地鐵列車地面實景播報系統研究★

張紫城 何永明 付皓天 韓思澤 丁柏群

(東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

北上廣深等特大城市的上班族每天有大量的時間乘坐擁擠的地鐵，對車廂內視頻廣告要么熟視無睹，要么不勝其煩。同時還得集中精力注意地鐵車輛所在的區段位置，以免錯過站點，因此很容易產生疲勞和焦慮情緒[1]。對于外地乘客，渴望欣賞城市高樓大廈的繁華，卻又忍受不了地面交通的擁堵，不得不在地面交通和地下交通之間做艱難選擇。

論文對地鐵列車地面實景播報系統進行了研究，該系統可以實時提供地鐵列車所處位置地面的實景視頻，讓乘客乘坐地鐵時能夠和乘坐地面交通工具一樣了解自身所處的實時位置，并能欣賞沿途城市風景。

1 相關研究概述

目前國內地鐵報站方式基本相同，通常用語音報站和車廂內指示燈相結合的方法[2]。語音報站一般在停車和開車之前，告知乘客下一站停靠站點和換乘信息。車廂內的指示燈能夠顯示地鐵列車所處的實時區段。由于定位誤差和通信故障造成站點誤報或未報的情形時常出現，因此針對地鐵定位和通訊的相關研究較多[3]。

逄順勇等利用智能手機陀螺儀等慣性傳感器彌補GPS和基站定位過分依賴外部信號的不足，有效提高了地鐵列車定位精度，提高了地鐵列車報站準確度[4]。徐子興等提出了一個高可靠性的地鐵列車廣播控制盒仿真方案，該方案以STC15單片機為核心，通過電路設計和制作，實現了自動報站、緊急信息廣播，以及緊急對講等功能[5]。薛紅艷等研究了包含廣播系統、視頻監控系統和媒體顯示系統的乘客信息顯示系統，并對地鐵運營過程中出現的問題提出優化建議[6]。孫語涵設計了一種適用于地鐵隧道側壁連續視頻播放系統,該系統確保列車內部的乘客所觀看的地鐵隧道側壁播放的視頻是連續播放和流暢無停頓[7]。

以上研究對提高地鐵服務水平起到一定的作用，但是無法讓乘客欣賞到地鐵隧道上方地面道路兩側的風景。

2 系統結構原理

2.1 系統結構

地鐵列車地面實景播報系統，由控制主機、投影儀、條形屏幕、定位模塊和測距模塊組成。系統結構見圖1。

定位模塊安裝在地鐵列車編組中間車廂頂部正中，用于采集地鐵車輛的位置信息。測距模塊安裝在列車每個車窗正下方，用于采集車身與隧道壁的距離信息。條形屏幕沿隧道壁連續安裝，其中心線高度略低于車窗水平中心線，條形屏幕高度取車窗高度的2倍。投影儀安裝在列車每個車窗正上方，向下傾斜45°，用于將實景視頻投射到條形屏幕。控制主機安裝在地鐵列車駕駛室，用于存儲實景視頻，并根據定位模塊采集的位置信息和測距模塊采集的距離選擇播放相應的實景視頻。

2.2 系統原理

地鐵列車無論是運行狀態還是在站停靠，地鐵列車、乘客、投影儀和條形屏幕4者都是相對靜止的，研究團隊巧妙運用這一特點實現隧道壁投影，讓乘客領略隧道上方地面道路兩側的風景。

地鐵列車地面實景播報系統用定位模塊獲取地鐵列車實時位置，利用測距模塊判斷列車與隧道壁的距離信息，并將以上信息發送給控制主機，控制主機根據以上信息，選擇是否播放實景視頻和播放哪段視頻，地鐵乘客通過觀賞列車窗戶外條形屏幕上的實景視頻，得到與乘坐地面公交車相同的效果(見圖2)。

3 系統工作過程

3.1 視頻錄制及編號

以地面公交車乘客視角錄制道路兩側實景視頻，錄制視頻時公交車行駛速度與地鐵列車駛過速度盡量一致，與地鐵列車在站點附近加速和減速段的速度也盡量一致，地鐵列車在站上下客時，錄制站點附近地面實景，并將視頻編號保存在控制主機中，視頻編號舉例見表1。

表1 視頻編號舉例

3.2 視頻播報過程

1)起點站發車。

定位模塊采集地鐵列車的位置信息，如定位模塊確定地鐵列車在站點1，測距模塊檢測車身兩側與隧道壁的距離信息，距離大于正常值則表明該側(例如右側)為站臺，投影儀關閉，控制主機將朝向隧道壁另一側(左側)的視頻(SZ1)傳送到投影儀，乘客通過列車窗戶外的條形屏幕觀賞到站點附近地面道路對應一側(左側)的實景視頻。

2)區間1-2運行。

SZ1視頻播放完畢，乘客全部上車，右側車門關閉。地鐵列車啟動，由站點1開往站點2，控制主機將視頻SZ12和SY12分別傳送到車身左右兩側的投影儀，乘客通過列車窗戶外的條形屏幕觀賞到地鐵車輛位置附近地面道路兩側的實景視頻。

3)停靠站上下客。

地鐵到達站點2，地鐵列車停車。由于錄制視頻時的速度與地鐵列車行駛速度基本相同，地鐵列車停車時，視頻SZ12和SY12也剛好播放完畢。測距模塊再次檢測車身兩側與隧道壁的距離，距離大于正常值則表明該側(例如左側)為站臺，控制主機將視頻傳送到車身另一側的投影儀，乘客通過右側列車窗戶觀賞到站點2附近地面道路對應一側(右側)的實景視頻。

4)區間2-3運行。

由于地鐵在各站上下客的時長相對固定，SY2視頻播放完畢時乘客也完成上下車，左側車門關閉。地鐵列車啟動，由站點1開往站點2，控制主機將視頻SZ23和SY23分別傳送到車身左右兩側的投影儀，乘客通過列車窗戶外的條形屏幕觀賞到地鐵車輛位置附近地面道路兩側的實景視頻。

按照以上步驟直至地鐵列車完成上行行程到達終點，進入下行行程，如此反復。

4 效果評價

4.1 評價參數選擇

當地鐵列車在某一區段運行到達停靠站點時，播放內容正好播放完畢，或者地鐵列車發車時停靠站點的視頻正好播放完畢，這是最理想的效果。

實際上地鐵運行時間誤差為零幾乎是不可能的，因此只能期望誤差越小越好。地面實景播報系統在每個區段運行或在每個站點停靠時，播放內容的時長與實際運行時間或停靠時間的誤差越小則證明效果越好。因此，選擇運行時間誤差和停靠時間誤差作為評價實景播報系統的評價參數。

4.2 運行時間誤差

為了評價地鐵運行時間誤差，研究團隊調查了哈爾濱市地鐵1號線學府路站至鐵路局站之間的3個運行區間，10次調查數據平均誤差和最大誤差見表2。

表2 運行時間誤差

由表2可見，調查區間運行平均誤差不超過5 s，最大誤差僅有13 s。因此，在誤差時間段內插入報站信息或者廣告即可完美轉換，不會影響實景播報系統的效果。

4.3 停靠時間誤差

調查區段涉及4個停靠站，各站點停靠時間誤差見表3。

表3 停靠時間誤差 s

由表3可見，各停靠站平均停靠時間誤差不超過2.5 s，最大誤差不超過4 s，低于運行時間誤差，因此也不會影響到實景播報系統的實施效果。

5 結語

論文研究了一種地鐵列車地面實景播報系統，該系統用定位模塊獲取地鐵列車實時位置，利用測距模塊判斷列車與隧道壁的距離信息，并將以上信息發送給控制主機，控制主機根據以上信息，選擇是否播放實景視頻和播放哪段視頻，地鐵乘客通過觀賞列車窗戶外條形屏幕上的實景視頻，得到與乘坐地面公交車相同的效果。