北京地鐵10號線列車乘客信息系統規范化研究

劉 博，張 衡

（北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心，北京 102208）

目前，適用于地鐵的列車乘客信息系統(passenger information system，PIS)日趨多樣化，更替速度加快，導致現行的一些設備落后于運營需求，另一些設備的性能參數、維修方式等各有不同，這給列車日常運營維護、周期性故障診斷檢修等造成了很大的困難。一般列車壽命周期為30年，PIS大多采用了多年前的流行技術，在列車運行與維修中已經暴露出一系列問題[1]。以北京地鐵10號線車輛為例，近年來列車乘客信息系統設備老化、備件停產、型號繁雜等問題日趨凸顯，這給列車維修、配件管理等帶來極為不利的影響[2]。

1 列車乘客信息系統架構

對于北京地鐵而言，乘客信息系統(PIS)不能一概而論。根據所屬的監管部門不同，把 PIS劃分為站臺乘客信息系統和列車乘客信息系統。但是，這種從管轄范圍上的分類也造成設備種類和性能上的差異[3]。筆者主要對影響運營安全最為重要且檢修難度較大的列車乘客信息系統在規范性方面進行研究。

列車乘客信息系統主要由 3部分組成：列車廣播系統(包括乘客緊急對講、司機對講、車門動態地圖顯示(LED或LCD))、車端信息顯示多媒體播放系統、視頻監控系統[4]。

列車廣播及多媒體系統(見圖1)由司機室和客室設備組成：司機室設備包括媒體服務器，客室設備包括解碼分屏器、網關和客室LCD顯示器。其中，客室兩端LED顯示器可根據具體需求來確定是否加裝[5]。

圖1 列車廣播及多媒體播放系統結構Figure 1 Structure of broadcasting and multimedia broadcasting system

網絡采用環網冗余的連接方式，所有的控制信息及音視頻信息均以數字形式通過以太網傳輸，系統中預留一對列車音頻總線。

視頻監控系統(見圖2)宜單獨組網，司機室設置一臺主機(即媒體服務器)，每個客室設置一臺網關，設備間采用以太網傳輸，建議采用集成拾音器的數字攝像機。

圖2 視頻監控系統結構Figure 2 Structure of video surveillance system

特別指出的是，廣播系統、多媒體系統、視頻監控系統宜分別獨立供電，設置獨立電源開關。因電器柜尺寸原因，可將廣播系統、多媒體系統、視頻監控系統進行集成。客室車端顯示器可根據要求確定是否設置。司機室宜采用3層網絡交換機，客室宜采用2層網絡交換機。

2 列車乘客信息系統可靠性

可靠性分析是建立在對故障統計研究的基礎之上的，筆者采用故障模式風險分析法(FMECA)，對北京地鐵10號線在2016年的列車乘客信息系統故障檢修情況進行了研究。首先，對10號線運行列車的車載乘客信息系統進行故障情況調研，了解其設備種類、故障類型、故障頻次以及故障趨勢。在此基礎上，對故障等級參照國家相關標準進行劃分，然后進行故障模式分析，以便區分故障的輕重緩急，制定合理的應對措施[6]。最后，形成危害性風險評價矩陣，以便研究故障與檢修規程之間的匹配程度，并為下一步進行設備及維修的標準化研究提供支撐。

2.1 故障統計分析

故障統計部分，選取了2016年北京地鐵10號線一期列車的乘客信息系統作為研究對象，追蹤調研了視頻監控、列車廣播、主控單元(MCU)、電子地圖、客室電視等故障高發及關鍵設備的故障情況，對列車的乘客信息系統設備故障規律進行了統計與分析(見圖3)[7]。

圖3 2016年10號線列車乘客信息系統故障統計Figure 3 Fault statistics of passenger information system of Line 10 trains in 2016

截至2016年12月，10號線車輛列車廣播系統共發生碎修故障1 608起，相比2015年的1 381起上升了14.1%。2016年1—12月中，監控系統故障729起，占總故障的45.3%；自動廣播故障381起，占總故障的23.6%；動態地圖故障87起，占總故障的5.4%；MCU故障112起，占總故障的6.9%；客室LCD故障289起，占總故障的17.9%；其他故障10起，占總故障的 0.6%。通過統計分析，2016年監控和自動廣播的故障占總故障的 68.9%。由于客室電視相關備品廠家停產等原因，使備品準備不足，客室電視故障無法及時修復，導致客室電視故障率大幅增加。由于對監控系統和動態地圖的整改，使得2016年監控系統故障數與往年持平，錄像丟失隱患基本消除，動態地圖故障下降，乘客投訴有所減少。

2.2 故障模式分析

故障模式分析建立在故障統計分析的基礎之上，選擇故障高發的設備或部件進行研究。經過分析發現，主控單元(MUC)、音頻控制模塊、電源模塊為關鍵性設備，涉及列車乘客信息系統能源供給與信號傳輸，應該予以特別關注。視頻播放單元、乘客信息顯示屏、動態電子地圖、視頻監控是整個系統中功能輸出的關鍵設備，與乘客的乘車體驗與應急安全有著密切聯系，其中乘客信息顯示屏在故障統計中占有很大比重，是故障高發設備，應予以關注[8]。在選取關鍵設備后，對故障模式、成因及特性進行了分析，具體如表1所示。

表1 故障模式分析Table 1 Failure mode analysis

通過分析可以發現：從故障特性看，所有的故障均為隨機故障，說明與系統設計與布局無關；從故障成因看，除視頻監控、攝像頭、視頻設備接口外，其余故障均與電壓電流變化引起的峰值、電涌或干擾有關，應定期檢查設備絕緣情況。電源設備屬于早期工藝，應該制定新的規范提升其性能，并對各設備加裝電源開關，穩定電阻，在方便檢修的同時，減少電路故障。

通過故障影響分析(見表2)可以發現，除了視頻播放單元產生故障時需要駕駛人員人工廣播告知以外，其余故障均不影響運營，可待停運后進行維護檢修。從保護措施來看，許多設備性能上已經表現出明顯的落后與不足，如視頻播放單元抗干擾能力差、攝像頭清晰度不夠等。這種問題只通過日常檢修已經無法改善，應該制定或修訂列車乘客信息系統規范，提高設備性能要求。

表2 故障影響分析Table 2 Failure impact analysis

2.3 風險評價矩陣

風險評價矩陣的建立，主要參照《軌道交通可靠性、可用性、可維修性及安全性規范示例》(GB/T21562)中關于軌道交通車輛維修的風險與安全性評價的要求[9]。建立列車乘客信息系統風險評價矩陣，并根據故障統計與日常檢修經驗，將數據錄入并比對風險矩陣模型，形成的重要性分析結果如表3所示。

表3 乘客信息系統設備重要性分析Table 3 Analysis of importance of passenger information system equipment

從整體結果看，列車乘客信息系統故障的危害性普遍不高(為R4)，且相較于其他設備而言，故障發生率也不高(為F)，但是對照日常檢修規程可以看出，日常對上述設備的檢修頻率并不低，這說明檢修與故障發生存在匹配度低的問題。因此，應該對列車乘客信息系統的設備檢修頻次進行調整，使其與故障發生率相匹配。同時，通過危害的重要性分析，使關鍵設備的故障情況更加明晰，有助于日常修程修制的修訂。可將該方法規范化到設備日常統計中，追蹤設備故障變化情況[10]。

3 列車乘客信息系統標準化

綜合上述研究可以發現，目前列車乘客信息系統存在設備老化、備品備件缺失、型號規格不統一等問題，具體如下：

1) 車輛PIS設備老化，故障率升高。PIS在運用中多采用故障修的方法進行維修，當列車進入較高級別修程(如架修)時才進行系統的整改、維修。列車架修時機隨車型而不同，一般距列車上線運行7～8年或更長的時間。10號線一期、二期和二期增購車輛分別于2007、2012、2015年開始投入運營使用，其中一期、二期車輛運營時間較長，設備性能下降明顯，故障率較高。

2) 車輛PIS設備備件停產，故障無法修復。現有對策只能進行車輛設備升級改造，車輛維修成本大幅增加。如10號線一期、二期車輛電力網絡橋接器(PLC)停產，導致車輛客室電視黑屏、花屏等故障無法修復，曾多次遭乘客投訴[11]。

3) 車輛PIS設備型號繁復，統型難度大。PIS沒有制造、驗證方面的規范、標準，模塊化程度低，造成產品型號繁復，配件不統一，相互不兼容，維修周期不統一。目前，10號線車輛PIS使用了包括三所、華高、阿納克斯、山海天地等廠家的產品，各廠家設備通信協議、設備接口、系統設計均不盡相同，給車輛PIS的維修帶來很大困擾。

針對上述問題，可以通過標準化準入機制，降低列車乘客信息系統故障率，減輕檢修難度，具體舉措如下：

1) 在北京地鐵10號線進行列車乘客信息系統標準化準入制度。首先，通過編制適用于10號線的設備技術規范與檢測規范，在設備采購選型階段控制各項參數指標；其次，建立檢測平臺，對準備采購或更新的設備進行統一的性能測試，通過檢測平臺，方可準入10號線列車進行應用。

2) 采用可靠性分析方法，對10號線列車乘客信息系統進行持續追蹤分析，并根據分析結果修訂檢修規程，使之與故障發生規律相匹配，減少不必要的日常檢修，設立重點專項檢修制度。

3) 建立設備全生命周期的成本核算體系，明確設備損耗及采購的經費支出，減少不必要的開支，在保障運營安全的基礎之上，保證經費支出的合理性。

4 應用效果與推廣價值

根據標準化舉措，對10號線萬柳檢修中心管轄范圍內車載PIS進行跟蹤改進研究，經過2018年對修程修制的優化以及設備準入制的實行，故障發生情況有所下降，具體如圖4所示。

圖4 2019年10號線列車乘客信息系統故障統計Figure 4 Fault statistics of Line 10 train passenger information system of Line 10 in 2019

通過統計可以發現，2019年共發生車載乘客信息系統故障 1 251起，其中監控故障 541起，占總故障率的 43.2%；廣播故障 345起，占總故障率的27.6%；MCU故障99起，占總故障率的7.9%；動態地圖故障77起，占總故障率的6.2%；客室電視故障87起，占總故障率的7%；其他各類故障 102起，占總故障率的8.2%。

監控和廣播故障仍為檢修中最多見的故障，但相比2016年，監控故障減少了188起，廣播故障減少了36起，總故障減少了357起。通過回訪調查發現，通過優化修程修制，增加了重點設備的故障排查頻率，同時降低了少發故障設備的排查頻率，有效起到了故障預防作用，并降低了工作人員的總工作時間。從經濟性分析，故障的減少帶來檢修支出的減少，初步統計約25萬元。通過設備準入制度的建立，采購了一批符合10號線當前檢修標準的車載PIS設備，預計未來會進一步減少重點設備故障的發生，同時降低故障檢修的難度。近一年的跟蹤調研顯示，10號線車載PIS標準化策略具備進一步推廣的價值。

5 結語

綜上所述，研究結果為北京地鐵現有車型車載PIS技術升級改造后的統型、后續車型車載PIS的采購提供了技術支持。目前，北京地鐵10號線列車乘客信息系統的技術規范、檢測規范的征求意見稿及配套的檢修規程已經編制完畢，已于2019年在車輛大修中10號線萬柳檢修中心進行應用，并取得初步成效。