面向京张高速铁路智能车站生产要素感知的异构物联网关键技术研究

陈瑞凤，张亚伟，李 超，徐春婕

（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)

0 引言

京张高速铁路(北京北—张家口)作为2022年北京冬奥会的重要交通基础设施，其智能化服务对于保障赛事顺利举办、打造中国高铁名片具有重要意义。京张高速铁路智能车站作为“精品工程、智能京张”的重要组成部分，采用5G通信、物联网、大数据、人工智能、机器人等新型信息技术[1]，借助智能感知传感器、智能视频监控、手持作业终端、自助查询机等监测和服务设备，实时采集和感知车站内“人员—设备—环境”各生产要素的状态信息，实现旅客便捷出行、车站温馨服务、生产高效组织、安全实时保障、设备节能环保等目标[2]。

京张高速铁路智能车站生产要素主要包含“人员—设备—环境”等因素，这些生产要素是保障京张高速铁路客运车站正常有序运营的基础资源，对车站生产要素状态信息的实时获取和智能感知是维系客运生产作业稳定运行所具备的先决条件[3]。

物联网是实现高速铁路各类生产要素状态信息感知的重要技术手段。铁路物联网正处于快速发展阶段，已广泛应用于高速铁路沿线运行环境监测、车号自动识别等业务，可实现铁路运输生产中的状态感知、标识识别和定位导航，提升了铁路运输生产的自动化、智能化水平。物联网在京张高速铁路智能车站客运服务领域也具有广阔的应用前景[4]， 采用泛在感知物联网技术，实时采集车站“人员—设备—环境”等生产要素的状态信息，对于提升客运人员管理、设备节能、环境监测等生产管控业务的智能化水平具有重要意义。

由于京张高速铁路智能车站生产要素种类繁多，状态信息类型多样，因而需要融合多类型智能感知物联网技术，构建面向生产要素监测的智能车站异构物联网技术体系，实时采集和获取各生产要素的多源状态信息[5]。异构物联网运用先进的感知识别和无线传输技术[6]，融合以5G窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)为代表的蜂窝物联网和多类型无线传感器网络[7]，通过异构物联网的灵活自主组网，提高多源状态信息的获取能力，可实现车站运营环境监测、设备状态感知和无线定位导航等功能，优化客运服务品质，提升生产管理效率[8]。

研究针对京张高速铁路智能车站“人员—设备—环境”等生产因素，采用融合蜂窝物联网和多类型无线传感器网络的异构物联网技术，通过自主组网，实现生产要素多源状态信息的泛在感知，形成智能车站物联网平台，实现面向“人员—设备—环境”等生产要素的智能识别、定位导航、运用管控、状态监测和预测预警等不同功能，为智能车站旅客服务和生产管控的相关业务赋能。

1 基于异构物联网的京张高速铁路智能车站生产要素感知系统架构

1.1 京张高速铁路智能车站生产要素感知技术

京张高速铁路智能车站“人员—设备—环境”等生产要素组成示意图如图1所示。

其中，人员要素包括京张高速铁路出行旅客以及车站客运工作人员。通过部署读卡器、摄像头、智能终端、自助查询机等图像采集和智能识别设备，可以自动识别旅客的身份信息，并实时获取旅客在车站内的位置信息，为智能车站旅客身份认证、刷脸进站核验、定位导航以及在站内的人像分析和追踪等业务应用提供基础信息来源。基于射频识 别(Radio Frequency Identification，RFID)、Wi-Fi、蓝牙以及超宽带(Ultra Wideband，UWB)等物联网技术，借助移动标签、智能终端以及可穿戴设备，可以自动识别车站工作人员的身份信息，并实时获取工作人员的位置信息，实现对工作人员的精准到岗定位功能，为客运作业管理、人员管理和调度提供信息支撑。

设备要素主要包括京张高速铁路智能车站内的客票设备、机电设备、旅服设备(如引导、广播、时钟、查询、求助设备等)以及音视频采集设备等设备设施和资产。通过标识识别、状态感知等物联网技术，借助5G NB-IoT、RFID、二维码，采集客运设备的多维度信息，实时获取各设备设施的标识信息、位置信息和运行状态监控信息，实现对客运设备的登记、巡检和状态监测等设备管控业务功能[9]。

环境要素主要包含京张高速铁路智能车站内的温湿度、噪声、亮度、空气质量、客流量、人群密度、异物侵限、出入口入侵监测等。通过采用环境监测传感器、摄像头等智能感知手段，实时监测车站不同区域空间的运营环境要素和安全要素状态信息。

1.2 京张高速铁路智能车站生产要素多源信息融合处理技术

通过构建车站生产要素多源信息融合处理架构，结合京张高速铁路智能车站的具体客运业务需求，对生产要素多源异构数据进行融合处理，实现针对“人员—设备—环境”等生产要素的智能识别、定位导航、状态监测和预测预警等不同业务应用。

京张高速铁路智能车站生产要素多源信息融合处理架构示意图如图2所示，架构可以划分为数据获取层、数据处理层和高级应用层。其中，数据获取层主要汇聚了由部署在车站内的RFID标签、环境监测传感器、可穿戴设备、音视频采集终端、自助服务终端和移动终端等各类数据源采集的多源生产要素状态信息，构成了生产要素感知信息的数据资源池；在数据处理层，经过数据筛选和清洗处理，进行多源异构数据的空域和时域处理，并根据不同数据类型提取数据特征，经过分类器对多源异构数据进行分类，采用特征级融合算法实现对多源异构数据的融合处理；在高级应用层，结合京张高速铁路智能车站内标识识别、状态感知、定位导航等不同业务需求，实现对人员身份信息和设备信息的标识识别，对车站运营环境和客流量信息的状态监测和预测预警，以及对人员和设备的定位服务等功能。

图2 京张高速铁路智能车站生产要素多源信息融合处理架构示意图Fig.2 Multi-source information fusion processing architecture for production factors in intelligent stations of Beijing-Zhangjiakou HSR

1.3 基于异构物联网的京张高速铁路智能车站生产要素感知系统总体架构

针对京张高速铁路智能车站“人员—设备—环境”等生产要素，采用涵盖5G NB-IoT、无线传感器网络等技术的智能车站泛在感知异构物联网，实时采集各生产要素的状态信息，可以提高京张高速铁路智能车站运营环境信息的获取能力。京张高速铁路智能车站生产要素感知系统采用多种无线通信制式，通过灵活自主组网，将异构物联网作为重要支撑载体，为实现车站运营环境监测、客运设备状态感知、人员身份识别和无线定位导航等旅客服务和生产管控业务应用提供重要的通信手段，保障各生产要素状态信息的实时、可靠传输，实现不同生产要素之间高效协同和科学调配，提高运输生产效率，优化客运服务品质。

基于异构物联网的京张高速铁路智能车站生产要素感知系统总体架构如图3所示，运用多种智能感知物联网技术，实时采集车站“人员—设备—环境”等生产要素的多源状态信息，通过无线异构物联网组网和融合技术，保障生产要素多源状态信息的可靠、稳定传输，实现面向智能车站旅客服务和生产管控的业务功能。基于异构物联网的京张高速铁路智能车站生产要素感知系统架构主要包含以下4层。

图3 基于异构物联网的京张高速铁路智能车站生产要素感知系统总体架构示意图Fig.3 Overall architecture of production factor perception system based on heterogeneous IoT for intelligent stations of Beijing-Zhangjiakou HSR

（1）感知层。在车站部署多类型智能感知物联网设备，分别采集车站“人员—设备—环境”等生产要素的多源状态信息，实现对旅客、工作人员、设备设施和运营环境的身份识别、状态感知和实时监测。在车站特定位置部署图像采集设备，可以智能识别旅客和工作人员的身份信息；通过部署UWB、蓝牙和Wi-Fi等无线定位技术的基站设备，旅客和工作人员借助移动标签或智能移动终端，便可实时获取人员的位置信息。通过将客票、机电及旅服等各类客运设备接入智能车站物联网网关或按照约定通信协议，车站可实时感知客运设备的运行状态信息。在车站不同区域安装温度、湿度、亮度、噪声和空气质量感知传感器，可实时监测车站内的运营环境信息。

（2）网络层。将感知层的采集信息通过异构物联网传输到平台层，融合多种无线物联网传输技术，汇聚来自不同传输方式的采集信息，形成针对不同应用场景和应用需求的无线异构物联网，主要包括以5G NB-IoT为代表的蜂窝物联网和各类型无线传感器网络。其中，蜂窝物联网将物联网设备搭载在移动通信网络上，需依托通信运营商的移动通信网络才能实现多源状态信息的可靠传输，目前京张高速铁路全线已全部覆盖5G通信网络，因此，以5G NB-IoT为代表的蜂窝物联网可以广泛用于京张高速铁路车站。无线传感器网络具有自主组网、多跳通信、灵活部署、分布式通信等特点，较为常见的几类无线传感器技术包括：以RFID、蓝牙、紫蜂(ZigBee)等为代表的短距离无线局域网；非授权频谱的低功耗广域网，如远距离无线电(Long Range Radio，LoRa)、SigFox等；基于IP协议的无线通信技术，如6LoWPAN。

（3）平台层。通过对车站“人员—设备—环境”等生产要素多源状态信息和客运业务数据的集成、共享与分析处理，提供生产要素基础数据与客运业务数据的管理与服务功能，处于智能车站物联网的数据枢纽位置，是智能车站“人员—设备—环境”等生产要素与业务系统之间无缝融合的通道，为面向京张高速铁路智能车站“人员—设备—环境”的物联网应用赋能。

（4）应用层。主要实现面向京张高速铁路智能车站“人员—设备—环境”等生产要素的旅客服务和生产管控业务的应用解决方案，为智能车站提供人员定位导航、客运设备运用管控、环境舒适度监控等服务。在车站监控中心部署的数据库服务器用于存储和处理大量的生产要素状态信息，接口服务器用于提供与其他系统的接口，依托应用服务器搭建“人员—设备—环境”相关物联网业务应用。

2 面向京张高速铁路智能车站生产要素感知的无线异构物联网技术

京张高速铁路异构物联网通过不同类型的网络基础设施建立起 “人员—设备—环境”等车站生产要素多源状态信息的采集连接和传输路由，保证多源状态信息的智能感知、泛在连接、实时传输和数据共享，构成集状态感知、数据传输、业务应用和协同交互为一体的基于异构物联网的京张高速铁路智能车站生产要素智能感知系统。

适用于京张高速铁路智能车站“人员—设备—环境”等生产要素监测的无线异构物联网技术种类繁多，按照网络架构可以划分为依托蜂窝移动通信网络的蜂窝物联网和可自主组网的多类型无线传感器网络。无线异构物联网传输性能对比如表1 所示。

表1 无线异构物联网传输性能对比Tab.1 Transmission performance comparison of wireless heterogeneous IoT

蜂窝物联网以5G NB-IoT为代表，NB-IoT技术构建于蜂窝网络，可依托5G通信网络，具有低功耗、低时延、泛在互联、安全可靠的特征。多类型无线传感器网络可以自主组网，具有分布式通信特点，按照传输距离和通信协议可以进一步划分为：短距离无线局域网技术(如RFID、蓝牙、ZigBee等)、非授权频谱的低功耗广域网(如LoRa，SigFox等)和基于IP协议的无线通信技术。

针对京张高速铁路智能车站不同应用场景下无线信号传输及通信质量的变化差异，需采用不同的无线传输技术来满足各类应用模式下的无线通信服务质量(Quality of Service，QoS)需求。在实际工程实施中，根据京张高速铁路智能车站现场环境和业务通信需求，综合考虑车站空间结构、现场供电条件、数据传输需求、电波空间传播特性等因素，提出一整套车站无线异构物联网组网方案，保障智能车站异构物联网实现“人员—设备—环境”等生产要素泛在感知的功能。

3 面向京张高速铁路智能车站生产要素感知的无线异构物联网组网方案

异构物联网是实现京张高速铁路智能车站生产要素状态信息采集、传输和共享的重要支撑手段，分别依托以5G NB-IoT为代表的蜂窝物联网和多类型无线传感器网络技术，实现智能车站异构物联网数据接入功能，保证智能车站多源状态信息的实时、可靠、安全传输。

3.1 云边协同的5G NB-IoT蜂窝物联网组网方案

云边协同的5G NB-IoT蜂窝物联网组网方案如图4所示。在车站客运设备和运营环境监测传感器上搭载5G NB-IoT通信模组，旅客和工作人员借助智能终端和移动作业终端，依托车站5G 客户前置设 备(Customer Premise Equipment，CPE)、NBIoT基站、核心网和移动边缘计算(Mobile Edge Computing，MEC)服务器等5G网络基础设施，实时采集京张高速铁路智能车站“人员—设备—环境”生产要素的多源状态信息，通过5G网络上传至MEC服务器[10]，与智能车站物联网平台协同计算，形成云边协同的智能车站物联网融合架构，在强大的数据资源池中进行多源数据融合处理和智能算法分析，并将相应的数据处理和分析结果反馈至车站终端设备。

图4 云边协同的5G NB-IoT蜂窝物联网组网方案Fig.4 Network schemes of 5G cellular NB-IoT based on cloud-side collaboration

3.2 多类型无线传感器网络融合组网方案

针对车站“人员—设备—环境”生产要素监测的不同应用场景，为了保障多源监测信息的可靠、安全传输，有必要提出融合短距离无线局域网、非授权频谱低功耗广域网和基于IP协议的无线传输技术的多类型无线传感器网络组网方案。面向“人员—设备—环境”监测的多类型无线传感器网络融合组网方案如图5所示，网络融合组网架构分为数据采集层、无线传输层、汇聚处理层和高级应用层4层。

图5 面向“人员—设备—环境”监测的多类型 无线传感器网络融合组网方案Fig.5 Fusion network scheme of multi-type wireless sensor networks for personnel-equipment-environment monitoring

在数据采集层，车站“人员—设备—环境”生产要素所需监测的信息来源各异，数据类型多样，因而需要在车站不同位置部署多种类型的信息采集和感知节点；在无线传输层，针对车站内不同应用场景的信息采集类型和通信质量需求，形成涵盖短距离无线局域网、非授权频谱低功耗广域网和基于IP协议的无线传输技术的多类型无线传感器网络融合组网方式；在汇聚处理层，多类型物联网网关分别将各自接收到的多源异构数据汇聚到智能车站物联网平台的汇聚单元，汇聚单元具有很强的数据存储和处理分析能力，提供“人员—设备—环境”多源信息存储、数据融合处理和集成共享交互功能；在高级应用层，经过集成整合和融合处理后的“人员—设备—环境”多源监测信息为智能车站旅客服务和生产管控业务提供基础数据支撑。

4 基于异构物联网的京张高速铁路智能车站生产要素感知系统成果应用

京张高速铁路已全线覆盖5G通信网络，车站内也部署了多类型智能感知传感器。因此，借助京张高速铁路5G通信网和多类型传感器融合手段，针对车站“人员—设备—环境”等生产因素，建立基于异构物联网的京张高速铁路智能车站生产要素感知系统，实现基于5G的旅客出行导航、客运设备运营管控和环境舒适度监控等业务应用。

针对京张高速铁路人员定位导航应用，基于智能导航算法，借助智能移动终端可实现基于5G的站内外一体化导航、精准定位和智能路径规划等功能，满足旅客便捷出行需求。针对客运设备运营管控，采用异构物联网技术，实现客运设备运行状态自主感知、在线监控、可视化展示、智能化决策与管控。针对车站环境舒适度监控，采用多类型无线传感器网络等监测手段，实时采集站内环境信息，实现不同区域环境舒适度信息与安全要素状态的智能主动感知。

通过构建基于异构物联网的京张高速铁路智能车站生产要素感知系统，对车站“人员—设备—环境”等生产要素的状态进行感知、监控及分析，一方面能够为旅客提供更加便捷、舒适的出行体验，提升京张高速铁路客运服务品质；另一方面有助于工作人员实时掌握车站整体运行状况，确保车站安全、有序运营，便于车站“作业—人员—设备”一体化协同指挥和统一调度，实现更加快捷、高效、紧密衔接的客运作业组织。

5 结束语

针对京张高速铁路智能车站“人员—设备—环境”等生产因素的多样性，构建了基于异构物联网的车站生产要素智能感知系统总体架构，梳理和对比了涵盖蜂窝物联网和多类型无线传感器网络的异构物联网技术的传输性能，分别提出了云边协同的5G NB-IoT蜂窝物联网和多类型无线传感器网络组网方案，可以为面向京张高速铁路智能车站生产要素感知的网络部署提供方案依据和理论指导；通过借助移动作业终端、自助查询机、环境感知传感器、智能视频监控等智能服务设备和监测手段，可以实现对车站内“人员—设备—环境”等生产因素多源状态信息的实时采集和可靠传输，保障对旅客服务、生产组织、安全保障、绿色节能等智能车站业务的支撑。