下一代車載乘客信息系統

陳　倫，劉慶超，操文元

(中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015)

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下一代車載乘客信息系統

陳倫，劉慶超，操文元

(中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015)

隨著技術進步和網絡化發展，下一代車載乘客信息系統在傳統系統的基礎上，實現視頻播放高清化，客室全景網絡攝像機監控以及廣播語音數字化。新增了無線應用子系統，為乘客提供音視頻、上網等個性化服務。依托網絡化，為列車系統設備維修維護提供更便捷的智能化工具，減小維修勞動強度，提高維修工作效率。

乘客信息系統；數字化廣播；全景視頻監控系統；無線應用

2000年以來，隨著中國城市化進程加快，規模成倍擴大，基礎設施落后問題顯現，城市交通運輸矛盾日益突出。城市軌道交通以其安全、準時、快速的優點，在拓寬城市空間、打造城市快速立體交通網絡和改善城市交通環境方面發揮越來越大的作用。特別是近十年來，國內城市軌道交通獲得長足發展，線路長度、機車數量、客運數量等指標都有大幅增長。以北京為例，預計2016年，總里程將達到664km，日客流量超千萬人次已成常態[1]。

在每日承載千萬人次的軌道交通列車上，車載乘客信息系統(PassengerInformationSystem，PIS)為乘客提供預報站語音信息、LED顯示信息、視頻監控、視頻播放等服務。隨著人們生活節奏的加快、無線網絡的發展、互聯網+的應用、智能手機的普及，對信息的廣度和及時性需求越來越高，在音頻品質以及視頻高清化方面，傳統PIS系統已經很難滿足乘客的舒適性、娛樂性和信息化需求。

嵌入式芯片技術發展迅速，設備互聯性加強，網絡技術與數字化技術發展推動軟硬件設計的革新，為PIS系統發展提供技術支持。2015年國家科技支撐計劃課題將下一代城市軌道交通列車發展作為其中之一，提出全面采用新技術、新應用，多網合一打造下一代列車。作為該課題PIS子系統協作單位，在傳統PIS系統的基礎上，結合行業最新技術，增加新功能，提高乘客舒適性和信息實時性體驗。

1　系統概述

現代城市軌道交通車輛車載PIS系統主要由3個子系統構成，即車載廣播子系統(PA系統)、車載乘客信息顯示系統(PIDS系統)、車載視頻監控系統(CCTV系統)。

PA系統能夠為乘客提供自動/半自動廣播、人工廣播、無線電廣播、乘客-司機緊急對講通話、司機-司機對講通話、車輛連掛、車輛運營正常/特殊終點顯示、運營信息顯示、運行線路及運營站點信息顯示等功能。

PIDS系統能夠為乘客提供高清多媒體信息顯示服務，包括實時視頻播放、預錄制視頻播放、車輛運行信息顯示、緊急信息發布等功能，為乘客提供便捷、舒適、現代化的乘車環境和乘車體驗[2]。

CCTV系統利用車輛以太網傳輸，通過分布于司機室、客室、車外及受電弓附近的攝像機提供對司機室、客室、軌行區、車外及受電弓的全時視頻監控及視頻實時上傳等服務，通過與車輛廣播系統乘客緊急報警裝置聯動提供對乘客報警的視頻監控聯動等功能，為反恐、處突、緊急事件處理等提供可靠、有效、全方位的視頻監控信息。

除了以上3個子系統外，增加無線應用子系統。實現列車無線全覆蓋、因特網接入、智能終端APP服務等功能。增加乘客網絡體驗，提供更貼合乘客實際需求的個性化服務。

按照車輛總體WTB_TCN以太網總體規劃，下一代PIS系統如圖1所示。

圖1　下一代PIS系統框

主要設備有PIS司機室控制主機以及分散在每個客室的PIS客室控制主機和多媒體/交換機。其中控制主機主要完成音視頻編解碼功能，多媒體為無線應用提供車載視頻網元，交換機連接各個客室攝像頭與列車骨干網。

從系統框圖中可以看出，貫穿全車的有網絡列車骨干網，MVB總線以及覆蓋全車的無線網絡。其中列車骨干網用于傳輸PA音頻流、PIS視頻數據流、CCTV監控數據流以及列車控制管理系統控制流等。MVB總線用于在骨干網出現故障的情況下重要數據的傳輸，是列車骨干網的備份。覆蓋全車的無線網絡用于無線應用APP的傳輸，為乘客提供無線上網、音視頻點播等服務。

2　系統設計

2.1設計原則

根據項目的實際需求，受制于列車上空間、布線及安裝方式的限制，提出以下設計原則：

1)先進性。系統設計要有前瞻性，既滿足于當前業務的需要，還要能適應未來業務發展的需要，增強系統可擴展性。

2)經濟性。在用戶需求和系統功能之間尋求最佳平衡點，不能一味追求各種擴展功能而造成巨大的投資，在保證良好質量的基礎上，盡可能節約投資。

3)可擴展性。包括兩方面的內容，一方面是系統應能夠在未來用戶增加的情況下，不需太多改動即可實現擴展；另一方面是指可以方便地通過系統升級增加新的功能以及與第三方系統的集成。

4)兼容性。系統設計要遵循國際和行業標準，以兼容其他廠家產品。

5)安全可靠性。保障系統的穩定、安全等要求。

6)易用性。系統應盡可能將復雜的操作進行封裝，實現操作的簡便，增加界面友好性。

2.2廣播子系統

廣播子系統是PIS系統的重要組成部分，根據項目功能需求，主要任務是實現音頻數字化和乘客報警可視化。

1)音頻數字化

音頻數字化方案通過ARM處理器控制硬件語音編解碼芯片實現。流程框圖如圖2所示。

圖2　音頻編碼過程

從圖2可以看出，整個編碼過程有ARM處理器控制，模擬音頻輸入，經ADC轉換后，通過壓縮編碼進入緩沖區供ARM處理器讀取，將數據讀取到ARM處理器內部RAM緩沖區后，根據網絡協議組播發送到網絡上。在此過程中，根據緩沖區產生數據大小和網絡狀況通過Fs調整采樣頻率，掌控數據轉換速度。

相反，解碼過程也是ARM通過處理接收到的緩沖區數據，根據緩沖區內剩余數據多少控制解碼速度，不能讓編解碼芯片達到“饑餓”(緩沖區內無數據)或“撐飽”(緩沖區數據滿，無剩余空間可放)狀態，不然將出現模擬音頻噪音或編解碼工作異常狀態。音頻解碼過程如圖3所示。

圖3　音頻解碼過程

2)報警器可視對講

傳統對講報警系統采用全雙工模擬方案實現，對講流程處理復雜，車內布線繁瑣，而且司機在接聽對講報警的同時，雖然有PA和CCTV的報警聯動機制，但是由于攝像機安裝位置較高，且存在遮擋等問題，多數情況下，司機無法準確看到現場情況，因此為進一步提升對講報警系統的實用性和易用性，引入視頻通話技術。

由于下一代車載PIS系統采用全網絡化設計理念，包括乘客緊急報警器在內的終端設備，被設計為新一代網絡智能終端，也為視頻通話的實現提供了技術平臺。在下一代車載PIS系統中，通過在客室智能終端中引入微型高清攝像頭和高速編解碼芯片，將常見于智能樓宇監控的視頻通話及網絡視頻通話技術引入車載PIS系統，即可實現視頻通話功能。考慮安全性等因素，該視頻通話功能被設計為單向視頻、雙向音頻，監控中心可看到報警乘客畫面，也可聽到乘客聲音，但報警乘客只能聽到接警人員聲音而無法看到接警人員畫面。

2.3PIDS子系統

為了給乘客提供更加高清化的視頻畫面，PIDS子系統軟件采用智能補包技術，硬件上還增加了曲面屏顯示，增強車內現代感、時尚感。

車載LCD播放控制器接收來自車-地無線系統的直播視頻流節目，經過補包處理，將節目轉發至車載網絡，同時車載LCD播放控制器接收廣播子系統的站點信息進行字幕疊加。直播節目在車載網絡傳輸過程中采用H.264編碼，組播形式傳輸，節目經過客室交換機節目到達客室LCD顯示終端直接解碼顯示，媒體聲音隨圖像碼流可直接解碼在LCD屏幕揚聲器上輸出；當無線傳輸系統發生故障造成直播節目中斷時，LCD播放控制器將預先存儲在本地的墊播節目以網絡流媒體的形式發送至車載網絡，供客室LCD屏解碼顯示播放。LCD播放控制器、LCD終端顯示器的故障信息可以通過廣播子系統傳輸給列車控制管理系統(TCMS)以及地面總控中心，實現TCMS對PIS播放主要設備工作狀態的監控。LCD播放控制器通過網絡接收地面中心下發的緊急信息，將緊急信息通過車載網絡進行分發，最終顯示在客室LCD屏終端。

為了保證視頻節目的流暢性，播控軟件需要增加補包技術。在目前國內地鐵已有方案中，車-地無線傳輸多采用無線WLAN的形式，由于使用免費開放頻率，干擾源較多[3]，同時沒有QoS保障機制，造成PIDS系統接收直播流不穩定，車輛行駛過程中容易丟包，導致播放出現馬賽克，甚至影響播放的穩定性。在此背景下，研發了車地媒體補包子系統，保證了傳輸流的穩定。

提高畫質質量的同時，為了貼近列車整體室內裝修風格，視頻顯示終端采用曲面LCD屏，結構貼合車體側頂曲面部分，效果圖如圖4所示。

圖4　客室曲面PIDS屏與平面屏對比

硬件上采用曲面LCD可以增加一些平面無法達到的視頻效果，增加乘客吸引力，提高廣告視頻關注度。

2.4CCTV子系統

列車視頻監控系統(CCTV)應用多媒體信息處理技術、計算機通信網絡技術和通信總線網絡控制技術，在編組的列車上構建一個多媒體信息處理與傳輸平臺，完成車輛在運行過程中的監控、錄像等功能，同時及時準確反映列車運行狀態，保證列車運行安全。

CCTV子系統每節車廂安放3個網絡全景攝像頭，為了保證不過多地占用列車骨干網帶寬，沒有把所有攝像頭碼流發送到網絡上，而是采用本地存儲視頻錄像，司機室按需調取相應攝像頭碼流實時查看視頻錄像。

下一代網絡攝像頭采用全景攝像機360°無死角監控，集成了視音頻采集、智能編碼壓縮及網絡傳輸等多種功能的數字監控產品。

全景攝像機與普通攝像機相比，監控范圍更大，普通攝像機的監視角度多在60°～120°(見圖5)，而全景攝像機采用360°鏡頭(見圖6)，可以徹底擺脫監控死角問題[4]。

圖5　普通攝像機拍攝角度分析

圖6　全景攝像機拍攝角度分析

全景攝像機利用仿生學原理，采用魚眼攝像技術，配合后端視頻監控軟件，完成上述司機室監控需求。

2.5無線應用子系統

互聯網技術的飛速發展，各種網絡衍生產品已經深入各個領域。“互聯網+”就是“互聯網+各個傳統行業”，但這并不是兩者簡單的相加，而是利用信息通信技術以及互聯網平臺，讓互聯網與傳統行業進行深度融合，創造新的發展生態。

新系統借鑒了互聯網發展模式，建立了車地一體化多媒體信息服務平臺，通過在車廂內部構建無線網絡環境，并依靠車載AP與地面服務器連接，使乘客能夠在地鐵車輛上順暢使用無線網絡，建立起信息交互平臺。如圖7所示。

圖7　無線應用功能圖

在此平臺的基礎上，開發出適應不同操作系統(IOS，Android，Windows等)的APP應用軟件，將乘客使用的移動智能終端(手機、平板PC、筆記本PC等)接入車輛的多媒體服務系統。

乘客通過訪問多媒體服務系統，能夠獲得如下功能：

1)目的地提醒

系統將根據乘客提前設置的目的地信息，通過分析當前車輛運行數據，提前1站給出乘客到站提醒，以防止乘客因為帶著耳機等物品熟睡、聽歌、看視頻等行為造成的坐過站等現象，以彌補車輛廣播系統公共揚聲器在入耳式提醒方面的不足。

2)站點查詢，地鐵行程規劃

當前地下鐵路網絡四通八達，北京、上海、廣州等大城市的地鐵網絡已經縱橫交織，對于新到一個城市的陌生人，如何便利乘車，如何進行方便快捷的換乘，如何確定出入口周邊信息，成為迫切的需求。乘客只需在該系統中輸入起點和目的地，系統將自動匹配相關線路，根據各線路實時反饋的運營狀況及換乘情況，給出一個方便快捷的路線規劃。

3)音視頻播放服務

系統在云端設置存儲大量的音視頻服務資源，乘客可根據實際需要選擇收聽及觀看，以緩解長時間乘車的疲勞，提升乘車體驗。

4)購買車票及相關地鐵衍生產品及服務

乘客可通過終端設備，注冊、操作個人一卡通等城市軌道交通賬戶，并通過該終端實現費用查詢、欠費繳納等服務，系統可設置相關閾值，當賬戶金額低于設定閾值時，系統將自動提醒用戶充值繳費，以防止后續交通出行受阻。

5)投訴及意見反饋

乘客可通過該系統，將乘車過程中的體驗和感受以文字、圖片、語音、視頻等格式上傳至系統服務器，系統服務器可根據上傳的相關信息進行分析整理，并根據預設處置方案，向乘客第一時間提供解釋、說明，以防止事件的擴大。

地鐵車輛運營商通過部署、維護該系統，可以更便利地為乘客提供服務，獲取地鐵車廂內的相關運營大數據，并通過數據分析，判斷人流量、乘客乘車喜好等完善運營服務流程及提升相關服務質量，此外后臺服務端進行了用戶行為記錄。由于提供了上網業務，為了保護用戶在公共區域的上網安全，同時按照國家相關規定，多系統采用了可靠的認證接入手段，使用戶接入更可靠、更安全，并同時在網元實時記錄用戶上網行為軌跡，可以隨時進行查詢和追溯。

通過用戶行為分析，完整保留用戶所有上網行為資料，并定期匯總到地面服務器，提供超過90天的數據存儲和查詢功能，查詢條件靈活簡便，可查詢指定用戶指定時段的匯總網絡活動信息，也可查詢某一特定時刻的應用流量情況與行為內容，并且可通過廣告推送、定制服務等項目，獲得較高的經濟回報。

3　關鍵技術及難點

3.1多網融合、多屏合一

在以往軌道交通車輛上，各功能系統分別根據自身要求進行組網連接，各種工業網絡在車上密集交織，對于不同種類通信信號的傳輸存在布線復雜、工藝要求復雜、電磁環境復雜等問題，影響分系統設備的穩定性和可靠性。根據當前車輛以太網技術的發展，采用實時工業以太網絡傳輸技術，將各系統通信鏈路全部集成于統一的網絡平臺，方便車輛布線以及工藝處理，并可以大幅度降低電磁干擾，提升電子設備的穩定性。

為適應車輛骨干傳輸網絡，下一代車載PIS系統必須在音視頻傳輸數據量上進行優化配置，降低對系統帶寬的占用。系統通過采用分布式存儲策略，將原本需要全部上傳至司機室存儲器的監控圖像存儲于車廂本地，僅提供上傳地面監控中心的1～2路監控視頻流，有效降低傳輸帶寬。

近幾年來國際電工協會IEC提出IEC61375標準，最新的IEC61375 2-3于2015年7月發布TRDP相關協議，規定了列車上的不同廠家設備直接互聯互通。由于協議發布不久，可借鑒的經驗不足，增加了系統的開發難度。

同時下一代PIS系統將PA操控界面、CCTV監控界面和TCMS人機界面三者合一，更為系統開發增加了不小難度，這就需要PIS和TCMS制定更加具體的操控協議。

3.2PIS視頻流補碼

由于車地無線帶寬的限制以及無線AP信號的不穩定性因素[5]，當前投入運營的軌道交通車輛信息顯示系統在運營過程中經常出現直播畫面卡滯、馬賽克等現象，嚴重影響了乘客的乘車體驗以及直播廣告投放的直播率，導致乘客的投訴增加和車輛廣告客戶的流失。

在現有無線通信技術條件下，針對此類直播問題設計出了智能化車輛視頻播放穩流系統，通過在地面控制中心增加穩流服務器以及車輛PIDS主機中的解碼服務器來提升車輛視頻畫面播放效果。

從圖8和圖9可以看出，多媒體穩流系統，主要通過在車輛AP無線通信前級增加穩流服務器，將原先1路的視頻數據，分發為2～3路進行處理，確保同樣的數據幀有2到3幀數據同時傳出，而在車載服務器端，增加數據穩流模塊，通過分析比對同時接收到的視頻數據，若主視頻流中的視頻數據出現丟幀，則用接收到的另外2～3幀數據進行丟幀填充，確保視頻畫面的連續性與清晰度。

圖8　未加入穩流系統前的方案圖

圖9　加入多媒體數據穩流系統后的方案圖

顯示畫面效果對比見圖10。

圖10　車地網絡較差情況下未穩流與加入穩流模塊LCD顯示對比圖

3.3廣播語音延遲

采用網絡數字化傳送語音，由于編解碼以及網絡傳送等必然會導致語音延遲。如何盡量縮小延遲時間是數字廣播首先面對的一大難題。音頻流處理框圖見圖11。

圖11　音頻流處理框圖

軟硬件設計時，根據人耳系統心理聲學理論，確定音頻采樣頻率；硬件音頻編解碼需要一定大小的緩沖區，緩沖區導致音頻延遲。而編解碼通道延遲是緩沖區導致的延遲時間的兩倍。音頻壓縮效率和編解碼延遲有很大的關系，好的壓縮需要較大的緩沖區，而越大的緩沖區必然導致更長的延遲時間，是一個矛盾，需要在具體應用中調整。

通過不同格式硬件壓縮算法的時間對比，為了符合列車語音傳輸帶寬限制，同時減少延遲時間，本項目語音廣播采用G722壓縮格式。整個硬件編解碼過程需要3ms延遲[6]，具體實際延遲時間還要加入網絡傳輸和交換機延遲時間。

3.4便攜式測試單元(PTU)

系統測試工具包括運行于筆記本PC的PTU軟件和手持智能PIS終端。功能相同，手持終端可通過電池供電，更容易攜帶。

針對系統的每個設備主要功能分3類：

1)狀態監測；

2)軟件升級，參數設置；

3)功能模擬循環測試。

比如對客室地圖進行參數設置或軟件升級工作。如圖12，PTU或手持終端在司機室主機測試口接入系統，可以監測全車的地圖工作狀態，并可以對單節車廂或全車進行一次性升級或參數修改。

圖12　列車PTU軟件升級

在車地無線網絡較好的情況下，可以一次性對多列車設備軟件進行升級或設備狀態檢測、故障排查(見圖13)。

圖13　PTU軟件與列車廣播系統無線連接

PTU軟件運行于筆記本電腦，通過車地無線網絡與車載PIS系統的交換機設備無線模塊相連。

1)遠程或本地集中對系統軟件更新升級。

比如更新DCU軟件，可以選擇編譯好的DCU新程序通過無線網關下載到DCU設備上，實現更新升級。無需以往每列車每個DCU設備分別用燒寫器刷寫軟件。

2)廣播音頻文件更新。

實際運行中，列車廣播文件時常需要更新，通過PTU軟件可以將音頻文件一次性下載到多個列車廣播系統中，實現集中更新。

3)遠程協助司機處理運營過程中的故障。

由于PTU可以通過車地無線連接，一旦某個設備或模塊出現故障，可以自動上傳給PTU軟件，根據具體故障可以在DCU觸摸屏上彈出處理提示或建議，協助司機處理突發狀況。

4)遠程監視每輛車的系統運行狀態。

可以實時檢測到系統內各設備的通信數據，從而實時得知各個設備的運行狀態，進行故障診斷。

4　小結

下一代車載PIS系統有別于傳統模擬列廣系統，它是音頻數字化技術、網絡傳輸技術并結合近幾年推出的嵌入式芯片技術的綜合應用。除了完成傳統系統功能外，更側重于系統的網絡化、嵌入式芯片的應用，系統具有低功耗、模塊化，調試維護便捷化等特點。通過系統搭建，構建的系統是一個具有良好擴展性、維護性和穩定性的平臺。

[1]中國地鐵行業現狀調研及未來發展趨勢分析報告(2016—2022)[R].[S.l.]：中國產業調研網,2016.

[2]蔡國濤，陳蕾. 對乘客信息系統(PIS)的分析[J]. 現代城市軌道交通，2008(1)：9-12.

[3]邵君. 軌道交通PIS系統車地無線技術的探討[J]. 通訊世界, 2013(6)：11-12.

[4]陳乾.超大范圍 細節兼顧——魚眼攝像機淺析[J]. 智能建筑， 2015(9)：45.

[5]張京晶. 城市軌道交通車地無線通信頻率規劃的探討[C]//中國科協年會.[S.l.]：中國科協， 2015：1-6.

[6]陳健，沈雷.G.722.1低碼率寬帶語音編解碼器的DSP實現[J]. 電聲技術, 2004,28(12)：33-36.

責任編輯：許盈

Nextgenerationvehiclepassengerinformationsystem

CHENLun,LIUQingchao,CAOWenyuan

(No.3 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Beijing 100015, China)

Withthedevelopmentoftechnologyandnetwork,basedonthetraditionalsystem,thenextgenerationofvehiclepassengerinformationsystem,HDvideoplayback,panoramicnetworkcameramonitoringanddigitalaudiobroadcastingarerealized.Newwirelessapplicationsareadded,providingaudio,video,Internetandotherpersonalizedservicestopassengers.Relyingonthenetwork,moreconvenientandintelligenttoolsareprovidedforthemaintenanceofthetrainsystemequipments,andreducethemaintenancelaborintensityandimprovetheefficiency.

passengerinformationsystem；digitalbroadcast；panoramicvideosurveillancesystem；wirelessapplications

TP391

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.08.026

2016-06-28

文獻引用格式：陳倫，劉慶超，操文元. 下一代車載乘客信息系統 [J].電視技術，2016，40(8)：132-138.

CHENL,LIUQC,CAOWY.Nextgenerationvehiclepassengerinformationsystem[J].Videoengineering，2016，40(8)：132-138.