地鐵互聯網購票方式研發
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摘要:城市軌道交通行業互聯網購票方式的研發，不僅能幫助乘客提高購票效率，以及精準地選擇目的站點和的換乘路徑，還能用二維碼掃碼支付取代現金購票，降低票款繳交難度和使用夜間金庫等運營問題。目前市面上常用的語音識別技術，主要針對電話客服、汽車、家居等安靜環境下工作，不適用于公共場所嘈雜環境下的大規模使用。國內軌道交通購票所采用二維碼多為第三方支付機構的標準，缺少地鐵運營方統一標準，不適應目前多元化的乘客支付需求。為實現地鐵智能化互聯網購票方式的研發，從人機交互方式、硬件改造方案、體系結構、支付方式、支付入口等方面入手，通過制訂通信協議、人機交互業務邏輯、聚合碼標準、掃碼購票流程，形成互聯網購票在地鐵行業的整體解決方案和產品級落地，從而改善乘客的購票體驗。
關鍵詞:地鐵;互聯網購票;研發
1概述
近年來上海地鐵線網規模不斷延伸，運營里程總長達到673公里，共有395座車站，換乘車站增至53座。隨著軌道交通作為城市骨干交通的作用日益顯現，上海地鐵客流節節攀升，從2011年的12．8億人次激增到2017年的20．4億人次，年均增幅保持在1億人次以上。然而與之形成鮮明對比的是，地鐵單程票發售數每年的增幅，正在逐年減少，2017年首次出現了負增長。單程票式微的原因是多方面的，除了受到手機APP二維碼、手機交通卡等移動支付的影響之外，單程票購票步驟較為繁瑣，需要準備零錢，不支持虛擬支付，不能適應現代移動支付的發展趨勢。售票設備本身不能提供查詢服務，一些對地理信息不熟悉的差旅為主的乘客群體往往不能準確地選擇目的地車站，不能精準購票也影響了市民乘客選擇購買單程票的意愿。單程票發售量受到二維碼過閘等移動支付的影響，需求量略有下降，但仍然是外地來滬乘客和差旅人士的乘車票證，單程票這一票種票制有保留的必要，但需用先進技術對傳統購票方式進行流程再造。針對單程票購票效率不高的問題，需要解決售票設備提供地理信息問詢的自助服務，外地來滬乘客在人工窗口購票主要也是利用人工問詢服務，以及采用虛擬支付取代現金購票，實現新技術在地鐵購票中的應用。據統計，不同乘客群體在自動售票機上購買單程票的平均時間為30秒，和刷二維碼進出站和手機交通卡熄屏刷卡相比，傳統的購票方式支付效率較低。造成購票時間較長的原因，人為因素往往是決定性的，對售票設備操作不熟悉，對如何擺放紙幣、如何取票，如何取走找零等思考時間過長。購票時間長和購票方式差異也有關，紙幣購票時間相對較長，因為紙幣識別率低于硬幣識別率，并且紙幣還有找零的步驟，這些都是影響單程票購票效率的因素。與線上購票可參與營銷促銷活動相比，乘客使用傳統支付方式不能享受到營銷優惠，這也影響到了乘客使用單程票的積極性，制約了單程票的銷售?，F在全國地鐵爭相進入互聯網支付新時代，二維碼支付、銀聯云閃付方興未艾，說明移動支付符合都市無現金一族的出行方式。新一代人工智能正在全球范圍內蓬勃興起，為經濟社會發展注入新動能，正在深刻改變人們的生產生活方式。為支持智慧地鐵、智慧票務的發展，上海地鐵洞察變革趨勢，乘勢而為，決定提高地鐵購票的智能化水平，有效增強公共交通服務能力和運營管理能力。
2問題的提出
據不完全統計，乘客在自動售票機前選擇目的站點用時接近20秒，完成支付用時也要近20秒。在乘客智慧服務方面，堅持問題導向，要針對乘客在購票過程中“目的地站點不熟悉、支付不便”的問題重點發力，精準施策，為乘客提供高品質的出行體驗。市民乘客在支付方式已發生根本性變化，由原來“現金+IC卡”方式轉變為現在采用移動支付、手機直接進出站的方式。上海地鐵在進出站的移動支付受理環境日趨完善，與之形成鮮明對比的是，上海地鐵仍以現金購票為主，在全網3800余臺自動售票機種僅有16臺云購票機支持二維碼購票，已不能滿足乘客移動支付的需求。掃碼購票已在鄭州地鐵、高鐵實現應用，上海地鐵在這方面有必要加以完善。上海地鐵目前日均客流1077萬人次，今年3月全網單日總客流連續三周創新高，3月23日最高超過1235萬人次。由于乘客購票時間較長，增加了車站客流的密度、擁擠程度，降低客流流動的速度。今年底上海軌道交通運營里程總長將突破700公里，2020年將形成20條線，800多公里的超大網絡運營規模。聚焦安全高效、舒適便捷的超過規模網絡的運營管理，利用人工智能和互聯網技術，方便乘客快速購票進站，減輕車站客運組織壓力，幫助乘客提高購票效率，增加購票體驗勢在必行。上海地鐵單程票購票量較大的站點主要有虹橋火車站、虹橋2號航站樓、上海火車站、人民廣場、豫園、陸家嘴等站，發售量最多的車站單程票日發售量約有3萬余張。TVM前排隊購票等待時間長，不利于大客流安全風險防范，有的車站為加快購票速度因此保留了人工售票窗口。乘客選擇人工售票窗口購買單程票，主要是利用了在查詢目的地的功能，同時不必在TVM上操作設備，需要利用智能化系統自動查詢地理信息，幫助乘客快速選站，提高購票效率。2017年上海地鐵全網單程票發售現金達到13．24億元，車站現金流量較大，票款繳交和現金管理有一定難度。通過互聯網支付取代現金購票以后，預計可降低現金流轉量30%以上。上海地鐵2016年試點的云購票機，乘客反響較好，但是其采用乘客手機APP二維碼被掃的方式，決定了設備硬件改動較大。采用其它非現金購票方式以后，TVM只改動軟件而不對硬件作任何改動，減少硬件投入。結合互聯網支付技術，提高支付效率，加大對新的購票業務的拓展力度。
3關鍵問題的研究與解決
圍繞研發遠場人機交互高識別率的智能化售票設備，首先對其它選站的購票方式進行了分析。線上查詢購票線下承兌這一方式，手機端需要多次操作購票環節復雜，售票設備需要進行兌票碼掃碼器的硬件投入以及聯機兌票的改造，部分車站蜂窩信號不佳影響手機端查詢效果。在自助查詢機上查詢和在售票設備上購票這一方式，需要在不同設備上操作，購票效率不高，車站增加的自助查詢機占用站廳空間增加了大客流防范風險，查詢機需要手工輸入目的地，輸入方式較為單一。較前兩種方式，在現有自動售票機上智能查詢并購票這一方式，可獲得查詢購票一站式服務，具有較高便捷性。利用人工智能進行人機交互，理解購票者要去的目的地，提高查詢效率。不需要手工輸入目的地，不同乘客群體都能使用。地鐵互聯網購票需解決以下關鍵問題。
3．1人機交互方式
購票人利用智能化方式將目的地信息在售票設備上輸入，售票設備識別購票人的語音語意表達。在這個基礎上，智能化售票設備會通過云端電子地圖查詢到離目的地最近的地鐵站，列出候選車站，并顯示換乘路徑。市面上主流語音識別技術采用單獨麥克風陣列，上海地鐵采用了阿里巴巴達摩院擁有的麥克風陣列加攝像頭這種“語音+視覺”多模態融合技術。前一種技術需要手工選擇語音功能，后一種技術攝像頭感知到購票人走近，免喚醒語音輸入，標準普通話識別率接近100%。前一種技術只能適用于辦公室、家居等比較安靜的環境，后一種技術適用于公共場所嘈雜環境，通過后臺算法軟件排除噪聲。與前一種技術離線或在線都不能使用電子地圖相比，后一種技術可使用部署在云端的電子地圖。前一種技術只能識別上海地鐵全網317個車站名(截止到浦江線)，后一種技術除地鐵站名外，可輸入上海景點、地標、商業中心等信息?！罢Z音+視覺”多模態融合技術，可在地鐵站等公共場所嘈雜環境下使用，達到大規模商用水平遠場語音交互。
3．2攝像頭和麥克風陣列安裝位置
以語音購票體驗者所提供的身高數據為依據，購票者身高主要分布在150cm-180cm，確定攝像頭安裝高度在150cm-180cm之間，采用廣角景深3D攝像頭，可以清晰拍攝到購票者面部。為識別購票人的口語化表達，需要在售票設備上安裝麥克風陣列，為排除噪聲，增強語音語意識別效果，在自動售票機前面板上橫向安裝一組麥克風陣列。售票設備最窄機型作為語音陣列最長長度0．6米，出于工控機性能原因，麥克風數量控制在8個。通過內部聲學設計，將8個麥克風的位置排列達到最好的聲學效果。中間4個麥克風為主收音區，兩邊各2個麥克風對購票人進行定位。售票設備語音選站的具體工作流程為:購票人走近售票設備，攝像頭自動喚醒語音功能。麥克風陣列收錄所有人的聲音，攝像頭輔助判斷誰是主購票人。對購票人的語音進行收錄，售票設備工控機把音頻文件發給云端語音識別引擎。云端語音識別引擎將識別購票人口述的目的地，售票設備顯示語音引擎的識別結果。語音識別引擎將購票人口述的目的地識別結果告訴云端電子地圖。目的地可能是車站名，也可能是其它地址，電子地圖對目的地地址進行檢索。云端電子地圖檢索出的候選車站和換乘路徑通過語音引擎發給售票設備，售票設備將這些內容顯示在屏幕上，供購票人選擇。如果是車站名，售票設備直接跳到支付頁面。購票人選擇其中一個候選車站后，售票設備跳轉到支付頁面。
3．3體系結構
體系結構是指在售票設備語音購票、模糊查詢的云端服務部署方式，云端服務是指語音識別、語音理解，把語音轉換成文字，以及地點模糊查詢、換乘路經查詢。主要有公有云和私有云兩種部署方式，公有云是指第三方提供商通過自己的基礎設施向外部用戶提供服務，外部用戶通過互聯網訪問服務。此處指互聯網企業擁有云端語音引擎和電子地圖，以有償的方式向上海地鐵提供語音識別和地點模糊查詢的服務。私有云是指客戶擁有基礎設施，并在基礎設施上部署應用程序。此處指上海地鐵在防火墻內的服務器上部署語音引擎和電子地圖的應用。從更新的及時性上看，公有云隨時可以更新，隨著乘客數據上升，語音算法趨于完善，私有云只能固定時間更新。從排除網絡故障時間來看，公有云具有不確定性，私有云在一定時間內排除故障方面相對可控。公有云的方式需要上海地鐵租賃云端服務，每年需要不菲費用，私有云的方式上海地鐵具有語音識別引擎、電子地圖在內的一整套解決方案，費用上只需要項目建設一次性投入。因此，私有云提供的服務比較穩定，只要私有云服務器與AFC專網無故障，就不會大面積影響運營服務。
3．4支付方式
支付方式是指乘客在選擇目的車站后，進入支付頁面時，采用二維碼取代現金購票，分為被掃付和主掃付兩種方案。被掃付是指手機客戶端展示二維碼被售票設備掃碼，主掃付是指用手機客戶端掃描售票設備屏幕上的二維碼。被掃付是一種線下對線上的支付方式，在不聯網的情況下也能刷碼支付。2016年上海地鐵試點的云購票機即采用被掃付方案，為減少TVM購票現金管理的壓力，給予乘客更豐富的購票體驗，上海地鐵進一步研究TVM設備互聯網購票模式，為減少硬件的投入，TVM掃碼付方案由原來的被掃付到主掃付，僅通過軟件功能的修改即可實現TVM主掃付款。
3．5支付入口
售票設備的購票碼采用統一的聚合碼，而不是采用不同支付機構的二維碼。聚合碼是指融合了多種渠道支付工具聚合支付的二維碼，一般由商戶提供聚合碼，乘客用多種的手機客戶端掃碼支付。為拓寬各類第三方支付渠道，乘客用不同的APP掃聚合碼完成購票支付，進一步增加掃碼購票數量，從而減少TVM現金購票量。以進一步拓寬第三方支付在售檢票系統應用范圍為目標，從而減少車站現金的使用，降低票款繳交等現金管理的難度和風險。聚合碼的優勢在于系統建設難度小，不用對接多家支付機構，只需與聚合支付平臺對接，只需與統一的聚合支付平臺結算票款。在接入一個新的支付機構時，系統升級沒有開發工作量。不再由各支付機構發碼，地鐵ACC可按照地鐵標準發碼。售票設備界面較為簡潔，只需顯示一個聚合碼標識。聚合碼爭議在于由一家支付平臺收單后在其它支付平臺上再次下單，其它支付機構的交易數據集中在一個支付平臺上。
4研究成果特點
(1)設備端主動發起交互，實現了免喚醒的語音交互，使得人-機交互接近人-人交互?！罢Z音+視覺”多模態融合技術判斷邏輯如下:①自動售票機處于待機模式時，語音功能待機，語音陣列關閉，攝像頭處于激活狀態，應用程序處理攝像頭觀察到的圖像信息。②當有人走近自動售票機，應用程序觀察到攝像頭有人走近，把其它所有模塊喚醒，包括麥克風陣列、工控機中其它跟語音相關程序，通知TVM語音功能啟動，自動售票機顯示語音收音界面。③自動售票機處于語音收音狀態，等乘客說話。視頻流:a．確定1-2個主購票人。b．發現主購票人動嘴說話，對這段時間這個方位的音頻進行標注。音頻流:對每一個人聲，作簡單的位置標注。④應用程序結合2個數據流，對音頻流中哪一個音頻需要識別進行標注并上傳。購票人口述完成到自動售票機上顯示候選車站，延遲時間控制在2秒以內。(2)針對線路上多型號TVM設備，形成較為統一的硬件改造方案。由于語音陣列需安裝在售票設備屏幕上方、攝像頭下方，語音陣列中心在屏幕中心線上，同時支持內嵌式安裝和外接式安裝。經過對上海地鐵現有各類型TVM調查排摸最終得出語音陣列設計:統一提供長48cm、含8個麥克風的長條形語音拾音陣列，語音陣列設計有效距離較遠為80cm，在車站嘈雜環境下，以及人聲干擾的場景，售票設備正前方80cm內79分貝以下穩定和突發生源，可準確識別。攝像頭在麥克風陣列上方，和顯示屏中心線對齊。拍攝距離較遠為80cm，拍攝范圍＞1㎡，可拍攝到不同方位的購票人臉部畫面。(3)目的地信息識別邏輯方面，TVM設備作為軌道交通售票設備而非問詢機，目的是為了提供購票服務，因此我們設定軌交車站名優先級大于景點名，提供軌交車站名優先識別的服務，有效提高了購票速度。我們從上海地鐵內部部門獲取了上海市3000多個熱門景點名，通過對317個軌交站名和這些景點名進行優先識別，以及電子地圖的模糊查詢服務，對購票人查詢目的地的覆蓋率達到90%。目的地識別邏輯:對上海地鐵317個車站名和上海3000多個景點、地標、商業中心作了強識別，所謂強識別，即語音功能反應較快的優先識別。白名單覆蓋了上海地鐵317個車站名和上海3000多個景點、地標、商業中心。剔除了便利店、連鎖店、非地名的口頭語，完善了黑名單。目的地識別優先級順序:①上海地鐵317個車站名。②上海3000多個主要景點、地標、商業中心等。③過濾算法，判斷是否為口語化無效詞。④如果在目的地列表中沒有命中，進入電子地圖搜索。(4)通過自動售票機軟件功能優化，乘客從原來的手機第三方支付APP展示二維碼，在自動售票機上刷二維碼購票，變為現在乘客使用手機第三方支付APP掃描自動售票機屏幕上二維碼完成購票，減少了自動售票機改造的硬件投入。掃碼購票流程:乘客在自動售票機選擇購票信息后，自動售票機逐一通過清分系統、地鐵快付向第三方支付申請二維碼數據，第三方支付將二維碼數據原路返回給自動售票機，自動售票機在屏幕上展示二維碼。乘客用第三方支付APP掃碼支付。自動售票機自申請到二維碼后進入超時等待，在超時時間內收到支付結果后進行出票，第三方支付逐一通過地鐵快付、清分系統將支付結果通知自動售票機。自動售票機在等待支付超時內，因乘客取消支付或網絡原因未收到支付通知，將逐一通過清分系統、地鐵快付向第三方支付發起取消支付通知。自動售票機收到支付通知后，只要有1張或以上車票出票后需逐一經過清分系統、地鐵快付向第三方支付上送出票結果通知。自動售票機收到支付通知后，因發卡模塊故障或余票不足等原因，自動售票機逐一通過清分系統、地鐵快付向第三方支付發起部分退款請求。(5)自動售票機根據乘客操作信息，計算票價，創建訂單，售票界面上展示統一的購票碼，乘客可使用3個及以上主流支付機構APP掃碼購票。銀聯提供統一的鏈接，手機APP掃碼后訪問銀聯服務器，銀聯二維碼平臺根據APP_ID判斷銀聯APP、銀行APP或第三方支付APP，跳轉到不同交易系統完成支付。聚合碼掃碼支付購票過程:自動售票機根據購票信息，將訂單信息發送到清分系統，清分系統返回二維碼至自動售票機，TVM展示聚合碼等待乘客掃碼，乘客掃描二維碼，手機客戶端訪問銀聯服務器，銀聯二維碼平臺判斷掃碼APP為銀聯APP或第三方支付APP:乘客使用支持銀聯二維碼標準的銀聯APP或銀行APP，掃描自動售票機屏幕上的聚合碼，交易上送到銀聯二維碼平臺，支付完成后銀聯將支付結果通知手機APP端，并將支付結果逐一通過地鐵快付、地鐵清分系統透傳至自動售票機，自動售票機完成出票。乘客使用第三方支付APP掃描聚合碼，手機客戶端訪問銀聯二維碼平臺，銀聯二維碼平臺識別掃碼APP為第三方支付APP，將交易送往第三方支付系統并完成支付，將支付結果返回銀聯，并通知手機APP端交易完成，銀聯將支付結果逐一通過地鐵快付、地鐵清分系統透傳至自動售票機，自動售票機完成出票。
5TVM設備人工智能購票方式應用效果
TVM設備人工智能方式已實現四大功能，分別為語音購票、地點模糊查詢、聚合碼掃碼支付、線上購票線下兌票碼兌票，不僅完成實驗室樣機試制和功能驗證，而且在部分站點試點運行，效果良好，具備進一步推廣應用條件。乘客對TVM設備用自然的方式口述目的地后，云端語音引擎將乘客語音轉成文字，識別出其中的地點名稱，利用云端電子地圖查詢到目的地最近地鐵站，屏幕展示候選車站列表提供乘客選擇，并顯示換乘路徑、車站出口、步行距離。乘客口述車站名，直接進入支付頁面。語音購票在TVM購票功能的基礎上，增加地理查詢的服務功能。通過探索智慧科技的應用，提高乘客購票效率，方便乘客快速購票進站。TVM設備向地鐵后臺申請聚合碼數據，并在屏幕上顯示聚合碼，乘客可選擇銀聯云閃付、銀行APP、微信、京東、美團客戶端等多種方式掃碼支付，交易發送到銀聯二維碼平臺，二維碼平臺根據用戶APP將交易送到對應支付系統完成支付，銀聯通知TVM設備出票，同時通知APP支付成功。人工智能購票設備語音識別正確性率高、識別距離遠，目的地查詢準確性高，反應時間短，運行穩定，基本滿足乘客問詢需要，降低了不熟悉購票設備的老年群體或者是不熟悉地理環境的商旅人士的購票難度，降低了車站工作人員的人工服務壓力，達到提高軌道交通服務能級的目的，幫助乘客精準購票，提高了購票體驗和購票效率。語音購票和掃碼支付，是上海地鐵利用人工智能和互聯網技術優化服務的成功案例，在精準助力安全高效引導大客流組織上找到主攻方向，對人工智能領域進行積極探索和前瞻布局，將技術創新向科技成果轉化和應用落地，推動地鐵票務高質量發展。智能語音在機場、高鐵站、電話客服等其它行業的應用，主要是起到自助問詢和人機對話的作用，上海地鐵將語音選站和互聯網購票結合起來，實現智能語音更深一步的應用。在經濟效益方面，人工智能購票方式上線后，單程票銷售量有比較明顯的躍升，提高票務收入，售票設備使用效率顯著提高。在社會效益方面，解決了上海地鐵線網復雜帶來的購票問題，解決了外地來滬乘客只知道目的地卻不知道坐到哪一站、不知道如何換乘的問題。查詢地點前幾名分別是人民廣場、東方明珠、徐家匯、南京東路、外灘，在為乘客提供便民服務的同時，帶動了上海商業景點旅游的經濟發展。
6結語
地鐵自動售票機語音識別、模糊查詢、聚合碼掃碼支付新功能，是上海地鐵利用人工智能和互聯網技術對原有售票流程的升級改造，提高了主動服務意識和應用智慧科技的能力，走出了一條以乘客需求為導向、引領關鍵技術創新的獨特發展路徑，激發了微觀主體創新活力。上海地鐵正以面向未來的視野，把握機遇，營造環境，全力打造創新策源、應用示范和人才集聚的高地。
參考文獻:
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作者：錢小毅 龔迥 單位：上海軌道交通運營管理中心
