智能监测与管理系统设计研究

摘要：为提高客运服务人员智能化监测与管理水平，文章基于超宽带定位和健康监测技术，设计面向城市轨道交通客运服务人员的智能监测与管理系统。从系统架构设计角度出发，对系统的总体架构、逻辑架构、业务功能架构等方面进行详细阐述，并从系统实现角度出发，提出定位基站和系统软硬件部署方案，实现对客运服务人员的定位、轨迹追踪、健康状态监测和应急调度管理等功能，为提高车站运营管理效率和应急指挥调度能力提供基础支撑。

关键词：城市轨道交通；客运服务人员；智能监测；实时定位；轨迹追踪；调度管理；系统设计

1概述

在城市轨道交通运营过程中，客运服务人员承担着客流组织、客流疏导、站内巡检、应急指挥等任务，对乘客出行安全、出行效率起着非常重要的作用。目前，城市轨道交通系统通过预先安排、对讲机寻呼、现场广播等方式对客运服务人员进行指挥调度，对其实时状态监测和管理的智能化水平不足[1-4]。因此，如何实时获取客运服务人员的在岗状态，并根据现场情况对其进行组织调度成为亟待解决的问题。近几年，各城市轨道交通单位和研究机构都将客运服务人员的智能监测和客运组织调度作为重要课题进行研究，积极引进人员定位和信息化管理技术，构建智能化客运组织管理体系[5-11]。目前，人员定位技术包括GPS定位、红外线定位、蓝牙定位、射频定位、WiFi定位和超宽带（UltraWideBand，UWB）定位等[12-14]。其中，超宽带技术是一种无线载波通信技术，通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲传输数据[15-17]。UWB定位技术与其他几种技术相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效应效果好、安全性高、定位精度高等优点，尤其适用于隧道、车站等室内场景。本文针对城市轨道交通客运服务人员智能化管理需求，基于UWB定位技术和健康监测技术，研究设计出一种客运服务人员智能监测与管理系统，实现对客运服务人员的精细化、智能化管理等，有效提升客运安全水平、运营管理效率和旅客出行体验。

2系统架构设计

2.1关键技术。城市轨道交通客运服务人员智能监测与管理系统（以下简称“智能监测与管理系统”）主要采用UWB定位和健康监测技术实现对客运服务人员实时位置和健康状态的智能监测。UWB定位技术的原理是通过测量定位标签和定位基站之间的UWB脉冲信号计算定位标签相对于定位基站的位置。定位算法包括基于接收信号强度法（RSSI）、基于到达角度定位法（AOA）、基于到达时间定位法（TOA）、基于到达时间差定位法（TDOA）等，其中TDOA定位算法精度较高，时间同步要求较低，成为目前主流的定位方法。在城市轨道交通中，还可根据不同空间的定位精度要求，结合不同的定位算法，满足客运服务人员实时定位的需求。健康监测技术是通过不同类型的传感器如光学心率传感器、温度传感器、三轴加速度传感器等，测量客运服务人员的心率、血压、步数、体温等身体状态参数。在充分考虑客运服务人员工作便捷性的基础上，本文采用可穿戴手环为物理载体，集成定位标签和各类型传感器，获取其位置和身体状态信息。2.2总体架构。智能监测与管理系统总体架构划分为3个模块：现场前端采集、数据传输和后端分析管理；同时，该系统配备与其他系统的联动接口，能够与其他系统的数据进行联动交互，为车站运营管理和指挥调度提供支持。系统总体架构如图1所示。（1）现场前端采集模块。该模块通过在车站不同区域部署定位基站、客运服务人员佩戴健康定位手环的方式，实时采集客运服务人员的位置、健康状态信息及其触发的报警信息。定位基站需配备网络通信模块，可将信息上传并进行分析处理，同时也将后端分析管理模块的调度命令传输至手环。（2）数据传输模块。该模块将前端采集到的各种类型数据信息通过有线或无线方式传输给后端分析管理模块，并将后端分析管理模块的预警信息和调度信息下发到健康定位手环。（3）后端分析管理模块。该模块包括数据存储、应用管理和可视化等模块，能够实现数据存储管理，客运服务人员的定位跟踪、健康监测、行为状态分析预警和应急调度管理等功能，并进行多维可视化展示与管理。2.3逻辑架构。智能监测与管理系统的逻辑架构由支撑层、采集层、传输层、解析层、数据层、应用层和交互层组成，如图2所示。（1）支撑层。该层主要包括应用服务器、数据库服务器、交换机、网络安全设备、定位基站、健康定位手环等基础设施设备，为系统提供基础硬件环境支撑。（2）采集层。该层基于UWB定位和健康监测等技术，根据不同场景制定相应的部署策略，搭建站台、站厅等车站检测场景，采集客运服务人员的UWB脉冲信号、心率信号、血压信号、体温信号、步数信号及报警信号等，为客运服务人员位置解析和健康监测提供源数据支撑。（3）传输层。该层采用TCP/IP协议进行通信传输，通过POE交换机和有线/无线网络将所有采集到的数据信息传送到数据解析层进行分析处理。（4）解析层。该层通过定位算法、时钟同步算法、电信号转换算法等，将采集到的各类数据信息进行计算处理，完成客运服务人员位置信息、人员轨迹信息、健康状态信息和报警信息的解析，为业务应用提供基础数据支撑。（5）数据层。该层将解析后的数据进行存储管理，完成数据统计分析，形成多种类型的数据报表，供运营管理人员查询和调取。（6）应用层。该层根据客运服务人员监测和管理需求对数据进行业务应用分析处理，实现基础信息管理、安全状态监测、安全状态分析和应急调度管理。（7）交互层。该层采用电子地图、数据图表等方式对客运服务人员不同类型的数据信息进行多维展示，为运营决策、协同调度和信息共享提供基础支撑；同时，完成运营管理人员与终端客运服务人员的联动交互，形成系统闭环，辅助车站进行客运组织调度。2.4业务功能架构。智能监测与管理系统业务功能架构包括基础信息管理、安全状态监测、安全状态分析和应急调度管理等模块，各模块之间相互关联、提供接口，方便系统的集成和运行维护，如图3所示。（1）基础信息管理模块。该模块功能包括对地图数据和人员信息的管理。其中，地图数据管理支持车站多层地图的导入、修改、删除，实现地图的浏览展示、缩放和漫游等功能；人员信息管理支持客运服务人员的姓名、性别、职位、年龄等基本信息与定位标签关联录入，以及人员的分类管理等功能。（2）安全状态监测模块。该模块功能包括对客运服务人员的实时定位、轨迹追踪和健康监测。其中，实时定位能够获取客运服务人员的在岗状态，并在车站电子化地图中实时显示其地理位置信息；轨迹追踪能够全天候记录客运服务人员经过的地点和时间，且支持其轨迹的查询与回放；健康监测能够实时采集客运服务人员的心率、血压、体温等身体状态信息，且支持身体状态信息的图表查询与显示。（3）安全状态分析模块。该模块功能包括安全/异常模式库建立、行为状态分析和行为状态报警。安全/异常模式库建立是指根据采集整理的客运服务人员数据信息，不断建立和完善安全状态基准库和异常状态行为模式库；行为状态分析是指通过对客运服务人员现有的行为状态与模式库进行对比，分析其离岗，区域超时，越权访问，心率、血压、体温过高等异常行为状态；行为状态报警是指通过后台指挥中心系统界面或健康定位标签进行报警提示。（4）应急调度管理模块。该模块功能包括客运服务人员通信联动、视频监控联动和辅助指挥调度等。其中，通信联动支持后台管理人员向车站客运服务人员发送预警和调度信息，同时支持客运服务人员向后台发送报警信号；视频监控联动能够实现本系统与视频监控系统的联动对接，可根据客运服务人员的实时位置调取其周边视频图像信息；辅助指挥调度能够在突发事件下根据客运服务人员的实时位置进行点位疏导布置，并实时监测其落实状态，辅助应急指挥调度。

3方案设计

该方案设计包括定位基站部署设计和系统软硬件设计2部分，其中定位基站部署设计需要充分考虑城市轨道交通环境特点和客运服务人员管理需求，软硬件设计需要充分保证系统的安全、稳定、高效运行；同时，该方案应便于维护管理，节约人力和财力成本。3.1定位基站部署。根据城市轨道交通客运服务人员管理需求，该方案采用在车站环境中部署定位基站的方式实现对客运服务人员的精准定位。根据车站环境特点，本系统采用零维、一维和二维混合式定位方法，定位精度在无遮挡情况下小于0.3m，定位基站部署间隔原则上不超过50m。定位布点原则以车站出入口、站台、站厅、通道、扶梯等关键部位为重点，覆盖各办公室用房、各机电设备用房、物业、洗手间等区域。（1）办公及机电设备用房区域。针对售票室、车控室、会议室、办公室和机电设备用房等面积较小的区域，仅需判断人员是否在该区域，因此采用零维定位方式，通过侧壁安装或吸顶安装的方式部署1台定位基站。基站零维部署方案示意图如图4所示。（2）通道及楼扶梯区域。针对车站内的通道、楼梯、扶梯等单一狭长区域，采用一维线性定位的方式，在通道、楼梯、扶梯两端各部署1台定位基站，如果有转角，则需在转角处增加基站。基站一维部署方案示意图如图5所示。（3）站台及站厅等区域。针对车站的站台、站厅、商业区等范围较大、人流量较多的区域，需掌握不同岗位客运服务人员的具体位置，因此采用二维平面定位的方式，并根据区域形状、面积和信号遮挡情况进行设备部署，原则上需部署4台及以上基站。基站二维部署方案示意图如图6所示。3.2系统软硬件设计。智能监测与管理系统的软硬件设计层次包括采集层、传输层、数据层、解算层、应用层和交互层，其架构如图7所示。（1）采集层。该层的硬件设备包括定位基站和健康定位手环，根据车站区域特性采用零维、一维、二维的部署方式安装定位基站，并安排客运服务人员佩戴健康定位手环；通过UWB定位技术和健康监测技术采集客运服务人员状态信息。（2）传输层。该层的硬件设备包括交换机和路由器等，定位基站将采集到的人员状态信息通过交换机传输到服务器进行分析处理，也可通过无线路由器的方式进行数据传输。（3）数据层。该层的硬件设备主要为数据库服务器，用于数据的存储与管理。在系统设计过程中，需根据系统功能构建不同类型的数据库，包括基础信息数据库、定位信息数据库、健康信息数据库和信息数据库等。（4）解算层。该层的硬件设备主要为应用服务器，并需配置相关的软件支撑完成客运服务人员的位置解析和健康状态解析等功能。需配置的软件包括定位解析服务软件、地图引擎服务软件、健康分析服务软件等。（5）应用层。该层的硬件设备主要为应用服务器，并采用浏览器/服务器（B/S）架构模式，综合运用Servlet和JSP等技术，实现高效、安全的数据交互和管理。应用服务器需配置应用支撑软件，包括软件中间件及其他服务软件，如数据分析服务软件、搜索引擎服务软件、信息传递服务软件、系统管理服务软件等；中间件包括Web容器设计、数据采集服务实现、网络连接服务实现、日志服务实现等软件。（6）交互层。该层的硬件设备包括台式计算机、笔记本等用户终端，交互界面包括管理人员门户接口、监测人员门户接口和内部门户接口，实现信息的访问、可视化、报警提示、调度管理等功能。

4系统设计应用示例

根据上述设计，本系统使用JAVA语言开发实现了系统架构功能，并选择某车站作为实验测试基地，采用零维、一维、二维相结合的部署策略分别在该车站的站台、站厅、设备管理用房等区域部署定位基站，在车控室的计算机终端设备上安装部署该软件系统，并为相关客运服务人员配备健康定位手环，组织现场测试实验，实现对其实时定位、健康监测和异常行为监测提醒，对不同岗位的客运服务人员配备计划，对实际人员的区域分布、健康状态信息异常行为进行统计分析，为车站的客运服务人员管理和应急演练提供技术支撑，很好地满足了客运服务人员管理的需求。系统主界面如图8所示。

5结语

客运服务人员在车站运营中，承担着客流组织、客流疏导、站内巡检、应急指挥等任务，对乘客出行安全、出行效率起着非常重要的作用。本文结合城市轨道交通客运服务人员管理智能化需求，基于UWB定位技术和健康监测技术，设计了城市轨道交通客运服务人员智能监测与管理系统。通过实验测试得出，该系统能够实现对客运服务人员实时定位、行动轨迹追踪、健康状态监测、行为安全状态分析与预警、人员调度和通信联动等功能，为车站运营管理和应急指挥调度提供辅助支撑，并为形成信息化、智能化的城市轨道运营安全保障体系提供重要参考。

作者:王子腾 窦元辰 王爱丽 单位:1.中铁信（北京）网络技术研究院 2.中国铁路信息科技集团有限公司 3.深圳市地铁集团有限公司，