軌道交通乘客信息系統組網分析與思考

■ 韓建平

軌道交通乘客信息系統（PIS）依托多媒體網絡技術，以計算機技術為核心，以地鐵車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務，采用控制中心、車站及列車（車載）的三級結構組網。PIS系統組網設計涉及高清視頻傳輸、車-地無線傳輸等多種技術應用，是軌道交通系統設計中技術含量很高的系統之一。在具體PIS系統工程設計中，結合通信及相關技術的發展，研究并合理選擇組網技術，做到既經濟合理、技術領先，又滿足用戶需求。

1 PIS系統網絡設計的要點

結合PIS系統功能要求及三級結構組網的特點，PIS系統網絡設計的要點包括：（1）PIS系統網絡承載的業務流向及帶寬要求；（2）控制中心至車站信息傳輸組網方式的選擇；（3）車站信息顯示系統組網方案選擇及網絡構成；（4）車-地無線傳輸網絡制式的選擇及網絡構成；（5）車-地無線傳輸網絡與信號系統的兼容性分析；（6）車載信息系統組網方案選擇及網絡構成；（7）PIS系統網絡可靠性設計。

2 PIS系統網絡承載的業務流向及帶寬要求

2.1 控制中心至車站

控制中心傳遞到各個車站的業務信息主要包括文本信息、設備監控及管理信息、視頻節目信息。帶寬分析如下：

站內文本信息、設備監控及管理信息，按每個車站1 Mb/s考慮；

實時視頻節目按每站3路設計（站廳、上行站臺、下行站臺），編碼方式為標清（MPEG-2）或高清（H.264），每路按8 Mb/s計算，共計24 Mb/s；

從控制中心傳遞到車站管轄范圍內的運營列車的實時視頻按1路/列考慮，編碼方式為 MPEG-2標清或H.264高清視頻，使用帶寬為每路8 Mb/s；考慮特殊情況，在車站管轄范圍內同時有4列列車（車站兩端上下行區間各1列），且每列列車播放的實時視頻都不相同，均通過控制中心服務器轉發。因此，從控制中心傳遞到車站管轄范圍內的運營列車的實時視頻帶寬總需求為32 Mb/s；

從控制中心傳遞到車站管轄范圍內的運營列車的文本信息按250 kb/s/列考慮；考慮特殊情況，在車站管轄范圍內同時有4列列車（車站兩端上下行區間各1列），且每列車文本信息內容都不相同。因此，從控制中心傳遞到車站管轄范圍內的運營列車的實時文本信息總需求為1 Mb/s；

根據軌道交通運營管理模式，控制中心有關調度人員可通過車-地無線傳輸網實時調看列車司機室及客室的監控視頻。占用的網絡帶寬與控制中心調看的監控圖像路數及每路圖像的帶寬有關。考慮特殊情況，控制中心調看的圖像均來自于同一個車站管轄范圍內的4列列車（車站兩端上下行區間各1列），每列列車傳遞2路圖像（兩端司機室各1路或同一客室2路），共計8路，采用H.264/MPEG-4編碼格式，每路使用帶寬1.5 Mb/s，共計12 Mb/s；因此，在PIS系統網絡設計中，車站接入控制中心的網絡帶寬可按70 Mb/s設計。

2.2 車站至運營列車

從控制中心至車站的業務流向及帶寬分析可知，車站與運營列車間傳遞的信息主要是1路實時8 Mb/s的MPEG-2標清或H.264高清視頻、2路實時1.5 Mb/s的H.264/MPEG-4標清車載監控視頻及250 kb/s的文本信息，總共11.25 Mb/s，通過車－地無線傳輸網實現。

PIS系統網絡承載的業務流向及帶寬要求見圖1。

3 控制中心至車站信息傳輸組網方式的選擇

根據PIS系統網絡承載的業務流向及帶寬要求分析，控制中心至車站信息傳輸組網方式主要有3種方案（見表1）。

從表1可以看出，3種組網方式各有優缺點，可根據具體組網要求采用。

4 車站信息顯示系統組網方案選擇及網絡構成

4.1 高清接口標準的比較

隨著媒體顯示及播放技術的不斷發展，目前可用于高清顯示系統建設的接口標準主要有HD-SDI、YPbPr、HDMI及DVI等，性能比較見表2。

從表2可以看出，HD-SDI和HDMI采用數字信號實現視、音頻同纜傳輸，在減少干擾的同時，也使布線相對簡單。因此，目前我國軌道交通PIS車站信息顯示系統絕大多數采用HD-SDI或HDMI高清接口標準進行建設。

圖1 PIS系統網絡承載的業務流向及帶寬要求

在軌道交通PIS車站信息顯示系統布線中，受車站站型的影響，從PIS設備機房到最遠終端顯示設備的數字視頻信號傳輸距離往往超過了150 m，甚至達到200 m，在這種情況下，針對HD-SDI和HDMI接口標準的特點，采用不同的傳輸組網模式實現高清節目的遠距離傳輸。

4.2 針對HD-SDI標準的傳輸組網方案

HD-SDI接口標準最大支持100 m的傳輸距離，通過視頻轉化分配器的級聯實現信號遠距離傳輸及分屏顯示。數據流向為：編播中心→車站服務器→播放控制器→視頻轉化分屏器→顯示屏。組網方式見圖2。

4.3 針對HDMI標準的傳輸組網方案

HDMI接口標準最大支持15 m的傳輸距離，通過光發射器及接收器的級聯方式實現信號遠距離傳輸及分屏顯示。數據流向為：編播中心→車站服務器→播放控制器→光發射器→光接收器→顯示屏。組網方式見圖3。

5 車-地無線傳輸網絡制式選擇及網絡構成

5.1 制式選擇

PIS車-地無線傳輸網絡技術的選擇主要考慮以下3個方面因素：（1）滿足PIS車-地數據雙向通信，傳輸速率大于11.25 Mb/s；（2）保證軌道交通列車最高120 km/h運行速度條件下的穩定、可靠通信；（3）與信號系統車-地無線網兼容，避免相互干擾。

表1 傳輸組網方式的比較

表2 幾種高清接口標準的比較

圖2 HD-SDI傳輸組網方案

圖3 HDMI傳輸組網方案

目前可以供選擇的無線傳輸技術主要包括：全球微波互聯接入（WiMax）、多載波無線信息局域環路（McWill）、TD-SCDMA的演進技術（TD-LTE）、無線局域網（WLAN）等技術。WiMax技術支持在移動速度為250 km/s的情況下提供16 Mb/s的無線接入帶寬，空間波傳輸距離在7.5 km，但目前該技術在我國沒有批準工作頻率，商業化程度低，設備選型受限；McWill技術支持移動速度120 km/h的平臺進行通信，支持漫游和快速切換，最大數據傳輸速率為15 Mb/s，但該技術缺乏大規模公網成功應用經驗，產業鏈還很弱，終端設備較少；TD-LTE是TD技術的后續演進標準，在高速運動下，理論上支持100 Mb/s下行速率、50 Mb/s上行速率，但該技術目前還在實驗或測試階段，在軌道交通中尚未有實際運用案例。就目前移動寬帶技術的發展而言，基于802.11標準的WLAN技術是在軌道交通領域車-地無線傳輸網中運用最成熟的技術，主要包括802.11b、802.11a和802.11g、802.11n 4個物理層標準，其比較見表3。

在上述4種標準中，802.11a、802.11g和802.11n均滿足PIS系統車-地數據雙向通信的帶寬要求。目前，我國軌道交通已積累豐富的802.11a和802.11g工程建設經驗。對于采用802.11n標準的建設方案也在積極探索中。

表3 802.11 標準比較表

5.2 采用無線局域網的車-地無線傳輸網組網模式

無線局域網組網模式有“瘦”AP和“胖”AP兩種模式。

5.2.1 “瘦”AP

在“瘦”AP 模式中，由控制中心無線控制器對軌旁AP 進行集中管理和配置，并可對無線用戶數據進行統一安全認證及管理。相對于“胖”AP方案而言，“瘦”AP方案中所有無線用戶的數據必須經過無線控制器進行轉發。漫游切換時，“瘦”AP 須與無線控制器進行數據信息交互，因此切換時間相對較長。

5.2.2 “胖”AP

在“胖”AP模式中，AP對接入的無線用戶的數據轉發、數據安全及其設備管理等操作都獨立完成。漫游切換時，車載AP與軌旁AP直接進行握手通信，通信數據在本地處理完成。

“瘦”AP方案相對“胖”AP方案的優勢在于實現了設備的集中管理和配置，安全性最高；“胖”AP方案相對“瘦”AP方案的優勢在于設備配置相對簡單，漫游切換快。目前兩種組網模式在我國軌道交通PIS系統中均有運用，典型的網絡結構見圖4。

圖4 無線局域網典型組網結構示意圖

6 車-地無線傳輸網絡與信號系統的兼容性分析

在軌道交通中，基于通信的移動閉塞（CBTC）信號系統可能采用基于WLAN無線系統做為車地信息的傳輸方式，因此如何使2個WLAN在同一工程中共存將是需解決的問題。目前主要有3種方案。方案一：PIS和信號系統采用同一個WLAN網絡；方案二：PIS和信號系統采用不同頻段的不同WLAN網絡；方案三：PIS和信號系統采用不同WLAN網絡，但頻段相同。方案一PIS和信號系統共用一個WLAN網絡，無線網絡帶寬為兩系統共享，在工程中需要協商好PIS和信號系統使用的數據流量大小及優先級。方案二PIS和信號系統采用不同頻段的WLAN網絡，基本不存在干擾問題，可按各自業主需求建設WLAN網絡。

方案三需要采取以下措施盡量減少相互間的干擾：（1）隧道區間采用定向天線實現覆蓋，最大程度減少多徑的影響。（2）協調無線頻點，使PIS和信號系統使用不同的頻點。如在2.4 GHz頻段，只有3個信道（信道1、6、11）是互不重疊的，其他信道使用的頻率相互重疊，存在互相干擾，因此，若CBTC信號系統使用第1和第11信道，PIS系統則可以使用第6信道，保證各系統之間頻段不發生重疊，避免干擾。（3）協調PIS和信號系統AP安裝位置，通過合理布置雙方AP位置，減少相互影響。

7 車載信息系統組網方案選擇及網絡構成

PIS車載信息系統由車載信息顯示和車載視頻監控兩部分組成。

車載信息顯示設備通過車-地無線傳輸網接收地面發布的列車運營及乘客服務等信息，通過車載控制器進行解碼，采用一控多的播控方式，即列車上的所有媒體顯示屏都接受一臺車載控制器的控制，播放相同的節目內容。為了保證系統的安全播出，在列車首尾司機室各安裝一臺車載控制器，互為熱備份工作（通過心跳線相連），當其中一臺出現故障時，另一臺自動接替其工作，從而實現冗余管理，提高車載信息顯示系統的可靠性。系統構成見圖5。

為保障運營安全，車載監控系統一般在客室安裝2臺攝像機對乘客乘車情況進行實施監視，在兩端司機室各安裝1臺攝像機對司機駕駛情況進行監視；車載監控系統除在司機室配置監視終端用于司機對各路攝像機圖像進行選擇調看外，還能利用PIS系統建立的車-地無線傳輸網平臺，將車載監控圖像傳輸到地面控制中心供調度人員實時調看。受目前車-地無線傳輸網技術帶寬的限制，在正常情況下，傳輸到控制中心的監控圖像一般為2路（可以是一個客室的完整圖像，也可以是兩端司機室圖像）；在緊急情況下，可將列車全部監控圖像傳輸到地面控制中心，方便事件處理，系統構成見圖6。

圖5 車載信息顯示系統構成示意圖

圖6 車載監控系統構成示意圖

8 網絡可靠性設計措施

PIS系統網絡可靠性設計措施主要包括：（1）控制中心網絡交換機采用雙機熱備實現冗余和負載均衡；重要服務器采用雙機或多機配置，采用負載均衡技術：無線控制器（“瘦”AP模式）采用雙機熱備冗余模式，在單個控制中心故障時，由冗余配置的無線控制器接管全線AP；（2）車站網絡交換機采用單機加重要模塊（電源、控制等）熱備方式；（3）車-地無線傳輸網軌旁AP與車站交換機采用交叉連接方式，即同一區間內編號為1、3、5…的AP接入上行站交換機，編號為2、4、6…的AP接入下行站交換機（見圖4），同時相鄰軌旁AP的無線信號覆蓋有足夠的重疊區，實現無線信號冗余覆蓋；（4）列車兩端司機室設置功能相同的車載設備（無線網橋、車載控制器），以雙機熱備方式運行，當一臺出現故障時，另一臺能夠及時接管系統。

9 結束語

軌道交通線路的復雜性和車站型式的多樣性，決定了PIS是軌道交通系統設計中技術含量很高的系統之一，系統組網涉及高清視頻傳輸、車-地無線傳輸等多種技術應用。提供的組網方案可為從事軌道交通PIS系統設計的工作技術人員借鑒。