戴彥華，陳天煜，支 濤，李全印

（1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司 城鐵公司，北京 100036；2.北京云跡科技股份有限公司， 北京 100190)

隨著計(jì)算機(jī)、信息通訊、大數(shù)據(jù)、智能傳感等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、融合以及在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)?！秶?guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》和《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》提出推進(jìn)智能制造，發(fā)展機(jī)器人創(chuàng)新產(chǎn)品。鐵路客流量上升和突發(fā)性客流的產(chǎn)生，使得許多鐵路客運(yùn)站的客流組織難度增加，服務(wù)效率下降。由于新建和改擴(kuò)建的投資大、周期長(zhǎng)，且受許多城市總體規(guī)劃的限制，不少新老客運(yùn)站，尤其是大型客運(yùn)站嘗試采用服務(wù)機(jī)器人來提高服務(wù)效率[1]。目前，在廣州南站、上海虹橋站、鄭州東站、大連北站等鐵路客運(yùn)車站內(nèi)，已展開服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用，但其功能相對(duì)單一[2]，僅用做資訊服務(wù)，尚未實(shí)現(xiàn)與既有系統(tǒng)及設(shè)施的物聯(lián)互通。如果能夠充分利用車站既有的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行服務(wù)聯(lián)動(dòng)，將起到事半功倍的效果。隨著5G的發(fā)展，萬物互聯(lián)成為了新的發(fā)展方向，物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of things)是通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信。與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合是服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的必然方向，通過物聯(lián)，機(jī)器人可以作為后臺(tái)系統(tǒng)的終端觸手，優(yōu)化補(bǔ)充系統(tǒng)能力，還可以作為前端設(shè)備的擴(kuò)展后臺(tái)，結(jié)合機(jī)器人服務(wù)的主動(dòng)性、靈活性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成共享與聯(lián)動(dòng)，減少旅客的重復(fù)操作，為鐵路客運(yùn)站的信息傳播、服務(wù)提升提供更多幫助。

1 與實(shí)名制進(jìn)站核驗(yàn)系統(tǒng)的融合分析及方案

北京冬奧會(huì)采取三賽區(qū)聯(lián)動(dòng)，各國(guó)運(yùn)動(dòng)員、旅客頻繁進(jìn)出站的需求大，乘車高峰期車站面臨檢票口閘機(jī)數(shù)量短缺，而空閑檢票口閘機(jī)閑置的情況。因此，為了提高檢票系統(tǒng)的復(fù)用率，同時(shí)為冬奧旅客帶來更簡(jiǎn)單便捷的進(jìn)站體驗(yàn)，提出將機(jī)器人與實(shí)名制進(jìn)站核驗(yàn)系統(tǒng)相融合。通常來說，每一位旅客進(jìn)站乘車需要經(jīng)過下列幾個(gè)過程：安檢→人臉識(shí)別、人證比對(duì)(閘機(jī))→乘坐直梯、扶梯到達(dá)指定候車區(qū)域→身份證驗(yàn)檢票(閘機(jī))→乘車[3]。 在車站的全過程中，選取了實(shí)名制進(jìn)站核驗(yàn)系統(tǒng)、通道門、直梯進(jìn)行物聯(lián)及功能集成，使旅客可以通過機(jī)器人完成“票、證、人”一致性核驗(yàn)、檢票口驗(yàn)票，通過物聯(lián)通道門，實(shí)現(xiàn)“票、證、人”一致性核驗(yàn)成功后放行操作，并且與直梯進(jìn)行物聯(lián)，使機(jī)器人更好地在多層車站運(yùn)行，在扶老助殘、引導(dǎo)攜帶大件行李旅客等方面提供更好的服務(wù)。

1.1 分析與設(shè)計(jì)

目前，基于“票、證、人”一致性的要求，各大客運(yùn)站基本都在進(jìn)站口設(shè)置了實(shí)名制驗(yàn)證閘機(jī)，通過鐵路實(shí)名制進(jìn)站核驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行“票、證、人”一致性核驗(yàn)，同時(shí)將旅客實(shí)名信息實(shí)時(shí)發(fā)送至鐵路客票實(shí)名信息公安核驗(yàn)系統(tǒng)[4]，通過集成掃碼模塊和證件識(shí)讀模塊，替代閘機(jī)幫助旅客進(jìn)行“票、證、人”一致性核驗(yàn)及檢票口驗(yàn)票，保障了鐵路旅客運(yùn)輸整體環(huán)境的安全。

1.2 方法研究

步驟一：機(jī)器人通過集成的證件識(shí)讀模塊讀出旅客身份證信息送到檢票服務(wù)器，檢票服務(wù)器根據(jù)身份證信息判斷是否購(gòu)買電子票，同時(shí)判斷是否在允許進(jìn)站時(shí)間范圍內(nèi)[5]。

步驟二：若允許進(jìn)站，則機(jī)器人通過前端針孔攝像頭進(jìn)行身份證和人臉核驗(yàn)，核驗(yàn)通過則機(jī)器人屏幕顯示相應(yīng)通過信息，聯(lián)動(dòng)通道門開門，若核驗(yàn)失敗，則提示旅客進(jìn)行人工核驗(yàn)[6]。

步驟三：在核驗(yàn)過程中無論是否核驗(yàn)通過，都將身份信息和車票信息發(fā)到公安核驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)人員監(jiān)測(cè)，是否為重點(diǎn)人員不影響驗(yàn)票是否通過[7]。

1.3 架構(gòu)

實(shí)名制進(jìn)站核驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行在客票網(wǎng)內(nèi)，以服務(wù)調(diào)用方式實(shí)現(xiàn)與客票系統(tǒng)的電子票查詢接口。以旅客身份證號(hào)和乘車日期為條件，訪問中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵集團(tuán)”)導(dǎo)航表集群查詢服務(wù)，獲取滿足條件的電子票庫節(jié)點(diǎn)列表，再訪問國(guó)鐵集團(tuán)電子票庫節(jié)點(diǎn)查詢服務(wù)，獲取滿足條件的鐵路電子票具體車次、席位等信息。通過鐵路客票數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)閘，實(shí)現(xiàn)與公安網(wǎng)的加密數(shù)據(jù)安全傳輸[8]。

在與實(shí)名制進(jìn)站核驗(yàn)系統(tǒng)的融合中，機(jī)器人集成掃碼模塊和證件識(shí)讀模塊，通過證件識(shí)讀模塊讀出二代居民身份證、護(hù)照等有效旅客證件信息，通過站車交互網(wǎng)傳輸至檢票服務(wù)器，檢票服務(wù)器根據(jù)身份信息判斷是否購(gòu)買電子票，同時(shí)判斷是否在允許進(jìn)站時(shí)間范圍內(nèi)，允許進(jìn)站則進(jìn)行身份證和人臉核驗(yàn)[9]。人臉核驗(yàn)時(shí)，機(jī)器人通過前端針孔攝像頭，采集旅客人臉動(dòng)態(tài)視頻，為了保證識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別效率，針對(duì)采集到的人臉動(dòng)態(tài)視頻完成人臉檢測(cè)、跟蹤、校正、分割等初步處理環(huán)節(jié)，并可根據(jù)系統(tǒng)性能及識(shí)別準(zhǔn)確率的要求，設(shè)定采集頻率、圖像清晰度、圖像分辨率等采集參數(shù)。之后通過公安聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)備, 將“票、證、人”信息及比對(duì)狀態(tài)信息, 實(shí)時(shí)傳遞到公安后臺(tái)系統(tǒng)[10]，提高“票、證、人”一致性核驗(yàn)及檢票口驗(yàn)票的效率。機(jī)器人與實(shí)名制進(jìn)站核驗(yàn)系統(tǒng)融合架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人與實(shí)名制進(jìn)站核驗(yàn)系統(tǒng)融合架構(gòu)圖Fig.1 Integration architecture of robot and real-name registration system

2 與通道門的物聯(lián)融合分析及方案

2.1 分析與設(shè)計(jì)

鐵路客運(yùn)站檢票處的通道門，多數(shù)采用平開式半身門，僅能通過服務(wù)人員手動(dòng)開關(guān)門，安全性低，不方便管理，也缺少與其他智能設(shè)備物聯(lián)的手段。通過對(duì)通道門的改造與物聯(lián)，提升車站設(shè)備設(shè)施的智能化程度，有效利用站內(nèi)設(shè)備設(shè)施資源，拓展機(jī)器人服務(wù)區(qū)域。

2.2 方法研究

步驟一：機(jī)器人通過LoRa或4G網(wǎng)絡(luò)向開門控制器發(fā)送包含機(jī)器人編號(hào)、被引導(dǎo)人員數(shù)量信息的開門信號(hào)。

在實(shí)施中，服務(wù)人員可通過門禁卡或開門開關(guān)出入，不影響服務(wù)人員工作，機(jī)器人與開門控制器的通信采用雙鏈路保證措施，對(duì)傳輸信號(hào)采用AES128加密，門禁系統(tǒng)根據(jù)判斷的結(jié)果完成開鎖或保持閉鎖。

步驟二：開門控制器向?qū)?yīng)電鎖發(fā)送解鎖信號(hào)，向曲臂開門器發(fā)送曲臂開門信號(hào)，門體打開。

在實(shí)施中，機(jī)器人通過激光導(dǎo)航及避障技術(shù)自動(dòng)識(shí)別門體的開關(guān)狀態(tài)，在門體打開后引導(dǎo)旅客先后通過通道門。

步驟三：機(jī)器人和被引導(dǎo)人員通過后，開門控制器向?qū)?yīng)電鎖發(fā)送閉鎖信號(hào)，向曲臂開門器發(fā)送伸臂關(guān)門信號(hào)，門體關(guān)閉。

在實(shí)施中，傳感器根據(jù)機(jī)器人發(fā)送的被引導(dǎo)人員數(shù)量識(shí)別通過人數(shù)，當(dāng)人數(shù)達(dá)到上限或指定時(shí)間后，開門控制器向?qū)?yīng)電鎖發(fā)送閉鎖信號(hào)，門體關(guān)閉。

例如，機(jī)器人幫助1名乘客完成“票、證、人”一致性核驗(yàn)后，該乘客選擇自行前往檢票口，機(jī)器人向開門控制器發(fā)送1人的開門信號(hào)，門體打開后乘客通過通道門，傳感器感應(yīng)到1名人員通過后，門體關(guān)閉。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

在與通道門的物聯(lián)中，首先將通道門加裝電鎖、曲臂開門器，接入電源及開門控制器后，將原有的簡(jiǎn)易通道門改裝為帶門禁的自動(dòng)門，服務(wù)人員可通過門禁卡或開門開關(guān)出入。

機(jī)器人通過通信模塊與開門控制器建立通訊連接，開門控制器通過將開鎖線并接到自動(dòng)門解鎖線路，來控制電鎖打開，將開門線并接到自動(dòng)門控制曲臂線路，來控制曲臂開門機(jī)屈伸，開門控制器根據(jù)提前配置的機(jī)器人引導(dǎo)規(guī)則和權(quán)限判斷是否允許機(jī)器人通過，根據(jù)結(jié)果完成開鎖、保持閉鎖的動(dòng)作。傳感器識(shí)別相應(yīng)人員數(shù)量通過后，開門控制器發(fā)送關(guān)門信號(hào)，門體關(guān)閉。同時(shí)機(jī)器人向后臺(tái)傳送進(jìn)出通道門的人員信息記錄。

開門控制器和機(jī)箱電源控制器也接受來自管理計(jì)算機(jī)發(fā)送的人員信息和相對(duì)應(yīng)的授權(quán)信息，保證緊急情況時(shí)能迅速地打開通道，實(shí)現(xiàn)在客流擁擠的時(shí)間段，更好地利用站內(nèi)設(shè)備設(shè)施資源進(jìn)行旅客引流及服務(wù)。機(jī)器人與通道門改造融合架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器人與通道門改造融合架構(gòu)圖Fig.2 Transformation and integration architecture of robot and access door

3 與直梯的物聯(lián)融合分析及方案

3.1 分析與設(shè)計(jì)

多數(shù)大型鐵路客運(yùn)站采用多層建筑結(jié)構(gòu)，將安檢區(qū)與候車區(qū)設(shè)計(jì)在不同的樓層，利用直梯、扶梯連接不同區(qū)域。與直梯的物聯(lián)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人為旅客提前呼叫直梯、自動(dòng)跨越不同樓層，提高機(jī)器人的使用場(chǎng)景和范圍。

3.2 方法研究

步驟一：機(jī)器人通過站車交互網(wǎng)向后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送包含用戶識(shí)別碼、出發(fā)樓層和目的樓層的乘梯請(qǐng)求，以使后臺(tái)服務(wù)器根據(jù)用戶識(shí)別碼、出發(fā)樓層和目的樓層對(duì)直梯進(jìn)行調(diào)度，并反饋直梯的直梯識(shí)別碼。

在實(shí)施中，用戶識(shí)別碼可以是機(jī)器人的編碼，也可以是存儲(chǔ)在機(jī)器人的本地存儲(chǔ)器中的編碼，該編碼可以對(duì)應(yīng)該機(jī)器人所在區(qū)域位置，后臺(tái)服務(wù)器在接收到該乘梯請(qǐng)求后，可以根據(jù)用戶識(shí)別碼確定該機(jī)器人所屬的區(qū)域位置，根據(jù)出發(fā)樓層和目的樓層對(duì)該區(qū)域位置中的直梯進(jìn)行調(diào)度，并將該直梯的直梯識(shí)別碼反饋給機(jī)器人，以使機(jī)器人確定響應(yīng)該乘梯請(qǐng)求的直梯，便于機(jī)器人后續(xù)乘梯。

步驟二：機(jī)器人根據(jù)接收到的直梯識(shí)別碼與直梯建立通訊連接，以使直梯反饋運(yùn)行狀態(tài)信息。

在實(shí)施中，機(jī)器人在接收到直梯識(shí)別碼后，可以確定響應(yīng)乘梯請(qǐng)求的直梯，進(jìn)而根據(jù)該直梯識(shí)別碼與該直梯建立通訊連接，在機(jī)器人和直梯建立通訊連接后，直梯將運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)送給機(jī)器人，該運(yùn)行狀態(tài)信息包括直梯所在樓層、運(yùn)行方向、直梯門開關(guān)狀態(tài)等，使得機(jī)器人可以實(shí)時(shí)獲取直梯所在樓層以及直梯門的開啟狀態(tài)，為乘梯做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

步驟三：機(jī)器人根據(jù)接收的運(yùn)行狀態(tài)信息乘梯，在出發(fā)樓層進(jìn)入直梯或在目的樓層離開直梯。

在實(shí)施中，機(jī)器人接收到運(yùn)行狀態(tài)信息后，當(dāng)確定直梯已經(jīng)到達(dá)出發(fā)樓層，且直梯門已經(jīng)處于打開狀態(tài)后，即可以進(jìn)入該直梯內(nèi)部。之后，機(jī)器人根據(jù)該直梯反饋的運(yùn)行狀態(tài)信息確定直梯已經(jīng)到達(dá)目的樓層，且直梯門已經(jīng)處于打開狀態(tài)后，即可以離開該直梯，進(jìn)入目的樓層，從而完成乘梯作業(yè)。

例如，機(jī)器人出發(fā)樓層為2樓，目的樓層為3樓，該直梯目前在3樓且向1樓運(yùn)行，這樣，確定的運(yùn)行順序即為直梯由3樓至1樓后，向上運(yùn)行，到達(dá)2樓后，向機(jī)器人反饋該直梯到達(dá)2層，機(jī)器人進(jìn)入直梯、隨直梯再上到3樓，直梯停止運(yùn)行，并打開直梯門，機(jī)器人接收到該反饋的運(yùn)行狀態(tài)信息后，離開直梯。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

在與直梯的物聯(lián)中，機(jī)器人包含發(fā)送模塊、鏈接模塊和乘梯模塊。發(fā)送模塊用于向后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送乘梯請(qǐng)求，以使后臺(tái)服務(wù)器對(duì)直梯進(jìn)行調(diào)度；鏈接模塊用于根據(jù)接收到的直梯識(shí)別碼與直梯建立通訊連接，以使直梯反饋運(yùn)行狀態(tài)信息；乘梯模塊用于根據(jù)接收的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行乘梯，從而在出發(fā)樓層進(jìn)入直梯以及在目的樓層離開直梯。

后臺(tái)服務(wù)器包含接收模塊。接收模塊用于接收機(jī)器人發(fā)送的乘梯請(qǐng)求，并反饋直梯的直梯識(shí)別碼。

直梯包含確定模塊和發(fā)送模塊。確定模塊用于確認(rèn)接收到通訊請(qǐng)求，并建立連接；發(fā)送模塊用于將運(yùn)行狀態(tài)信息反饋給機(jī)器人，使機(jī)器人根據(jù)接收的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行乘梯。

通過機(jī)器人與直梯的物聯(lián)，達(dá)到了通過通信互操作實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)乘梯的目的，進(jìn)而提高機(jī)器人的使用場(chǎng)景和范圍。機(jī)器人與直梯物聯(lián)融合架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 機(jī)器人與直梯物聯(lián)融合架構(gòu)圖Fig.3 Integration architecture of robot and elevator

4 應(yīng)用分析

4.1 引導(dǎo)步驟及流線

在旅客進(jìn)入鐵路客運(yùn)站，通過安檢后，旅客可選擇與機(jī)器人交互，將二代居民身份證、護(hù)照等有效旅客證件放置在機(jī)器人的證件識(shí)讀區(qū)域，通過機(jī)器人進(jìn)行“票、證、人”一致性核驗(yàn)，機(jī)器人識(shí)別旅客票證信息后，對(duì)旅客進(jìn)行人臉信息采集并發(fā)送至鐵路客票實(shí)名信息公安核驗(yàn)系統(tǒng)，在比對(duì)成功后，顯示相應(yīng)通過信息，通過物聯(lián)打開通道門，引導(dǎo)旅客進(jìn)站，同時(shí)對(duì)旅客全流程追蹤。幫助旅客提前呼叫直梯，到達(dá)指定候車區(qū)、檢票口或旅客通過交互指定需要到達(dá)的其他點(diǎn)位，若到達(dá)的區(qū)域?yàn)闄z票口且滿足檢票條件，旅客可通過機(jī)器人進(jìn)行驗(yàn)檢票操作，機(jī)器人將旅客票證信息傳輸至檢票服務(wù)器核驗(yàn)，核驗(yàn)通過后機(jī)器人顯示相應(yīng)通過信息并物聯(lián)打開通道門，完成全流程引導(dǎo)。若旅客在引導(dǎo)過程中離開，機(jī)器人重新回到初始位置工作。旅客的引導(dǎo)前置條件、流程、目的地點(diǎn)位、話術(shù)均可在機(jī)器人管理后臺(tái)中進(jìn)行配置。

4.2 效益分析

通過將服務(wù)機(jī)器人與鐵路客運(yùn)站既有系統(tǒng)設(shè)施融合應(yīng)用，機(jī)器人作為后臺(tái)系統(tǒng)的終端觸手，優(yōu)化補(bǔ)充乘客服務(wù)能力，提升了車站公告、票務(wù)信息、周邊資訊、賽事資訊的傳播渠道。引導(dǎo)旅客進(jìn)站過程中，通過一對(duì)一人臉識(shí)別進(jìn)站核驗(yàn)，物聯(lián)人工通道、提前呼叫直梯，對(duì)特殊旅客進(jìn)行定向引導(dǎo)，顯著縮短旅客排隊(duì)進(jìn)站核驗(yàn)時(shí)間，提升檢票系統(tǒng)復(fù)用率，減少旅客的重復(fù)操作，平均提升旅客進(jìn)站時(shí)間近1 min。作為前端設(shè)備的擴(kuò)展后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備IOT數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)延時(shí)＜10 ms； 在掃圖過程中，建圖閉環(huán)耗時(shí)＜2 s；典型場(chǎng)景地圖數(shù)據(jù)加載時(shí)間減少90%；場(chǎng)景辨識(shí)度提升，可進(jìn)行場(chǎng)景內(nèi)的動(dòng)態(tài)地圖更新；機(jī)器人自主協(xié)同避讓的決策成功率為100%，協(xié)同效率為90.0%。

5 結(jié)束語

服務(wù)機(jī)器人相比其他服務(wù)手段，具有更多的智慧性、主動(dòng)性、靈活性，通過機(jī)器自學(xué)習(xí)，提高旅客服務(wù)中的前瞻性，通過與通道門、直梯物聯(lián)，集成證件識(shí)讀、二維碼掃碼模塊，與鐵路實(shí)名制進(jìn)站核驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)接，利用既有設(shè)備設(shè)施，提高鐵路客運(yùn)站的服務(wù)水平，為旅客提供更加便捷、智能的乘車體驗(yàn)，解決既有旅客服務(wù)中耦合度高、信息點(diǎn)分布散的問題，實(shí)現(xiàn)鐵路旅客服務(wù)信息的集成共享。同時(shí)，服務(wù)機(jī)器人作為智慧展示終端，為將來鐵路智慧化，如安防巡檢、環(huán)境提升、助老助殘、信息傳播等提供前端硬件支撐[11]。