無人駕駛列車旅客信息系統的設計與研究

賀向陽

（上海磁浮交通發展有限公司，上海 201204）

1 旅客信息系統簡介

旅客信息系統（PIS）是城市軌道交通自動化系統中的一個重要子系統。旅客信息系統自動獲取列車實時運行狀態信息，依托車地無線通信系統，以地面管理應用服務器為核心，以車站和車載顯示終端為媒介，向乘客提供實時的發車、到站、速度等乘車參考信息。引導乘客正確、快捷地乘坐軌道交通。

旅客信息系統在火災、阻塞、恐怖襲擊等緊急狀態下，乘客通過與地面管理人員進行現場情況匯報后，地面管理運營中心根據事件緊急程度，通過旅客信息系統對乘客發送即時狀態信息，正確引導、安全疏散乘客，保證列車的正常運營和乘客安全。

2 無人駕駛列車介紹

無人駕駛地鐵列車誕生在20世紀80年代。日本、法國和加拿大等國已采用無人駕駛地鐵列車的最先進技術。這種高度自動化的先進地鐵系統是由地鐵控制中心用大型電子計算機監控的,整個線路網的站際聯系、信號系統、列車運行、車輛調度等也完全實現了自動化。無人駕駛列車通過計算機控制系統，每趟列車的發車時間、始發和各個地段的速度、每個站點的停靠位置等都由電腦指揮，使列車在運行中一直處于最優狀態。下面就無人駕駛列車的特性和特點，對無人駕駛列車旅客信息系統進行設計與研究。

3 無人駕駛列車PIS系統架構

3.1 系統整體介紹

基于無人駕駛列車的旅客信息系統由控制中心子系統、地面車站子系統、車載子系統和車地傳輸子系統4個部分組成，如圖1所示。

控制中心的PIS管理服務器是整套PIS系統的核心，它負責接收和解析列車自動運行（ATO）發送來的列車狀態信息和列車實時信息。經過解析后的控制信令經過車地傳輸系統和地面傳輸網絡分別傳送給車載子系統和車站子系統，車站子系統和車載子系統收到控制信令后執行相關操作，在顯示終端上顯示相關旅客信息。整套系統形成一套獨立的網絡，且設置了一級和二級安全網絡，采用TCP/IP協議和簡單網絡管理協議（SNMP）進行管理，因此，網絡的信息與信令安全在系統中得到了可靠保證。

3.2 控制中心子系統

控制中心子系統由PIS管理服務器、視頻管理服務器、視頻編輯服務器、診斷終端等構成，主要負責從外部采集視頻和數據信息，通過對視頻流進行轉換和編輯后傳輸給地面車站子系統和車載子系統PIS顯示終端進行顯示。控制中心子系統采集的音頻報站文件通過PIS管理服務器編輯后發送給地面車站PIS管理服務器和車載端PIS管理服務器。控制中心不僅具備多種信息源的錄入和導出、音視頻節目源的編輯管理、節目播出版式和時間計劃表的編輯管理與推送、終端顯示內容的監控與管理、日志記錄等功能，還能對整個PIS系統的工作狀態進行實時監控和集中管理。

控制中心PIS管理服務器接收ATO傳輸的實時車載信息和列車狀態信息，通過對信息的解析來獲取列車的實時位置、實時狀態，自動向地面車站子系統和車載子系統發送列車發車、列車到站等乘車信息。

節目內容和播放內容的管理與推送：PIS管理服務器編輯和處理好的數據并不直接發送給終端，而是將音視頻數據與地面端PIS服務器和車載端PIS服務器進行數據同步。由于音視頻數據量大，通常同步和更新的時間設定在車輛停止運營的維護階段。這種方式既能夠實現在線的數據同步和更新，簡化管理與維護，又能保證數據同步時對網絡不產生影響而影響到車輛運營的穩定性、安全性。對網絡的帶寬和其他性能要求相對減小。各種大的文本和音視頻數據同步到本地之后，控制中心通過發送指令給各個地面端和車載端管理服務器，地面和車載服務器根據本地播放要求調用本地音視頻和文字進行播放；同時地面和車載端亦是一套相對獨立的系統，在與控制中心服務器失去連接時也能進行本地的管理，進行緊急事件的處理和發布。數據密集、可靠性要求高的控制信令由于通過以TCP/IP數據包的方式發送，在帶寬有限的車地傳輸通道中能得到有效保證，既保障了數據的即時性、有效性，又保障了數據的可靠性、安全性。

3.3 車站子系統

車站子系統主要由車站數據服務器、車載播控服務器、車站管理終端、車站顯示設備、車站網絡設備、車站廣播設備、車站管理軟件系統等構成。每個地面車站子系統不僅在空閑時期從控制中心同步數據庫數據進行本地儲存，同時不斷從控制中心接收車輛信息和實時信息指令，通過調用本地數據庫數據對本車站各類顯示終端進行旅客信息的播放。

地面車站子系統同時又是一套相對獨立的PIS子系統，負責播放本車站的旅客信息，如：到達和發出本車站的車次信息、地面狀況信息、轉乘信息、過道信息、出站信息等。車站子系統同時還負責本地終端設備的管理與集中監控，并在緊急情況時由車站PIS管理子系統對本站進行重要通知和突發應急事件處理。

3.4 車載子系統

車載子系統與地面車站子系統一樣，車載子系統接收和同步來自控制中心的數據庫和指令信息，并對本車的各終端設備進行旅客信息的播放。

車載子系統由雙環網構成車載傳輸通道，在此通道上架設廣播設備、顯示終端設備（LED顯示終端/LCD顯示終端）、無線傳輸上網設備、音視頻編解碼設備、監控設備等構成整個車載PIS子系統。車載子系統中的人機管理界面（MMI）用于管理人員監控和管理車載PIS系統的運行狀況，并在車地網絡出現故障時臨時進行干預和管理，保證車載PIS系統的正常運行。同時在出現恐怖、緊急等事件時用于疏散乘客。車載子系統中的MMI是系統設計時用于安全管理的輔助性手段。

列車運行的時間/速度信息并不是由控制中心給出，而是直接取自本車VCS(Vehicle Control System)接口。各輛列車的時間/速度信息由車輛時間/速度采集器收集后傳輸至控制中心，因此，各輛列車車載PIS系統的時間/速度信息直接取自車輛的VCS接口。VCS通過串口或TCP/IP接口將實時采集的列車時間/速度信息傳送給車載PIS服務器，車載PIS服務器解析后直接在顯示終端上顯示，保證了時間/速度信息的同步顯示功能，而且有效降低了時間/速度顯示信息對車地網絡時延的要求。

3.5 車地傳輸子系統

車地傳輸子系統用于完成車地之間服務器的數據通信，并按要求保證網絡通信的可靠性、安全性、穩定性和延時等。

4 系統安全及外部接口

4.1 系統安全

無人駕駛列車的啟動、運行與停止全部由地面端進行控制，因此對整套系統的安全控制要求非常高。為了保證無人駕駛列車的安全性，無人駕駛列車PIS系統應充分考慮到系統的安全性、可靠性、穩定性。下面就以網絡系統安全性為代表進行分析與探討。網絡安全性系統結構圖如圖2所示。

根據無人駕駛列車網絡安全特性和PIS系統用戶使用特性的不同，系統安全架構分為列車運行控制專用網和數據傳輸通信網。

由于車地通信傳輸系統是地面控制列車運行的唯一通道，為保證列車可控和安全，必須對車地通信傳輸系統進行最高要求的保護。因此列車運行控制專用網特為車地通信傳輸系統而構建，它主要包括車地通信傳輸系統，以及接入車地通信傳輸系統的相關設備和服務器，如ATO、車載PIS服務器等。列車運行控制專用網專用于列車運行控制和部分控制信令的傳輸，不允許外接任何設備。同時為保證網絡的絕對安全，對加入列車運行控制安全網的設備必須經過嚴格的檢測和鑒定后方可接入網絡。

根據PIS系統用戶使用特性，用戶通常需要對控制中心PIS管理服務器和地面車站端PIS服務器進行管理和信息的編輯，因此，將這些設備獨立開來放置在另一個較為安全的網絡內。既能實現兩個網絡安全的隔離，同時又實現了用戶對PIS系統管理、使用的需求。兩個安全網絡之間通過STS（Security Translator System）進行信息安全的隔離，保證兩個網絡之間的安全性、獨立性。用戶對PIS系統使用、管理、編輯等操作帶來的網絡安全風險被STS隔離開來，并不會影響到車輛運行控制專用網的安全，不會導致列車失控風險。

4.2 接口與通信機制

本節將對系統與系統之間的接口和通信機制進行設計和研究，從保證系統可靠性、安全性的角度來設計和研究PIS系統與運行控制系統之間的接口。

由于列車自動運行系統控制列車的啟動、運行與停止，是獨立于任何系統之上的安全、可靠系統。為了保證列車自動運行系統不受其他系統的影響，因此在設計列車自動運行系統與其他系統接口時需要充分考慮安全性，必須建立一種有效機制來確保列車自動運行系統的安全。根據無人駕駛列車的安全性特性，特設計出如圖3所示的接口與通信機制，保證列車自動運行系統與PIS系統之間的功能性、可靠性和安全性。

ATO與PIS管理服務器之間的數據交換通過TCP/IP協議進行，并通過STS進行安全隔離，既保證了數據交換的實現，又保證了兩個不同網絡的安全性。

ATO與PIS管理服務器之間的接口及通信機制過程如下。

1）每天早上當列車運營系統開啟時，ATO處于OFF狀態，并向PIS管理服務器發送心跳包，以示意ATO的存在。PIS管理服務器接收到ATO發送來的心跳包后建立通信連接，并發送一個請求包，請示接收列車信息和運行信息。

2）列車調度管理人員通過編輯列車運行時刻表發送給ATO，啟動自動列車運行系統。此時ATO接收到列車時刻表后，將ATO狀態置于ON狀態，開始發送列車時刻表和列車狀態信息。

3）PIS管理服務器接收ATO發送的列車運營時刻表信息和列車實時狀態信息，并根據此信息進行報站、發布旅客信息等工作。

4）當由于某種原因PIS管理服務器未接收到運行的列車和列車時刻表信息時，PIS管理服務器可以通過重新發送請求信令，請求ATO重新發送列車和列車時刻表信息，ATO重新發送的數據包包括“數據發送開始”至“數據發送結束”的完整的列車信息和列車時刻表信息。

5）在整個列車運行過程當中，ATO不斷地向PIS管理服務器發送心跳包和列車實時狀態數據包，以提供列車的實時狀態。

6）當列車運營結束時，ATO不再有車輛信息發出，因此ATO將狀態更改為OFF，并只提供心跳包信息，而不再提供車輛實時狀態信息。

5 結語

早在十年前上海磁懸浮列車成為國內最早實現無人駕駛的列車，近幾年無人駕駛列車在國內地鐵行業迅速發展，上海地鐵十號線成為國內首條地鐵無人駕駛列車，目前北京也開通了第一條無人駕駛列車線路昌平線，廣州等地也快速跟進，廣州開通了珠江新城旅客自動輸送系統的首列車。

無人駕駛列車的發展必然帶動相關技術和產業的進步，本文對無人駕駛列車中的旅客信息系統進行了整體架構的設計與研究，希望通過此文能進一步促進無人駕駛列車旅客信息系統的完善。

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