地鐵乘客信息系統(tǒng)中車—地實時信息的傳輸及控制分析

代民安

（江蘇省設備成套有限公司，江蘇 南京210009）

0 引言

隨著世界經濟水平的提高以及人口數量的增加，城市交通擁堵問題在世界范圍內尤其是各大、中城市日益嚴峻。為了緩解城市道路交通擁堵的狀況，許多城市都開始著手規(guī)劃和建設舒適、便捷、高效的地鐵軌道交通系統(tǒng)。在城市地鐵系統(tǒng)建設不斷發(fā)展的形勢下，地鐵乘客信息系統(tǒng)（Metro Passenger Information System）作為一種新興的軌道交通系統(tǒng)，也逐漸開始得到應用。有關數據統(tǒng)計顯示，2012年乘客信息系統(tǒng)（PIS）在全國軌道交通改造及其相關機電設備采購中占據了相當的份額，其中北京地鐵14號線、無錫地鐵1號線及2號線，以及長沙軌道交通1號線等都進行了乘客信息系統(tǒng)設備的采購。

1 地鐵乘客信息系統(tǒng)及其構成

地鐵乘客信息系統(tǒng)依托計算機網絡技術和多媒體技術，由控制中心、廣告編輯中心、車站控制子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)及網絡系統(tǒng)等構成，如圖1所示。該系統(tǒng)可以對多種多媒體資訊信息進行編輯和制作，并借助車站或車載液晶顯示器實時動態(tài)地傳輸給地鐵乘客，從而提高乘客的出行效率，提升地鐵軌道交通的服務水平及競爭力。同時，在發(fā)生火災、地震、恐怖襲擊等緊急情況時，該系統(tǒng)還可以迅速廣播各種動態(tài)的有關緊急疏散和防災的文本及圖像信息，協(xié)助和引導乘客進行緊急避難，從而有效保障乘客及工作人員的生命安全。

圖1 地鐵乘客信息系統(tǒng)基本構成

其中，車載子系統(tǒng)是地鐵乘客信息系統(tǒng)的重要組成部分之一，可以接收和廣播控制中心下發(fā)的各類多媒體信息，并在地鐵進站時，及時插播地鐵的到站信息和換乘信息。此外，車載子系統(tǒng)中設置有攝像機，用于采集車廂內的圖像，便于司機和控制中心人員的實時監(jiān)控。然而，車載子系統(tǒng)在車—地信息傳輸過程中，其通信信號很容易受到無線通信、有線廣播、內部通信聯(lián)絡、基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）、移動GSM、CDMD及3G通信等的干擾，影響傳輸質量。同時，在高速移動的地鐵上，傳輸觸發(fā)時機和數據流量的高速切換也存在很大的問題，如果處理不當，就會造成信息重傳、信號衰減、傳輸速率下降等問題，導致車—地之間數據和圖像不能實時、無縫地進行傳輸。因此，保證車—地信息傳輸的穩(wěn)定性和實時性，對提高地鐵運營服務水平來說，就顯得非常重要。

2 車—地信息傳輸網絡

常用的車—地信息傳輸網絡可以分為有線網絡和無線網絡兩種。對于前者，隨著城市地鐵軌道交通的線網化發(fā)展和線路的復雜化，為滿足換乘線路間的信息互通需求，需要不斷增加線路的外部信息源接口和線路間PIS接口，此時無論采用車站接口模式還是中心接口模式，都會增大有線光纜的敷設難度，導致地鐵管理難度加大。而采用無線網絡傳輸，只需在地鐵沿線設置無線傳輸設備和天線，并在地鐵線路的車站設置網絡管理服務器，就可以實現車輛與地面間信息的實時傳輸。

目前，可應用于地鐵數據傳輸的無線網絡技術有數字視頻廣播技術和網絡流媒體技術。采用數字視頻廣播技術可以提高車載新聞及娛樂視頻節(jié)目的播放質量和時效性，基本可以滿足10Mb／s以上的多媒體信息下傳，但是當采用該技術向移動地鐵發(fā)送視頻信號時，低頻率信號容易發(fā)生快速衰減，尤其是在隧道中，因此一般需要在隧道中敷設漏纜。而采用網絡流媒體技術，不僅造價較低，而且車載計算機還可以通過無線局域網（WLAN）平臺從遠程服務器實時下載視頻文件、導乘信息等，并進行信息合成，然后以VGA的方式輸出到車載顯示屏上，從而完成信息的遠程實時播放。因此，當前，地鐵乘客信息系統(tǒng)一般選用無線局域網來實現。

在國內軌道交通網絡系統(tǒng)中，傳統(tǒng)上使用的無線局域網物理層標準是IEEE802．11a、IEEE802．11b和IEEE802．11g，這3類物理層標準可以滿足2．4GHz免許可證開放頻段的工作需求，最大帶寬為54Mb／s。但是，其容易受到地鐵現場環(huán)境的復雜性因素尤其是高速移動的影響，難以保證數據和圖像實時傳輸的質量。特別是當地鐵從線路沿線一個WLAN接入點（AP）的覆蓋區(qū)域進入另一個AP覆蓋區(qū)域時，需要進行切換，容易造成傳輸中斷或延遲。同時，由于無線頻道的帶寬限制，需要采用大量的編碼算法如H．263、MPEG4等對視頻信號進行壓縮，很難保證信號傳輸的高清質量。

3 車—地信息傳輸的質量控制

為了保證車—地信息傳輸的可靠性和穩(wěn)定性，可以通過有損通道、誤差控制等方法在原始視頻流中增加冗余信息，從而糾正視頻壓縮過程中的位元錯誤，或者是添加適應性源—通道編碼，如離散余弦轉變視頻編碼、噴泉碼等，以最大程度地減小視頻傳輸失真。不過，這些編碼模型多是針對因信道衰落而造成的數據包丟失，而對地鐵高速移動過程中因網絡高速切換造成的數據丟包問題卻不能很好地解決。

3．1 針對網絡高速切換的傳輸質量控制

IEEE802．11p是軌道交通傳輸網絡中一種新興的技術，適用于高速變換車輛網絡，其介質訪問控制（MAC）協(xié)議采用增強型分布式信道訪問，而其物理層則由基于正交頻分多路復用的IEEE802．11a標準變化而來，其信道寬為10MHz。近幾年，噴泉碼在視頻數據流的傳輸中得到廣泛使用，將其引入地鐵乘客信息系統(tǒng)中，有望用于修復因網絡高速切換而造成的數據包丟失。因此，將上述二者結合起來，并進行綜合設計，可以優(yōu)化視頻傳輸服務質量。該結構采用噴泉碼作為應用層，經過編碼的應用層數據包被密封在實時傳輸協(xié)議（RTP）中，并被傳送到車—地傳輸網絡中。而網絡協(xié)議（IP）則被IEEE802．11p的MAC和物理層密封，在地鐵高速運行過程中，一旦發(fā)生切換，則相應的應用層參數自動適應，無線信道也自動改變，從而提高車—地視頻傳輸的質量。

3．2 針對通信信號干擾的傳輸質量控制

在對乘客信息系統(tǒng)造成干擾的眾多信號源中，CBTC干擾的影響最大，可采取以下措施來減小二者之間的相互干擾：

（1）二者選擇同一家WLAN供貨商。目前，CBTC系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)無線帶寬要求分別為2MHz和10MHz，可以通過采用IEEE802．11b的直接序列擴頻（DSSS）技術，將視頻傳輸速率提高到11Mb／s，進而使CBTC系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)進行集成工作，這樣既能節(jié)省無線頻率資源，又能避免二者之間的干擾。

（2）當二者的 WLAN供貨商不同時，可將其頻段分開使用。例如，CBTC使用2．4GHz頻段，而PIS使用5．8GHz頻段。

（3）當二者的WLAN供貨商不同時，若要使用同一頻段，則可通過改變天線極化方向和規(guī)劃無線頻段的方法來減少二者之間的干擾。

4 結語

隨著地鐵乘客信息系統(tǒng)的不斷改進，車—地信息傳輸技術也不斷完善，這對實現地鐵與車站之間圖像和數據的實時、無縫傳輸起到了重要作用。地鐵出行信息、新聞娛樂信息等多媒體信息的實時、可靠傳遞，很大程度上提高了城市軌道交通出行的便捷性、安全性和舒適性，也提高了乘客的滿意度，對提升城市地鐵軌道交通的運營服務水平具有重大意義。

［1］闞庭明．城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢探討［J］．鐵路計算機應用，2009（1）