城际铁路智能客站系统架构设计与研究

杨国元，张亚伟，白 伟，王小书，宗慧曦，胡利兰

0 引言

粤港澳大湾区轨道交通建设正在形成以广州、深圳都市圈为主的趋势，“轨道上的大湾区”已经逐步成为现实，未来大湾区铁路建设将全面覆盖大湾区中心城市、节点城市，大湾区城际铁路将划分为广州都市圈和深圳都市圈，投资建设运营管理由2 个都市圈分别实施。城际铁路的建设以扩大覆盖范围、提升出行效率为重点，与城市规划相衔接，努力实现以轨道为主体的城际交通网，打造城市群1～3小时城际畅行圈，建成高效便捷城际出行网[1]。目前针对城际铁路客站架构设计相关研究较少，国内外学者主要集中在铁路客运车站、地铁客运车站的研究。张春家等[2]提出了铁路智能车站的定义和特征，设计了智能车站的总体框架，梳理了智能车站的主要业务及智能化功能。江志彬等[3]从地铁智慧车站的需求出发，分析了智慧车站的内涵和特征，从智慧设计和建造、设备智能检测和控制、客流智能监测与预警预测等方面，探讨了智慧车站的实践途径。陈星等[4]介绍轨道交通智慧车站需求与内涵，以南昌地铁4 号线智慧车站建设为例，设计智慧车站总体架构，提出智慧车站实施方案。Wijaya 等[5]针对绿色设计工程解决方案展开了研究，分析了新加坡地铁站实施的节能举措。

综合考量国内外学者、铁路企业、地铁公司等对客站设计及智能化应用研究，对深圳城际铁路客站建设的需求进行分析，提出总体架构设计理念，分析技术架构和网络架构，设计智能化应用功能，提供一种城际客站智能化建设和运营思路，以更大程度上满足乘客对于城际便捷通行的需求，满足站务人员对指挥高效安全的需求。

1 需求分析

深圳都市圈城际铁路智能客站方案设计，重点围绕城际铁路公交化、一票通、一卡通、零换乘等出行需求，结合车站乘客购票、进站、出站、换乘等业务环节，将信息化新技术与业务进行深度融合，重点面向运营阶段乘客、作业、安全、设备4 个方面，分析乘客出行、运行管控、安全保障、设备运维的业务需求，对城际铁路乘客服务、客运组织、安全应急、设备控制、运营维护、环境舒适等业务内容进行梳理和总结，提炼智能化的功能需求。具体需求如下。

（1）乘客服务需求。通过无感进出站、智能精准安检、站内导航、快速引导和便捷换乘等功能，加快乘客进出站速度，缩短乘客排队时间，提升站内引导换乘效率，实现乘客“即到即走、站台候车”的快速出行模式。

（2）生产组织需求。提供移动站务指挥、一键开关站和客流短期预测等功能，通过基于移动终端的指挥、车站系统及设备的联动控制、基于乘客出行数据的客流量短期预测，实现车站作业-人员-设备-设施的协同联动。

（3）安全应急需求。提供智能视频分析、应急联动处置等功能。通过对站内重点人员、可疑物品、异常行为的辨识和跟踪，做到危险及时报警、快速处置。通过对客站应急预案的电子化管理、流程化分解和定制化编排，提供客站一体化应急指挥、任务分发、过程监控和总结报告闭环处理。

（4）绿色节能需求。提供设备设施管理、风水联动、节能管控等功能。通过站内各类设备履历管理、运行状态感知，实现对设备的全生命周期管理。通过制定客站能耗设备精细化节能策略、制定站内温度与风系统和水系统的耦合调控策略，实现设备设施节能降耗，打造绿色节能客站。

2 设计理念及架构分析

2.1 设计理念

深圳都市圈城际铁路智能客站系统以实现公交化便捷出行、生产组织高效指挥、安全应急保障、设备绿色节能管控为目标，按照公交化运营、一体化管理、一站式服务的理念，综合运用云计算、物联网、大数据、人工智能等新信息技术，实现城际客站的智能化、便捷化、温馨化。

2.2 总体架构

深圳都市圈城际铁路智能客站系统总体框架涵盖基础设施、核心驱动、业务应用。基础设施提供客站人员、设备、环境的感知数据，支撑信息传输与共享，并完成对终端设备的精准控制；核心驱动涵盖数据、算法和模型，向站内决策提供技术支撑，保障设备的高效运转和业务的准确执行；业务应用围绕乘客出行、生产组织、安全应急和绿色节能开展智能化设计，并通过集成化展示聚合客站业务数据，完成关键区域、关键信息的三维数字可视化展示，向车站提供高效、精准、有序的管理及操控界面。总体框架如图1所示。

图1 总体框架Fig.1 Overall framework

2.3 技术架构

城际铁路智能客站系统采用微服务架构进行设计，设置服务总线，接入云脑平台的AI 服务和数据服务，满足乘客出行、生产组织、安全应急、绿色节能、集成化展示等功能应用。同时设置数据监听、统一认证、基础资源管理等服务，满足车站前端应用的统一监控管理。技术架构如图2所示。

图2 技术架构Fig.2 Technological architecture

（1）云脑平台。由云脑平台提供云计算资源和运行环境，提供数据库服务资源、基础AI 算法模型、大数据分析基础平台，同时提供智能客站所需客票、调度等系统数据接口服务。

（2）服务总线。软件后台设计采用微服务架构，从业务功能划分上考虑服务种类、类型，有利于开发的组织、修改、维护和复用。同时为满足智能客站和后台之间实时数据交互的需要，设置了消息总线和数据监听服务。

（3）车站前端应用。前端应用采用B/S 与C/S 混合架构模型，支持乘客出行、生产组织、安全应急、绿色节能、集成化展示等应用功能，同时设定总线接入规范，满足业务功能扩展需要。

2.4 网络架构

城际铁路智能客站系统采用线网中心集中部署，线网中心-线路中心-车站三级应用模式。网络统一部署在安全生产网。线网中心、线路中心、各车站通过骨干网互通，网络架构如图3所示。

（1）线网中心。线网中心建立云脑平台，部署云脑中心服务器集群。通过网络安全平台与客票、调度等系统进行数据交互。

（2）线路中心。线路中心配置数据展示服务器，支撑车站数据、中心数据的接入及部分信息展示功能，不对数据进行长期存储。

（3）车站。车站部署边缘计算服务器、接口服务器，集成广播、乘客信息显示(PIS)等系统，与综合监控系统、CCTV 系统互联，与车站的前端生产设备进行数据交互，生产服务设备包括自助售取票设备、人脸识别闸机、智能查询机、智能服务台、引导屏、广播设备、智能监控设备、动静态引导标识等。车站的数据格式及接口形式按统一标准对接。

3 功能设计

深圳都市圈城际铁路智能客站系统功能框架采用“平台＋应用”模式，主要包括平台功能、应用功能，应用功能框架如图4所示。

图 3 网络架构Fig.3 Network architecture

3.1 平台服务

提供面向客站的基础数据管理、数据融合、数据接口等服务功能；提供基于云脑平台的语音识别、大数据分析挖掘、图像分析、知识图谱等人工智能服务；提供服务编排、流程管理、协同联动、服务共享等平台管理功能。

3.2 应用功能

3.2.1 乘客服务

针对城际乘客出行特点和需求，以公交化出行、便捷化换乘、个性化服务的思想，对乘客智能化便捷出行业务方向进行功能设计，主要功能包括：无感进出站、快速安检、站内导航、动静态引导标识、便捷换乘、PIS等。

（1）无感进出站[6]。乘客通过实名制注册并绑定支付方式，完成人脸、身份信息、账户的关联。通过扫码或刷脸开启闸机，实现进站乘车、出站支付。

（2）快速安检。为了推动城际铁路与其他交通方式安检互认，提高安检通行效率，提出以下快速安检策略。

①信用安检。面向注册且安全信用度高的乘客，开辟“安检快捷通道”，实行免安检模式，仅进行不定期抽检，保障通勤乘客快速进站。但携带大件行李的乘客仍须走常规安检通道，此种模式存在漏检风险。

②预约安检。针对注册认证乘客，线上安全问题测评通过后，可携带随身物品(非危险品），在标有“认证乘客专用通道”标识的通道，刷认证二维码快速进站，仅进行不定期抽检。但携带大件行李的乘客仍须走常规安检通道，此种模式也存在漏检风险。

③安检互认。推进建立换乘站内城际与地铁间安检互认通道，减少重复安检，提高通行效率和服务水平。城际与地铁安检部门之间需制定安检互认方案。

④智能安检[7]。安检仪将行包原始图像接入智能分析设备，利用智能识别算法分析，实现对禁限带物品的自主检测、自动标注及报警提示。

图 4 应用功能框架Fig.4 Functional framework

（3）站内导航[8]。构建车站2D，3D 及VR/AR全景导航地图，基于语音识别、语义理解技术，为乘客提供车站出入口、卫生间、自助终端、电扶梯、楼梯等位置服务以及定位导航、路径规划、语音播报功能。

（4）便捷换乘[9]。建立城际铁路与地铁间信息共享机制，实现乘客快速获取换乘、运营等信息；建立城际铁路与地铁“卡、码、脸”进出站互认及清分策略，实现乘客无障碍换乘；通过车站/车载广播以及PIS 显示为乘客提供站内换乘、站外接驳的信息引导。

（5）PIS 显示。PIS 系统主要包括车站PIS 系统和车载PIS系统。

①车站PIS 系统。在车站出入口显示屏显示站名、出入口编号、乘车须知等信息；在站厅显示屏显示该站首末班车时间；在站台或屏蔽门显示屏显示列车到站时间、方向、车厢拥挤度、强弱冷车厢、“下一站”站名等信息。

②车载PIS 系统。在车载显示屏上显示终点站、停靠站、开门侧、可换乘线路、出站口分布、直梯、扶梯以及楼梯的分布情况等信息。

3.2.2 生产组织

针对城际铁路客站发车间隔小、短期客流大、岗位人员少等运输组织特点，对智能生产组织业务方向进行功能设计，包括智能站务、计划一体化编制、一键开关站、客流短期预测、综合交通协同等功能，实现城际铁路客站生产组织效率的大幅提升。

（1）智能站务。主要实现基于移动终端的站务生产指挥，站务作业任务动态派发和信息主动上传；实现站务作业、人员、设备等各生产要素及车站整体运营状态的实时监控，根据车站运营状态变化进行作业、人员、设备的按需配置。

（2）计划一体化编制。根据车站当日的运营情况以及历史客流发展规律，对次日作业、设备、人员、环境状态进行预测，给出次日最优站务计划及设备资源配置计划，并将编制好的客运计划内容自动下发到相应工作人员的操作终端，在计划发生变化时及时通知相应工作人员。

（3）一键开关站。通过互联综合监控(ISCS)、环控(BAS)、广播(PA)、闭路电视(CCTV)、PIS、安全门(PSD)、自动售检票(AFC)等系统及照明、电扶梯、卷帘门设备，按顺序一键自动检测各系统及设备的健康状态(异常情况结合视频综合判断健康状态)，对系统及设备按场景联动控制，实现站务人员一键开站、关站管理功能。

（4）客流短期预测。通过采集闸机刷卡数据、气象数据、工作日数据、周末数据、节假日数据等多源数据，开展客流特征分析，预测城际车站短期(如未来15 min，30 min，60 min)进站客流量。根据客流量短期预测结果，合理安排客站站务组织。

（5）综合交通协同。深入研究综合交通信息采集处理、数据共享，设施设备的协同管理，行车组织和客流组织等各个相关环节作业流程的协同管理，推进城际铁路与地铁、公交车、出租车、网约车等综合交通的无缝衔接，实现乘客联程运输便捷顺畅，降低乘客出行的时间成本。

3.2.3 安全应急

针对城际铁路客站功能分区、客流特征以及运营管理特点，对智能安全应急业务方向进行功能设计，包括智能视频分析、火灾监测、水位监测、应急联动处置等功能，实现城际客站乘客出行安全保障能力的大幅提升。

（1）智能视频分析。基于人工智能、图像处理等技术，对客站的视频进行动态分析，自动感知站内客流密度、乘客聚集、人员跌倒、扶梯逆行、隔拦递物、翻越端门等人员异常行为，快速向车站综合控制室及站务移动终端告警，以便及时响应处置。

（2）应急联动处置。通过对客站应急预案的电子化管理、流程化分解和定制化编排，实现客站应急指挥一键启动、任务分发、过程监控和总结报告闭环处理；针对列车到发、乘客积压与滞留、重点服务设备大面积故障等的发展趋势进行模拟推演，按不同区域、影响范围，对车站安全态势进行推演，实现应急处置的提前预判、预警及快速响应处置。

（3）火灾监测。城际铁路客站系统接入防灾报警系统(FAS)前端设备数据，实时监测站内环境状态，并进行异常信息预警、报警，发生火灾时及时启动应急联动处置。

（4）水位监测。城际铁路客站系统接入防淹门数据，获取防淹门位置、实时状态、水位信息等，出现水位异常时，及时报警并启动应急联动处置。

（5）屏蔽门安全监控。在应急情况下，车站的屏蔽门会显示相应的应急引导信息提示旅客(如应急事件内容、通道指引等)，帮助旅客快速做出决策。

3.2.4 绿色节能

针对城际铁路客站设备设施多、作业人员少、运维管理难等特点，围绕客站设备、环境等要素，对绿色节能业务方向进行功能设计，包括客站设备设施管理、能效管控、风水联动、综合监控、智能照明等功能，有效降低城际铁路客站运营成本，提升乘客候乘环境。

（1）设备设施管理。对客站客运服务设备以及电梯、空调、照明等机电设备进行全生命周期管理，实现车站设备设施的资产管理、状态监控和辅助决策评价等功能。

（2）设备设施运维[10]。基于车站物联网感知客站设备运行状态，围绕设备设施健康管理，融合设备运维服务专家经验，应用云计算、大数据、人工智能等多种技术，分析计算得到设备关键部件剩余寿命，科学合理安排设备的维修时间和计划，由计划维修过渡到状态维修再过渡到预测维修。

（3）能效管控。采集客站能耗设备(照明、导向屏、空调、电扶梯)数据，对其进行分类、分项统计分析，结合客站业务制定合理的设备运用计划和节能控制策略，实现设备的智能化、精细化节能管控。

（4）风水联动[11-12]。建立车站公共区域环境温度与通风空调系统能效比的耦合关系，环境温度达到设定温度时，通风空调系统能效比达到最大值，实现车站内空调水系统、风系统间的全局优化控制与管理，提高整个通风空调系统的运行效率，大幅降低系统的运行能耗，提升系统的管理水平。

（5）综合监控[13]。通过集成FAS，BAS 系统，实现对FAS，BAS前端设备远程监控，实时监控各设备的运行状态，通过发送指令对FAS，BAS系统进行远程控制。

3.2.5 集成化展示

针对城际铁路客站全要素感知、全场景管控，对集成化展示功能进行设计，包括数字驾驶舱、可视化指挥、3D 数字化漫游等功能，实现对车站结构、基础数据、运行状态、进出站客流、站务组织、设备能耗、站内环境、安全预警等信息的集成化展示。

（1）数字驾驶舱[14-15]。为城际铁路客站提供数字化管理工具，主要围绕乘客服务、生产组织、安全应急、绿色节能四大领域，实时展示车站客流、设备、环境、能耗等各要素指标概况，实现横向贯通、纵向比较、在线监测和智能预警，成为车站站长及站务、安全等部门全场景管控的“分析仪”“扫描仪”和“指南针”。

（2）可视化指挥。基于数字孪生技术对车站全貌、建筑外观、内部空间结构、主要乘客服务设施等进行全要素可视化建模，对车站生产要素使用情况、环境数据进行综合可视分析，实现站务管理可视化指挥；基于图像识别技术，集成视频监控、消防管理、环境监控等系统，实现告警联动、应急处置、环境监测，实现安防监控可视化指挥；根据能耗监控数据，在车站数字孪生场景中以分类统计、分区统计、历史趋势等多种形式，综合展示空调、电梯、照明、供水、通风、安防、机房等各项耗电情况，制定有效的节能策略，实现能耗管理可视化指挥。

（3）3D 数字化漫游。基于数字孪生技术构建车站全场景3D 可视化模型，接入车站实际业务数据，建立车站真实业务数据与虚拟数字化车站的交互映射关系，构建车站数字化漫游路径，实现对车站全场景、全业务的数字化漫游。

4 车站功能配置

城际铁路车站根据车站运营形式不同，可划分为一般站、枢纽换乘站、终点站。重点针对乘客出行、生产组织、安全应急、绿色节能四大板块功能在不同车站应用进行了界定。在工程设计和建设过程中，应结合客站规模、基础条件和业务需求，按照经济适用、科学合理的原则及建设管理相关规定，不同车站可采选以下功能，满足车站应用需求。车站功能配置如表1所示。

表1 车站功能配置Tab.1 Station function configuration

5 应用效果与效益分析

5.1 应用效果分析

城际铁路智能客站/枢纽系统的应用将会提高客站乘客服务能力、生产组织高效协同能力、安全应急保障能力和绿色节能水平。效果分析如下。

（1）乘客服务方面。通过无感进出站、快速安检、站内导航、动静态引导标识、站车PIS、自助化服务设备等，为乘客提供快速、便捷、直观的出行服务，减少乘客不必要的时间耗费，提高乘客出行体验。

（2）生产组织方面。通过智能站务，提高一线作业人员的工作效率；通过一键开关站，降低工作人员的劳动强度，大大缩短开关站的时间；通过客流量预测提前获取客流数据，通过综合交通协同快速有序疏导乘客，有效避免站内客流聚集拥堵等现象的发生。

（3）安全应急方面。通过智能视频分析、火灾监测、水位监测等功能应用，实现人、物、环境的实时监控，快速发现异常现象并预警报警，并通过应急联动处置实现应急事件的快速响应，有效保障站内安全，同时通过数字化应急处置流程提高应急处置效率。

（4）绿色节能方面。通过设备设施管理和运维、能效管控、风水联动等功能应用，接入站内前端设备设施数据，对客站能耗设备(照明、导向屏、空调、电梯)进行统一管理，结合客站业务制定合理的设备运用计划和节能控制策略，实现对车站照明、导向屏、空调、电梯等设备的节能降耗。

（5）集成化展示方面。通过数字驾驶舱、可视化指挥、三维数字化漫游等功能应用，建立城际铁路客站全要素感知、全场景管控的数智化模式，实现业务的横向贯通、纵向比较、在线监测，实现基于数字孪生的站务管理、安防监控、能耗管理的可视化指挥及3D数字化漫游。

5.2 应用效益分析

通过城际铁路智能客站/枢纽系统的应用，有利于促进粤港澳大湾区“城际+地铁”线网一体化、公交化运营，引领城际铁路发展方向。通过城际客站/枢纽系统的功能设计，有利于推动城际客站乘客便捷出行、智能生产管控、主动安全防护、绿色低碳节能等技术跨越，保障客站的便捷、高效、安全运营。同时，成熟、可行的功能可推广到国家铁路、市域铁路等车站应用，有利于促进轨道交通客站智能化技术进步。

6 结束语

为了全面推进深圳都市圈城际铁路客站智能化建设，提升粤港澳大湾区城际交通服务质量，在分析深圳城际铁路客站乘客出行、运行管控、安全保障、设备运维业务需求基础上，提出了智能城际铁路客站的设计理念，设计了城际铁路客站的总体架构、技术架构等，提出了面向乘客的服务功能及面向内部生产组织、安全、节能的智能化应用功能。按照不同车站提出了差异化功能应用，全面分析了功能的应用效果和应用效益。研究对推动城际铁路客站应用创新、公交化运营，引导城际客站朝数字化、智能化方向建设发展，提升城际铁路客站服务能力，保障运营安全具有重要意义。