車載PIS系統在武漢地鐵2號線的應用

李曉云

摘 要：基于數字IP技術、流媒體技術，構建了一體化的綜合智能引導PIS車載子系統方案，在保障2號線行車安全與公共安全、提高運輸效率和管理服務水平等方面發揮了重要作用，針對運行中存在的部分問題，提出了下一步的改進方向，為其它城市線路PIS車載子系統設計建造提供了重要參考。

關鍵詞：PIS車載子系統；PA系統；PIDS系統；CCTV系統

Abstract：Comprehensive intelligent integration guiding PIS vehicle subsystem was constructed based on digital IP technology， streaming media technology. The System has played an important role in the protection of the 2nd line of traffic safety and public safety， improving transport efficiency and management services. The next improvement direction have been proposed for some of the problems that exist in running. It also provides an important reference for other cities line PIS vehicle subsystem design and construction.

Key words：PIS vehicle subsystem； PA； PIDS； CCTV

0 引言

地鐵列車PIS車載子系統是城市軌道交通PIS的重要組成部分，在正常情況下，可以提供乘車須知、列車到站時間等實時的動態服務引導信息；在火災、阻塞及恐怖襲擊等緊急情況下，可以提供動態緊急疏散提示；另外還具有監控功能，為上級決策提供依據，對于乘客安全、便捷地乘坐軌道交通具有十分重要的意義。

武漢地鐵2號線是全國首條過江地鐵，運行線路長、環境復雜，對地鐵列車車載子系統的可靠性、抗干擾性、以及智能化提出了更高的要求。地鐵建設也是一項長期任務，傳統的地鐵車載PIS子系統在成本、可靠性、開放性方面已經不能滿足要求，因此，武漢地鐵運營公司與合作方廣州國聯通信有限公司基于數字IP技術、流媒體技術，利用車內有限的基礎設施和網絡資源，共同構建了集引導、廣告、資訊、設備監控和客流監控為一體的綜合智能引導PIS車載子系統方案，在保障2號線行車安全與公共安全、提高運輸效率和管理服務水平等方面發揮了不可或缺的作用，針對運行中存在的部分問題，筆者提出了進一步的改進方向，給其它城市車載PIS系統解決方案的設計提供了重要借鑒。

1 系統硬件網絡

武漢地鐵2號線PIS系統規劃為中心系統、現場系統兩級，其中中心系統主要包含運營中心子系統、網絡子系統，而現場系統主要包含車站子系統和車載子系統，如圖1所示。根據功能定位，車載子系統主要包含車載廣播（PA）、車載乘客信顯示（PIDS）和視頻監控系統（CCTV）三個系統，其網絡拓撲結構如圖1所示。三個子網絡在橫向上相互獨立，在縱向上相互關聯。

1.1 列車廣播系統（PA）

設計有司機室廣播主機、司機室廣播控制盒、客室廣播分機、乘客緊急報警裝置、揚聲器、LED顯示屏等設備模塊。系統設備分機多、網絡復雜、為了使系統支持單點設備故障，在設計上采用了總線的系統網絡架構，基于模擬音頻技術，通過貫穿所有司機室和各個客室的廣播音頻線（RS485）、對講音頻線、CAN通信線來完成廣播音頻信號、對講音頻信號以及控制信號的傳輸。由于系統廣播和通信采用各自獨立的傳輸通道，因而系統支持自動廣播與對講同時進行。兩端司機室廣播主機互為冗余備份設計，雙電源，雙功放模塊冗余設計，大大提高系統可靠性。司機室廣播主機預留有與乘客信息顯示系統的媒體服務器RS232接口，以及與列車控制系統的TMS接口，可控制媒體播放系統的某些信息播放。廣播分機與分屏器通過CAN總線互聯。

1.2 車載乘客信息顯示系統（PIDS）

系統主要由媒體服務器（播放控制器、媒體編碼器、解碼器）、分屏器（客室交換機、編碼器、解碼器、分屏器）、客室LCD顯示屏（帶揚聲器）、客車LCD動態地圖顯示（長條形）等設備組成。為了減少系統布線，提高系統抗干擾能力，車內構建了百兆以以太網絡，在車廂與車廂之間采用網線傳輸數字TS流信號進行傳輸。支持播放實時TS流或媒體服務器存儲的本地節目信息。司機室內的媒體服務器從地面控制中心OCC通過無線網絡接收實時多媒體信息視頻數據流或者非實時媒體，并對數據流進行解碼、疊加字符、多窗口等處理后，編碼輸出。頭車/尾車分屏器接收到LCD控制器輸出的VGA視頻及同步音頻信號后，進行數字編碼處理，并打包成TS流上傳到車載百兆以太網絡。每節車上的分屏器（包含有解碼器、視頻播放器、交換機、音/視頻分配板、動態地圖分配板、電源）從以太網絡上接收到TS流后，進行解碼并分配輸出VGA視頻信號及音頻信號至本車廂的客室LCD屏、LCD動態地圖，實現車上多媒體信息及動態地圖的播放顯示。

媒體服務器預留廣播系統控制接口，可接收來自廣播系統的TMS信息、運營信息，疊加在視頻窗口上進行播放。為了減小列車空間的占用，方便安裝和維護，結構上采用了模塊化設計，設備高度集成。媒體服務器集成了播放控制模塊和媒體編碼、解碼模塊，同時也作為視頻監控系統的服務主機，分屏器則集成了客室交換機以及解碼分配功能。

1.3 車載視頻監控系統（CCTV）

系統采用了全數字TCP/IP網絡監控方案，冗余喚醒以太網、對等的、分布式系統架構，按照模塊化設計，由車載司機室交換機、媒體服務器、LCD觸摸屏顯示器、媒體網關、攝像機等設備模塊組成。

在該系統中，攝像機負責采集視頻圖像數據，PECU負責采集音頻數據。攝像機以8幀/秒的幀率采幀率采集圖像數據，有緊急報警狀態自動轉為25幀/秒實時記錄。采集的音視頻數據由音頻線和同軸電纜傳輸至媒體網關。媒體網關接收的是模擬視頻信號，不能通過數字網絡傳輸，因此媒體網關首先將模擬音視頻信號轉換為數字信號。同時將車體號、日期時間、攝像機編號、圖像水印等相關信息寫入視頻圖像數據，然后通過D1（720×576）格式以標準MPEG-4壓縮算法壓縮后，通過系統內部以太網網絡分別傳送給兩個司機室的車載媒體服務器。媒體服務器將網絡傳來的14路視頻信號采用兩級備份模式進行存儲。通過司機室的LCD監控觸摸屏循環監視14路攝像機的視頻圖像（包括12路客室攝像機圖像和2路司機室的圖像），可進行視頻文件的查詢與下載及回放。

客室的媒體網關預留有與廣播系統客室廣播分機的控制接口，當發生緊急情況（緊急對講、緊急開門、火災報警等）時，廣播系統自動觸發發生緊急事件所在車廂的圖像。

2 系統配套軟件

武漢地鐵二號線車載子系統配套軟件需要有PIDS系統的配套軟件和CCTV系統配套軟件。根據硬件網絡情況，系統設計的PIDS系統的配套軟件包含（19"LCD）上顯示的列車媒體播放軟件、LCD動態地圖播放軟件以及內容編輯器軟件。CCTV系統配套軟件含有車載CCTV監控軟件以及用于車載視頻監控系統配置的PTU軟件。

2.1 PIDS配套軟件

列車媒體播放軟件界面設計有日期時間、視頻播放、圖片播放、公告欄及列車運營信息等幾種類型子窗口，其界面如下圖2所示。LCD動態地圖播放軟件設計了列車正在運行的線路、方向；終點站、當前站、下一站、換乘站及相應的換乘線路、開門側信息等信息窗口，到站顯示能與數字報站同步。

為滿足動態旅行信息顯示能夠適應不同運營交路的要求。界面的布局靈活性較高，均可通過內容編輯器軟件進行本地配置，然后通過網絡上傳至媒體服務器。本地配置時可以修改、添加、刪除視頻播放列表、圖片播放列表，使之與線路站點對應，智能化水平較高。

2.2 CCTV系統配套軟件

CCTV系統的配套軟件設計有車載CCTV監控軟件以及PTU軟件。CCTV監控軟件運行司機室內的12.1寸LCD觸摸屏，具有視頻顯示模塊、功能按鈕模塊、攝像機圖標三大功能部分。功能按鈕模塊支持需14路視頻畫面的循環切換以及視頻回放。攝像機圖標模塊支持直接選擇想要顯示的攝像機圖像，具有正常顯示狀態和報警顯示狀態兩種。正常顯示狀態：視頻畫面對應的狀態欄與攝像機圖標均為綠色。報警顯示狀態：當發生廣播緊急報警等緊急情況后，視頻顯示區域不斷顯示報警的攝像機圖像，此時視頻畫面對應的狀態欄和攝像機圖標均變為紅色。攝像機顯示畫面支持四畫面和單畫面顯示，如圖4所示。

PTU軟件是視頻監控系統的配置軟件，主要用于車載主機（媒體服務器內）與媒體網關的參數配置。由車載主機、媒體網關、用戶管理和操作記錄四個功能模塊組成，軟件底部顯示連接主機的狀態與文件下載情況。

車載主機模塊：主要用來實現添加或刪除CCTV主機（媒體服務器內），設置參數、查看磁盤信息和進行文件下載等功能。新安裝的PTU軟件，初始狀態車載主機數為零，需要將PTU設備與主機或網關相連，然后才能添加、刪除或刷新相應的車載主機IP地址并進行參數設置。參數設置支持設置攝像機的IP及視頻通道和主機運行參數。

另外，PTU提供車載主機視頻錄像文件下載與錄像文件回放功能，除PTU軟件可以下載車載CCTV主機內的視頻錄像文件到PTU設備本地存儲外，車載CCTV主機不提供任何方式的文件下載，禁止使用移動硬盤、U盤、共享目錄等方式直接從車載CCTV主機上拷貝視頻錄像文件。下載后的視頻文件可以通過PTU的錄像回放軟件來播放。視頻文件下載支持查詢功能，可以選擇或輸入媒體網關、攝像機類型、車體號等查詢參數進行搜索，查詢視頻錄像文件，查詢結果將輸出到列表供下載或者播放。

媒體網關模塊：主要用來進行運行媒體網關的參數設置、報警設置、文字疊加和遠程升級，同時也提供添加或刪除媒體網關的功能。進入媒體網關模塊，按“F5”刷新，已連接的媒體網關IP地址將直接顯示。其設備運行參數設置主要指設備網絡信息修改、設備版本顯示及重啟、設備硬盤信息顯示及格式化、設備編碼參數設置等；報警設置可設置EHP1到EHP5處于常閉或常開狀態；文字疊加是指在視頻畫面上疊加文字和日期信息，利用其可以對文字和日期的格式內容、視頻的亮度及對比度進行設置；通過遠程升級，可對軟件進行遠程升級。

操作記錄模塊：主要是用來詳細記錄用戶某些操作過程，包括：用戶登錄、退出，用戶修改參數的信息等。

用戶管理模塊：主要用來實現添加、刪除用戶，修改用戶密碼，設置用戶權限等功能。

3 系統應用及改進方向

武漢地鐵2號PIS車載系統綜合采用模擬信號處理技術、數字網絡技術，以高度集成的模塊化結構，構建了車內的系統網絡架構，實現了分布式控制和網絡化管理。以“模擬”的方式形成了具有多音源、多語種、多信息、多優先級功能，能ATS信息互通，與車載監控系統信息共享的廣播系統，以“數字+模擬”結合的方式實現了較高的抗干擾能力，設備成本較低，布線簡單的車載信息顯示系統以及視頻監控系統。

自運營以來，經過驗證PIS車載子系統工作可靠、性能穩定，基本滿足了正常和非常狀態下的服務和綜合智能引導功能，提高了線路運行的管理水平，保障了旅客的信息化出行。但是隨著技術水平的升級，新線路的不斷建設，2號線的PIS車載子系統也暴露了一些問題，經過探討，建議做如下改進。

1、采用開放協議。

武漢地鐵2號線采用的是“模擬攝像頭+編碼器”的標清D1監控方案，而4號線采用的是全數字高清監控方案，從圖像的采集、傳送、存儲、顯示均達到1080P。兩個異構平臺無法實現視頻監控系統的聯網共享、互聯互通，隨著網絡覆蓋范圍的擴大，問題會逐漸突出。建議在2號線、4號線以及后續線之間采用開放協議，滿足新舊兼容，聯網共享的開放式要求。

2、完善故障診斷定位。

2號線列車PA系統診斷模式為單元級，每個激活司機室內的列車廣播主機具有實時檢測PA系統內各個單元故障的功能，如對各級功放性能的檢測、對揚聲器功能性能的檢測、對緊急對講裝置功能的檢測等。而PIDS系統和CCTV診斷為設備級，PIDS系統和CCTV系統只負責定期收集系統網絡中各個設備的告警信息，故障診斷的級別較低，實時性不高，一旦故障發生，不能準確定位到單元。有必要利用設備單體內微處理器模塊，添加單元自診斷功能，進一步完善故障診斷定位，提高線路維修保障水平。

3、加入智能識別功能。

監控系統的監控畫面在司機室觸摸屏上循環顯示，司機不可能時刻關注監控畫面，必然會遺漏一些內容，造成發生緊急情況不能立即處置。這就要求視頻監控系統，加入智能識別功能，實現對諸如車門等危險位置、危險行為、危險物體的識別，發揮行為智能識別技術在視頻監控系統中的作用，提升安全運營能力。

參考文獻

[1] 陳耀武，伍鵬，汪樂宇.基于流媒體技術的網絡化嵌入式視頻監控系統[J].工程設計學報，2004，11（2）：57-61.

[2] 陸海亭，田錦，夏從東.城市軌道交通視頻監控系統資源共享方案研究[J].城市軌道交通研究，2015（4）：38-41.

[3] 舒俊.城市軌道交通公安視頻監控系統聯網方案探討[J].城市軌道交通研究，2012（9）：101-104.

[4] 張立東.基于開放協議的城市軌道交通視頻監控系統[J].城市軌道交通研究，2015（3）：68-72.