王雪峰，董興芝，原非凡

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著新一代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信等先進(jìn)技術(shù)的涌現(xiàn)與發(fā)展，世界高速鐵路正在向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化方向轉(zhuǎn)變。北京2022 年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)（簡稱：冬奧會(huì)）是全球首次三賽區(qū)聯(lián)動(dòng)、以高速鐵路為主要運(yùn)送方式的奧運(yùn)盛會(huì)，北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）承擔(dān)著冬奧會(huì)交通保障功能。京張高鐵具有客流構(gòu)成復(fù)雜、運(yùn)營服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)高、運(yùn)營安全要求高等賽期運(yùn)營特征，傳統(tǒng)的鐵路運(yùn)輸服務(wù)已無法滿足冬奧會(huì)賽事期間旅客出行服務(wù)需求，研究京張高鐵全行程智慧出行服務(wù)勢在必行[1]。

著眼于為冬奧會(huì)京張高鐵旅客提供便捷、舒適、安全的全行程智慧信息服務(wù)，研究面向冬奧會(huì)的京張高鐵全行程智慧信息服務(wù)技術(shù)，以提升冬奧會(huì)賽事期間旅客出行服務(wù)水平，為北京冬奧會(huì)提供科技支撐。

1 京張高鐵全行程智慧出行服務(wù)構(gòu)想

1.1 鐵路旅客全行程智慧信息服務(wù)內(nèi)容

鐵路以完成旅客出行位移為主要運(yùn)輸目的，在旅客全鏈路出行過程中，以“點(diǎn)—線—點(diǎn)”出行方式完成從出發(fā)地至目的地的鏈條式出行。

通常，大部分旅客對列車晚點(diǎn)都心存焦慮，為了準(zhǔn)時(shí)乘坐列車，往往提前數(shù)小時(shí)抵達(dá)車站候車，特別是對于發(fā)車時(shí)間較早、且處于公共交通運(yùn)營時(shí)間之外的車次[2]。鐵路客運(yùn)站作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕?wù)節(jié)點(diǎn)，出行旅客往往會(huì)在鐵路客運(yùn)站長時(shí)間停留，辦理上車前的票檢、安檢、身份驗(yàn)證等業(yè)務(wù)。鐵路大型車站站房面積大，站房內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，服務(wù)旅客規(guī)模較大，旅客因不熟悉車站環(huán)境，常常在問詢、探路過程中消耗很多時(shí)間。

如何快速、便捷、簡單地引導(dǎo)旅客抵達(dá)目的地，以及到站后快速離站是鐵路智能化服務(wù)亟需解決的問題[3]。為此，基于人臉識(shí)別、消息推送、站內(nèi)導(dǎo)航等技術(shù)，為旅客提供智能化、個(gè)性化的出行服務(wù)推薦，實(shí)現(xiàn)旅客全行程智慧信息服務(wù)是十分必要的，其主要服務(wù)內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 全行程智慧信息服務(wù)

（1）人臉識(shí)別：對于已購車票的旅客，當(dāng)旅客到達(dá)火車站進(jìn)站時(shí)，檢票口的人臉識(shí)別設(shè)備會(huì)對旅客進(jìn)行身份認(rèn)證，并通過旅客的人臉信息關(guān)聯(lián)到旅客的身份證號(hào)，進(jìn)而獲取到旅客的訂票信息和行程信息。

（2）出行服務(wù)推薦：根據(jù)旅客當(dāng)前位置和目的地位置，通過融合多種交通方式，為旅客動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)的到站路線，為旅客節(jié)約更多的時(shí)間。

（3）服務(wù)信息推送：當(dāng)旅客成功購票后，系統(tǒng)會(huì)為旅客推送購票信息和行程信息。當(dāng)快要到達(dá)旅客列車發(fā)車時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)為旅客提供發(fā)車提醒，以及建議出發(fā)時(shí)間的信息推送服務(wù)。

（4）站內(nèi)導(dǎo)航：當(dāng)旅客進(jìn)入站內(nèi)后，通過對站內(nèi)位置點(diǎn)設(shè)置定位標(biāo)簽，為旅客提供站內(nèi)定位和目的點(diǎn)個(gè)性化導(dǎo)航服務(wù)，同時(shí)提供站內(nèi)服務(wù)場所的智能化推薦服務(wù)。

1.2 鐵路旅客全行程智慧出行服務(wù)流程

針對鐵路旅客出行過程中的痛點(diǎn)問題，以鐵路旅客全行程出行引導(dǎo)為目的，設(shè)計(jì)如圖2 所示的鐵路旅客全行程智慧出行服務(wù)流程：

圖2 鐵路旅客全行程智慧出行服務(wù)流程

（1）當(dāng)旅客打開鐵路12306 互聯(lián)網(wǎng)售票系統(tǒng)App（簡稱：12306 App）后，可通過人臉識(shí)別功能獲取用戶實(shí)名認(rèn)證信息，若自動(dòng)識(shí)別失敗，也可由旅客采用手動(dòng)輸入方式錄入身份信息；

（2）在用戶完成核驗(yàn)和確認(rèn)身份信息后，通過與票務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可獲取用戶車票信息和行程信息，在發(fā)車前系統(tǒng)會(huì)通過12306 App 或微信公眾號(hào)，為旅客推送出發(fā)提醒信息；

（3）根據(jù)旅客行程及其當(dāng)前定位信息，利用行程路線規(guī)劃算法，分析當(dāng)前點(diǎn)位和線路信息，為旅客推薦多種出行方式，并規(guī)劃出每種出行方式對應(yīng)的出行路線，再根據(jù)旅客所選擇的出行方式及路線，為旅客提供智能引導(dǎo)服務(wù)；

（4）旅客到站后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取旅客當(dāng)前位置，以及所乘車次對應(yīng)的檢票口信息，通過站內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)，為旅客規(guī)劃快速進(jìn)站路線；在時(shí)間允許的情況下，還可為旅客推薦進(jìn)站途中的候車、購物等站內(nèi)服務(wù)場所，讓旅客在候車期間，能夠便捷地體驗(yàn)車站提供的各類服務(wù)，豐富旅客出行體驗(yàn)。

2 主要應(yīng)用場景

2.1 進(jìn)出站閘機(jī)人臉識(shí)別檢票

鐵路車站人員密度較大，室內(nèi)環(huán)境相對復(fù)雜，為了方便旅客快速進(jìn)出車站，鐵路部門采用了人臉識(shí)別智能檢票技術(shù)。目前，人臉識(shí)別閘機(jī)檢票已在我國各大車站廣泛使用，為旅客實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)出站提供了便利通道[4]。

在旅客進(jìn)出鐵路車站時(shí)，通過人臉識(shí)別進(jìn)行身份驗(yàn)證，不僅簡化了旅客進(jìn)出站業(yè)務(wù)辦理流程，也減少了排隊(duì)取票時(shí)間和候車時(shí)間，避免旅客因進(jìn)站耗時(shí)過多而晚點(diǎn)，有助于改善旅客出行體驗(yàn)，也是實(shí)現(xiàn)全行程智慧出行服務(wù)的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，進(jìn)出站采用閘機(jī)人臉識(shí)別檢票的方式，也極大地減輕了車站工作人員的工作壓力，顯著提高了客運(yùn)車站運(yùn)營效率。

2.2 全方位站內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)

鐵路客運(yùn)站站內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，站內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)主要滿足旅客預(yù)覽站房布局和站內(nèi)各類服務(wù)設(shè)備/設(shè)施配備，以及智能化站內(nèi)導(dǎo)航等需求，方便旅客在車站內(nèi)快速辦理業(yè)務(wù)，高效獲取所需服務(wù)。

目前，12306 App、中國鐵旅App 等應(yīng)用均已集成站內(nèi)導(dǎo)航功能，如圖3 所示中，站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)已在京滬鐵路全線、京張鐵路部分高鐵車站投入應(yīng)用。

圖3 站內(nèi)導(dǎo)航效果

站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)可為旅客提供室內(nèi)三維地圖展示功能，利用藍(lán)牙定位為主的定位方式，實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽、縮放、平移等操作；提供車站公共服務(wù)和周邊設(shè)施查詢服務(wù)，通過檢索目錄或關(guān)鍵字搜索，可查詢特定目標(biāo)位置，在站內(nèi)地圖上查看該目標(biāo)所在樓層及精確位置；為旅客提供站內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)路徑規(guī)劃指引，還可提供不同樓層平面圖的換層方案供旅客選擇。

2.3 基于旅客行程智能化消息推送服務(wù)

信息推送是全行程旅客信息服務(wù)不可或缺的重要組成部分，為滿足旅客多元化、個(gè)性化、一站式的綜合信息服務(wù)需求，需要基于客運(yùn)車站導(dǎo)航應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)向旅客精準(zhǔn)地推送客運(yùn)服務(wù)和營銷信息。

（1）適時(shí)向旅客推送所乘坐列車的安檢時(shí)間、到站時(shí)間、檢票時(shí)間、檢票口等出行服務(wù)信息，推薦旅客從哪個(gè)進(jìn)站口進(jìn)站，在什么地方取票購票等，以及站內(nèi)餐飲、購物等服務(wù)信息。

（2）依據(jù)旅客當(dāng)前位置信息以及旅客行程信息，結(jié)合客運(yùn)服務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)，智能化地推薦旅客出行方案、出發(fā)時(shí)間、以及出行方案的路書，并按不同優(yōu)先層級(jí)動(dòng)態(tài)顯示。

（3）對采集的旅客出行數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換和融合處理，以智能化方式，向出行旅客精準(zhǔn)地推送列車正晚點(diǎn)、周邊景點(diǎn)、交通指引等服務(wù)信息。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于MTCNN 模型的人臉識(shí)別

鐵路車站人員密度較大，室內(nèi)環(huán)境相對復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)旅客快速進(jìn)出站，減少旅客取票、候車時(shí)間，鐵路部門采用了人臉識(shí)別智能檢票技術(shù)，該技術(shù)采用 MTCNN 模型。

MTCNN 是一種多任務(wù)級(jí)聯(lián)CNN，是用于人臉檢測的深度學(xué)習(xí)模型。該模型綜合考慮人臉邊框回歸和面部關(guān)鍵點(diǎn)檢測，采用候選框加分類器的思路，實(shí)現(xiàn)快速、高效的人臉檢測。如圖4 所示，MTCNN包含3 個(gè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：快速生成候選窗口的P-Net、進(jìn)行高精度候選窗口過濾選擇的R-Net，生成最終邊界框與人臉關(guān)鍵點(diǎn)的O-Net。

圖4 MTCNN 級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

MTCNN 算法以從粗略到精細(xì)的方式，預(yù)測人臉及人臉關(guān)鍵點(diǎn)的位置，進(jìn)行人臉檢測與對齊；其處理過程如圖5 所示。

圖5 基于MTCNN 算法的人臉識(shí)別過程

確定臉部5 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)后，采用改進(jìn)的特征提取網(wǎng)絡(luò)Insightface，結(jié)合損失函數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行人臉特征提??；利用Faiss 檢索提取的人臉特征，以完成人臉識(shí)別[5]。具體過程如下：

（1）不斷地調(diào)整人臉圖片尺寸大小，以生成圖像金字塔；

（2）將圖像金字塔輸入P-Net，生成大量候選（candidate）圖片，通過分類和NMS 篩選，剔除掉大部分假的候選圖片；

（3）將剩余的候選圖片輸入R-Net 進(jìn)行精調(diào)，再次通過NMS 篩選，剔除掉過多的候選圖片；

（4）將其余的候選圖片輸入到O-Net，由ONet 對這些候選圖片進(jìn)行處理，輸出準(zhǔn)確的邊框回歸坐標(biāo)和地標(biāo)坐標(biāo)。

3.2 旅客行程服務(wù)信息采集與融合

旅客行程服務(wù)信息采集與融合過程，如圖6 所示：

圖6 旅客行程服務(wù)信息采集與融合過程

（1）旅客手機(jī)上12306 App 的人臉識(shí)別功能獲取旅客的實(shí)名身份信息后，從購票系統(tǒng)讀取旅客行程數(shù)據(jù)信息，包括車票的出發(fā)到達(dá)時(shí)間、車次、席別、票種，以及乘車人信息等；

（2）讀取由站內(nèi)外導(dǎo)航定位模塊采集的旅客當(dāng)前動(dòng)態(tài)位置信息，結(jié)合旅客選擇的出行方式，如出租車、自駕、公交、步行、騎行等，由旅客行程智能規(guī)劃模塊計(jì)算生成出行線路推薦方案；

（3）在旅客所乘坐列車發(fā)車前6 h，12306 App會(huì)自動(dòng)計(jì)算出從當(dāng)前旅客的位置，采用不同出行方式，到達(dá)車站的最長時(shí)間X，以及從車站進(jìn)站口到達(dá)檢票口的時(shí)間Y；若當(dāng)前時(shí)間Tnow+X+Y＞旅客出發(fā)站列車開始檢票時(shí)間Tck，12306 App 會(huì)主動(dòng)向旅客推送出發(fā)提醒信息，并計(jì)算出不同出行方式下預(yù)估的出行時(shí)長及費(fèi)用；

（4）當(dāng)旅客進(jìn)站后，12306 App 會(huì)自動(dòng)讀取旅客歷史行程記錄，分析出旅客的消費(fèi)偏好，智能地向旅客推薦車站內(nèi)的休閑和購物場所。

3.3 旅客出行服務(wù)信息推送

旅客出行服務(wù)信息推送是服務(wù)端主動(dòng)將信息送達(dá)客戶端（主要考慮移動(dòng)端，如旅客手機(jī)），旅客出行服務(wù)信息推送模塊采用HTTP/HTTPS 接口方式，可將不同客戶端本地APIs 接口差異最小化。該模塊以定時(shí)任務(wù)方式，自動(dòng)獲取旅客服務(wù)系統(tǒng)的列車正晚點(diǎn)信息，并采用變更數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送的方式，達(dá)到與數(shù)據(jù)源的強(qiáng)一致性。

該模塊采用Java 語言開發(fā)，JMS（Java Message Service）消息域采用發(fā)布/訂閱模式的廣播模式，消息確認(rèn)支持本地事務(wù)和非本地事務(wù)提交，回滾時(shí)將重發(fā)消息，采用消息隊(duì)列和緩存配合NIO 模型的方式，實(shí)現(xiàn)大流量的消息推送。

3.4 站內(nèi)導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)

根據(jù)總體規(guī)劃要求及車站實(shí)際情況，鐵路客運(yùn)站站內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用主要分為鐵路導(dǎo)航應(yīng)用公用基礎(chǔ)應(yīng)用、車站導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施和移動(dòng)端應(yīng)用。其中，鐵路導(dǎo)航應(yīng)用公用基礎(chǔ)應(yīng)用統(tǒng)一管理全路地圖數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)用戶定位數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)。車站導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施主要包括4 個(gè)部分：（1）站內(nèi)定位硬件；（2）站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)；（3）站內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)；（4）站內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用接口[6]。移動(dòng)端應(yīng)用是安裝在鐵路工作人員移動(dòng)終端、鐵路客服設(shè)備、旅客移動(dòng)終端等設(shè)備上的導(dǎo)航應(yīng)用模塊，采用統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)與個(gè)性化需求相結(jié)合的模式進(jìn)行開發(fā)。

3.4.1 站內(nèi)導(dǎo)航底圖繪制

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集結(jié)合站內(nèi)引導(dǎo)需求、室內(nèi)公共設(shè)施數(shù)據(jù)、室內(nèi)路網(wǎng)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，結(jié)合三維GIS 技術(shù)繪制CAD 矢量圖。對鐵路客運(yùn)站站內(nèi)的建筑設(shè)施、商家、服務(wù)站點(diǎn)等場所進(jìn)行現(xiàn)場測量，完成鐵路站內(nèi)導(dǎo)航公用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和加工處理，使用CAD 完成現(xiàn)場導(dǎo)航底圖的繪制，具體制作步驟為：

（1）繪制軸線，橫縱向以3 m 為單位；

（2）繪制好軸線后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)況用測距儀進(jìn)行現(xiàn)場圖紙繪制；

（3）對初步繪制的CAD 平面圖進(jìn)行圖像矯正和圖像矢量化[7]。

3.4.2 站內(nèi)藍(lán)牙iBeacon 定位裝置部署

基于不同定位載體的站內(nèi)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如表1 所示，綜合考慮定位精度、成本、受環(huán)境干擾度，以及系統(tǒng)兼容性，鐵路客運(yùn)站站內(nèi)定位載體選擇藍(lán)牙更合理。

表1 定位載體數(shù)據(jù)比較

在車站底圖區(qū)域，按水平方向間隔3～5 m、垂直方向離地面3 m 的距離，部署用于站內(nèi)定位的藍(lán)牙iBeacon 定位裝置。

車站內(nèi)移動(dòng)客戶端的定位與導(dǎo)航程序定時(shí)掃描藍(lán)牙設(shè)備信號(hào)，并數(shù)據(jù)庫中藍(lán)牙指紋信息進(jìn)行匹配，通過定位算法計(jì)算出當(dāng)前位置[7]；此外，還可以將藍(lán)牙iBeacon 定位信息與移動(dòng)客戶端上的慣導(dǎo)、地磁以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)無縫的、高精度定位和智能導(dǎo)航功能。

3.4.3 指紋定位

站內(nèi)定位采用的是基于藍(lán)牙的多源融合高精度定位技術(shù)，即以藍(lán)牙定位技術(shù)為主，融合4G/5G、Wi-Fi、地磁、手機(jī)慣導(dǎo)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)高精度定位，將多種傳感器采集的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行共享、關(guān)聯(lián)和融合，以便獲得覆蓋范圍更廣、定位更為精確的位置信息。因受到站內(nèi)現(xiàn)場環(huán)境的約束，藍(lán)牙定位設(shè)備和Wi-Fi 設(shè)備的部署位置與密度會(huì)受到一定限制，導(dǎo)致站內(nèi)局部區(qū)域的定位效果較差，需要利用其它定位技術(shù)進(jìn)行彌補(bǔ)，如在站外區(qū)域利用4G/5G、GPS 等技術(shù)，以達(dá)到無盲區(qū)、連續(xù)順暢的定位效果。

定位模塊采用指紋定位算法，在定位區(qū)域收集很多的指紋數(shù)據(jù)（即無線信號(hào)的RSSI 值數(shù)據(jù)，定義一個(gè)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)來采集無線強(qiáng)度值）藍(lán)牙模塊作為已知節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，手機(jī)或者其它節(jié)點(diǎn)接收廣播信息，從廣播信息中提取已知節(jié)點(diǎn)的位置信息；當(dāng)需要定位時(shí)，將手機(jī)采集到的無線信號(hào)與預(yù)先收集的指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，找出最相似指紋的位置，將其標(biāo)注在室內(nèi)地圖上。

3.4.4 基于A*算法的站內(nèi)導(dǎo)航

導(dǎo)航模塊采用A*算法，通過不斷匹配目的地址，當(dāng)前地址與目的地址重合時(shí)結(jié)束算法，否則根據(jù)A*算法計(jì)算出引導(dǎo)路徑并進(jìn)行導(dǎo)航。A*算法的核心是估價(jià)函數(shù)：

其中，g(n)是已經(jīng)走過的代價(jià)，表示在狀態(tài)空間從起始節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n的 深度；h(n) 是 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)的估計(jì)代價(jià)，表示節(jié)點(diǎn)所在地圖的位置到目標(biāo)位置的直線距離。

4 結(jié)束語

京張高鐵全行程智慧出行服務(wù)的相關(guān)研究與應(yīng)用，有助于提升鐵路旅客服務(wù)質(zhì)量，降低鐵路工作人員的服務(wù)成本，可在一定程度上減少旅客在車站候車等待時(shí)間，降低旅客誤車率，提升旅客出行效率和便捷性，方便旅客自主地選擇最佳出行方案，為冬奧會(huì)賽事期間京張高鐵帶來較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。