無人駕駛地鐵列車乘客信息系統的關鍵技術

程 珂，錢存元

(同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804)

無人駕駛地鐵列車乘客信息系統的關鍵技術

程 珂，錢存元

(同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804)

介紹了馬來西亞吉隆坡無人駕駛地鐵乘客信息系統的關鍵技術，該系統基于全數字化的網絡設計對客室進行語音廣播、多媒體播放以及閉路電視的監控。描述了系統的主要功能和技術特點，為今后相關技術在我國的運用和推廣有著很好的借鑒作用。

無人駕駛;地鐵列車;乘客信息系統;

無人駕駛地鐵車輛代表著地鐵車輛中最高的技術需求，作為車輛部件的重要組成部分之一的乘客信息系統，其擔負著通過正確的服務信息引導乘客，安全，方便地乘坐地鐵車輛。

顧名思義，乘客信息系統即通過語音和多媒體信息的及時更新服務于乘客的計算機系統。其主要由3個關鍵子系統組成:即廣播系統、多媒體播放系統、閉路電視監控系統。隨著近年來網絡技術的高速發展，乘客信息系統依托工業以太網、多媒體播放、LCD屏的技術有了長足的進步。

對于廣播系統來說，傳統的乘客信息系統的語音傳輸是通過模擬量信號。隨著科技的發展，目前已通過模數—數模的轉換，將語音信息以VOIP的協議在以太網上傳輸。況且由于是應用于無人駕駛的列車，廣播系統不但要實現列車運營時正常的語音播報，而且還需要具有車輛與地面控制中心的語音通訊，如乘客與地面控制中心進行緊急對講，地面控制中心對車輛進行人工廣播等。

對于媒體播放系統而言，基于TCP/IP協議應用層的實時流傳輸協議(RTSP)能將多媒體信息通過以太網傳輸到各個LCD內，從而替代了早期采用視頻解碼器以VGA線連接LCD的控制方式。這樣免去了列車的重復布線，減少了設備的布置空間，降低了列車配重。另外由于LCD屏的普及，傳統LED顯示技術已逐步向LCD顯示技術過渡。視頻廣告和路線導向指示信息可通過LCD屏進行播放，相較于LED固定不變的點陣設計，LCD屏更易于多樣化的顯示內容和便捷的線路調整。線路圖能隨著城市軌道交通線路的發展而逐步調整，對于乘客而言，也可以及時地了解到列車的動向并有效地豐富列車內的車廂文化。

閉路電視監控系統是隨著當今社會安保意識的不斷提高而發展起來的一個系統，它起到了有效監控列車客室內外的實時動態，并將監控視屏予以記錄和實時傳輸到地面控制中心。全數字化設計的攝像頭能根據設定，以不同的視屏碼流清晰高速地傳輸視屏信息。大容量車載視頻記錄裝置能對所有的視頻信息予以記錄，以便于安保部門日后的取證和查閱。

1 系統的基本構成及各部分功能

作為吉隆坡的無人駕駛地鐵，乘客信息系統的結構有著特別之處，其所有的部件均連接在列車的以太網上。整個列車以太網采用H形結構設計，主干網使用千兆級別的Cat7網絡線進行數據傳輸，子網采用百兆級別的Cat5網絡線連接，所有以太網設備均連接在交換機上，并通過千兆級別的主干網進行車與車之間的數據交換。主干網H形網絡結構如圖1所示。

圖1 H形網絡結構

該系統的3個子系統:廣播系統、多媒體播放系統、閉路電視監控系統均連接在H形的主干網從而實現語音的廣播，視頻流的播放以及閉路電視系統的監控，并且該以太網也用于傳輸列車各個子系統的故障診斷數據，系統如圖2所示。

對于吉隆坡的無人駕駛地鐵而言，廣播系統主要用于列車內的乘客語音到站廣播，司機室之間的對講，以及乘客的緊急語音通訊。其分別由音頻通訊和媒體控制單元(ACSU)，集成通訊面板(ICP)，功放(AMP)，客室緊急通訊單元(PECU)，客室喇叭(ILS)以及司機室喇叭(CLS)組成。在客室廣播時，語音信息通過ACSU內的媒體控制器以基于IP的語音傳輸協議(VOIP)傳輸到位于客室音頻控制單元(PACU)內的各個功放中，功放對數字化的信息進行解碼，并通過雙絞音頻線連接到各個客室喇叭，進行語音廣播。在司機室對講時，兩個位于司機室的ICP能相互通訊，并與其相連的司機室喇叭發揮出司機室對講的功能。當客室發生緊急情況時，乘客能主動激活PECU，對司機室和地面控制中心發起語音呼叫，一旦通訊建立，便可以形成全雙工的語音通訊模式。

多媒體播放系統主要用于LCD屏，動態地圖顯示屏的視頻信息播放。位于ACSU內的媒體控制器，將存儲在內的視屏文件通過以太網已實時流傳輸協議(RTSP)傳輸到每個車內的LCD屏和動態地圖顯示屏予以播放。另外媒體控制器能發出相應的站名，消息數據的觸發信號，將位于顯示屏內的列車到站信息根據列車實際運行情況予以圖像展示。

閉路電視監控系統是一個集視頻監控和記錄的多功能系統。位于客室內、司機室端部、車體兩側的數字攝像頭構成了整列車的視頻監控源，司機或維修人員通過觸摸屏(TLCD)則能實時地瀏覽各個攝像頭拍攝的視頻信息，網絡視頻記錄器(NVR)也是閉路電視監控系統的一個組成部分，NVR能有效地記錄下各個攝像頭拍攝的視頻信息，其存儲容量為固定的，采用先進先出的模式，但是根據攝像頭預先設置的碼流和圖像幀率，保存的視頻文件有效期可以為之進行調整。

圖2 乘客信息系統總覽

2 各子系統在無人駕駛中的關鍵技術

作為無人駕駛地鐵列車，不但有著一般有人駕駛地鐵列車的普遍技術功能，而且還具有一些特殊設計的功能以適應無人駕駛高技術、高可靠性的要求。這里就主要描述各子系統在無人駕駛技術中的主要關鍵技術。

2.1 列車以太網技術

2.1.1 核心網絡設備

隨著傳輸數據量的不斷增大，以太網技術是乘客信息系統信息傳輸的首選。高標準的以太網硬件設備是保證數據安全、可靠、實時地在網絡上不同設備之間進行傳輸的關鍵之一。對于設備之間的通訊，匯聚鏈接即主干網，采用Cat7的網線相連，訪問鏈接采用Cat5的網線相連。

交換機和位于ACSU內的網絡控制計算機(NCC)是最核心的設備。交換機應當包括以下主要功能:

(1)交換機至少為2層交換機，支持百兆和千兆網絡;

(2)為保證網絡的穩定性，交換機需要實現環網控制機制以及快速生成樹協議(RSTP)以實現網絡的冗余性;

(3)交換機須支持 IEEE802.1Q的端口 VLAN的劃分，并且支持優先級;

(4)交換機需要能夠限制每一端口的數據傳輸速率;

(5)交換機需要支持簡單網絡管理協議(SNMPv2c);

(6)交換機須支持動態主機配置協議(DHCP);

網絡控制計算機(NCC)也可稱作為網絡的路由器，這是一個獨立的設備，并通過百兆網和交換機設備相連。它主要功能如下:

(1)用于控制網絡內部虛擬網絡之間的通訊，具有支持源地址和目標地址翻譯的功能(NAT/PAT);

(2)支持動態主機配置協議(DHCP)以及網絡時鐘協議(NTP)的服務器;

(3)具有冗余功能，即主從設計。當主NCC檢測到故障時，主要功能將自動切換至從的NCC執行。

綜上所述，這兩個核心設備構成了網絡的基本的通訊和傳輸的功能。

2.1.2 虛擬局域網絡(VLAN)的構成

隨著傳輸數據量的不斷增大，以太網技術是乘客信息系統信息傳輸的首選。但是如何保證數據安全、可靠、實時地在網絡上不同設備之間進行傳輸呢?根據IEEE802.Q，把同一物理局域網內的不同用戶邏輯地劃分成不同的廣播域，這樣就構成了多個虛擬的局域網絡(VLAN)，VLAN將有助于控制網絡流量、簡化網絡管理、提高網絡的安全性。

我們根據無人駕駛列車網絡上的不同設備以及不同的功能，車載網絡被劃分成以下3個虛擬局域網絡:

(1)列車控制VLAN

該虛擬網絡包含所有的列車控制的子系統設備，如車輛控制單元，門控單元，空調控制單元等。

(2)網絡管理VLAN

該虛擬網絡包含所有車載網絡設備，如交換機，網絡控制計算機等。

(3)乘客信息系統VLAN

該虛擬網絡包含所有的乘客信息系統設備，如媒體控制單元，功放，攝像頭，LCD屏，動態地圖顯示屏等。

通過單獨劃分列車控制VLAN，可以增加局域網的安全性，車輛控制單元等這些敏感數據用戶將不會輕易的被外網用戶所連接攻擊。由于局域網上需要傳播大量視頻語音信息，這些信息數據量大且更新發送頻繁，很容易引起廣播風暴，單獨劃分乘客信息系統VLAN將減少參與廣播風暴的設備數量，有效的控制了網絡傳輸流量。

由于交換機為2層交換機，支持IEEE802.Q標準的VLAN劃分。網絡控制計算機NCC起到了VLAN之間的通訊處理，NCC定義了虛擬網關，利用網絡地址轉換(NAT)技術，在IP數據包傳輸中改變其源IP地址或者目的IP地址，從而實現各個VLAN之間的相互連通。

2.2 廣播系統

2.2.1 車地語音通訊

車輛與地面及時的語音通訊是無人駕駛地鐵廣播系統的主要特點之一。地面控制中心可根據視頻監控情況及時中斷車載自動廣播，對客室內進行人工語音提示。由圖2所示，地面無線電設備分別通過兩根音頻線實現與車載音頻控制單元的音頻數據交換，相關的控制數據則通過以太網傳輸連接實現。

在列車運行過程中，列車無線電控制單元需要始終和車載音頻控制單元保持主控對主控的匹配位置，而其主從的信號則通過以太網來源于列車的中央控制單元，從而達到有效同步的效果。

車載音頻控制單元則通過以太網對每節車內的功放進行語音信息的傳輸，每節車內分別配有兩個功放單元，已達到單節車語音播放冗余的目的。

2.2.2 乘客緊急對講通訊

乘客緊急對講系統是當列車客室內發生突發事件時，由乘客主動發起的語音呼叫裝置。在無人駕駛地鐵列車中，每節車廂內分別安裝有4個乘客緊急對講裝置，采用以太網供電(PoE)的方式兩兩連接在兩個交換機上。

當列車在無人駕駛模式時，在乘客觸發緊急裝置上的“對講”按鈕后，音頻控制單元ACSU通過用戶數據報文的協議(UDP)以單播的方式向車載無線電臺發起語音通訊請求，車載無線電臺會和地面控制中心進行聯系，在得到地面控制中心確認后，乘客可與地面控制中心的語音通訊通道建立聯系，雙方可以實現全雙工的對講。考慮到多重觸發的可能，地面控制中心可根據實際需要任意選擇觸發的緊急對講進行通話。與此同時緊急對講的激活信息會通過車載視頻系統以TCP/IP的協議發送給地面視頻系統，從而地面視頻系統能快速讀取緊急對講裝置內的針孔攝像頭的視頻信息，車載視頻記錄裝置也會據此記錄所發生的一切視頻信息。

在無人駕駛地鐵乘客信息系統中，乘客緊急對講裝置根據EN50128有安全等級認證SIL1需求的部件之一。當任意一個緊急對講裝置觸發后，可通過硬線輸出給車載信號ATC系統一個觸發信號，此時如果列車在行駛過程中，ATC會在下一個站保留列車繼續前進的權利，直到所有乘客緊急裝置都被復位。

2.2.3 客室內的語音傳輸指標

在無人駕駛地鐵列車中，良好的語音傳輸指標是優秀廣播系統的一個必要條件。因為列車在運行過程，語音廣播系統的設計需保證每個乘客能夠清楚地聽到語音信息，這就要求在設計之初建立一個有效的聲響三維模型，并根據喇叭實際的布置效果來仿真車廂內的語音效果是否符合要求，可參見圖4喇叭在三維模型中的布置。

根據建立的聲響3D模型，分別以下述性能為基本的衡量準則對車輛聲響效果進行仿真考核:(1)在離地板1.5 m的水平高度，整列車的聲音覆蓋應統一且公差在±2 dB(A)的范圍內;(2)良好的語音可懂度，對于語音傳播指標STI(Speech Transmission Index)值應大于0.6; (3)語音系統傳遞的聲壓等級不應超過96 dB(A)。

圖4 喇叭在三維模型中的布置

唯有通過設計階段有效的語音傳播指標的仿真以及后期試驗的論證，才能充分驗證整個廣播系統的實際有效工作狀態。

2.3 多媒體播放系統

2.3.1 LCD屏的多功能使用

隨著科技日新月異的發展，大尺寸的LCD屏已經成了主流的發展趨勢。在吉隆坡無人駕駛地鐵項目中，采用了兩種規格的LCD屏，一是標準22寸LCD屏，另一種是異形43寸動態地圖顯示屏。通過研究，將門區常規的動態地圖LED顯示屏改為LCD顯示屏，實時動態顯示真實的線路路線圖并配合廣告的播放，能使乘客更直觀更清晰的了解路線情況，并且由于是LCD顯示技術，動態線路的形狀及圖標可根據客戶的喜好隨意更改，如圖5和圖6所示。另外標準22寸LCD屏也能進行分屏顯示，同時播放廣告和下一站站名等消息數據，如圖7所示。

圖5 動態地圖線路效果示意圖

圖6 動態地圖到站效果示意圖

圖722 寸LCD屏效果示意圖

2.3.2 實時流媒體的播放方式

流媒體技術是這些年隨著互聯網技術的發展而孕育的新的多媒體播放技術。所謂流媒體是指以太網中使用流式傳輸技術的連續實時多媒體，如語音文件、視頻信息等。流媒體在播放時無需等候完全下載整個媒體文件、或全部的數據。各個LCD屏和功放可以一邊從媒體控制單元內下載一邊播放，所有相關的媒體信息均存儲在媒體控制單元內，因此流式傳輸和數據編碼解碼是實現實時流媒體播放的關鍵技術。

每列車分別設有頭尾各一套媒體控制單元，已達到冗余的效果。媒體控制單元通過以太網與各個LCD屏相連，以實時流傳輸協議(RTSP)傳播媒體信息，該協議用于視頻和音頻的遠程控制功能，控制實時數據的傳送。為了達到較高的視頻質量并且占用較少的網絡播放帶寬，所有視頻均采用H.264的壓縮格式，H.264具有高效的圖像壓縮質量在世界上得到廣泛的使用，在無人駕駛地鐵列車中單一的視頻流媒體只有約8 MB左右的大小，音頻信息約為幾百KB左右，這樣整個視頻音頻的播放最多也只占用約10 MB左右的帶寬，這相對千兆網的主帶寬來說，這只是冰山一角。

圖8 流媒體播放功能流程圖

這里的媒體控制單元綜合了傳統視屏VGA的編碼、解碼等設備繁瑣的工作，可以直接由以太網將視頻媒體流從媒體控制單元傳輸到LCD屏播放，達到簡單可靠的效果，也解決了傳統網絡下載多媒體資訊時間過長，降低了對播放系統緩存的需求。

2.4 閉路電視監控系統

2.4.1 數字攝像機的選擇和布置

對于無人駕駛列車，地面控制中心需要全方位地監控列車狀態，因此數字攝像機的選擇和設計顯得尤為重要。

在吉隆坡項目中，每列車前后各設有一個端部攝像機，該攝像機主要用于監控車輛前后的軌道狀態，由于列車會迎陽光或進出隧道運行，這就要求端部攝像機具有寬動態(WDR)調節技術，從而提高圖像的質量。

在每節車左右兩側各設有一個側視攝像機，該攝像機則用于監控兩側車門的開關狀態以及乘客進出車廂的狀態。由于車側攝像機是直接裝在車體的外側，其厚度應足夠地薄以不超出車輛包絡線允許范疇，并且應能滿足列車經過洗車機時候強烈的噴水性能考驗，也要具有防止鏡頭內出現冷凝水的情況。因此盡量的扁平化設計，良好的密封外殼IP性能以及內部具有加熱功能，是一款性能良好的車側攝像機的必要條件。

此外在每個客室內設有4個室內攝像機以及每個乘客緊急對講裝置均配有針孔攝像機，這些攝像機用于監控客室內的狀態和觸發緊急對講裝置時乘客的具體情況。另外每個攝像機的視角需要與實際客室內裝、車體布置相結合，已達到視角無盲點，全面覆蓋列車所有相關的監控區域。

2.4.2 數字化視頻的傳輸和記錄

列車在無人駕駛中，地面控制中心可以通過網絡實時的了解列車內各種突發事件。在地面的控制中心首先可以選擇列車并發出要求視頻信息的請求，當信號連接到對應列車的相應攝像機后，實時視頻流信息會通過攝像機傳輸到控制中心的監控屏幕上。根據測試當攝像機的視頻配置為25幀/s，分辨率在4 CIF，采用H.264的壓縮格式時，視頻流大小大約為1.5 MB/s，由于此項目車對地無線傳輸的帶寬限制在8 MB/s左右，因此對于控制中心來說每列車能實際監控到只有約4個畫面，以后的項目設計在此基礎上應當有較大的提升和改進。

另外列車內設計有兩個網絡視頻記錄器，這兩個視頻記錄器起到互為冗余的作用，其可將攝像機傳來的數字視頻信號直接保存在本地的硬盤中，本地硬盤采用HDD 4T的容量設計，能保證存儲10天以上的視頻信息。

3 結束語

無人駕駛地鐵列車乘客信息系統全以太網的結構和相關關鍵技術的運用能簡化系統對外接口，減少車輛設計的復雜性和成本。馬來西亞吉隆坡地鐵列車作為該理念列車在亞太地區推廣的首個項目有著里程碑式的意義。目前該車型已進入調試驗證階段，隨著項目經驗的積累，此系統后續項目的設計將為我國乃至全球的應用提供參考。

［1］ 劉俊艷，錢存元.上海國產化A型地鐵列車乘客信息系統［J］.城市軌道交通研究，2011(9):108.

［2］ Metro Platform Inspiro Passenger Information System Specification［R］.Siemens AG.

［3］ Particular Specification SBK-S－01:Electric Trains.

Key Technology for Passenger Information System of Driverless Metro Train

CHENG Ke，QIAN Cunyuan
(Tongji University Institute of Railway and Urban Mass Transit，Shanghai 201804，China)

This paper mainly presents the key technology for passenger information system of driverless metro train in Kuala Lumpor of Malaysia，and this system is based on the full digital network design to realize the audio broadcast in passenger room，multimedia playing and closed circuit television monitoring.It describes the main function and technical characteristics of the system，and provides the reference for future operation and popularize of the relevant technology in our country.

driverless;metro train;passenger information system;

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.29

1008－7842(2015)02－0120－05

)男，碩士研究生(

2014－09－09)