城市軌道交通乘客信息系統

馬奇志

(長春軌道客車股份有限公司城鐵客車開發部，吉林 長春 130000)

近年來，隨著全國各地城市軌道交通的發展，信息服務已經成為軌道交通不容忽視的重要環節。信息服務作為緊急情況下疏導乘客的輔助手段，日常運營的信息提示和宣傳平臺成為保證列車運營的重要組成部分，得到日益的關注。隨著信息技術的進步，乘客信息服務的內容也在豐富和發展，具有旅客導向指示和娛樂功能的地鐵列車乘客信息系統日臻完善，使之不僅能夠具備保證列車安全運營的指標，同時更人性化地為出行者服務，成為城市軌道交通列車形象的標識之一。

乘客信息系統(Passenger Information System，PIS)是一個集地鐵運營信息服務、多媒體實時資訊發布、廣播電視節目制作與播出、地鐵視頻監控、地鐵設備監控于一體的綜合信息平臺。乘客信息系統在正常情況下，提供乘車須知、管理者公告、列車運行時間等運營信息，以及公益信息、出行參考、新聞、電視直播、廣告等公共媒體信息。在緊急情況下，本著運營信息優先使用的原則，可提供動態輔助性提示，使乘客安全、高效地在地鐵中疏散、撤離，確保地鐵系統高效安全運營［1-3］。

系統特點主要體現在以下幾個方面:

1)功能全面。地鐵乘客信息系統一方面發布運營及綜合信息，方便旅客出行;另一方面，可以將列車監控視頻實時上傳至控制中心，便于中心及時掌握和了解列車情況，協助司機處理可能的突發事件。

2)智能化管理。PIS系統的一大特點是系統復雜程度高、分布范圍廣。地理位置上，PIS系統可以劃分為控制中心、車站與車載共3個部分，每個部分又包含各種設備，因此，設備的集中智能化管理非常重要。為了確保安全運營，系統中的主要設備工作狀態必須實時地傳輸至控制中心，進行智能顯示，以便中心操作員在短時間內發現設備故障，采取相應的措施，在最短的時間內排除故障，恢復系統的正常運營。

3)模塊化管理。系統按照地理位置劃分為3個級別，即控制中心、車站、車載，因此，在系統結構與網絡拓撲結構上需要采用模塊化設計，每個級別的設備管理與運營維護均由相應部分內的控制服務器完成，控制中心服務器則集中管理所有的控制服務器，當某個設備出現故障時，其影響也會限制在相應部分的模塊內，不會擴散。

1 系統構架

城市軌道交通乘客信息系統由運營中心發布接收系統、站臺接收系統和車載發布接收系統組成，其系統構架如圖1所示。系統由地面控制中心、站臺和車載三級構成，三級系統根據系統整體規劃和要求，完成城市軌道交通列車乘客信息的傳輸和控制。

2 系統功能

系統功能包含以下9個方面:

圖1 乘客信息系統構架

1)系統任務管理

系統應用軟件具備多任務管理功能，采用菜單驅動方式實現系統任務管理。

2)用戶權限管理

系統具備分級權限管理功能。每個操作員擁有唯一的ID、操作密碼。操作員ID由中心系統統一設置，每個操作員的操作等級及權限設置至少包括允許操作的設備類型和功能等。

3)系統監控

所有中心設備、車站設備、網絡設備和車載設備在系統中心及車站操作工作站的監控下運行，設備向車站操作工作站及中心操作工作站上傳運行模式、設備狀態、報警等信息。車站操作工作站及中心操作工作站依據設備所處的模式、狀態、報警及故障的等級相應發出報警聲并顯示。

4)數據及參數管理

系統設備接受控制中心和車站子系統的命令、參數及軟件更新數據等。在與控制中心子系統通信中斷的情況下，各車站子系統可按照既定的節目表獨立運行。

在終端設備與系統通信中斷的情況下，通過系統設定實現預定義信息的顯示。

5)時鐘顯示的功能

系統讀取時鐘系統的時鐘基準，并同步整個系統所有設備的時鐘，確保終端顯示屏幕顯示時鐘的準確性。在沒有時鐘源同步的情況下，系統的時鐘誤差范圍控制在每周±1 s內，并可以手工調校。屏幕可以在播出各類信息的同時提供顯時服務和日期顯示。

6)信息發布管理與在線升級

控制中心、車站子系統及終端設備、網絡子系統、車載子系統、備用中心具備網絡下載安裝及更新軟件的功能。發布管理的過程遵循ITIL標準和規范。

7)多語言支持功能

系統支持簡體中文、英文同時混合輸入、保存、傳輸、顯示。

8)全數字傳輸功能

整個系統從中心信號采集開始就采用全數字的方式，經過視頻服務器處理和編碼器的封包，轉換成MPEG-2或H.264數據包經以太網傳輸，被車站和車載設備接收后直接通過PDP、LCD和LED顯示控制器解碼，轉換成視頻信號進行顯示。

9)廣播級的圖像質量

系統的顯示控制設備、中心視頻服務器采用了廣播級質量的設備，另外系統整個過程采用全數字的方式，避免了圖像質量的下降，使信息圖像的顯示達到廣播級的圖像質量。

3 系統設計

由于地鐵列車是“24小時”長期運行系統，因此其設備要求高，設計的全過程貫徹可靠性、實時準確、先進性與實用性相結合、靈活擴展、便于維護、安全性等設計原則，保證系統的可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可維修性(Maintainability)和安全性(Safety)——RAMS。

3.1 控制中心子系統

控制中心的功能主要有3個方面:

1)控制中心完成外部信息采集，結合運行的需求，對外部信息進行編輯處理，制作成內部媒體信息，根據運營的需求控制播出，向乘客傳遞相關信息;

2)控制中心功能包括處理系統內各類數據、管理、控制系統設備、監視控制網絡及終端設備的工作狀態;

3)控制中心對列車上傳到中心的客室監控視頻進行顯示、管理和存儲。

控制中心結構圖如圖2所示。

圖2 控制中心結構圖

3.1.1 系統硬件結構

控制中心子系統一般包含的設備如下:

1)中心操作員工作站;2)中心服務器;3)中心視頻服務器;4)交換機;5)磁盤陣列;6)顯示設備。

3.1.2 軟件設計

1)中心服務器

乘客信息服務系統軟件從整體上可以劃分為2個層級:中心級和車站級。車站級服務器集中管理本車站內的所有系統設備，各車站服務器再由中心服務器統一管理，中心服務器是整體系統的核心。中心服務器上運行的軟件包括:日志管理軟件、播放控制軟件與網絡管理軟件。

(1)日志管理軟件

該軟件對系統運行的情況及用戶情況進行詳細記錄，同時定期將各個分站上的日志數據采集到中心服務器進行集中管理，如過期日志的刪除、日志的導出與可視化功能等。

(2)播放控制軟件

該軟件功能主要包含3個方面:

①素材導入:將外部系統素材、如文字、圖片、視頻信息導入后，進行內容審核、編輯;

②版式編輯:根據需求，將顯示屏幕進行窗口劃分，將要播放的素材導入后，在素材播放畫面之上，疊加需要顯示的公共服務信息，如天氣預報、股市信息以及緊急信息等;

③播出控制:生成一個播出列表，該播出列表指定素材的播放方式、時間等，根據播放列表，將制作好的節目或者公共服務信息通過網絡發布到各子系統。

(3)網絡監控軟件

該軟件功能主要包含2個方面:

①設備監控:實時地對網絡中的設備進行狀態監控，并保存設備的狀態信息，在偵測到設備故障時，將故障設備的網絡地址與故障信息保存在本地日志，并可視化地顯示出來;

②網絡監控:實時監控整個PIS網絡的網絡狀態，如終端設備在線狀態、網絡擁塞程度等，在網絡中出現設備掉線或者網絡出現異常情況時，將故障信息保存在本地日志，并可視化地顯示出來。

2)中心操作員工作站

中心操作員工作站具有整個PIS系統的管理功能，其上運行的軟件包括用戶管理軟件、信息查詢軟件、設備維護管理軟件。

(1)用戶管理軟件

管理整個系統的用戶賬戶，包括系統賬戶的建立、刪除，賬戶的權限設置等與賬戶管理相關的功能。

(2)信息查詢軟件

從中心服務器調取日志信息、設備工作狀態、網絡狀態、故障信息等，并可以對這些信息進行統計和分析，輸出報表，并可視化地顯示出來。

(3)設備維護管理軟件

負責對整個乘客服務信息系統進行系統設備管理。對各車站、列車所包含的設備的運行參數、預定義信息等進行配置。

3)中心視頻服務器

中心視頻服務器上運行的軟件包括:視頻管理軟件與磁盤空間管理軟件。

(1)視頻管理軟件

視頻管理軟件能夠將各列車上傳的客室視頻監控圖像在中心顯示設備上進行顯示，并將數據存儲在磁盤陣列中，可根據查詢條件，在軟件的指定位置回放調取數據。該軟件大致可劃分為3個功能模塊:

①視頻顯示:實現全屏及分屏顯示模式，實現車輛內視頻的監視，并可根據設定的間隔進行輪巡顯示，參與輪巡的對象可以任意設定;

②視頻回放:用戶可以根據時間、車輛號及客室攝像機號索要所需的錄像資料，并可在軟件的指定位置回放檢索到的視頻錄像;

③視頻存儲:將上傳的視頻數據按照約定的存儲方式存儲在磁盤陣列中。

(2)磁盤空間管理軟件

定期檢測硬盤的剩余空間，當磁盤空間不夠時，發出報警信息。

3.2 車站子系統

車站子系統安裝在車站內，主要功能包含3個方面:

1)車站子系統是信息的中轉環節，負責接收并下載控制中心的命令、各類信息內容、系統參數等，當在控制中心或網絡子系統故障時，車站子系統能夠承擔控制中心信息發布的責任，按照下載的節目菜單和節目內容在本站顯示終端上自動播放。

2)將站臺各服務器、工作站與終端設備的工作狀態、工作日志、故障信息等定期地上傳至控制中心。

車站子系統結構圖如圖3所示。

圖3 車站子系統結構圖

3.2.1 系統硬件結構

車站子系統設備主要包括:

1)站臺服務器;2)交換機;3)站臺操作員工作站;4)多媒體查詢機;5)磁盤陣列;6)LED顯示屏;7)LCD顯示屏。

3.2.2 軟件設計

1)車站服務器軟件

車站服務器軟件包括:日志管理軟件、系統監控軟件、播出控制軟件、設備管理軟件、磁盤空間管理軟件。

(1)日志管理軟件

定期將本站各工作站、終端設備的工作日志導入服務器進行存儲，并上傳至控制中心服務器。

(2)系統監控軟件

與控制中心服務器監控軟件具有類似的操作功能，只是其操作權限僅限于本車站的設備。系統監控軟件能夠判斷故障，并自動告警和記錄日志。一旦出現故障，及時向中心服務器上傳故障與報警信息。

(3)播出控制軟件

自動地從中心服務器下載播放列表、節目數據、公共服務信息、緊急信息等乘客信息數據，并根據播放列表將播放數據發送到各終端進行解碼播放。同時，在本地存儲設備中，存儲接收到的播放數據，這樣，在通信故障時，系統可按原有播出列表進行播出，不會讓乘客明顯感到系統故障;當恢復通信時，立刻恢復到正常播放狀態。

(4)設備管理軟件

能夠與控制中心同步，接收來自控制中心的設備配置信息，并將信息下傳進行本站設備的配置或管理。

(5)磁盤空間管理軟件

定期檢測硬盤的剩余空間，當磁盤空間不夠時，能夠發出報警信息，并上傳至控制中心。

2)車站操作員工作站軟件

車站操作員工作站與中心操作員工作站類似，但其權限僅限于本站系統內。其上運行的軟件包括用戶管理軟件、信息查詢軟件、設備維護管理軟件。

3)多媒體查詢設備軟件

多媒體查詢設備軟件包含一個可視化查詢界面，界面上包含了常用信息的查詢接口。在沒有乘客對屏幕進行觸摸操作時，軟件將全屏幕滾動顯示來自中心服務器的信息。當有屏觸摸操作時，能實時互動地顯示來自中心服務器的信息。旅客可通過觸摸屏幕獲得潛在需求的各種信息。比如，公告信息、車站出口及周邊地理及交通指南、安全乘車須知等。另外，多媒體查詢軟件通過與服務器進行通信，定期更新公共服務信息內容。

3.3 車載子系統

車載子系統主要負責利用無線雙向傳輸網絡設備將車上監視圖像、車輛故障信息上傳至控制中心。通過無線雙向傳輸網絡設備接收緊急信息和乘客服務信息等內容。

車載子系統結構圖如圖4所示。

圖4 車載子系統結構圖

3.3.1 系統硬件結構

車載子系統包含設備有:1)車載控制器;2)車載交換機。

3.3.2 軟件設計

車載控制器軟件包括主要完成2個工作:

1)考慮到無線網絡環境的不穩定性，車載視頻控制器軟件支持斷點續傳功能。在控制器硬盤中緩存30～60 s的視頻節目，這樣，當檢測到丟包時，車載控制器能夠有時間從控制中心獲取丟失的信息。

2)車載控制器軟件能將本車的車載設備信息，通過移動網絡傳送到控制中心。

3.4 網絡子系統

網絡子系統是連接控制中心、車站和車載三大子系統的關鍵系統，是整個乘客信息系統的基礎系統，它利用中心—車站主干傳輸網絡為PIS提供網絡通道，用來傳輸中心與各車站、地鐵車輛之間的各種媒體和控制信息。網絡子系統由有線網絡和無線網絡兩個部分組成。

有線網絡為中心、車站和無線接入點的視頻和數據提供傳輸通道。按照多媒體傳輸的需求，采用開放性體系結構與工業標準，所有網絡產品支持主流的網絡與接口協議;核心交換機依據電信級設備的設計結構，采用全冗余路由交換和分布式電源;所有模塊均可熱插拔;提供多種方式和層次的訪問控制安全機制以確保網絡子系統的數據安全性。

車地無線網絡可實現信息的上傳和下發，主要包括通過組播方式實現中心到列車的信息發布;根據控制的需求，將特定信息發送給指定列車;1路數字視頻信息的帶寬不低于6 Mbit/s;將車輛監視信息實時及準實時上傳至控制中心。無線網絡在滿足系統要求的前提下需保留帶寬25%以上的裕量，且傳輸層雙向平均有效帶寬不小于13 Mbit/s。系統需保證在所有列車需進行無線通信的地方都進行全面的網絡覆蓋。無線設備切換時間不大于50 ms，局域網丟包率在1%以下。

4 主要關鍵技術

4.1 系統架構設計

PIS系統是一個綜合集成系統，系統的架構設計關系到使用性能與維護成本，因此，系統的架構設計非常關鍵。根據PIS系統的實際需求，將PIS系統劃分為3個層級、4個子系統，從層級上劃分為控制中心、車站、車載3個級別，從系統上劃分為控制中心子系統、車站子系統、車載子系統和網絡子系統(包括有線和車地無線)4個子系統，每個子系統為一個模塊，進行模塊化管理。對全系統設備進行統一的IP規劃，以保證系統安全、可靠、穩定、高效。

在系統設計中，充分考慮信息的播出和回傳的需求，定義系統中運行的每個車輛為一個大節點，即在車輛內部采用內外網，將車載網絡與大系統網絡進行物理隔離，保證車載網絡穩定傳輸的同時，保證全系統網絡的穩定。車載網路構架如圖5所示。

圖5 車載網絡構架簡圖

4.2 有線網絡拓撲結構設計

有線網絡系統提供從控制中心到各車站的數據通道，是整個PIS系統的基礎，有線網絡的安全性與可靠性對整個PIS系統的可靠性有決定性作用。有線網絡系統的可靠性除了與網絡設備的可靠性密切相關之外，網絡的拓撲結構也是關系到網絡系統可靠性的重要手段。根據實際系統需求，將系統有線網絡拓撲結構設計成星形千兆以太網，控制中心與車站各設一臺核心交換機，同時，在車站設置車地無線網絡接入交換機與無線網絡控制器，實現車地無線網絡到有線骨干網絡的接入。

4.3 車地無線網絡

PIS系統中，車地無線網絡是一個重點，也是一個難點，目前實際應用的PIS系統中，車地無線網絡的性能表現一直不是很穩定。因此，車地無線網絡的方案設計成為本系統中的一個重點。由于目前采用無線網絡(WLAN)為WiFi網絡，是地面基本固定(或運動量較小)的無線網絡，因此對高速運動的車輛而言并非理想網絡，為了克服網絡可能存在的信息停頓或中斷問題，需采用緩存機制，進行一定信息的預存，保證信息的完整連續展示。

4.4 數據庫設計

PIS系統中有大量的配置信息、設備信息、日志信息、乘客信息等系統數據，如何存儲和管理這些數據也是系統設計的關鍵。系統采用SQL Server數據庫軟件作為系統數據庫軟件，以實際需求為依托設計具體的數據存儲管理方式，從而在完成功能的同時，降低復雜度，提高系統穩定性。

4.5 功能模塊劃分、功能軟件開發

根據實際需求，PIS系統主要包含信息服務、列車視頻監控、系統設備監控、系統維護管理這4個功能。要實現這些功能，除了相應的設備、網絡等硬件支持外，還需要開發相應的功能軟件，這部分也是整個系統研制過程中任務最重、最關鍵的部分。以乘客信息服務為例，乘客信息服務需要控制中心的播控程序能夠對乘客信息進行編輯、排版播放控制，車站服務器和車載控制器進行接收、轉發，車站和車載顯示控制器進行解碼顯示。因此，許多功能不是一個簡單的軟件就可以實現，而是需要一個軟件系統。系統通過精準的模塊劃分、詳細的構架設計，使信息流暢地傳送至系統的各個終端，為乘客出行提供了便利。圖6～圖11是系統中各主要軟件例示。

5 結束語

乘客信息系統目前已經成為軌道交通列車重要的組成部分，盡管目前依然存在信息傳輸不暢、停頓、卡滯等問題，業界也在探討采用廣播電視即地面數字電視模式，構建乘客信息的發布網絡，解決信息傳輸存在的問題。相信隨著應用的不斷擴展、系統設備的成熟和新技術的引入，乘客信息系統也將得到快速發展，滿足軌道交通信息服務的需求，為乘客出行提供便利和服務。

［1］翟維麗.城市軌道交通系統關鍵技術及相關問題研究［D］.長春:吉林大學，2007.

［2］劉偉中.乘客信息系統在城市軌道交通中的應用淺析［J］.鐵路通信信號工程技術，2009(3):43-45.

［3］候大志，劉勇，楊宏濤.PIS&CCTV系統在地鐵中的應用［J］.電視技術，2012，36(11):129-133.