軌道交通多線路共用乘客信息系統(tǒng)技術(shù)方案研究

汪曉臣，夏德春，闞庭明，孫同慶

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081）

軌道交通多線路共用乘客信息系統(tǒng)技術(shù)方案研究

汪曉臣，夏德春，闞庭明，孫同慶

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081）

本文對多線路共用乘客信息系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行研究，提出以基于面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后對車站/車載終端設(shè)備接入流程進(jìn)行說明。

軌道交通；地鐵；多線共用；乘客信息系統(tǒng)；方案研究

隨著城市軌道交通多線路、多運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營格局形成，乘客信息系統(tǒng)（PIS）按照“一線一中心”的模式進(jìn)行運(yùn)營調(diào)度管理難以適應(yīng)多線路、多運(yùn)營商狀況下的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸協(xié)調(diào)、突發(fā)事件處置等需要。乘客信息系統(tǒng)將面臨從“一線一中心”模式向“多線路共用中心”模式轉(zhuǎn)變，建設(shè)多線路共用乘客信息系統(tǒng)，以軌道交通路網(wǎng)（簡稱：路網(wǎng)）為單位或運(yùn)營商為單位進(jìn)行線路中心建設(shè)，實(shí)現(xiàn)PIS信息的統(tǒng)一采集、編播、分發(fā)、控制。

1 背景介紹

軌道交通發(fā)展初期由于線路較少，PIS的建設(shè)多是按照單線建設(shè)、單線運(yùn)營的管理模式，對線路之間的換乘以及形成路網(wǎng)后PIS的統(tǒng)一管理考慮較少[1]。隨著國內(nèi)一線城市軌道交通線路逐步形成路網(wǎng)，PIS再按照“一線一中心”模式進(jìn)行建設(shè)，在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營、應(yīng)急指揮、投資控制、信息共享等方面存在一定缺陷，難以適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營需要。其缺陷主要表現(xiàn)在：（1）網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營能力欠缺。各線路PIS都是作為獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)的，在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)路線、管理規(guī)則、運(yùn)營管理、日常維護(hù)等方面存在一定差異，先天的劣勢決定了PIS不能按照基于全路網(wǎng)體系進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范管理、操作和維護(hù)，難以實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)內(nèi)各線路PIS信息的互連互通、信息共享和統(tǒng)一管理。（2）應(yīng)急指揮功能不足。由于各線路PIS獨(dú)立運(yùn)營，路網(wǎng)、各線路之間要實(shí)現(xiàn)應(yīng)急信息的統(tǒng)一發(fā)布，既有技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式上存在大量的硬件、軟件接口，導(dǎo)致信息傳輸存在一定的延遲；特殊情況下由于接口出現(xiàn)故障，信息難以發(fā)布。因此，在獨(dú)立運(yùn)營條件下，難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮信息的快速發(fā)布和撤銷，難以滿足應(yīng)急指揮的及時(shí)性要求。（3）不利于企業(yè)投資成本控制。各條線路分設(shè)線路中心，導(dǎo)致設(shè)備、運(yùn)維的成本較高。（4）信息共享能力差。各線路PIS信息獨(dú)立運(yùn)營，難以實(shí)現(xiàn)信息共享。

基于此，國內(nèi)部分PIS建設(shè)模式正逐步向多線路共用線路中心、路網(wǎng)指揮中心模式轉(zhuǎn)變，多條軌道交通線路共用PIS中心系統(tǒng)，所有車站直接連接共用中心系統(tǒng)。

2 總體設(shè)計(jì)要求

多線路共用乘客信息系統(tǒng)搭建統(tǒng)一的路網(wǎng)中心系統(tǒng)，通過地鐵傳輸網(wǎng)絡(luò)，接入多條線路車站系統(tǒng)及線路車載系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多線路共用乘客信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

從物理結(jié)構(gòu)上劃分，多線路共用乘客信息系統(tǒng)分為兩層：（1）多線路共用中心層，該層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)對所轄多條線路PIS設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。向上連接TCC、時(shí)鐘、外部接口系統(tǒng)信息的統(tǒng)一接入，向下連接各線路車站網(wǎng)絡(luò)。多線路共用中心層提供線路接入的測試平臺，用于車站終端接入的協(xié)議測試、點(diǎn)對點(diǎn)測試。（2）線路層，負(fù)責(zé)提供各線路車站中心系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營，提供車載子系統(tǒng)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營。線路層通過線路骨干網(wǎng)連接多線路中心層網(wǎng)絡(luò)；車載子系統(tǒng)通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)連接多線路中心層網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：（1）至少滿足20～40條軌道交通線路、1 600座車站（8 000個(gè)播放終端）、2 000輛車輛同時(shí)對多線路共用乘客信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)訪問能力；（2）媒體資源、播放列表、播放版式、播放計(jì)劃等數(shù)據(jù)以通用的描述語言對外開放。

3 技術(shù)路線對比

多線路共用乘客信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要方便各線路車站系統(tǒng)、車載系統(tǒng)的統(tǒng)一接入，車站播放控制器、車載播放控制器能以通用、標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議方式接入多線路共用乘客信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PIS業(yè)務(wù)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入。通用的含義是各線路車站系統(tǒng)接入播放控制器的設(shè)備類型、所采用硬件架構(gòu)、操作系統(tǒng)等不受限制，保證各線路PIS設(shè)備采購不受限制。標(biāo)準(zhǔn)的含義是系統(tǒng)接入?yún)f(xié)議必須符合國際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，接入?yún)f(xié)議對車站系統(tǒng)、車載系統(tǒng)具有普適性。

目前，在工業(yè)自動(dòng)化控制及信息技術(shù)領(lǐng)域，廣泛采用的技術(shù)路線有以下兩類：

(1) 采用工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域常用的MODBUS TCP/IP協(xié)議架構(gòu)。MODBUS/TCP是簡單的、中立廠商用于管理和控制自動(dòng)化設(shè)備的MODBUS系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品，其作為國際工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，對于各類數(shù)據(jù)處理具有通用性，能滿足當(dāng)前不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信要求。

（2）基于面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。SOA是一種架構(gòu)模型，它可以根據(jù)需求通過網(wǎng)絡(luò)對松散耦合的粗粒度應(yīng)用組件進(jìn)行分布式部署、組合和使用。它將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。SOA架構(gòu)能很好的解決多源異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，具有廣泛的通用性和兼容性。

通過兩種技術(shù)指標(biāo)的對比分析，如表1所示，SOA架構(gòu)在協(xié)議可讀性、協(xié)議擴(kuò)展性和可承載的通信數(shù)據(jù)量上具有一定優(yōu)勢，因此，本系統(tǒng)采用SOA架構(gòu)進(jìn)行搭建。

表1 兩種通信協(xié)議技術(shù)對比

4 總體技術(shù)方案

根據(jù)上述分析，基于SOA架構(gòu)，搭建多線路共用乘客信息系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對路網(wǎng)內(nèi)PIS信息集中處理，實(shí)現(xiàn)對多媒體信息、日常運(yùn)營信息、外部接口系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，并向路網(wǎng)內(nèi)多條線路所屬車站系統(tǒng)、車載系統(tǒng)提供信息訪問服務(wù)。車站系統(tǒng)/列車系統(tǒng)接收來自多線路共用乘客信息中心的PIS信息合成播放，向乘客提供信息引導(dǎo)服務(wù)。

多線路共用乘客信息系統(tǒng)需要向車站/車載系統(tǒng)提供PIS業(yè)務(wù)功能，經(jīng)過對這些業(yè)務(wù)功能進(jìn)行抽象分解，分解為更小的原子業(yè)務(wù)單元，以基于服務(wù)的方式將各業(yè)務(wù)單元進(jìn)行服務(wù)封裝，并以服務(wù)方式發(fā)布到路網(wǎng)中心Web容器，對外提供統(tǒng)一的URL訪問地址，提供統(tǒng)一的訪問接口說明，從而實(shí)現(xiàn)車站/車載系統(tǒng)的靈活接入。本系統(tǒng)中，可抽象出如下業(yè)務(wù)服務(wù)：播放列表服務(wù)、版式布局服務(wù)、版式播放計(jì)劃服務(wù)、文件訪問服務(wù)、設(shè)備狀態(tài)上報(bào)服務(wù)、設(shè)備監(jiān)控服務(wù)、設(shè)備狀態(tài)查看服務(wù)、消息中心服務(wù)、接入認(rèn)證服務(wù)等。多線路共用乘客信息系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對車站/車載系統(tǒng)的統(tǒng)一接入；多線路PIS播表、版式的格式統(tǒng)一發(fā)布；所有設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)視和控制；運(yùn)營信息的統(tǒng)一發(fā)布和撤銷。極大地提高了路網(wǎng)模式下地鐵運(yùn)營的協(xié)同指揮能力。

多線路共用乘客信息系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 多線路共用乘客信息系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

4.1 線路接入

車載播放控制器、車站播放控制器、移動(dòng)終端、智能手機(jī)都可采用通用的接入方式接入本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同類型終端、跨操作系統(tǒng)平臺的接入。

4.2 多線路共用乘客信息系統(tǒng)

4.2.1 接入安全管理

采用安全框架、接入認(rèn)證、傳輸加密三重手段，保證終端接入合法、系統(tǒng)架構(gòu)安全、數(shù)據(jù)/文件傳輸安全，為本系統(tǒng)提供可靠安全保障。

4.2.2 業(yè)務(wù)功能服務(wù)

提供多種PIS業(yè)務(wù)服務(wù)訪問，將本系統(tǒng)對外提供的業(yè)務(wù)功能、數(shù)據(jù)以服務(wù)方式發(fā)布，以標(biāo)準(zhǔn)、通用的WebService 接口向車站/車載系統(tǒng)提供訪問接口，從而實(shí)現(xiàn)多類型終端的簡單接入，提高系統(tǒng)的通用性。

4.2.3 服務(wù)容器

包括Tomcat容器、MQ消息中間件平臺、文件服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)庫軟件以及系統(tǒng)集群軟件Nginx，為本系統(tǒng)提供基礎(chǔ)軟件容器平臺；提供集群軟件，支持多終端設(shè)備大并發(fā)數(shù)據(jù)訪問。

4.2.4 硬件基礎(chǔ)架構(gòu)

包括中心服務(wù)器、文件服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備以及PIS業(yè)務(wù)中TCC/ATS/ISCS/ CLK等接口系統(tǒng)連接的接口服務(wù)器。

4.2.5 協(xié)調(diào)中心

包括調(diào)度中心、配置中心、分布式鎖等，提供定時(shí)調(diào)度業(yè)務(wù)、提供通用參數(shù)配置等，支持系統(tǒng)業(yè)務(wù)隨需擴(kuò)展。

5 車站/車載終端設(shè)備接入

多線路共用乘客信息系統(tǒng)的關(guān)鍵是要方便車站/車載系統(tǒng)的接入，保證地面PIS與車載PIS播放信息同步。本系統(tǒng)終端設(shè)備接入流程如圖3所示。接入步驟如下：

（1）車站系統(tǒng)/車載系統(tǒng)向多線路共用乘客系統(tǒng)傳遞終端設(shè)備參數(shù)，訪問多線路中心的接入認(rèn)證服務(wù)功能，認(rèn)證通過，終端設(shè)備接入并能訪問其他業(yè)務(wù)功能，認(rèn)證不通過，接入失敗退出。

（2）通過多線路中心系統(tǒng)為每個(gè)終端分配唯一的UUID，訪問播放計(jì)劃服務(wù)，獲取該播放終端相應(yīng)的播放計(jì)劃數(shù)據(jù)，該計(jì)劃數(shù)據(jù)為xml格式文件，詳細(xì)定義了該播放終端的播放版式布局信息、播放日程表信息、播放列表定義信息、媒體文件信息等數(shù)據(jù)。

圖3 終端設(shè)備接入流程圖

（3）解析播放計(jì)劃，分別獲取播放版式布局設(shè)置、播放計(jì)劃日程表、播放列表、多媒體文件信息，并通過多媒體文件描述，到多媒體文件服務(wù)器下載多媒體文件。

（4）驗(yàn)證該播放計(jì)劃數(shù)據(jù)的完整性和有效性，驗(yàn)證通過，播放終端合成播放，根據(jù)播放計(jì)劃設(shè)定的播放日程表，對播放文件進(jìn)行調(diào)度，最后進(jìn)行多媒體合成輸出。

（5）新播放計(jì)劃監(jiān)聽，當(dāng)有新計(jì)劃發(fā)布時(shí)，重新獲取播放計(jì)劃，更新多媒體文件，終端設(shè)備重新調(diào)度，重繪輸出畫面。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對上述技術(shù)方案，本項(xiàng)目開發(fā)出全功能的多線路共用乘客信息系統(tǒng)軟件產(chǎn)品，并搭建實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境如下：（1）搭建多線路共用乘客信息系統(tǒng)。模擬中心媒體分發(fā)、版式編輯及下發(fā)、版式切換、運(yùn)營信息發(fā)布、ATS列車到發(fā)時(shí)刻表信息下發(fā)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視等重點(diǎn)業(yè)務(wù)功能。（2）接入3條線路PIS。每條線路設(shè)置10臺播放控制器。3條線路分別設(shè)置不同播放版式，分別接收各自線路的ATS列車到發(fā)時(shí)刻表數(shù)據(jù)。（3）編寫并發(fā)測試用例，對播放列表服務(wù)、播放版式服務(wù)、播放計(jì)劃服務(wù)等核心功能進(jìn)行加壓測試，以測試其8 000個(gè)以上終端接入能力。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)束語

隨著技術(shù)以及管理手段的逐步成熟，傳統(tǒng)PIS的線路中心子系統(tǒng)將被統(tǒng)一的城市軌道交通多線路共用編播中心所替代。隨著國內(nèi)大中城市軌道交通運(yùn)營線路的增多，PIS運(yùn)營向著網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化方向不斷發(fā)展。PIS編播中心將最大程度滿足網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營后的集中管理、調(diào)度指揮和信息統(tǒng)一播放，實(shí)現(xiàn)全路網(wǎng)乘客信息系統(tǒng)的統(tǒng)一運(yùn)營及協(xié)調(diào)管理，建設(shè)多線路共用乘客信息系統(tǒng)將是PIS發(fā)展的必然趨勢。

[1]汪曉臣,于 鑫,闞庭明,等.軌道交通路網(wǎng)編播中心系統(tǒng)建設(shè)方案研究 [J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，22（9）：43-46.

[2]闞庭明，王富章，魏 奇，汪曉臣.城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)集成播控平臺的設(shè)計(jì)研究[J].科技通報(bào)，2013（7）.

[3]李道全，趙偉華.多線共用AFC系統(tǒng)線路中心設(shè)計(jì)[J].都市軌道交通，2012，10（5）：71-74.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Technical scheme of Passenger Information System for multi line sharing of Urban Transit

WANG Xiaochen,XIA Dechun,KAN Tingming,SUN Tongqing
( Institute of Computing Technologies,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

This paper studied on the technical scheme of Passenger Information System for multi line sharing of Urban Transit,proposed the SOA based design of system architecture,explained the accessing process for station and onboard terminal equipment.

Urban Transit;subway;multi line sharing;Passenger Information System(PIS);scheme research

U231.92∶TP39

A

1005-8451（2016）06-0061-04

2015-09-31

中國鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目（1351DZ0706）。

汪曉臣，副研究員；夏德春，副研究員。