Quality evaluation of GNSS observation data for deformation monitoring of railway infrastructure
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摘要: 在应用全球导航卫星系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）对铁路基础设施进行形变监测时，因运营期间铁路线路一直处于封闭状态，造成现场维护困难，需要通过分析评价GNSS监测站的GNSS观测数据质量，来检查GNSS监测站的运行状态。文章在分析常用GNSS观测数据质量评价指标的基础上，结合形变监测特点，选取了9项评价指标。采用岭回归分析法，在多项数据质量指标与监测最终解算精度间建立预测模型，对数据质量进行绝对性评价。基于浩吉（浩勒报吉—吉安）铁路沿线某边坡的8个GNSS监测站的观测数据，建立了预测模型，经验证，该模型预测误差的均方根为1.1 mm，优于GNSS解算的常规误差，证明了模型的可靠性和评价方法的可行性。
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关键词:
- 全球卫星导航系统（GNSS） /
- 数据质量 /
- 岭回归分析法 /
- 形变监测 /
- 预测模型
Abstract: When Global Navigation Satellite System (GNSS) deformation monitoring is applied to the railway infrastructure, it is difficult to maintain the railway line on site due to its continuous closure during operation. Therefore, it is necessary to analyze and evaluate the quality of GNSS observation data at GNSS monitoring stations to check their operational status. Based on the analysis of commonly used GNSS observation data quality evaluation indicators and combined with the characteristics of deformation monitoring, this paper selected 9 evaluation indicators, used ridge regression analysis, established a prediction model between multiple data quality indicators and the final calculation accuracy of monitoring, and conducted absolute evaluation of data quality. Based on the observation data of 8 GNSS monitoring stations on a slope along the Haoji (Haole Baoji - Ji'an) railway, the paper established a prediction model. After verification, the root mean square of the prediction error of the model was 1.1 mm, which was superior to the conventional error of GNSS solution. This proves the reliability of the model and the feasibility of the evaluation method. -
自2008年京津城际铁路开通以来，自动售票系统已在铁路客运车站广泛安装使用，作为一种操作便捷的机电一体化设备，可为旅客提供电子客票发售、退票、改签以及报销凭证、行程信息提示单打印等多种业务功能[1-2]。目前，全国铁路有2 190个车站安装各类自助票务设备（包括自动售票机、自动取票机、售退一体机、自助凭条打印机）1.9万余台，年服务旅客超过30亿人次，较好地满足了旅客自助办理票务业务的需要。
然而，对于那些不会或不习惯使用网络与自助票务设备的旅客，却无法享受自助票务设备带来的种种便利，不得不亲自到窗口排队办理业务，降低了旅客出行体验，铁路自助票务设备也未能充分发挥作用，还增加了人工窗口的服务压力。此外，在即将到来的北京2022年冬奥会和冬残奥会（简称：冬奥会）期间，大量国外旅客将乘坐北京—张家口高速铁路（简称：京张高铁）往返于北京和张家口两地的赛场，在使用铁路自助票务设备时，这些国外旅客可能会因文化差异碰到一些问题。
为避免国内“脱网人群”和国外旅客在使用铁路自助票务设备时遇到障碍，有必要对京张高铁自助票务系统在用户交互与求助方面进行优化，增加英文用户交互界面，利用音视频技术和远程协助技术，为旅客提供人工远程支持服务，指导旅客顺畅地使用自助票务设备，解答出行中遇到的各种疑问，尽可能方便旅客自助办理各类业务，缩短人工窗口排队等候时间，减轻服务压力，提升旅客出行体验，提高京张高铁客运服务水平。
1 京张高铁自助票务优化目标
面向广大铁路旅客特别是老年人、进城务工人员、经济欠发达地区旅客等“脱网人群”，提供更方便、更人性化的购票交互体验；服务冬奥会赛事，为冬奥会期间各国运动员、教练员、官员和观众提供英文服务，在少量增加或不增加工作人员的基础上，不断扩大自助票务设备的服务覆盖人群，丰富和完善服务内容，提升旅客体验。
1.1 提供在线支持服务
铁路车站站房面积大，自助票务设备部署较为分散，传统人工服务难以及时快速响应。为方便进入车站的旅客使用自助票务设备，主要考虑：
（1）当旅客使用自助票务设备遇到问题时，工作人员可依托客票网络，为其提供语音、视频等远程支持服务，解答旅客疑问，帮助旅客顺利地使用自助票务设备；
（2）在发生纠纷时，管理人员可调取服务过程记录进行取证，便于服务纠纷处理和服务质量监督。
1.2 快速应答旅客呼叫请求
采取集中设置人工坐席的方案，为车站旅客提供统一的交互式协助和咨询服务，应满足：
（1）为合理分派旅客呼叫请求，均衡工作人员话务量，减少旅客等候服务的时间，系统应能够按照设定的规则自动分派旅客呼叫请求；
（2）鉴于人工坐席工作人员在专业知识方面各有侧重，在处理旅客问题过程中，如遇到特殊的疑难问题，可由当前人工坐席工作人员人工呼转其它人工坐席接听，保证旅客呼叫请求得到满意解答。
1.3 远程协助旅客办理业务
对于不会使用自助票务设备的旅客，单纯的音视频对话效果有限，因此需要：
（1）针对不会使用自助票务设备的旅客，工作人员可借助音视频对话，通过远程操作自动售票机，协助旅客完成业务办理；
（2）当设备发生故障时，工作人员可远程诊断和处置故障，尽可能协助旅客解决问题；对于无法远程处置的故障，可提前定位故障点，通知站内维护人员快速到达故障现场，缩短故障处置时间。
2 京张高铁自助票务优化方案
2.1 京张高铁自助票务系统构成
优化后的京张高铁自助票务系统主要由服务终端、自助票务后台系统、核心票务系统3部分构成，如图1所示。
（1）服务终端：主要包括旅客使用的、具备远程音视频通话功能的自动售票机，以及提供远程协助和咨询服务的工作人员所使用的PC服务终端。
（2）自助票务后台系统：在既有自动售票系统[3]的基础上，增设远程协助与交互服务器，提供旅客呼叫的分配及排队、音视频通话的接通、服务过程记录存储与回放，以及工作人员账号配置等日常管理功能。
（3）核心票务系统：即现有客票系统，为自助票务提供车次查询、余票查询、席位申请、订单查询等业务支持。
2.2 服务终端硬件构成
2.2.1 京张高铁自动售票机
与传统自动售票机[4]不同，具备远程音视频服务功能的自动售票机，如图2所示，增加了视频通话摄像头、麦克风、高清摄像头、护照读卡器、二维码识别器等设备。鉴于电子支付在铁路上使用更为普遍[5]，京张高铁自动售票机取消现金支付模块，增配退票模块，支持办理纸质车票的退票业务。
2.2.2 工作人员服务终端硬件构成
工作人员服务终端的硬件主要由主机、显示器、耳机、麦克风、摄像头、鼠标、键盘等部件组成，如图3所示。
3 功能设计
3.1 呼叫与应答
呼叫与应答是自助票务优化的主要内容之一，该项功能可使自动售票机具备一定的人工服务能力，帮助那些不熟悉自动售票机操作方法的旅客，在工作人员的协助下顺利地完成业务办理。
（1）旅客呼叫：自动售票机人机交互界面中增加呼叫“工作人员远程协助”按钮，如图4所示；呼叫接通后，旅客可与工作人员进行对话。
（2）呼叫应答：人工坐席处于空闲时，可接听旅客的呼叫请求；呼叫接通后，人工坐席工作人员即可与旅客进行音视频对话，如图5所示；在交互过程中，工作人员还可根据当前的网络传输效果，选择采用音视频交互或是单独的音频交互，保证旅客获得较为清晰、顺畅的咨询服务。
（3）呼叫结束：旅客服务完成后，工作人员或旅客任何一方，均可点击挂断按钮来结束当前通话；此后，该工作人员坐席进入空闲状态，等待系统为其分派下一个旅客呼叫请求。
3.2 呼叫请求自动分派与排队
系统可根据事先设定的规则，自动指派处理呼叫请求的人工坐席。
（1）按工作人员当日话务量分派：优先将新的呼入请求分派给当日话务量较少的工作人员接听，使工作人员的工作量尽可能均衡；
（2）按呼入终端所在车站分派：在保证各车站旅客呼入均能得到有效接听的前提下，为不同车站设置优先接听工作人员，保障重要车站的呼入请求可以得到快速响应；
（3）按自动售票机上旅客使用的操作语言分派：在冬奥会期间，当国外旅客使用自动售票机的英文操作界面时，其呼入请求将优先分派给英语沟通能力较好的工作人员；当工作人员全忙时，超出服务能力的呼入请求将被加入排队队列，自动售票机会提示旅客需要排队等待服务，旅客可选择继续等待或终止呼叫；系统可设置排队等待时间上限，当等待时间超出上限后，呼入请求将自动退出排队队列，旅客如需服务可重新呼叫，避免出现旅客在呼叫接通前已离开售票机、造成工作人员接通后却无服务对象的问题。
3.3 呼叫转接
在受理呼叫请求的过程中，工作人员可根据旅客所咨询的问题，通过系统提供的呼叫转接功能，选择转由其它更为专业的工作人员进行处理，尽量保证旅客能够得到较为满意的答复；呼叫转接成功后，旅客可立即与新指派的工作人员继续沟通。
3.4 远程协助
通过工作人员服务终端与远程的自动售票机之间建立会话连接，实现工作人员与旅客的实时交互和协同操作，可由工作人员远程协助旅客，解决其自助办理业务时碰到的问题，进一步提高自助票务设备的利用率。
（1）屏幕共享：系统将自动售票机屏幕的显示内容同步显示到工作人员服务终端的屏幕上，使工作人员可以实时观察旅客当下的实际操作。
（2）远程控制：工作人员在观看旅客当下实际操作的同时，还可向自动售票机发送控制指令，如：打开身份证件读卡器，读取实名制购票证件信息；打开银行卡读卡器，并引导旅客使用银行卡支付等。
（3）购票协助：当旅客使用户口本等无法机读的证件办理业务时，可按工作人员的引导，将证件放置在自动售票机高清摄像头前，进行证件拍照和证件内容人工识读；工作人员识读证件内容后，将姓名、号码等证件信息通过服务终端发送回自动售票机，协助旅客继续办理业务。
4 关键技术
4.1 音视频通话技术
音视频通话功能采用开源的网页实时通信（WebRTC，Web Real Time Communication）技术实现，这是一组基于WHATWG 协议标准、支持网页浏览器进行实时语音对话或视频对话的API [6]，具有延迟时间短、带宽占用低、抗网络波动等优点。
（1）远程协助与交互服务器以网页形式提供音视频对话服务，自动售票机的人机交互程序对其进行二次封装，当旅客点击“工作人员远程协助”按钮后，由人机交互程序自动调用远程协助与交互服务器提供的音视频对话服务。
（2）远程协助与交互服务器在收到旅客呼叫请求后，按预先设置的规则自动分派负责接听呼叫请求的人工坐席，建立旅客与工作人员之间点对点的音视频会话；在服务过程中，该服务器仅向各终端节点发送控制命令，控制会话双方的接通、挂断、服务等待等，并不实际参与视频数据流的交互，以节省服务器带宽，避免造成服务器单点拥塞。
（3）服务过程录像临时存储在工作人员的服务终端内，服务结束后，系统将其自动上传至远程协助与交互服务器，为服务质量监督和服务纠纷追溯提供依据。
4.2 信令控制技术
SIP协议是一个应用层的信令控制协议，具有灵活、易于实现、便于扩展等特点[7]。
本系统中，自动售票机与工作人员服务终端之间，通过SIP协议完成注册、呼叫、应答、拒绝、关系匹配等操作。控制信令的传输基于SIP协议，与数据传输完全分离，占用带宽极小，传输效率高，可实现控制信号快速响应。
4.3 呼叫排队技术
（1）呼叫终端向远程协助与交互服务器发起请求，由服务器查询该呼叫终端所归属客服分组的人员服务状态，若是空闲则直接分派人员接听；
（2）若归属分组内人员繁忙，则自动寻找其他分组内的空闲客服人员，若有空闲则为其分派人员接听；
（3）若客服人员全部繁忙，则呼叫请求进入排队等待序列，在设定的排队等待时间内，若系统中出现空闲工作人员，则按进入排队队列的先后顺序依次接通。
4.4 远程桌面控制技术
目前，较为成熟的商用远程控制工具主要有UltraVNC 和noVNC。UltraVNC是一种较为成熟、稳定且开源的远程控制工具，但需要同时在自动售票机及工作人员服务终端上分别安装该工具，不提供与用户系统的集成接口；且在使用时需要手工填写自动售票机的地址、端口和访问密码，若遇高呼入量，易操作失误。而noVNC提供了一种可在网页上通过html5 Canvas访问自动售票机的接口方式，易于实现与用户系统的集成，有助于提升用户操作效率。
因此，采用UltraVNC与noVNC组合技术方案：
（1）在自动售票机上安装UltraVNC的Server程序，作为远程控制服务端，提供自动售票机屏幕信息共享和控制响应等服务；
（2）鉴于noVNC采用的WebSocket协议与UltraVNC Server采用的TCP协议之间存在兼容性问题，自动售票机上需安装Websockify、node.js等软件[8]，完成WebSocket和TCP Socket之间的协议转换；
（3）将noVNC服务集成在工作人员的音视频通话页面内，当通话接通后，系统自动查询当前呼入的自动售票机的IP地址，并生成远程控制访问链接按钮；
（4）工作人员与旅客对话过程中，当需要远程协助旅客时，工作人员仅需点击远程控制访问链接按钮，系统会立即打开完成远程控制操作的新页面，工作人员在新页面上输入访问密码后，便可远程连接呼入的自动售票机，协助旅客操作自动售票机。
5 结束语
京张高铁自助票务系统在既有自动售票系统的基础上，通过增设远程协助与交互服务器，以及对自动售票机和工作人员服务终端的设计优化，利用音视频及远程控制等技术，改进了自动售票机的用户交互界面，并为旅客提供可与客运服务工作人员直接沟通、便捷获取信息咨询和远程协助的服务渠道，有助于提高铁路自动售票系统的渗透率，进一步改善旅客出行体验，提升铁路客运服务质量。目前，该系统及相关设备已在京张高铁沿线部分车站投入使用，获得较好的服务效果，将为冬奥会期间展示中国高铁高品质服务增添更多亮点。
此外，本文研究提出的自助票务优化方案，对既有的铁路自动售票系统的影响较小，具备推广的基础条件，可考虑将其纳入铁路无人智慧车站的整体解决方案。
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表 1 监测站观测数据质量分析成果
监测站和监测参考站 观测数据完整率 MP1 MP2 周跳比 基线距离/m RMS/mm 监测站290Da 96 0.42 0.67 72 93.7 10.4 监测站290Fa 99 0.42 0.94 279 67.1 12.3 监测站2911a 95 0.39 0.54 327 37.3 11.6 监测站2912a 99 0.4 0.51 153 93.9 10.1 监测站2913a 97 0.39 0.6 377 73.7 9.9 监测站2914a 100 0.39 0.53 3099 65.8 9.2 监测站2915a 100 0.29 0.47 3307 158.5 8.4 监测站2916a 97 0.81 0.63 121 199.1 17.1 监测参考站 99 0.31 0.52 3061 — — 
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表 2 共线性诊断结果
维 特征根 条件指数 方差比例 （常量） $ {x_1} $ $ {x_2} $ $ {x_3} $ $ {x_4} $ $ {x_5} $ $ {x_6} $ $ {x_7} $ $ {x_8} $ $ {x_9} $ 1 9.17 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2 0.51 4.25 0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3 0.20 6.81 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.52 4 0.06 12.11 0.00 0.00 0.05 0.05 0.11 0.00 0.00 0.00 0.01 0.03 5 0.04 15.38 0.00 0.00 0.25 0.10 0.09 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 6 0.02 21.42 0.00 0.00 0.55 0.69 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.34 7 0.01 43.66 0.00 0.03 0.06 0.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.02 8 0.00 131.68 0.00 0.19 0.03 0.02 0.09 0.01 0.01 0.00 0.00 0.04 9 0.00 137.25 0.00 0.77 0.02 0.11 0.21 0.00 0.00 0.01 0.01 0.04 10 0.00 1788.96 1.00 0.00 0.03 0.02 0.00 0.99 0.99 0.99 0.97 0.00
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表 3 模型自变量系数
自变量系数 $ {a_1} $ $ {a_2} $ $ {a_3} $ $ {a_4} $ $ {a_5} $ $ {a_6} $ $ {a_7} $ $ {a_8} $ $ {a_9} $ $ b $ 数值 −0.036 −3.045 1.03 0.001 −0.172 −7.081 2.586 0.002 50.941 49.226
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表 4 模型验证误差表
GNSS观测数据 HCMonitor 软件解算
得到的RMS/mm本文模型预测值/mm 误差值/mm 290Dj 7.8 8.1 -0.3 290Fj 7.1 8.7 −1.6 2911j 6.1 5.4 0.7 2912j 7.2 6.6 0.6 2913j 7.7 8.3 −0.6 2914j 6.0 4.9 1.1 2915j 5.6 4.2 1.4 2916j 6.6 8.1 −1.5 290Dn 8.3 9.7 −1.4 290Fn 8.6 9.9 −1.3 2911n 11.0 10.0 1.0 2912n 8.8 10.3 −1.5 2913n 10.1 10.6 −0.5 2914n 8.7 9.6 −0.9 2915n 7.4 8.6 −1.2 2916n 13.0 12.2 0.8
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