轨道交通智慧车站智能导乘系统优化研究

石慧萍 梁德荧

摘  要：针对当前城市轨道导乘系统存在的问题，提高市民乘坐地铁的好感度，通过交互设计的思维方法解决乘客在乘坐地铁的过程中存在的导乘问题；以物联网为技术架构优化站内导乘系统，解决当前轨道交通系统中导乘系统存在的技术问题及权限问题。针对这些问题，提出以智能视频分析技术为辅助的物联网导乘服务，及提出以丰富乘客生活为主的智能导乘系统的交互设计。

关键词：城市轨道导乘系统；交互设计；物联网；智能视频分析；智能导乘服务

中图分类号：TP311    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）07-0028-04

Abstract： In view of the problems existing in the current urban rail passenger guidance system， in order to improve the public's favorability for taking the subway， this paper solves the passenger guidance problems existing in the process of taking the subway for passengers through the thinking method of interaction design. The Internet of Things is used as the technical framework to optimize the passenger guidance system in the station， and the technical problems and authority problems existing in the passenger guidance system in the current rail transit system are solved. Aiming at these problems， this paper proposes an Internet of Things passenger guidance service assisted by intelligent video analysis technology， and proposes an interaction design of the intelligent passenger guidance system to enrich the life of passengers.

Keywords： urban rail passenger guidance system; interaction design; Internet of Things; intelligent video analysis; intelligent passenger guidance service

0  引  言

本文研究的主題是针对城市轨道交通站内导航、线路导航、站外导航的交互研究，利用高性能的现代化硬件设备、应用现代化先进技术架构强化轨道交通智慧车站智能导乘，以及从交互式设计的方式优化站内导乘文化。

随着科技现代化的发展，科技对数据的容纳量提高、系统功能更加多样化，版本更新的频率加快。城市轨道交通的项目生命周期长、更新慢，所需人力、物力、财力巨大，因此、科技水平依然停留在传统手工阶段。当前，轨道交通导乘系统存在设备落后、监控能力不足、数据独立处理无法联动、与乘客推式交流等问题。

为了解决上述问题，将物联网技术、智能视频分析技术应用于城市轨道交通导乘系统，使用高性能的物联网通信技术替换原有信道，利用智能视频分析技术监视站内状态，分析结果作为导乘系统设施联动的依据，动态响应车站不同场景的运营。以功能强大、内容丰富为设计原则，以交互式设计为指导思想，优化车站导乘文化。乘客主体人群为上班族和学生，其余为外地乘客、残疾人、老年人等特殊乘客人群，特殊乘客人群是站务咨询的主要来源。因此，交互式设计还需考虑到特殊人群使用要求，如操作简洁、可语音交互、及时远距离招援等功能。

智能导乘系统的主要目的是满足乘客的导向需求，以及提升乘客在路途上的舒适感。应用现代化科学技术及基础设施不仅提升运营服务水平。而且通过系统的广告媒体销售还能取得可观的经济效益。同时多功能交互设计除了适用于中青年的需要，也照顾到特殊人群，展现城市轨道交通的人性化关怀。

1  轨道交通系统的导乘系统现状

1.1  导乘系统架构现状

当前，轨道交通系统导乘系统的架构图的如图1所示。现有的导乘架构中不存在交互式设计思想。由编播中心指定标准及主要信息构架。编播中心主要实现系统的编辑、播放、管理及控制等功能。编播中心对现场的控制具有最高权限。编播中心主动向轨道交通系统的中心乘客信息系统（以下简称PIS）发送信息，在车站由PIS子系统下发广告信息，广播系统（以下简称PA）播放运营广播。编播中心经编辑、处理手段生成内部信息，按既定规则或版式，通过控制中心PIS 系统下发控制命令，以完成向乘客传递信息的功能。这个架构依赖于编播中心的监控，车站的导乘系统作为中心的终端嵌入中心系统中，仅仅能做到设备的监视，不具备控制信息的下发权限。

原有的PIS屏、广播、固定导乘只能完成简单的图片展示，以及单项、单调的信息输出。对于乘客来说，可利用信息少，不能满足多样的导乘需求。大部分信息更换只能人工更换，如固定导乘信息只能在夜晚时更换，存在较大的人工成本消耗。

在这个架构中，编播中心具有最大权限控制现场的情况，指定信息交互的基线，有利于全线的统一监控，数据信息的统一监控。但这也带来巨大的风险，轨道交通应急储备执行权在编播中心，应急情况发生时，无法做到及时的应急情况处理。

因此，尝试应用边缘集群、物联网、智能视频分析的技术角度优化当前轨道交通导乘系统，提高轨道交通导乘系统的车站动态响应能力和车站导乘文化。

1.2  当前轨道交通导乘文化

轨道交通导乘系统是指在特定的环境中，为了解决用户寻找方向和路径的问题，通过标识、色彩、符号和文字，形成的一整套导引系统。根据设置客流交叉点提示，完成关键点人群正确分流，是目前轨道交通导乘系统优化的目标之一。

如今，轨道交通系统的导乘系统的工作模式是预制海报，显示屏使用纸质固定海报和LED显示切换像素图，主要包含定位信息（例如各种进出站标识）、站内导乘系统（例如地铁线路图）、咨询系统（例如站周边地图）和安全警告系统（例如站台跌落警示）。在设计实践中，单纯的基于平面标识设计的导视系统，仍旧较难解决现存的各种乘客导乘问题。

因此，尝试从交互设计的角度来对地铁导视系统进行优化。

2  轨道交通智慧车站智能导乘系统技术改进思路

2.1  基于物联网的智慧导乘系统架构

在当前轨道交通系统的基础上，将车站级系统作为一个相对独立的物联网架构，并完成各项优化形成轨道交通智慧车站智能导乘系统。车站级导乘系统架构如图2所示。

如图2所示，编播中心依然对轨道交通系统具有一定的权限，但仅仅是监视和重大决策的权限，而导乘系统具备系统的编辑、播放、管理及控制等功能，具备更多的实际控制权限。

应用物联网架构于车站导乘，车站的导乘系统形成一个自治的集群点，拥有集成的、相对稳定、反映历史变化、及时响应、提供决策支持的特点。物联网架构由三层组成，感知层、网络层和应用层。感知层涉及的是各种识别技术、信息采集技术、控制技术。这些技术是交叉使用的，这一层最常见的就是各种传感器，用于替代或者延展人类的感官完成对物理世界的感知。

在智慧车站智能导乘系统中，感知层对应导乘系统的终端设备。在原来的设备系统中，导乘系统的终端设备仅仅用于信息的传达，不负责信息的识别及信息的收集，是一个简陋的交互式设计。智慧车站智能导乘系统的终端设备具备信息显示、信息识别、信息收集的功能。终端设备接收应用层下发的指令，将指令转换成当前社会所能识别的字符、音频；终端设备识别乘客的操作，并经过计算转换成指令信息，完成与乘客互动，记录乘客的操作历史信息，形成历史记录，可为应用层的计算提供数据支持。

网络层则主要实现信息的传递、路由（决定信息传递的途径）和控制（控制信息如何传递），分为两大部分，一部分是物联网的通信技术，一部分是物联网的通信协议，通信技术负责把物与物从物理上链接起来，可以进行通信，通信协议则负责建立通信的规则和统一格式。有些通信技术已经在互联网中使用，有些则是根据物联网新创建的。除了以太网、光纤等有线通信外，智慧车站智能导乘系统可提供使用的无线通信技术包括如下描述，Wi-Fi 6、5G等，这些通信技术的特点是带宽大，同时满足时延要求。

应用层是在各种物联网通信协议的支持下，对物联网形成的数据在宏观层面进行分析并反馈到感知层执行特定控制功能，包括控制物与物之间的协同，物与环境的自适应，人与物的协作。应用层可分为两大部分，一部分是通用的物联网平台，建立在云平台之上，可以是IAAS/PASS/SAAS的一种或者混合。另外一部分是在这个通用的物联网平台上再产生具体应用，具体应用就是如何具体控制这些物如何收集信息，如何进行控制物。

智慧车站导乘系统的应用层包括服务处理（中间件、数据存储及处理、智能视频分析、智能控制）、应用软件（后台管理服务、工作站）。其中，后台管理服务着重于服务处理的数据分析，用于展示中间件和数据存储处理的历史记录、数据分析的阶段性结果、数据决策分析的依据、智能控制命令的界限及各类数据分析的标准；接收来自CCTV的智能视频分析结果和来自工作站的控制命令。工作站着重于控制命令的下发，接收来自后台服务管理服务的数据分析结果，并向终端设备下发控制命令。

2.2  轨道交通智慧车站智能导乘系统数据分析

轨道交通智慧车站智能导乘系统的数据流图如图3所示。

终端的交互信息主要来源于周边导乘屏和CCTV，通过周边导乘屏和CCTV提供的信息，经过数据挖掘与人工智能的计算，為当前的导乘信息决策提供支持及部分自动辅助。

周边导乘屏的操作信息包括点击及查询数据分析，操作信息存储于关系型数据库。关系型数据库用于存储及分析，后台管理服务则利用数据挖掘欧式距离聚类算法，寻找乘客周边信息关注的重点，为以后的周边信息屏的信息内容及分布提供决策分析。

中间件是独立的系统级软件，连接操作系统层和应用程序层，用于提供通信支持、应用支持及公共服务。公共服务是对应用软件中共性功能或约束的提取。将这些共性的功能或者约束分类实现，并支持复用，作为公共服务，提供给应用程序使用。

TRNN神经网络模型是智能视频分析技术中的神经网络参数模型。神经网络参数模型是人工智能学习的核心算法，在智能导乘系统中主要担任异常行为识别、应急场景识别等特殊情况，TRNN从站内摄像头获取视频信息，利用对象跟踪，识别站内人群，并在时间及空间上对象数值差判断人群中的异常情况，为智能控制的决策指令提供数据依据；计算车厢内的人员总数，按照等级判断车厢内的拥挤度并直接将结果下发到车厢导乘屏。

智能控制模块需要站务操作数据的支持，在前期的使用中，数据的来源为人为输入，提供给智能控制模块训练学习。智能控制模块也是一种神经网络模型参数，主要用于数据信息识别及操作命令的学习。而同时间及空间的积累后，由于训练数据逐渐增大，学习样例不断增加及重复，智能控制模块可以根据各个算法提供的数据分析结果自动完成部分操作指令。

后台管理服务主要用于展示这些算法计算的阶段性过程、数据来源、自动控制记录。自动控制需要得到站务的许可。自动控制的内容包括广告切换、悬挂导乘应急场景切换等。站务可通过工作站直接下发导乘指令。

3  基于交互式设计的智能导乘系统

交互设计是一种如何让产品易用，有效而让人愉悦的技术，它致力于了解目标用户和他们的期望，了解用户在同产品交互时彼此的行为，了解“人”本身的心理和行为特点，同时，还包括了解各种有效的交互方式，并对它们进行增强和扩充。

轨道交通系统的导乘系统需要明确客流交叉点的指示信息。指示信息考虑到客流的信息获取方式，而导乘信息可作为文化传输的途径。作为地铁作为城市的门面，也应担任城市宣传的责任，地铁的乘客中以上班族和学生占大多数，这一类人群拥有基础的现代化设备使用经验，并且能识别基础的导向性信息，因此，传统的导乘指示信息已基本满足他们的需求。

尝试对现有地铁的导乘文化传输进行改造，使用多样文化输出为社会做出一份贡献。在地铁可视化信息中，添加具有科教意义的娱乐信息。如2-3分钟与生活相关的视频信息、音频信息。优秀的文化播，可以提升一座城市的影响力，一座城市的整体形象，吸引投资者的眼球，促进当地旅游业的发展，达到城市高速发展的目的。

除了这两类人以外，乘客人群还包括外地来访人群、县城居民来访、残障人士、老年人等特殊人群，是乘客咨询的主要人群来源。针对特殊人群，提出以主流信息获取方式为主，地域特色文化为辅的信息传播方式。如以普通话为主、方言为辅的导乘信息。考虑到老年人及残障人群的问题，所有的导乘信息以简洁直接为主。同时当CCTV观测到这些人群进入车站时提醒站务重点关注。基于交互式设计的周边导乘屏示例如图4所示。该屏具备周边生活的查询、语音交互等功能。

站内的导乘屏以人群属性作为关注的重点，站外的导航则与周边信息息相关。对于周边导乘屏的咨询有两种情况，一乘客知道目的地，但是并不知道从哪个口出去，到达后却不知从哪个出口出站。二乘客不知道目的地，只是找地方游玩。针对第一种情况，借助地图完成，将路线信息显示出来，地图可根据手势放大缩小。针对第二种情况，周边导乘屏提供周边信息推荐与查询的功能。除此之外，站外的天气信息，交通情况等信息，也会在周边导乘屏上展示。

4  结  论

将车站作为一个边缘集群点，应用物联网技术及现代通信技术，提升軌道交通智慧车站智能导乘系统的信息传输的速度、信息的动态响应、乘客的交互式交流等。从交互式的设计思想优化站内导乘文化，带给乘客的精神上的满足，也为城市生活增添色彩；以物联网技术和只能视频分析技术为核心的导乘系统技术，带给乘客出行便利，也减少站务更多的工作，同时降低站内运营的成本。城市轨道交通的现代化发展，与现代化技术接轨，提升城市形象。

参考文献：

[1] 曹鑫.北京地铁导视系统设计中的交互设计思考 [J].包装工程，2014，35（6）：37-40.

[2] 陈杰.城市轨道交通乘客信息系统云方案研究 [J].信息与电脑：理论版，2020，32（2）：177-179.

[3] 李雪，康拥政.城市轨道交通换乘导乘信息系统优化设计研究 [J].杨凌职业技术学院学报，2021，20（1）：4-7+19.

[4] 张春海，黄爱华.乘客信息导乘系统的组成及发展前景 [J].机电工程技术，2006（7）：85-86+138.

[5] 周敏尧.导乘信息系统在地铁中的应用 [J].铁路通信信号工程技术，2010，7（6）：65-68.

[6] 袁奕涵.轨道交通乘客信息系统的车站运营综合导乘应用研究 [J].隧道与轨道交通，2021（1）：35-37+61.

[7] 望爱诗，云俊.基于SEM的城市轨道交通综合服务评价体系研究 [J].现代商贸工业，2018，39（19）：192-195.

[8] 陈春娇.完善上海轨道交通网络导乘系统管理的探讨 [J].城市轨道交通研究，2010，13（4）：42-45.

[9] 康政平.人文机场建设不应忽视“导乘服务” [J].空运商务，2018（10）：12-13.

[10] 陈成，徐军，房董葵.基于边缘计算的物联网数据安全处理模型 [J].信息技术，2022（4）：137-142.

[11] 陈巧灵.面向边缘计算的智能化系统设计与实现 [J].信息与电脑：理论版，2022，34（3）：113-115.

[12] 周义.基于物联网边缘计算架构的智慧石油物流系统 [J].长江信息通信，2021，34（7）：140-142.

[13] 尤江，郭鹏.智慧地铁的架构参考模型及发展策略 [J].城市轨道交通研究，2021，24（4）：30-34+38.

[14] 王宇阳.物联网技术下城市轨道交通车辆的调度和管理分析 [J].内燃机与配件，2017（24）：114-115.

作者简介：石慧萍（1991.04—），女，壮族，广西南宁人，初级工程师，硕士研究生，研究方向：计算机应用技术；梁德荧（1992.11—），男，壮族，广西南宁人，初级工程师，本科，研究方向：自动化。