王 慧郭玉臣 錢雙龍

（1.貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，550081，貴陽(yáng)；2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，副教授）

隨著時(shí)代的發(fā)展，信息化、網(wǎng)絡(luò)化正在向包括城市軌道交通在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域滲透?，F(xiàn)代的城市交通系統(tǒng)越來(lái)越重視乘客的體驗(yàn)，以乘客的便捷為宗旨，因而以服務(wù)乘客為主的乘客信息系統(tǒng)（PIS）逐漸發(fā)展起來(lái)。

國(guó)內(nèi)軌道交通車載PIS智能化方面發(fā)展相對(duì)緩慢：①目前方式相對(duì)單一，停留在語(yǔ)音播報(bào)以及車廂內(nèi)的固定顯示方式為主，與乘客的耦合度不高，乘客對(duì)于系統(tǒng)參與力度小；②數(shù)據(jù)利用不足，沒(méi)分析客流信息、乘客密度信息和高峰車狀態(tài)信息等；③存在信息孤立，車載信息未采集或未共享等問(wèn)題。

隨著大客流時(shí)代的到來(lái)，對(duì)車載PIS提出了更高的要求，現(xiàn)有的車載PIS必須依托互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)，提升技術(shù)含量，以滿足乘客、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)的需求，構(gòu)建智慧列車。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建了統(tǒng)一的車載IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）網(wǎng)絡(luò)，打通語(yǔ)音、視頻等乘客信息的通道；設(shè)計(jì)了移動(dòng)APP（計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序）、微信小程序等移動(dòng)端，豐富了顯示方式，提高了乘客的耦合度；增加了人流、車廂人員密度分析功能，為乘客規(guī)劃更加人性化的舒適合理路線；記錄客流和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，為運(yùn)營(yíng)分析、決策提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路

針對(duì)目前存在的問(wèn)題，本著人性化、智能化原則，解決問(wèn)題的思路主要在信息傳輸網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)端和車載信息處理上。

（1）形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

（2）建立完整的數(shù)據(jù)庫(kù)用于記錄列車各個(gè)時(shí)段的信息。

（3）信息實(shí)時(shí)分析處理，包括客流信息的處理、運(yùn)行信息處理、實(shí)時(shí)圖像信息處理。

（4）精確定位，確定乘客在哪個(gè)站、哪列車，甚至哪個(gè)車廂。

（5）移動(dòng)端使用，為客戶提供APP和微信小程序等應(yīng)用，提供列車信息、位置信息的實(shí)時(shí)推送和智能路線規(guī)劃等功能。

2 基于IP的車載PIS結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

車載PIS是地鐵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，車載顯示系統(tǒng)為中介，向乘客提供信息服務(wù)。其基本結(jié)構(gòu)（見圖1）主要包括三部分：廣播系統(tǒng)（包括緊急呼叫、LED（發(fā)光二極管）顯示），多媒體信息顯示系統(tǒng)，CCTV（閉路電視）監(jiān)控系統(tǒng)。

本方案設(shè)計(jì)全數(shù)字的車載PIS。整個(gè)車載系統(tǒng)采用匯聚以太網(wǎng)作為語(yǔ)音、圖像、視頻和控制的載體，通過(guò)4G、WiFi等方式實(shí)現(xiàn)車地通信和與控制中心、乘客、地面分析處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

圖1 基于IP的車載PIS結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)全部采用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)；

（2）通過(guò)4G或WiFi與地面系統(tǒng)互聯(lián)；

（3）通過(guò)MVB（多功能車輛總線）與車身系統(tǒng)連接；

（4）廣播系統(tǒng)具有硬線備份功能；

（5）設(shè)備盡量采用POE（以太網(wǎng)供電）。

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)是PIS本身數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，也是系統(tǒng)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道。設(shè)計(jì)了基于IP的可靠的車載網(wǎng)絡(luò)，也考慮了多種無(wú)線方式，以實(shí)現(xiàn)車地、車人之間數(shù)據(jù)交互?？傮w結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2.1 列車總線網(wǎng)

總線網(wǎng)是車載PIS穩(wěn)定、可靠工作的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)了雙路匯聚的百兆以太網(wǎng)，帶寬200兆，單點(diǎn)故障不影響整列車?？紤]與其它網(wǎng)絡(luò)接口，司機(jī)室采用三層功能交換機(jī)。除以太網(wǎng)傳遞總線外，還配備了兩根模擬音頻總線，當(dāng)以太網(wǎng)故障時(shí)，PIS能夠執(zhí)行降級(jí)模式，以保證廣播功能，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.2.2 車載及站內(nèi)WiFi

地鐵及站內(nèi)WiFi是一個(gè)WiFi熱點(diǎn)覆蓋和管理系統(tǒng)，通過(guò)車載三層交換機(jī)和無(wú)線路由實(shí)現(xiàn)車身有線網(wǎng)絡(luò)和WiFi互通。

本系統(tǒng)可單獨(dú)建設(shè)，也可以利用現(xiàn)有地鐵建設(shè)的WiFi網(wǎng)絡(luò)。

2.2.3 移動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò)

移動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要利用4G和LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)WiFi條件下地面和車載鏈接以及手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備接入PIS網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無(wú)縫的鏈接車輛和地面。

圖2 基于IP的PIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 車載智能PIS設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為三層，分別為車載設(shè)備層、信息傳輸層、應(yīng)用層（見圖3）。系統(tǒng)除具有傳統(tǒng)車載PIS功能外，具有以下功能特點(diǎn)。

（1）車載部分系統(tǒng)建立統(tǒng)一的數(shù)字PIS信息平臺(tái)，規(guī)范系統(tǒng)的接口、簡(jiǎn)化布線方式。

（2）具有車廂圖像輔助處理功能。依靠車載監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)車廂內(nèi)圖像進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)人員密度、異常行為、異常物品的識(shí)別，輔助司機(jī)和管理人員分析決策。

（3）APP報(bào)站、導(dǎo)航功能。依托PIS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，開發(fā)APP，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)報(bào)站、客流提醒、實(shí)時(shí)換乘信息的智能推送。

（4）故障檢測(cè)功能。利用設(shè)備大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)分析，達(dá)到狀態(tài)修的目的，協(xié)助司機(jī)、技術(shù)人員和維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備的應(yīng)急處理、故障分析、維護(hù)檢修。

（5）統(tǒng)一系統(tǒng)的測(cè)試、接口規(guī)范。規(guī)范系統(tǒng)接口，建立統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能測(cè)試。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 數(shù)據(jù)信息采集和存儲(chǔ)

信息存儲(chǔ)采用成熟的存儲(chǔ)技術(shù)和方案，根據(jù)應(yīng)用分別存于車身和地面系統(tǒng)中。存儲(chǔ)的信息包括固定信息和實(shí)時(shí)信息。

固定數(shù)據(jù)包括所有路線站點(diǎn)信息、所有線路時(shí)刻表、線路列車信息；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要包括地鐵所在位置、列車行駛方向，以及CCTV監(jiān)控視頻中人流密度的分析結(jié)果。

3.2.2 微信公眾號(hào)、小程序和APP

小程序或者APP具有定位、線路查詢、線路規(guī)劃、智能報(bào)站、信息查詢等功能。結(jié)合小程序，創(chuàng)建一個(gè)微信公眾號(hào)是更加便捷的選擇。乘客只需關(guān)注公眾號(hào)就能快捷地進(jìn)入小程序和及時(shí)收到推送的應(yīng)急消息。同時(shí)還可以在公眾號(hào)增加一些輔助功能，例如地鐵運(yùn)行時(shí)間查詢、車站站臺(tái)服務(wù)查詢等一系列方便乘客的功能。當(dāng)然也可以為用戶反饋提供渠道。移動(dòng)端結(jié)構(gòu)如圖4。

3.2.3 乘客定位

圖3 基于IP的車載PIS結(jié)構(gòu)圖

目前，地圖（百度地圖、高德地圖等）所使用的地鐵到站提醒功能都是根據(jù)全程GPS（全球定位系統(tǒng)）定位、基站定位的混合定位系統(tǒng)，而地鐵自身處于地下，其環(huán)境復(fù)雜又快速移動(dòng)，對(duì)于GPS和網(wǎng)絡(luò)的接收本身就是個(gè)問(wèn)題。

圖4 移動(dòng)端結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用先模糊定位即傳統(tǒng)的GPS和網(wǎng)絡(luò)定位相結(jié)合，匹配出乘客所在位置附近列車的信息。根據(jù)乘客在一小段時(shí)間內(nèi)的位移比較出乘客是否上車。此處的位移即通過(guò)跟蹤這種模糊定位一段時(shí)間乘客的位置變化，可以把這類信息記錄下來(lái)，通過(guò)分析和比較來(lái)確定乘客的位置變化。雖然這種模糊定位是不精確的，但可以大致判斷出最近一段時(shí)間乘客經(jīng)過(guò)的位置信息。如果上車則比較最近列車所在位置就可以確定乘客具體所乘車次，然后可從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取該次列車的具體運(yùn)行情況結(jié)合乘客起終點(diǎn)信息，就可以形成精準(zhǔn)的有效動(dòng)態(tài)地圖。這樣就可以在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)乘客對(duì)列車的信息查詢。這種定位目的是找到相匹配的列車編號(hào)，從而可以在乘客到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，給出準(zhǔn)確的提示信息，防止乘客坐過(guò)站或者乘車方向相反等錯(cuò)誤。對(duì)于換乘等問(wèn)題，采用同樣的方式。在路線設(shè)置時(shí)即對(duì)換乘站進(jìn)行處理，當(dāng)乘客到達(dá)該站點(diǎn)后，進(jìn)行乘客位置的重定位，然后循環(huán)上述操作。乘客定位方案流程圖見圖5。

3.2.4 路線規(guī)劃

線路規(guī)劃是主要基于最短時(shí)間路徑搜索算法和人流密度估計(jì)算法的路徑規(guī)劃。從整體出發(fā)，通過(guò)路徑的規(guī)劃來(lái)指導(dǎo)乘客乘車，從而保證每次列車都擁有最佳的舒適度，給乘客帶來(lái)更加舒適便捷的體驗(yàn)。路線規(guī)劃的基本元素包括時(shí)間、擁擠程度、出站后的乘車便捷性。時(shí)間的計(jì)算，是依據(jù)列車時(shí)間表，根據(jù)圖論的知識(shí)遍歷所有可到達(dá)的路，對(duì)于路線的求解可采用基礎(chǔ)的BFS（廣度優(yōu)先搜索）算法，路線權(quán)值是列車運(yùn)行的時(shí)間和換乘等待時(shí)間。地鐵線路始末站可達(dá)路線基本低于5條，可對(duì)路線進(jìn)行一一遍歷。之后考慮人流密度，如路線較擁擠則選擇其他相對(duì)舒適的路線，以保證乘客擁有較舒適的乘車環(huán)境和出站后乘車的便捷性。路徑規(guī)劃流程見圖6所示。

圖5 乘客定位方案流程圖

圖6 路徑規(guī)劃流程圖

3.2.5 圖像檢測(cè)

利用車載CCTV監(jiān)控系統(tǒng)采集的圖像，分析估算車廂內(nèi)人流的密度，檢測(cè)火災(zāi)等突發(fā)情況，并報(bào)送給司機(jī)或者地面系統(tǒng)。圖像減災(zāi)在路徑規(guī)劃上也有很重要的作用，根據(jù)人員密度，給乘客提供是否換乘其它次列車的建議，以提供更加舒適的乘車體驗(yàn)。

經(jīng)分析和測(cè)試，在擁擠的場(chǎng)景中人物遮擋相對(duì)嚴(yán)重，故選取了基于像素統(tǒng)計(jì)和紋理特征提取方法。此方法誤差在接受范圍內(nèi)，且實(shí)現(xiàn)較為方便，分類過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。

基于像素?cái)?shù)統(tǒng)計(jì)的人群密度估計(jì)研究首先通過(guò)背景生成、背景減除方法提取出前景人群并統(tǒng)計(jì)二值化人群像素?cái)?shù)，然后利用最小二乘擬合法獲得人群人數(shù)和二值化人群像素?cái)?shù)之間的直線關(guān)系，實(shí)現(xiàn)低密度下的人群密度估計(jì)。像素特征在很多情況下可有效地描述人群特征，主要包括前景特征和邊緣特征兩大類。在基于像素統(tǒng)計(jì)的人群密度估計(jì)方面，可提取前景像素比例、邊緣像素比例以及輪廓周長(zhǎng)面積比等3個(gè)像素統(tǒng)計(jì)特征來(lái)進(jìn)行人群的描述。

隨著群體規(guī)模的擴(kuò)大和人群密度的提高，尤其是在遮擋比較嚴(yán)重的情況下，像素統(tǒng)計(jì)特征已經(jīng)不能很好描述人群特征。高密度人群在紋理上表現(xiàn)細(xì)模式，而低密度人群在紋理上則體現(xiàn)粗模式。

基于紋理分析的人群密度估計(jì)研究，首先選用適用于隨機(jī)型紋理圖像的灰度共生矩陣，以實(shí)現(xiàn)人群紋理特征的提??；然后利用訓(xùn)練圖像得到合適的支持向量機(jī)分類器，對(duì)測(cè)試圖像進(jìn)行人群密度分類，實(shí)現(xiàn)高密度下人群密度估計(jì)。車廂中人群密度等級(jí)定義為：低密度0～15人，中密度15～40人，高密度40人以上。

當(dāng)然有關(guān)人流密度估計(jì)的算法有很多，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)向各個(gè)行業(yè)擴(kuò)展，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)高密度的人流估計(jì)也將會(huì)有更好的結(jié)果。

3.2.6 故障分析

PIS隨時(shí)了解設(shè)備運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，記錄運(yùn)營(yíng)的各種操作和故障，協(xié)助司機(jī)、技術(shù)人員和維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備的應(yīng)急處理、故障分析和維護(hù)檢修。

智能故障分析軟件利用車載故障分析模塊的數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行全生命跟蹤，能夠指導(dǎo)檢修維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備的檢修維護(hù)，對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行綜合分析，可合理利用有限資源進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)和備份。故障分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7。

4 結(jié)語(yǔ)

為乘客提供便捷的服務(wù)，把地鐵公共信息遷移到移動(dòng)端是一個(gè)巨大進(jìn)步，大大方便了乘客對(duì)信息的獲取。同時(shí)，精準(zhǔn)的到站提醒功能也為日常生活中低頭族和睡眠族可靠到達(dá)提供了良好的保障。基于人流密度的路線規(guī)劃功能可以較為有效地平衡不同線路乘客的承載情況，提高地鐵運(yùn)輸能力。

圖7 故障分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PIS功能外，無(wú)需更多硬件投入，也不需要對(duì)地鐵站等地面系統(tǒng)進(jìn)行改造和后期維護(hù)，在提升功能的同時(shí)造價(jià)并未提高很多，但實(shí)施更為簡(jiǎn)單有效。

盡管系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為完善，但部分乘客一般會(huì)按照習(xí)慣的路線或者熟悉的路線出行。這給系統(tǒng)的推廣提供了一定難度。隨著技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的技術(shù)也將應(yīng)用到軌道交通領(lǐng)域。文中提到的路線設(shè)計(jì)算法和基于視頻圖像的人流密度算法的運(yùn)用將會(huì)極大地方便乘客出行，同時(shí)為城市軌道交通的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

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