客提供智能、快速、便捷的体验。

为实现旅客全行程出行引导的目标，基于设备自感知、人脸识别、消息推送、站内智能导航等技术，采用多种策略的路径规划算法模型，设计旅客全行程智慧出行服务流程[7]，为旅客提供智能化、个性化的出行服务推荐功能。

（1）人脸识别。对于已购车票的旅客，一方面可通过铁路12306 APP人脸识别功能获取身份信息并实名认证，另一方面可以在车站检票口的人脸识别设备对身份进行认证，并通过票务系统获取旅客的购票信息和行程信息。

（2）消息推送。当旅客成功购票后，为旅客推送购票信息和行程信息，并在临近旅客所乘坐的列车发车时间前，系统也会为旅客推送发车提醒和建议出发时间的消息。

（3）出行服务推荐。根据旅客的行程信息、当前位置和目的地位置，融合多种交通运输方式，为旅客推荐多种出行路线规划信息，并动态规划最优路线，为旅客节约出行时间。

（4）站内导航。当旅客进站后，通过在站内位置点部署定位标签，为旅客规划快速进站路线，提供站内定位、路径规划、智能引导和个性化导航服务，同时提供站内服务场所的智能化推荐服务。

2.5 京张高铁人员异常行为感知与预警技术

京张高铁采用高铁人员异常行为感知与预警技术，深度结合生产作业计划，基于人工智能算法，实现了站台越线、端部入侵、扶梯异常、客流密度、排队检测、重点人员跟踪、视频联动、警戒区域徘徊、标准化作业检测、到岗检测等功能，可以实时评估客站内的运营态势，为工作人员提供精准的决策数据，保障旅客出行安全，提升高速铁路客运管理水平和出行服务质量。通过不断优化智能视频的分析算法，持续训练现场样本模型，风险预判更加准确。通过不断完善人员越界、逆行、聚集等异常行为的自动预警功能，实现了视频分析结果与具体业务联动，风险提示更及时。

通过深度融合京张高铁站台作业任务，提出了一种分时域多类型全目标跨场景的异常行为监测技术[8]，经分析得出的异常情况将与具体业务联动，通过广播、引导、手持机等多种形式将异常行为及时推送给相关工作人员，并提出一体化处置方案。为满足京张高铁车站候车厅运营管理和服务质量要求，构建了多场景跨域残差空间全卷积网络[9]，提取候车厅内客流分布的多层级头肩模型特征，实时分析站内客流密度和运动态势，智能调配票务设备和客运工作人员，提升旅客出行体验，保障候车安全。为减少京张高铁车站复杂背景对重识别性能的影响，提出了一种基于自监督对比学习的行人重识别模型，采用部位感知的语义增强技术，并结合在线学习提升模型泛化能力，控制部署和人工标注成本，实现了高性能轻量级的全站域人员目标追踪及检索。

2.6 京张高铁站车应急处置智能决策与协同联动机制

针对冬奥期间京张高铁重点运输任务场景下的突发事件，制定了京张高铁冬奥期间的站车应急预案结构化策略，提出了满足冬奥赛时要求的京张高铁站车应急预案流程化方法。京张高铁站车应急处置智能决策与协同联动机制如图3所示，通过提取京张高铁既有案例的知识，结合站车运营情况、应急预案、专家知识等建立站车应急处置方案自动生成模型，构建了基于5G站车联动的任务下发机制，攻克了基于5G的站车应急处置全过程信息流转监控技术，实现了京张高铁站车应急处置协同联动。

图3 京张高铁站车应急处置智能决策与协同联动机制Fig.3 Intelligent decision-making and collaborative linkage mechanism for emergency response of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

京张高铁冬奥期间站车应急预案结构化策略和流程化方法，具体包括对冬奥期间京张高铁重点运输任务场景下的突发事件预案进行梳理分析[10]，基于车站生产要素总结抽取实体类型和其相互关系，研究站车应急预案结构化策略，根据冬奥赛时要求建立应急预案流程化方法。

站车应急处置方案自动生成模型和多岗位任务下发机制，涵盖基于京张高铁运营后的既有突发事件处置案例知识，根据站车实际运营状态，结合应急预案与专家经验，建立站车应急处置方案自动生成模型。依据时序关系、人员位置与知识结构，建立多岗位任务下发机制，实现站车应急处置协同联动。

基于5G的站车应急处置全过程信息流转监控技术是利用5G通信技术，结合站车信息交互，攻克站车应急处置各阶段、跨区域、多岗位的音/视/ 图/文等信息流转监控技术，实现对应急处置的任务下发、任务签收等关键节点全时监控。

2.7 站台门智能协同联动与自适应控制技术

针对京张高铁在冬奥期间高密度行车及自动驾驶对站台门开关门高可靠性、高安全性和列车自动驾驶模式下的车门与站台门的联动控制需求，基于多智能体协同联动及自适应原理，采用基于自动驾驶模式的车地联动控制技术，提出站台门双核智能控制方法，实现高风压、高频开合、多控制单元的高可靠性协同联动控制和站台门与车门的同步开关，并研制出站台门中央控制系统，系统平均无故障次数不小于60万个周期。

京张高铁站台门热备冗余控制系统在中央控制盘(PSC)中设置2组可编程逻辑器件，实现热备冗余控制，主要由滤波隔离电路、可编程逻辑器件、隔离控制电路组成。滤波隔离电路将信号输入可编程逻辑器件，可编程逻辑器件处理信号并转化为控制信号，并输出给隔离控制电路。

为解决高速列车过站时站台门抖动影响精确开关的问题，通过比例和微分调节算法采用三闭环控制(电流环、速度环、位置环)[11-12]，其中电流环采用网络空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)算 法，每1 ms完 成一次运动状态实时反馈，进而保证站台门的精准控制，达到开关门同步时间误差≤ 0.2 s。

3 面向冬奥的京张高铁旅客服务应用示范

围绕北京冬奥会和冬残奥会科学办赛重大需求，针对京张高铁旅客服务智能化关键技术攻关，选取京张高铁清河站、北京北站、太子城站等车站展开应用示范，主要示范内容包括如下。

在旅客出行方面，针对旅客出行过程，通过融合蓝牙、惯导等定位技术，采用站内外一体化接续定位算法，实现城市和车站的无缝接续导航，以及站内的AR，VR实景导航，为旅客提供智能、快速、便捷的定位导航服务。在旅客候车环节，京张高铁全线车站提供了中英文语音广播和国际化引导服务，并部署了旅客服务机器人、智能查询机等设备，为旅客提供自助服务。在旅客乘车环节，首次在CR400BF-C-5162京张智能动车组上搭建了基于5G的列车多媒体奥运信息服务系统，为保障列车5G高清转播和实现智慧观赛提供了技术支撑。在旅客出站环节，根据疫情防控要求，研制了具有自动调光、测温、检票等功能的检票闸机，实现旅客“无接触”出站。

在车站生产运营方面，采用管控平台适配提升技术，搭建面向冬奥的管控平台总体架构，优化生产组织、安全预警、应急协同等功能，在京张高铁全线10个车站上线应用，提高京张高铁客运车站生产指挥的智能化水平，为各国旅客提供冬奥场景下的个性化、智能化站内服务，为工作人员提供更加高效的管理方式，增强车站应急突发事件的响应和保障能力。

通过对智能站车旅客服务技术的示范应用，为旅客打造智能化和人性化的服务环境，提升冬奥赛事期间旅客出行服务质量，增强京张高铁生产运营效率及协同管控能力。

4 结束语

京张高铁是支撑北京冬奥会成功举办的重要交通基础设施，面临着旅客需求多样、线路条件复杂、安全保障要求高等重大挑战。为满足冬奥赛事期间京张高铁旅客服务智能化水平进一步提升的需求，首先提出了面向冬奥的京张高铁旅客服务智能化技术体系架构，深化研究了智能站车智能旅客服务环境与生产要素泛在感知、面向冬奥的客运集中管控平台适配提升、基于5G的列车多媒体奥运信息服务系统、旅客全行程智慧信息服务、人员异常行为感知与预警、站车应急处置智能决策与协同联动、站台门智能协同联动与自适应控制等关键技术。最后，面向冬奥的京张高铁旅客服务智能化成套技术研究成果已在京张高铁示范应用，提升了冬奥赛事期间旅客出行服务的智能化、国际化水平，保障了京张高铁安全运行，提高了冬奥期间客运生产管理效率和服务品质，对保障北京冬奥会成功举办具有重要意义。