基于高速以太網的乘客信息系統在地鐵列車上的應用

劉國菲

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

地鐵列車的乘客信息系統（Passenger Information System，PIS）是依托多媒體網絡技術，以計算機系統為核心，以車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統。PIS在正常情況下提供乘車須知、服務時間、列車到發時間、地鐵公告、媒體新聞以及廣告等實時動態多媒體信息，在火災或其他非正常情況下還可以提供動態緊急疏散提示[1]。

隨著傳輸數據量的不斷增大，以太網技術成為乘客信息系統信息傳輸的首選技術，高標準的以太網硬件設備可以保證數據安全可靠的在網絡上不同設備之間進行傳輸。以上海申通地鐵為主導，聯合不同生產廠家對乘客信息系統進行標準化設計，并選用上海13號線增購項目的最后兩列車來驗證新的PIS系統，同時確保在得出結論后能夠復原老的PIS系統。

1 原車老系統的設計

原車PIS系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 上海13號線PIS系統結構圖

根據圖1，原車PIS系統的列車總線采用雙路串行的百兆以太網，可以傳輸所有的音頻、視頻以及通信控制命令。除以太網傳輸總線外，還配備了兩根UIC568模擬音頻總線。當以太網出現故障時，PIS系統進入降級模式，客室廣播和司機對講等功能仍不受影響，提高了系統運行的安全性和可靠性。

客室內終端設備除揚聲器是采用兩路模擬音頻接口外，其他設備均帶有數字通信接口。客室內的乘客緊急報警裝置（Passenger Emergency Alarm Control Unit，PECU）采用兩路獨立的RS485接口進行通信，而LCD多媒體顯示屏則采用兩路以太網接口進行通信[2]。客室用于視頻監控的攝像機均通過獨立的以太網接口連接到客室控制器的交換機上，客室控制器為每個攝像機提供獨立的供電。

在控制器配置上，PIS的列車廣播系統、乘客信息顯示系統以及視頻監控系統高度集成，每個司機室和客室只需配置一臺尺寸為19英寸的3U標準控制主機，采用模塊化設計[3]。其中，司機控制器（Drivers Audio Communication Unit，DACU）包含電源模塊、交換機模塊、CPU模塊、I/O模塊、視頻編碼器模塊以及MVB模塊等；客室控制器（Saloon Control Unit，SCU）包含電源模塊、交換機模塊、功率放大器模塊、I/O模塊以及視頻處理模塊等。

2 原車PIS系統的技術分析

2.1 列車總線

列車總線采用端口匯聚的雙路百兆以太網總線，兩條總線同時傳輸數據，帶寬最大可達到200 Mb/s。受以太網傳輸距離和跨車需要分斷的影響，實際運行的有效帶寬會降低30%～40%，即最大傳輸數據帶寬約為140 Mb/s。此外，端口匯聚的雙路以太網總線本身就是冗余設計，在一條總線失效的情況下，另一條總線要確保系統功能不受影響，那么100 Mb/s帶寬的總線除去衰減外，可用帶寬就剩下幾十兆，顯然不能滿足人們的需求，因此在列車總線方面需要考慮進一步升級優化[3]。

2.2 交換機

列車總線的帶寬升級需要更高帶寬的交換機來實現。系統主機是集成了模塊式的交換機，PIS廠家需要從第三方購買交換機或者自主研發交換機板卡，再與PIS主機進行集成，這無疑多了一道接口[4]。目前市場上專業做交換機的廠家很多，而且品牌交換機在售后和質保方面較為可靠，因此根據自身需求合理選擇適用的交換機，以提升系統的穩定性與可靠性。

2.3 可視對講的需求

隨著通信技術的發展和無人駕駛技術的逐漸成熟，無人駕駛列車開始逐步實現。乘客在緊急情況下與司機可視對講或者與運營控制中心可視對講是無人駕駛列車的重要前提，傳統的對講系統沒有視頻功能，不能滿足人們的需求，因此需要對PIS系統的可視化功能進行設計和完善，從而更好地保障乘客的人身安全[5]。

2.4 攝像機占用交換機端口

傳統設計中，一個攝像機占用一個交換機端口[6]。地鐵列車上人員流動密集，3個攝像機雖然可以全覆蓋整個列車，但在上下班高峰時段，離鏡頭最遠的乘客可能會被其他乘客遮擋，造成人員遮擋盲區，因此需要增加攝像機[7]。上海13號線科研項目中配置了6臺攝像機，傳統設計需要6個交換機端口與攝像機通信，不僅要增加車輛走線，而且交換機成本也提高[8]。

2.5 冗余功能的完善

列車上兩臺交換機失效導致整個以太網不可用時，PIS系統進入降級模式[9]。原車系統在降級模式下僅能實現人工廣播和司機對講功能，無法實現緊急對講功能。為適應未來的無人駕駛，緊急對講功能在降級模式中是非常必要的，緊急對講在任何情況下都能保證乘客和司機取得聯系，保障乘客安全[10]。

3 高速以太網的乘客信息系統設計

為了對既有的PIS系統進行完善和改進，設計了基于高速以太網的新型乘客信息系統，采用全數字通信的方式。新型PIS系統拓撲如圖2所示。

圖2 全數字PIS系統結構圖

由圖2所示，列車級智能以太網是利用原車列車網絡控制系統（Train Control and Management System，TCMS）構建的千兆以太環網，由8個千兆網管型交換機按照跨車環形方式組網，骨干網帶寬為1 000 Mb/s，完全滿足語音、視頻以及列車數據的傳輸。其中兩個TC車分別設置兩臺千兆網管型交換機，其他車設置1臺千兆網管型交換機。TC車中的交換機為三層交換機，可以實現對以太網內IP地址的NAT映射，并可實現虛擬路由冗余協議（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）功能[11]。PIS系統配置獨立的交換機，全車共8臺交換機。將PIS的8臺交換機接入TCMS主干網，這樣實現了雙網合一，同時也減少了列車總線的數量，提升了系統集成度。8臺PIS交換機是系統設備接入主干網的橋梁，可以選用市場上的大品牌交換機，以更好地提升網絡性能。

新型的PIS系統僅設置1臺司機室控制器，包含電源模塊、交換機模塊、CPU模塊、接口模塊以及聯掛模塊等。每個客室電氣柜內設置1臺數字功放機箱，主要集成電源模塊、交換機模塊以及數字功放，為客室揚聲器和乘客報警器提供通信接口。將每個客室的攝像機增加為6個，隱藏在客室LED顯示屏中做級聯設計，減少布線。司機室控制器和數字功放同其他終端設備一樣直接接入PIS交換機，均為冗余設計，系統整體拓撲結構為樹形。

列車總線設置了兩條模擬音頻總線，一條用于廣播功能，一條用于對講功能。在列車降級模式下，PIS系統仍能實現客室廣播、司機對講以及乘客對講等功能。此外還設置CAN總線，用于傳輸對講控制信號。音頻總線和CAN總線連接司機室控制器和每個車廂的數字功放，廣播語音信號通過模擬音頻總線傳輸到數字功放進行功率放大，最后通過揚聲器進行廣播。乘客報警器采用以太網數字接口，可以滿足日后的可視對講功能。

4 新PIS系統在原車上的技術改造

為了在原車PIS系統的基礎上對新PIS系統進行裝車驗證，將上海13號線增購列車的最后兩列車作為實驗對象進行系統安裝，選擇兩家供應商，便于試驗對比分析。在不改變列車布線的情況下，安裝不同廠家的設備，主要從以下5個方面進行改造。

（1）連接器設計。根據拓撲結構，定義每個設備的電氣端口和連接器針腳，確保連接器選型一致，可以通用。

（2）設備結構設計。所有設備的外形尺寸和機械接口與原車系統一致，兩個廠家共用一套設備圖紙，確保設備順利安裝。除新增的交換機需要設計安裝位置，其他設備均可以利用原設備空間。

（3）共用線纜設計。列車布線盡可能利用原系統電纜的情況下進行設計，經分析比對可以與原車共用揚聲器電纜、兩條音頻總線電纜、LCD信號電纜以及設備的供電電纜。

（4）新增電纜設計。在原車基礎上增加了列車CAN總線電纜、攝像機以太網電纜和電源電纜以及LED顯示屏和導乘屏的以太網電纜。此外，由于每個車廂多了交換機，因此需要增加交換機供電電纜以及與交換機連接的以太網電纜。

（5）原車其他電纜處理。所有原系統的電纜均保留，除新系統共用電纜外，其余電纜均標識電纜號和線號，并在終端封堵處理，為后續還原老系統做準備。

5 結 論

通過對上海13號線增購車輛的PIS系統進行分析和改造，將基于高速以太網的PIS系統成功安裝在列車上，實現了不同廠家PIS系統的互換，為PIS系統的標準化統型和后續PIS通信協議統型奠定了基礎。經過近一年的時間對兩列科研車進行試驗，結果表明新的PIS系統運行可靠，與TCMS系統成功實現雙網合一，系統設計考慮充分，具有一定的可行性，也為后續無人駕駛車輛的PIS系統提供有價值的參考。