下一代地鐵旅客信息系統(tǒng)廣播控制系統(tǒng)單元的設計實現(xiàn)

張 偉，賈 濤

（中車青島四方車輛研究所有限公司 電子事業(yè)部，青島 266000）

旅客信息系統(tǒng)廣播控制系統(tǒng)單元 （ACSU，Announcement Control System Unit）是地鐵旅客信息系統(tǒng)的中央控制器，傳統(tǒng)的地鐵旅客信息系統(tǒng)廣播控制系統(tǒng)單元目前面臨如下問題：（1）采用MVB或CAN總線與列車網(wǎng)絡系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，成本高，傳輸數(shù)據(jù)量有限[1]。（2）使用模擬音頻實現(xiàn)廣播功能，布線成本高，不同類型的車組間通用性不強[2]。（3）缺乏對客流量的有效提示和預警，依賴人工疏導[3]。（4）缺乏與乘客的有效互動，智能化接口較弱。

為了解決上述問題，本文提出下一代地鐵旅客信息系統(tǒng)廣播控制系統(tǒng)單元的設計方案：采用列車實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（TRDP），與列車網(wǎng)絡系統(tǒng)進行通信[4]；采用以太網(wǎng)數(shù)字化音頻通信方法實現(xiàn)廣播對講功能[5]；通過乘客計數(shù)系統(tǒng)和信息顯示系統(tǒng)，完成客流人員統(tǒng)計和乘客疏導功能[6]；通過控制車窗有機發(fā)光二極管（OLED）和魔鏡，實現(xiàn)與乘客的娛樂互動。

1 ACSU組成和功能

1.1 ACSU組成與外部接口

ACSU內(nèi)部主要包括數(shù)字音頻模塊、列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）通信模塊、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）聯(lián)動模塊、乘客計數(shù)模塊、車內(nèi)外信息顯示模塊，通過協(xié)調管理不同的模塊以滿足對不同子系統(tǒng)的控制功能。

ACSU與多個子設備進行數(shù)據(jù)通信，其通信拓撲如圖1所示。

（1）TCMS：ACSU接收TCMS的數(shù)據(jù)，用于行車信息管理和乘客報警信息交互；將旅客信息系統(tǒng)內(nèi)部的設備診斷信息發(fā)送給TCMS，用于設備狀態(tài)查詢和故障診斷。TCMS與ACSU之間通過一個專用以太網(wǎng)接口完成數(shù)據(jù)交互。

（2）CCTV：ACSU接收CCTV的攝像機報警信息和監(jiān)控設備診斷信息，實時傳送給TCMS；將TCMS的車門信號和乘客報警信息發(fā)送給CCTV，用于CCTV實現(xiàn)準確的報警監(jiān)控。

圖1 ACSU與子系統(tǒng)通信拓撲圖

（3）數(shù)字音頻子系統(tǒng)：ACSU通過控制音頻解碼器與音頻切換器完成自動報站、半自動報站、手動報站、人工廣播功能；控制首尾車的廣播控制終端完成司機對講功能；控制乘客緊急報警器和廣播控制終端完成緊急報警功能；獲取數(shù)字音頻子系統(tǒng)的設備狀態(tài)和版本信息。

1.2 ACSU功能

ACSU作為下一代地鐵旅客信息系統(tǒng)的中央控制單元，實現(xiàn)對旅客信息系統(tǒng)的管理和控制功能。其功能主要有：

（1）行車管理：根據(jù)TCMS發(fā)送的門信號、列車離站、列車進站、列車到站信號觸發(fā)相應的語音播報和車內(nèi)信息顯示功能聯(lián)動；控制司機室擋風玻璃屏顯示列車運行速度、車內(nèi)溫度、時間和天氣信息，起到引導司機的作用。

（2）人員疏導： 讀取乘客計數(shù)終端所計算的乘車人員數(shù)量，按車廂分析計算人員的擁堵指數(shù)并發(fā)送給側部屏顯示，疏導候車乘客前往不同車廂乘車，避免出現(xiàn)單一車廂人員擁塞問題[7]。

（3）內(nèi)部通訊： 通過數(shù)字音頻系統(tǒng)實現(xiàn)司機對講、乘客緊急報警對講和報警優(yōu)先級功能。

（4）娛樂功能： 實現(xiàn)視頻播放、景點介紹、新聞預覽等功能。

（5）冗余功能：兩臺ACSU為主從備份關系，同一時刻只有ACSU主控負責旅客信息系統(tǒng)的調度和管理功能。當ACSU主控宕機后，ACSU從機將接管旅客信息系統(tǒng)的調度和管理工作。

2 ACSU硬件設計

ACSU設計標準為19 inch的3U機箱，CPCI插板式結構設計，所有接口在前面板[8]。主要包括以下模塊：

舉行典禮的廣場上擠滿了人，那個撿到鼻子的小孩站在頒獎臺上，結結巴巴不知說什么才好：“我……看到有個人掉了鼻子，我就撿起鼻子追了上去，因為跑得飛快，半路上把一個小姑娘的耳朵碰了下來——當然，我停下來替她把耳朵裝好，再繼續(xù)追……”

（1）電源轉換模塊：采用DC110 V～DC24 V電源模塊，再由24 V轉化為12 V、5 V、3.3 V、–12 V。

（2）電源供電模塊：采用DC110 V～DC24 V隔離電源模塊實現(xiàn)，對于DC110 V電源輸入，由電源轉換模塊引入背板，由背板引入電源供電模塊進行轉換后輸出。

（3）CPU控制器：采用Intel Atom處理器，通過背板連接交換機并進一步與其它子設備進行通信。

（4）功率放大器模塊：采用成熟的D類功放芯片，設計放大電路完成功率放大功能。

（5）音頻解碼模塊：由內(nèi)置的微控制芯片對數(shù)字音頻信號進行解碼，通過與CPU控制器進行通信，接收控制命令并執(zhí)行相應動作。

3 ACSU軟件設計

3.1 系統(tǒng)環(huán)境和開發(fā)平臺

ACSU采用Ubuntu操作系統(tǒng)，驅動接口豐富，運行效率高，性能穩(wěn)定，并能夠有效避免Windows系統(tǒng)帶來的病毒問題。

應用軟件采用QT開發(fā)。在Linux操作系統(tǒng)下，QT可重用性好，開發(fā)效率高，能夠快速搭建人性化的UI界面。同時，QT具備優(yōu)良的跨平臺特性，代碼移植效率高，可避免后期平臺遷移帶來的移植問題[9]。

3.2 軟件模塊化設計

為提高軟件開發(fā)效率，增強軟件的可讀性和易維護性，ACSU的軟件采用模塊化的開發(fā)模式。軟件共分為4層，自上而下進行調用，如圖2所示。在模塊內(nèi)部實現(xiàn)對應的功能，并對外開放公有接口。

圖2 ACSU模塊化結構示意圖

（1）QT運行庫：QT提供了豐富的功能類庫，并提供了人性化的接口封裝。在QT運行庫的基礎上進行開發(fā)，可以提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期并保證軟件質量。

（2）協(xié)議分析層：包括TRDP協(xié)議模塊、TCMS通信模塊、CCTV聯(lián)動模塊、乘客計數(shù)模塊、車內(nèi)外顯示模塊、VLC播放模塊和數(shù)字音頻子系統(tǒng)協(xié)議模塊。協(xié)議通信模塊用于設備收發(fā)數(shù)據(jù)的協(xié)議解析。

（3）邏輯分析控制層：包含乘客計數(shù)、司機對講與緊急報警、行車管理、CCTV聯(lián)動、車內(nèi)外顯示、主從冗余6個模塊。通過對來自不同設備的數(shù)據(jù)進行分析，當滿足預設條件后，產(chǎn)生控制命令，從而完成不同設備間的聯(lián)動。

（4）人機交互層：系統(tǒng)操作界面，識別用戶的操作，產(chǎn)生相應的控制命令；顯示相關的設備狀態(tài)信息。

4 ACSU智能化應用

4.1 實時以太網(wǎng)應用

傳統(tǒng)的MVB、CAN總線通信雖然可以滿足可靠性的需求，但是成本較高，無法滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸需求。不同設備之間通信時需要進行硬件上的兼容測試，開發(fā)成本較高，周期長。

TRDP協(xié)議是在以太網(wǎng)基礎上開發(fā)的實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[10]。它在保證實時性和可靠性的基礎上可以滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸；與MVB、CAN總線通信相比成本較低；一致性的兼容測試主要集中于軟件應用層面，靈活性高。

ACSU采用現(xiàn)有的網(wǎng)絡接口通過開發(fā)TRDP協(xié)議即可以實現(xiàn)與列車網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信，完成行車信息的交互和故障信息上報，同時，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡接口同時實現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的傳輸，滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸需求。

4.2 乘客計數(shù)應用

傳統(tǒng)的地鐵列車缺乏乘客計數(shù)功能，無法得知目前的乘客人員數(shù)量，只能依賴地面工作人員完成人員疏導，效率低且效果不佳。

ACSU實現(xiàn)了乘客計數(shù)功能。它通過采集車門上方的乘客計數(shù)終端所記錄的上車和下車人數(shù)，統(tǒng)計計算不同車廂的乘客人數(shù)，并計算出擁堵指數(shù)顯示在顯示屏上，并觸發(fā)相應的語音廣播，提醒乘客當前車廂的人員現(xiàn)狀。同時，ACSU將不同車廂的人員統(tǒng)計和整車人員統(tǒng)計發(fā)送給車地通信模塊，從而上傳到地面系統(tǒng)，讓地面人員得知目前車組的乘車人員現(xiàn)狀。擁堵指數(shù)顯示效果如圖3所示。

圖3 擁堵指數(shù)顯示效果

5 結束語

廣播控制系統(tǒng)單元作為下一代地鐵旅客信息系統(tǒng)的中央控制單元，能夠協(xié)調管理旅客信息系統(tǒng)不同子系統(tǒng)之間的通信交互，滿足列車智能化的應用需求。采用TRDP協(xié)議完成與列車網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信交互，滿足通信實時性和大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨螅煌ㄟ^控制乘客計數(shù)終端獲取乘客計數(shù)結果，并進一步完成人員統(tǒng)計與人員疏導功能。