基于高速以太網(wǎng)的乘客信息系統(tǒng)在地鐵列車上的應(yīng)用

劉國(guó)菲

（中車南京浦鎮(zhèn)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(tǒng)（Passenger Information System，PIS）是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，以車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。PIS在正常情況下提供乘車須知、服務(wù)時(shí)間、列車到發(fā)時(shí)間、地鐵公告、媒體新聞以及廣告等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多媒體信息，在火災(zāi)或其他非正常情況下還可以提供動(dòng)態(tài)緊急疏散提示[1]。

隨著傳輸數(shù)據(jù)量的不斷增大，以太網(wǎng)技術(shù)成為乘客信息系統(tǒng)信息傳輸?shù)氖走x技術(shù)，高標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件設(shè)備可以保證數(shù)據(jù)安全可靠的在網(wǎng)絡(luò)上不同設(shè)備之間進(jìn)行傳輸。以上海申通地鐵為主導(dǎo)，聯(lián)合不同生產(chǎn)廠家對(duì)乘客信息系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，并選用上海13號(hào)線增購項(xiàng)目的最后兩列車來驗(yàn)證新的PIS系統(tǒng)，同時(shí)確保在得出結(jié)論后能夠復(fù)原老的PIS系統(tǒng)。

1 原車?yán)舷到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

原車PIS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 上海13號(hào)線PIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1，原車PIS系統(tǒng)的列車總線采用雙路串行的百兆以太網(wǎng)，可以傳輸所有的音頻、視頻以及通信控制命令。除以太網(wǎng)傳輸總線外，還配備了兩根UIC568模擬音頻總線。當(dāng)以太網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，PIS系統(tǒng)進(jìn)入降級(jí)模式，客室廣播和司機(jī)對(duì)講等功能仍不受影響，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

客室內(nèi)終端設(shè)備除揚(yáng)聲器是采用兩路模擬音頻接口外，其他設(shè)備均帶有數(shù)字通信接口。客室內(nèi)的乘客緊急報(bào)警裝置（Passenger Emergency Alarm Control Unit，PECU）采用兩路獨(dú)立的RS485接口進(jìn)行通信，而LCD多媒體顯示屏則采用兩路以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信[2]?？褪矣糜谝曨l監(jiān)控的攝像機(jī)均通過獨(dú)立的以太網(wǎng)接口連接到客室控制器的交換機(jī)上，客室控制器為每個(gè)攝像機(jī)提供獨(dú)立的供電。

在控制器配置上，PIS的列車廣播系統(tǒng)、乘客信息顯示系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)高度集成，每個(gè)司機(jī)室和客室只需配置一臺(tái)尺寸為19英寸的3U標(biāo)準(zhǔn)控制主機(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)[3]。其中，司機(jī)控制器（Drivers Audio Communication Unit，DACU）包含電源模塊、交換機(jī)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(jī)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(tǒng)的技術(shù)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(wǎng)總線，兩條總線同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，帶寬最大可達(dá)到200 Mb/s。受以太網(wǎng)傳輸距離和跨車需要分?jǐn)嗟挠绊懀瑢?shí)際運(yùn)行的有效帶寬會(huì)降低30%～40%，即最大傳輸數(shù)據(jù)帶寬約為140 Mb/s。此外，端口匯聚的雙路以太網(wǎng)總線本身就是冗余設(shè)計(jì)，在一條總線失效的情況下，另一條總線要確保系統(tǒng)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(jìn)一步升級(jí)優(yōu)化[3]。

2.2 交換機(jī)

列車總線的帶寬升級(jí)需要更高帶寬的交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主機(jī)是集成了模塊式的交換機(jī)，PIS廠家需要從第三方購買交換機(jī)或者自主研發(fā)交換機(jī)板卡，再與PIS主機(jī)進(jìn)行集成，這無疑多了一道接口[4]。目前市場(chǎng)上專業(yè)做交換機(jī)的廠家很多，而且品牌交換機(jī)在售后和質(zhì)保方面較為可靠，因此根據(jù)自身需求合理選擇適用的交換機(jī)，以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2.3 可視對(duì)講的需求

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和無人駕駛技術(shù)的逐漸成熟，無人駕駛列車開始逐步實(shí)現(xiàn)。乘客在緊急情況下與司機(jī)可視對(duì)講或者與運(yùn)營(yíng)控制中心可視對(duì)講是無人駕駛列車的重要前提，傳統(tǒng)的對(duì)講系統(tǒng)沒有視頻功能，不能滿足人們的需求，因此需要對(duì)PIS系統(tǒng)的可視化功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和完善，從而更好地保障乘客的人身安全[5]。

2.4 攝像機(jī)占用交換機(jī)端口

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一個(gè)攝像機(jī)占用一個(gè)交換機(jī)端口[6]。地鐵列車上人員流動(dòng)密集，3個(gè)攝像機(jī)雖然可以全覆蓋整個(gè)列車，但在上下班高峰時(shí)段，離鏡頭最遠(yuǎn)的乘客可能會(huì)被其他乘客遮擋，造成人員遮擋盲區(qū)，因此需要增加攝像機(jī)[7]。上海13號(hào)線科研項(xiàng)目中配置了6臺(tái)攝像機(jī)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要6個(gè)交換機(jī)端口與攝像機(jī)通信，不僅要增加車輛走線，而且交換機(jī)成本也提高[8]。

2.5 冗余功能的完善

列車上兩臺(tái)交換機(jī)失效導(dǎo)致整個(gè)以太網(wǎng)不可用時(shí)，PIS系統(tǒng)進(jìn)入降級(jí)模式[9]。原車系統(tǒng)在降級(jí)模式下僅能實(shí)現(xiàn)人工廣播和司機(jī)對(duì)講功能，無法實(shí)現(xiàn)緊急對(duì)講功能。為適應(yīng)未來的無人駕駛，緊急對(duì)講功能在降級(jí)模式中是非常必要的，緊急對(duì)講在任何情況下都能保證乘客和司機(jī)取得聯(lián)系，保障乘客安全[10]。

3 高速以太網(wǎng)的乘客信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了對(duì)既有的PIS系統(tǒng)進(jìn)行完善和改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于高速以太網(wǎng)的新型乘客信息系統(tǒng)，采用全數(shù)字通信的方式。新型PIS系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 全數(shù)字PIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖2所示，列車級(jí)智能以太網(wǎng)是利用原車列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS）構(gòu)建的千兆以太環(huán)網(wǎng)，由8個(gè)千兆網(wǎng)管型交換機(jī)按照跨車環(huán)形方式組網(wǎng)，骨干網(wǎng)帶寬為1 000 Mb/s，完全滿足語音、視頻以及列車數(shù)據(jù)的傳輸。其中兩個(gè)TC車分別設(shè)置兩臺(tái)千兆網(wǎng)管型交換機(jī)，其他車設(shè)置1臺(tái)千兆網(wǎng)管型交換機(jī)。TC車中的交換機(jī)為三層交換機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)內(nèi)IP地址的NAT映射，并可實(shí)現(xiàn)虛擬路由冗余協(xié)議（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）功能[11]。PIS系統(tǒng)配置獨(dú)立的交換機(jī)，全車共8臺(tái)交換機(jī)。將PIS的8臺(tái)交換機(jī)接入TCMS主干網(wǎng)，這樣實(shí)現(xiàn)了雙網(wǎng)合一，同時(shí)也減少了列車總線的數(shù)量，提升了系統(tǒng)集成度。8臺(tái)PIS交換機(jī)是系統(tǒng)設(shè)備接入主干網(wǎng)的橋梁，可以選用市場(chǎng)上的大品牌交換機(jī)，以更好地提升網(wǎng)絡(luò)性能。

新型的PIS系統(tǒng)僅設(shè)置1臺(tái)司機(jī)室控制器，包含電源模塊、交換機(jī)模塊、CPU模塊、接口模塊以及聯(lián)掛模塊等。每個(gè)客室電氣柜內(nèi)設(shè)置1臺(tái)數(shù)字功放機(jī)箱，主要集成電源模塊、交換機(jī)模塊以及數(shù)字功放，為客室揚(yáng)聲器和乘客報(bào)警器提供通信接口。將每個(gè)客室的攝像機(jī)增加為6個(gè)，隱藏在客室LED顯示屏中做級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，減少布線。司機(jī)室控制器和數(shù)字功放同其他終端設(shè)備一樣直接接入PIS交換機(jī)，均為冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹形。

列車總線設(shè)置了兩條模擬音頻總線，一條用于廣播功能，一條用于對(duì)講功能。在列車降級(jí)模式下，PIS系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)客室廣播、司機(jī)對(duì)講以及乘客對(duì)講等功能。此外還設(shè)置CAN總線，用于傳輸對(duì)講控制信號(hào)。音頻總線和CAN總線連接司機(jī)室控制器和每個(gè)車廂的數(shù)字功放，廣播語音信號(hào)通過模擬音頻總線傳輸?shù)綌?shù)字功放進(jìn)行功率放大，最后通過揚(yáng)聲器進(jìn)行廣播。乘客報(bào)警器采用以太網(wǎng)數(shù)字接口，可以滿足日后的可視對(duì)講功能。

4 新PIS系統(tǒng)在原車上的技術(shù)改造

為了在原車PIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)新PIS系統(tǒng)進(jìn)行裝車驗(yàn)證，將上海13號(hào)線增購列車的最后兩列車作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)安裝，選擇兩家供應(yīng)商，便于試驗(yàn)對(duì)比分析。在不改變列車布線的情況下，安裝不同廠家的設(shè)備，主要從以下5個(gè)方面進(jìn)行改造。

（1）連接器設(shè)計(jì)。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義每個(gè)設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所有設(shè)備的外形尺寸和機(jī)械接口與原車系統(tǒng)一致，兩個(gè)廠家共用一套設(shè)備圖紙，確保設(shè)備順利安裝。除新增的交換機(jī)需要設(shè)計(jì)安裝位置，其他設(shè)備均可以利用原設(shè)備空間。

（3）共用線纜設(shè)計(jì)。列車布線盡可能利用原系統(tǒng)電纜的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)分析比對(duì)可以與原車共用揚(yáng)聲器電纜、兩條音頻總線電纜、LCD信號(hào)電纜以及設(shè)備的供電電纜。

（4）新增電纜設(shè)計(jì)。在原車基礎(chǔ)上增加了列車CAN總線電纜、攝像機(jī)以太網(wǎng)電纜和電源電纜以及LED顯示屏和導(dǎo)乘屏的以太網(wǎng)電纜。此外，由于每個(gè)車廂多了交換機(jī)，因此需要增加交換機(jī)供電電纜以及與交換機(jī)連接的以太網(wǎng)電纜。

（5）原車其他電纜處理。所有原系統(tǒng)的電纜均保留，除新系統(tǒng)共用電纜外，其余電纜均標(biāo)識(shí)電纜號(hào)和線號(hào)，并在終端封堵處理，為后續(xù)還原老系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

5 結(jié) 論

通過對(duì)上海13號(hào)線增購車輛的PIS系統(tǒng)進(jìn)行分析和改造，將基于高速以太網(wǎng)的PIS系統(tǒng)成功安裝在列車上，實(shí)現(xiàn)了不同廠家PIS系統(tǒng)的互換，為PIS系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)型和后續(xù)PIS通信協(xié)議統(tǒng)型奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過近一年的時(shí)間對(duì)兩列科研車進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明新的PIS系統(tǒng)運(yùn)行可靠，與TCMS系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)合一，系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮充分，具有一定的可行性，也為后續(xù)無人駕駛車輛的PIS系統(tǒng)提供有價(jià)值的參考。