物联网在智慧地铁中的应用

胡昌桂 杨承东 孔繁楚 黄林生

【摘要】    5G时代背景下，智慧城市的建设加速进行。物联网技术的高速发展给城市轨道交通来了新的机遇和挑战。本文从智慧地铁出发，探讨物联网技术在智慧地铁中应用。

【关键词】    物联网    城市轨道交通    智慧地铁

一、研究背景

近年来，随着城市化的推进，大城市病也日益凸显。作为一种有效解决大城市病的途径，城市轨道交通以其绿色、快速、便捷等优点在市民公共交通中占据了主导地位。根据中国城市轨道交通协会公布的数据，截至2020年底，我国大陆地区开通城市轨道交通的城市已达45个，运营线路224条，运营线路总长度7969.7公里。其中地铁运营线路6280.8公里，占比78.8%。

随着5G技术商用、人工智能、大数据、云计算、物联网等新技术的兴起，我国城市轨道交通行业信息化建设步入快速发展阶段。2020年中国城市轨道交通协会在《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》[1]（以下简称《纲要》）中提出了“交通强国，城轨担当”。推进城市轨道交通信息化、智慧化发展，是新时代建设交通强国的重要组成部分。目前，一些先行的城市如京沪穗等已经开始探索智慧地铁的建造。本文从智慧地铁出发，提出了物联网在智慧地铁中的应用。

二、智慧地铁

2.1智慧地铁的概述

智慧地铁的概念来自于智慧城市。2008年，IBM（国际商业机器公司）提出了“智慧地球”的概念，随后美国政府高度重视，将其上升为国家战略，日、韩和欧盟等各国紧随其后，着手“智慧城市”的研究和部署。2009年，时任国务院总理温家宝同志提出了“感知中国”的构想，各地城市积极响应，纷纷制订物联网研究和发展规划，实施物联网示范工程，打造智慧城市。

城市轨道交通是大城市中重要交通命脉，在新时代的背景下，智慧城轨的发展备受关注。《纲要》关于智慧城轨内涵的描述为：应用云计算、大数据、物联网、人工智能、5G、卫星通信、区块链等新兴信息技术，全面感知、深度互联和智能融合乘客、设施、设备、环境等实体信息，经自主进化，创新服务、运营、建设管理模式，构建安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代中国式智慧型城市轨道交通[1]。

本文对于智慧地铁的理解为：智慧地铁是在已有的地铁之上的再创新。在保持原有服务的同时，融合新时代信息技术，在服务、运营和维护方面实现信息化智能化。智慧地铁是一个全新智慧体，具有较强的自我学习能力和适应能力，能够实现从人适应地铁运作到地铁运作主动适应人的需求和社会环境的变迁。

2.2智慧地铁的特征

把人从地铁系统中独立出来，实现不依赖于人独立自主地运行是智慧地铁所追求的目标。为达到这一目标智慧地铁应当有以下特征：自主化、可持续发展和人性化。

1.自主化。智慧地铁利用分布在系统各处的传感器和智能終端收集地铁内的各种信息，实现自主感知;利用人工智能、大数据和云计算等先进技术对收集到的各类信息进行分析建模，在复杂多变的运营环境中找出最佳的执行方案实现自主决策;通过各中央控制系统和智能终端之间的联动把最佳的执行方案实施，实现自主实施;利用机器学习和深度学习等手段实现不断的自我学习和完善[2]。

2.可持续发展。智慧地铁不是地铁发展的最终模式，只是一个相对于目前来说的更高级阶段，绿色环保持续才是智慧地铁可持续发展的保障。以创新推动、数字赋能，将5G、物联网、区块链等新兴信息技术与地铁业务深度融合，坚持“绿色、开放、共享”的发展理念，实现科学可持续地发展新技术、新产品，走出具有中国特色的智慧地铁发展道路。

3.人性化。智慧地铁的建设的最终目的是为了更好地服务于人。地铁具有大容量交通和公共交通的属性，大容量意味着容易出现各种各样的突发情景。作为公共交通，大多数情况下并不能满足乘客“一站到位”的需求。这意味在出行时不仅需要处理列车、设施设备、运营人员和乘客间的关系，还要考虑与其他公共交通接驳的问题。智慧地铁针对大多数人的出行需求，协调地铁系统内各种资源为乘客提供安全可靠的服务，与其他公共交通实现无缝衔接。

三、物联网+地铁

如今世界正处于百年未有之大变局，新一轮科技革命加速发展。物联网技术被视为继计算机、互联网和移动通信之后第三次信息产业革命，如今受到各国的高度重视。日本和韩国相继提出了“U-Japan”和“U-Korea”计划。物联网的泛在性将使人们由互联网进入物联网，由“三A通信”（Anyone， Anytime， Anywhere）的电子社会（E社会）进入“四A通信”（Anyone， Anytime， Anywhere， Anything）的泛在社会（U社会）。“三A通信”指的是实现任何人在任何时间和任何地点的通信;“四A通信”指的是实现任何人之间，任何人和任何物，在任何时候和任何地点进行互联互通[3]。物联网旨在赋予事物标识和智慧，使它们能够依靠自己的能力如计算处理能力等，根据自己所处的周边环境和位置主动参与到不同事物。物联网在地铁中的应用，使得地铁业务智慧化。

3.1智慧乘车

随着智能手机的普及，乘客手持二维码扫码进站乘车已成常态。在绝大多数城市中，电子公交卡也在逐步推广，拥有NFC（近场通信技术）功能的手机，申领了电子公交卡后，可实现快速刷手机进站，甚至不用解锁手机。对于大多数人特别是年轻人来说，这些已经是很方便的进站方式了，但是对于一些不懂得使用智能手机的老人来说，却有些障碍。

在智慧地铁中，进站方式应当更显“智慧”。各个城市通过发展和完善地铁APP，建立乘客信用体系，建设开放共享型多维度乘客“画像”信息库，关联乘客生物特征如面部特征和声音特征[4]等。通过扫脸、语音识别或识别乘客的可穿戴设备进行购票进站，出站时，后台进行信用支付结算，乘客全程无需持票进出站实现无感购票。

安检方面，在乘客信用体系的支持下，实现基于乘客群体区分安检级别，提高安检效率。采用视频行为分析技术，推进安检和检票进站一体化。真正实现乘客无感进站乘车

3.2智慧服务

乘客进站后，根据地铁内标志标识和导引进行乘车和换乘。传统的静态标识，在客流量较大的交通枢纽如火车站、多条地铁线路的交接处，往往让人容易忽视，需要一定的时间寻找。在此情景下，根据人眼更容易捕获动态物体的特性，设置动态标识，节省寻找标识的时间。开发和完善城市地铁APP，出行前乘客使用地铁APP查看由地铁内由进出闸数据和监控视频分析数据提供的地铁实时客流量动态，实现错峰出行。站内提供线上客服和线下客服，充分利用乘客手中的智能手机，节省人力资源。线上客服面向年轻人群体;线下客服，面向那些无法适应新技术的老年人群体。线上服务，使用地铁APP的人工智能助理进行询问诸如出行方案，目的地查询，站内导航等问题。站内设置智慧机器人代替人工向导，乘客通过人机交互与机器人对话，获取需要的服务。在站厅和车厢内通过NB-IoT（窄带物联网）将温度传感器和湿度传感器收集到的信息，上传至智慧空调控制系统，经过数据分析制定出合适的温度方案，让绝大多数乘客体感舒适。地铁APP与第三方APP携程、微信、支付宝等深度合作，及时提供地铁站周边信息，根据乘客的个人习惯为乘客提供个性化服务，充分利用地铁交通便利带来的经济效益，带动周边经济发展，进而形成独特的地铁文化。

出站后，地铁APP与整个城市的交通网络共享数据，提供网约出租车和查询附近公交站以及下一站公交预计到达时间等服务，实现不同交通工具之间的无缝接驳。

3.3智慧监控

地铁是一个人员比较密集的地方，容易发生各种意外。在事故发生时，如何快速做出响应，确保工作人员第一时间赶到现场进行处理是一项挑战。在这一过程中，地铁内的监控摄像机起着举足轻重的作用。借助5G提供的超宽带通信能力，实现地铁站内全方位实时高清图像采集和处理。在出入口处，安装人脸识别摄像机，实行人脸抓拍，把数据上传至后端进行处理，将乘客按照以往的行为记录进行等级划分，对有不好记录的人员进行重点监控。通过行为模式摄像机，对乘客异常行为进行判断并及时报警，如在自动扶梯处不慎跌倒，站内乘客突发疾病等情况发生时通过后台算法及时识别，并向控制中心报警，通知距离最近的工作人员迅速赶往事发现场。同时通过视频监控，实时进行进出站客流人数、换乘人数统计和客流密度分析。结合BIM（Building Information Modeling）的站厅站台客流实时热力图，反映客流拥挤情况。通过大数据分析、云计算和人工智能等技术及时给出针对客流情况的客流疏散和行车调度方案。

3.4 智慧维护

构建开放式多网融合列车网络，利用RFID、WiFi、蓝牙等技术把地铁内各种设备互联，基于PHM（Prognostic and Health Management）技术实现自主感知、自主诊断，自主决策。

通过视频分析、图像智能识别、多功能传感器、5G、物联网、边缘计算等技术对地铁内设备进行实时感知，各设备全生命周期内资料自动归档，为智能维修作业提供数据支撑。对这些数据进行深度挖掘，建立各类设备劣化模型，进行健康状态预测，综合考虑维修费用、时间等因素给出最佳的维修方案建议，实现设备实时检测。维修工作从“故障修”、“计划修”向“预测修”、“状态修”转变，节约维护成本和时间，保障地铁健康有序地运行。

四、结束语

地铁智慧化体现在自主化感知、自主化学習和自主化运行。在物联网平台的帮助下，智慧地铁将主动适应乘客的需求，为乘客提供智慧化服务。智慧化监控为乘客安全提供了保障。智慧化维护有利于节约成本，保障地铁无故障运行。随着越来越多的城市提出智慧地铁建设规划，将进一步推进智慧地铁的发展和建成。

参  考  文  献

[1]中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要[J]. 城市轨道交通， 2020（04）： 8–23.

[2]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（04）： 30-34+38.

[3]徐颖秦，熊伟丽. 物联网技术及应用[M]. 2 版. 北京： 机械工业出版社， 2020.

[4]张森， 朱志伟， 湛维昭， 等. 广州市“智慧地铁”研究与实践[J]. 城市轨道交通研究， 2020， 23（11）： 19–26.

该论文受到中铁第四勘察设计院集团有限公司科研课题——智慧地铁物联网信息采集标准研究（2019K043）的基金资助，在此表示感谢。

胡昌桂（1975.11 ），男，汉族，湖北，工学硕士，正高级工程师，研究方向：轨道交通无线通信、智慧城轨等领域的相关研究和咨询设计;

杨承东（1967.07），男，汉族，湖北武汉，大学本科，正高级工程师，主要从事轨道交通通信、AFC系统的研究设计;

通信作者：孔繁楚（1997.11），男，汉族，广东罗定，大学本科，无，主要研究方向：信号处理;

黄林生（ 1977.06- ） ， 男， 汉族，安徽安庆， 工学博士， 安徽大学电子信息工程学院教授、博士， 主要从事遥感信息处理、智能传感器件与装置、光谱监测与应用等方面的研究。