基于人工智能的轨道交通监控系统的设计和实现
时间：2023-01-28 17:05:04 来源：天一资源网 本文已影响 人 
梁春达
（长春大学旅游学院 吉林 长春 130000）
随着科学技术的提高，轨道交通运输量的增加，传统轨道交通监控系统已经无法满足现代化轨道交通运输与监控的需求。因此，本文基于人工智能技术（artificial intelligence, AI）[1]，提出了一种新型轨道交通监控系统。该系统设计从技术方面来看，不仅可以减轻交通运行工作人员的压力以及缩短解决突发事件的时间，还可以快速针对突发事件制定对应的方案，保障轨道交通的安全，从而使得轨道交通管理效率得到提高。
基于人工智能的轨道交通智能化监控系统设计，需要能够实现对各个子系统模块进行全面的控制和描述，并在软件和硬件的作用下为其提供更加契合的服务。该交通监控系统的功能联动性和人工智能方面，可以实现各个子网系统之间信息共享，而不同功能的监控系统为控制服务的实现提供了重要条件。因此，可以将轨道交通监控系统的架构划分成多个模块，具体如图1所示。首先，环境与设备主要包括了列车车站以及行驶途径的隧道中各种环境问题，如通风设备、空调设备等为轨道列车的运行提供了保障。通信模块主要由3部分构成：闭路电视、公共信息系统以及电话等部分。其次，自动监控模块和安检模块前者实现了对列车行驶的路线进行定位和控制，同时还实现了对车辆行驶的情况进行监控，后者主要对乘客所携带的物品进行检查，以此保障乘客与列车的安全。报警模块主要负责对列车以及站点中存在的安全隐患问题进行监控，并触发警报，一般由排烟与灭火等系统构成[2]。
针对基于人工智能的轨道交通监控系统设计实现，首先需要对其硬件系统和软件系统进行设计。在针对硬件进行设计时，通过以决策模块为中线，利用车传感器实现对车站内网的信息进行采集。然后，监控节点利用通信技术，完成对信息的采集后，并利用精准传输方式，将数据传输到监控系统当中。这时，监控系统会通过对所采集的信息进行分析，以此完成对路况车站设备的有效控制，从而实现全方位的监控，并保障车辆的运行安全。在对决策模块的软件进行设计过程当中，需要先对传感器进行测量，使其计算出相应的变量系数，以此完成对实际轨道交通监控情况的分析和极差数值计算，使得轨道交通监控系统的设计得以实现。
2.1 硬件系统设计
轨道交通控制系统硬件功能设计过程中，一般通过对网络控制流与数据流两者的相关度进行有效分析，从其角度出发实现对硬件系统的设计。而轨道交通监控系统的硬件结构可以将其划分为4个部分：决策层、监控层以及网络层和控制服务层，以此来为轨道交通监控提供对应的服务。其中，综合决策层主要负责车辆信息方面的决策；
而对轨道交通路线实时运行情况监测则是由监控层来负责。网络层则通过通信链路故障监测信息传输；
最后控制服务层则将系统收集到的对应信息，结合网络通信平台及时地反馈给各个层次的系统，并为其提供相应的网络支持和数据共享，以此保障驾驶人员在遇到紧急突发事件时能够及时地做出相应的反应[3]。不过，在实现监控系统的对接时，为保障其稳定性，应当遵循对应的标准规范，具体系统硬件结构设计示意图，如图2所示。
2.1.1 网络通信模块设计
该层次的设计，主要作用于对轨道交通运行情况进行合理有效的规划。并实现了对轨道交通线路系统及其相关设备进行监测和控制，以及数据信息的内部交流。不过，这都需要利用网络通信共享平台以及数据共享技术等，来实现系统和系统之间的信息传输，或者各个模块之间的有效衔接和处理，从而起到对监控系统的辅助作用。
2.1.2 传感器设计
轨道交通监控系统决策层设计，是由车站内网信息为基础来实现的。同时，还为轨道交通监控系统的功能性、不同模块的联动性、独立性等提供了保障。这就需要对站点的子系统进行实时监控，并做好不同子系统之间的协调，然后再结合列车行驶的情况以及系统控制需求，从而实现对其功能性的扩展，使得该监控系统变得更加灵活、可靠。因此为了实现该节点的统一性。本文在对该系统的监控节点设计时，选择利用关联性模型来实现。并利用无线通信技术、传感器等实现了两者之间的有效衔接，让监控系统通过传感器实现各个节点之间的信息共享。而决策传感器的设计具体如图3所示。它是由开关、信息收集模块以及决策执行模块、无线通信模块等多个部分构成，然后利用收发接口来实现互相通信[4]。
2.1.3 网关设计
基于人工智能的轨道交通监控系统设计，还包含了网络层。该层次的设计主要拥有网络通信平台和网关两个部分。通过将设备层的装置与设备层的网关进行连接，然后由管理人员通过服务器实现对每个网关的设备进行管理和配置。同时，还需要在设备层中安装对应的管理器以此来保证网络通信平台和监控系统后台之间的互相通信。而网络通信平台主要作用于轨道交通监控系统的各种应用系统信息传输。然后实现对监控系统当中不同模块之间产生的大量异构数据源进行统一有效的管理，从而完成不同模块数据之间的互联。并且，该平台还会利用网络将多媒体数据信息和短信进行有效传输与集成，接着利用物理链路网络实现各个工作站和主机之间的连接，从而形成对应的数据链。最后，通过专业网络将对应的车辆位置以及速度信息传输给另一车辆，这样一来当其他车辆驾驶员在接收到报警信息时，就可以有效避免事故的发生，同时将其可靠性降至最低[5]。
2.1.4 控制模块设计
控制服务层设计，主要包括4个模块：列车行驶控制模块、电力系统控制模块以及自动售票模块和运输综合服务模块等。因此，该控制层设计负责对现场信息的收集，还通过利用自身具备的故障自动诊断功能，实现对现场设备的自动化、智能化管理和监测，从而使其故障修复效率得到有效提升。这对于轨道交通监控系统中的各个功能模块来说，在人工智能的作用下，可以实现对系统和车辆的全方位的控制，以此保障不同模块的功能得到充分的发挥，使得轨道交通运行安全得到有效的保障。
2.2 软件系统设计
基于人工智能开发设计的轨道交通监控系统软件，其控制系统是保障监控系统正常运行的重要部分。因此，该部分的设计主要包含了7个模块：人机界面模块、网络状态监控模块、视频分析模块、乘客信息管理模块、广播控制模块以及报警模块和应急联动模块等。而基于人工智能的轨道交通监控系统流程，首先系统经过深度学习目标检测技术，通过利用视频监控设备实现对监控区域中的人群检测并对对应状态进行有效分析，以此实现对车站内客流密度的统计和滞留、聚集等的分析以及对应的安全系统进行参数量化。接着利用分析图表的方式，将量化后的数据展示在轨道交通监控系统的人机界面显示器上，并利用人工智能学习模式通过离线或在线情况，结合后台软件实现对系统实时抓拍的视频图像进行识别和分析，从而识别和分析出监控视频中人、物的行为特征情况，并将其存储在服务器当中。如果车站中发生异常情况，监控系统就会主动及时地推动报警信息，及时做出对突发事件的预警和处理，并与地铁自动化系统之间实现共享。通过人工智能和关联性模式，实现轨道交通综合监控功能设计。并利用相关系数来表示不同变量之间的密切联系，通过对不同指标进行分析来判断确定不同路况之间的相关关系和交通方向。
轨道交通的运行情况和车站决策层所检测出来的路况两者之间存在直接的联系。而该轨道交通运行区域当中，一般情况下发生路况故障事故的概率极低。因此，本文基于人工智能设计的轨道交通监控系统，在车辆正常运行过程当中所存在的两个传感器测量值方面必定有一定程度的相关系数。如果假设所存在的相关系数由P来表示，那么A和B则分别对应表示两组传感器所测量的数据。那么这时A变量和B变量所对应的数学期望则是由E（A）、E（B）进行分别表示。而该变量的相关系数计算公式为：
经过对相关系数的计算后发现，低度相关系数P对应0.4＞P≥0.2，而中等度相关系数则为0.7＞P≥0.4，高度相关系数为1＞P≥0.7。接着，在对轨道交通的实际运行现状的基础上进行充分考虑，平移本站监控点所测量值设置，与同一下一站监控点两者之间的相关系数大于0.4，这时两个传感器在关联性模型的作用下，将极差值设置在10 min内，传感器检测数据的最大值和最小值的差值，接近主路况上的传感器极差值，远远超过远离主路况传感器的极差值。最后，通过对轨道交通路况面与工作面两者之间的极差值进行计算，可以为轨道交通监控系统的设计与实现提供数据上的支撑[6]。
2.3 接口设计
接口设计主要辅助轨道交通监控系统中其他子系统之间的集成任务。因此，为了使接口设计得更加规范化，本文针对接口的设计采用了应用互操作专用规范的方式（AIP）来表示，实现了接口的开发设计。
2.4 监控数据传送流程设计
该设计通过将所监测到的有效节点中的数据传输到主机上，再利用主机实现对轨道交通系统的实时综合监控。而监控系统的状态数据则会直接被上传到主机当中，最后有选择性地将数据传输到对应的层级当中。其整个过程如下：首先，轨道交通监控系统的各个子系统先将设备的具体运行状况信息传送到监控系统当中并进行存储。接着，监控系统则会按照预定的设定实现自我管理，然后将所需要集中协调的数据上传到对应的地方。其次，监控系统中的各个位置或者控制中心则负责对车辆、车站各方面进行监督与协调，这样一来即使出现异常问题，系统也会立即发出预警信号[7]。
3.1 实验参数及环境
为进一步验证基于人工智能的轨道交通监控系统的可行性，本文以某市3号城市轨道交通为例进行仿真实验，该轨道交通系统为全封闭状态，其车辆的平均运行速度大于36 km/h。其中，该车辆长度为21 m，宽度为2.9 m，轴重小于17 t[8]。
3.2 结果对比分析
根据仿真实验结果对比分析，本文开发设计的新型轨道交通监控系统，和传统监控系统相比，传统的监控系统的监控影像质量和清晰度，要低于本文基于人工智能的轨道交通监控系统所获取的监控影像质量。这就说明，通过仿真实验证明了基于人工智能的轨道交通智能监控系统具有更高的监控精准度[9-10]。
综上所述，现阶段随着国内轨道交通建设的全面推进，传统的轨道交通监控系统已经无法满足当前轨道系统的需求。为此本文以人工智能技术为核心，开发设计了一种新型轨道交通智能监控系统。该智能系统的设计能够促进轨道交通运行质量的提升，还能够针对车站中突发事件及时做出相应的处理措施，使得其轨道交通智能化、自动化水平得到进一步的提高，并为轨道交通的运营、安全性以及可靠性、响应速度等方面提供保障。
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