集成化高清城軌列車乘客信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳真等

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，城市軌道交通的安防和乘客服務(wù)功能都不斷完善，近年來，更有一些城市軌道交通工程提出高清列車視播放和視頻監(jiān)視系統(tǒng)，這更大大增加了列車和地面、列車與乘客之間的通訊量。該設(shè)計(jì)方案通過端口匯聚的方式既能夠提升帶寬，又不會增加設(shè)備，有效地解決了列車輕量化和傳輸帶寬之間的矛盾

關(guān)鍵詞：列車乘客信息系統(tǒng) 端口匯聚 帶寬

中圖分類號：U270.38 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0003-02

目前國內(nèi)軌道車輛車載列車乘客信息系統(tǒng)有三個(gè)功能相對獨(dú)立的子系統(tǒng)廣播系統(tǒng)、實(shí)事多媒體播放系統(tǒng)、列車視頻監(jiān)視系統(tǒng)。如果將三個(gè)子系統(tǒng)集成為一個(gè)系統(tǒng)，帶寬僅能滿足標(biāo)清視頻信息的傳輸，如果將三個(gè)子系統(tǒng)分開，則大大增加了車載設(shè)備的數(shù)量，與目前城軌列車模塊化和輕量化要求背道而馳。該設(shè)計(jì)方案通過端口匯聚的方式既能夠提升帶寬，又不會增加設(shè)備，有效地解決了列車輕量化和傳輸帶寬之間的矛盾。

1 多媒體的信息質(zhì)量與列車系統(tǒng)化設(shè)計(jì)之間的矛盾。

列車乘客信息系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)的功能如下。

廣播系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)列車到站信息的自動廣播、半自動廣播和司機(jī)人工廣播，司機(jī)室之間的對講，地面控制中心對司機(jī)和乘客的廣播（包括在火災(zāi)、阻塞、及恐怖襲擊緊急情況下，向車輛提供控制中心的動態(tài)緊急疏散提示），以及乘客和司機(jī)的緊急對講。

實(shí)時(shí)多媒體播放系統(tǒng)：實(shí)時(shí)播放地面控制中心下傳的管理者和政府的公告、出行參考、新聞、賽事、廣告等服務(wù)信息，也可以播放車載主機(jī)預(yù)錄的多媒體信息。

列車視頻監(jiān)視系統(tǒng)：通過車載攝像頭拍攝車廂內(nèi)乘客情況，在司機(jī)室監(jiān)控顯示屏上顯示，并將監(jiān)視畫面上傳給地面控制中心，以便在發(fā)生火災(zāi)、阻塞、及恐怖襲擊緊急情況下，實(shí)時(shí)監(jiān)視車廂內(nèi)的狀況，提供及時(shí)正確的疏散方案。

目前的許多傳統(tǒng)城軌車輛乘客信息系統(tǒng)是將三個(gè)子系統(tǒng)集成為一個(gè)系統(tǒng)，如深圳地鐵1號線、武漢1號線2期，其系統(tǒng)圖見圖1。

從圖1可以看出，列車信息傳輸通過兩組總線傳輸：列車廣播對講通信總線和監(jiān)控媒體以太網(wǎng)總線，其中，列車對講通信總線用于按照優(yōu)先級別傳輸控制中心廣播、司機(jī)對講、乘客緊急報(bào)警、司機(jī)人工廣播、自動廣播等語音信息，監(jiān)控媒體以太網(wǎng)總線用于向監(jiān)控中心實(shí)時(shí)上傳車載攝像頭監(jiān)視到的車廂內(nèi)旅客的乘車情況，并實(shí)時(shí)接受地面運(yùn)營中心下傳的視頻和音頻信息，并在列車車廂內(nèi)顯示屏上播放。

列車監(jiān)控媒體以太網(wǎng)目前都是采用的百兆以太網(wǎng)，由于以太網(wǎng)經(jīng)過車廂二位端、車端連接器等多處轉(zhuǎn)接以及其它因素，將會帶來帶寬損耗，另外列車是在高速運(yùn)行的過程中進(jìn)行的信息實(shí)時(shí)傳輸，要保證畫面質(zhì)量，不會出現(xiàn)馬賽克、中斷等現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)，就必須考慮網(wǎng)絡(luò)的冗余，以避免網(wǎng)絡(luò)阻塞，所以，1套以太網(wǎng)實(shí)際可使用的帶寬通常僅為40M左右。

如果對于傳輸畫面清晰度僅要求為標(biāo)清，則以一列六編組的列車為例，列車需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量計(jì)算如下。

（1）一列車14個(gè)攝像頭同時(shí)存儲在2個(gè)司機(jī)室，占用帶寬共計(jì)：1M×14×2=28M。

（2）二位端司機(jī)室監(jiān)控屏上最多8路司機(jī)室監(jiān)控占用帶寬1×8=8M。

（3）每列車上傳最多2路視頻到OCC占用帶寬1×2=2M。

（4）1組WLAN系統(tǒng)傳送的多媒體視頻大約8M。

所以100M以太網(wǎng)約使用：2+8+8+28=

46M。

基本符合以太網(wǎng)使用原則。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛內(nèi)部安全事故隱患，并及時(shí)處理，確保列車安全運(yùn)行，這要求車輛上傳給城軌運(yùn)營中心和城軌公安系統(tǒng)畫面有較高的清晰度，而且隨著近年來無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，地面設(shè)備的不斷擴(kuò)容，使地面設(shè)備完全有能力接受和下傳高清的多媒體信息，所以很多城市軌道交通的用戶提出乘客信息傳輸由應(yīng)該由標(biāo)清提高到高清，與地面設(shè)備相匹配。但是如果需要將實(shí)事多媒體播放系統(tǒng)和列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級到高清，對于帶寬的要求將會大大增加。

同樣以一個(gè)6編組的列車為例。

（1）1個(gè)高清攝像頭拍攝的錄像占用帶寬4～8M（圖像中物體運(yùn)動幅度越劇烈，占用帶寬越高），即使按照4M來計(jì)算，全車14個(gè)攝像頭至少占用帶寬56M。

（2）2端司機(jī)室LCD監(jiān)控屏上當(dāng)全屏監(jiān)控的時(shí)候切換為高清顯示，4分屏采用CIF顯示，所以最多8路CIF，8×1=8M或2路高清2×（4～8）=8～16M

（3）每列車上傳最多2路視頻到OCC占用帶寬2×（4～8）=8～16M

總計(jì)最少占用帶寬：56+8+8=72M

前面已經(jīng)提到車載百兆以太網(wǎng)的帶寬利用率僅為40M，如此大的信息量無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞常瑥囊陨系挠?jì)算數(shù)據(jù)來看，若要實(shí)現(xiàn)高清傳輸，百兆以太網(wǎng)根本無法滿足要求，要達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸率，則需要更換傳輸媒介，使用千兆光纖或升級為千兆以太網(wǎng)，這樣雖然能在帶寬上增加，但是成本昂貴，而且布車載光纖是非常困難的。

所以在許多城軌列車項(xiàng)目為了實(shí)現(xiàn)大信息量的傳輸，都采用了兩套以太網(wǎng)，實(shí)時(shí)多媒體占用一套以太網(wǎng)、列車視頻監(jiān)控占用一套以太網(wǎng)，如深圳地鐵2號線、上海16號線、武漢2/4號線。但是這樣增加了大量的車載設(shè)備和列車線，與現(xiàn)今軌道車輛輕量化和集成化理念背道而馳。

2 采用端口匯聚技術(shù)的列車乘客信息系統(tǒng)

采用端口匯聚（TRUNK）的擴(kuò)容方法，就能在不增加設(shè)備和配線的情況下，增加傳輸帶寬，端口匯集是通過配置軟件的設(shè)置，將多個(gè)物理端口組合在一起成為一條邏輯的路徑從而增加在交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的帶寬，將屬于這幾個(gè)端口的帶寬合并，給端口提供一個(gè)幾倍于獨(dú)立端口的獨(dú)享高帶寬。

TRUNK的主要功能就是將多個(gè)物理端口（一般為2～8個(gè)）綁定為一個(gè)邏輯的通道，使其工作起來就像一個(gè)通道一樣。將多個(gè)物理鏈路捆綁在一起后，不但提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬，而且數(shù)據(jù)還可以同時(shí)經(jīng)由被綁定的多個(gè)物理鏈路傳輸，具有鏈路冗余的作用，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或其他原因斷開其中一條或多條鏈路時(shí)，剩下的鏈路還可以工作。

2.1 采用端口匯聚的乘客信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

采用端口匯聚技術(shù)的列車乘客信息系統(tǒng)，從硬件上看，除了增加了一組列車線，與傳統(tǒng)的列車信息系統(tǒng)沒有太大區(qū)別，但是它可以將系統(tǒng)的帶寬擴(kuò)容至800M，可以在不增加任何硬件的情況下，實(shí)現(xiàn)高清畫面的傳輸.

列車的系統(tǒng)圖見圖2。

和傳統(tǒng)列車的乘客信息系統(tǒng)一樣，本列車乘客信息系統(tǒng)主要包括廣播和信息顯示子系統(tǒng)、媒體播放子系統(tǒng)、列車監(jiān)控子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了公共廣播（包括司機(jī)室對客室廣播和控制中心對客室廣播），司機(jī)室對講、乘客緊急對講、全自動及半自動報(bào)站、動態(tài)地圖顯示、LCD實(shí)時(shí)媒體播放、全景無盲區(qū)視頻監(jiān)視等功能。

從圖2可以看出，系統(tǒng)仍然采用了兩條傳輸總線，一條音頻和控制總線，一條以太網(wǎng)總線。在正常情況下，以太網(wǎng)總線能夠承擔(dān)控制、音頻和多媒體等所有信息傳輸功能，但是從冗余性和兼容性方面考慮，仍然保留了音頻和控制總線，當(dāng)以太網(wǎng)故障的情況下，系統(tǒng)執(zhí)行降級模式，保證廣播和對講功能。另外，為了在救援境況下，和其他列車連掛，保證與被救援車輛的音頻通訊功能。

2.2 系統(tǒng)的可靠性和安全性

為保證行車安全，同其它車載系統(tǒng)一樣，列車乘客信息系統(tǒng)須具有較高的可靠性和安全性，所以該系統(tǒng)作了較高的冗余設(shè)計(jì)。

2.2.1 系統(tǒng)級別的冗余

圖3為正常時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，所有功能正常，此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)帶寬為800M。

當(dāng)以太網(wǎng)中任意一根斷開，系統(tǒng)帶寬由800M降為100M，系統(tǒng)功能不變，廣播和對講功能不受任何影響，但是多媒體和視頻監(jiān)控由高清變?yōu)闃?biāo)清。

當(dāng)以太網(wǎng)全部故障的情況下，乘客信息系統(tǒng)執(zhí)行降級模式，保留涉及行車和乘客安全的廣播功能，通過音頻備用總線按照優(yōu)先級別傳輸廣播和對講信息。

音頻備用總線發(fā)生故障，系統(tǒng)功能不會受到任何影響，因?yàn)橐蕴W(wǎng)可以同時(shí)傳播廣播和視頻信息。

2.2.2 設(shè)備級別的冗余

兩臺主機(jī)互為熱備份，當(dāng)激活司機(jī)室主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，另一端司機(jī)室主機(jī)會立即被激活，承擔(dān)系統(tǒng)的主機(jī)，不會影響系統(tǒng)的功能。

3 結(jié)語

該列車乘客信息系統(tǒng)通過端口匯聚的方法，增加了網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量，不僅提升了乘客的感官享受，而且進(jìn)一步保證了行車安全，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化，為車輛的輕量化設(shè)計(jì)做出了貢獻(xiàn)，該系統(tǒng)已經(jīng)在南京河西1號線低地板車輛上裝車試運(yùn)行，效果良好。

參考文獻(xiàn)

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