下一代地鐵旅客信息系統廣播控制系統單元的設計實現

張 偉，賈 濤

（中車青島四方車輛研究所有限公司 電子事業部，青島 266000）

旅客信息系統廣播控制系統單元 （ACSU，Announcement Control System Unit）是地鐵旅客信息系統的中央控制器，傳統的地鐵旅客信息系統廣播控制系統單元目前面臨如下問題：（1）采用MVB或CAN總線與列車網絡系統進行數據交互，成本高，傳輸數據量有限[1]。（2）使用模擬音頻實現廣播功能，布線成本高，不同類型的車組間通用性不強[2]。（3）缺乏對客流量的有效提示和預警，依賴人工疏導[3]。（4）缺乏與乘客的有效互動，智能化接口較弱。

為了解決上述問題，本文提出下一代地鐵旅客信息系統廣播控制系統單元的設計方案：采用列車實時數據傳輸協議（TRDP），與列車網絡系統進行通信[4]；采用以太網數字化音頻通信方法實現廣播對講功能[5]；通過乘客計數系統和信息顯示系統，完成客流人員統計和乘客疏導功能[6]；通過控制車窗有機發光二極管（OLED）和魔鏡，實現與乘客的娛樂互動。

1 ACSU組成和功能

1.1 ACSU組成與外部接口

ACSU內部主要包括數字音頻模塊、列車控制管理系統（TCMS）通信模塊、閉路電視監控系統（CCTV）聯動模塊、乘客計數模塊、車內外信息顯示模塊，通過協調管理不同的模塊以滿足對不同子系統的控制功能。

ACSU與多個子設備進行數據通信，其通信拓撲如圖1所示。

（1）TCMS：ACSU接收TCMS的數據，用于行車信息管理和乘客報警信息交互；將旅客信息系統內部的設備診斷信息發送給TCMS，用于設備狀態查詢和故障診斷。TCMS與ACSU之間通過一個專用以太網接口完成數據交互。

（2）CCTV：ACSU接收CCTV的攝像機報警信息和監控設備診斷信息，實時傳送給TCMS；將TCMS的車門信號和乘客報警信息發送給CCTV，用于CCTV實現準確的報警監控。

圖1 ACSU與子系統通信拓撲圖

（3）數字音頻子系統：ACSU通過控制音頻解碼器與音頻切換器完成自動報站、半自動報站、手動報站、人工廣播功能；控制首尾車的廣播控制終端完成司機對講功能；控制乘客緊急報警器和廣播控制終端完成緊急報警功能；獲取數字音頻子系統的設備狀態和版本信息。

1.2 ACSU功能

ACSU作為下一代地鐵旅客信息系統的中央控制單元，實現對旅客信息系統的管理和控制功能。其功能主要有：

（1）行車管理：根據TCMS發送的門信號、列車離站、列車進站、列車到站信號觸發相應的語音播報和車內信息顯示功能聯動；控制司機室擋風玻璃屏顯示列車運行速度、車內溫度、時間和天氣信息，起到引導司機的作用。

（2）人員疏導： 讀取乘客計數終端所計算的乘車人員數量，按車廂分析計算人員的擁堵指數并發送給側部屏顯示，疏導候車乘客前往不同車廂乘車，避免出現單一車廂人員擁塞問題[7]。

（3）內部通訊： 通過數字音頻系統實現司機對講、乘客緊急報警對講和報警優先級功能。

（4）娛樂功能： 實現視頻播放、景點介紹、新聞預覽等功能。

（5）冗余功能：兩臺ACSU為主從備份關系，同一時刻只有ACSU主控負責旅客信息系統的調度和管理功能。當ACSU主控宕機后，ACSU從機將接管旅客信息系統的調度和管理工作。

2 ACSU硬件設計

ACSU設計標準為19 inch的3U機箱，CPCI插板式結構設計，所有接口在前面板[8]。主要包括以下模塊：

舉行典禮的廣場上擠滿了人，那個撿到鼻子的小孩站在頒獎臺上，結結巴巴不知說什么才好：“我……看到有個人掉了鼻子，我就撿起鼻子追了上去，因為跑得飛快，半路上把一個小姑娘的耳朵碰了下來——當然，我停下來替她把耳朵裝好，再繼續追……”

（1）電源轉換模塊：采用DC110 V～DC24 V電源模塊，再由24 V轉化為12 V、5 V、3.3 V、–12 V。

（2）電源供電模塊：采用DC110 V～DC24 V隔離電源模塊實現，對于DC110 V電源輸入，由電源轉換模塊引入背板，由背板引入電源供電模塊進行轉換后輸出。

（3）CPU控制器：采用Intel Atom處理器，通過背板連接交換機并進一步與其它子設備進行通信。

（4）功率放大器模塊：采用成熟的D類功放芯片，設計放大電路完成功率放大功能。

（5）音頻解碼模塊：由內置的微控制芯片對數字音頻信號進行解碼，通過與CPU控制器進行通信，接收控制命令并執行相應動作。

3 ACSU軟件設計

3.1 系統環境和開發平臺

ACSU采用Ubuntu操作系統，驅動接口豐富，運行效率高，性能穩定，并能夠有效避免Windows系統帶來的病毒問題。

應用軟件采用QT開發。在Linux操作系統下，QT可重用性好，開發效率高，能夠快速搭建人性化的UI界面。同時，QT具備優良的跨平臺特性，代碼移植效率高，可避免后期平臺遷移帶來的移植問題[9]。

3.2 軟件模塊化設計

為提高軟件開發效率，增強軟件的可讀性和易維護性，ACSU的軟件采用模塊化的開發模式。軟件共分為4層，自上而下進行調用，如圖2所示。在模塊內部實現對應的功能，并對外開放公有接口。

圖2 ACSU模塊化結構示意圖

（1）QT運行庫：QT提供了豐富的功能類庫，并提供了人性化的接口封裝。在QT運行庫的基礎上進行開發，可以提高開發效率，縮短開發周期并保證軟件質量。

（2）協議分析層：包括TRDP協議模塊、TCMS通信模塊、CCTV聯動模塊、乘客計數模塊、車內外顯示模塊、VLC播放模塊和數字音頻子系統協議模塊。協議通信模塊用于設備收發數據的協議解析。

（3）邏輯分析控制層：包含乘客計數、司機對講與緊急報警、行車管理、CCTV聯動、車內外顯示、主從冗余6個模塊。通過對來自不同設備的數據進行分析，當滿足預設條件后，產生控制命令，從而完成不同設備間的聯動。

（4）人機交互層：系統操作界面，識別用戶的操作，產生相應的控制命令；顯示相關的設備狀態信息。

4 ACSU智能化應用

4.1 實時以太網應用

傳統的MVB、CAN總線通信雖然可以滿足可靠性的需求，但是成本較高，無法滿足大數據量的傳輸需求。不同設備之間通信時需要進行硬件上的兼容測試，開發成本較高，周期長。

TRDP協議是在以太網基礎上開發的實時數據傳輸協議[10]。它在保證實時性和可靠性的基礎上可以滿足大數據量的傳輸；與MVB、CAN總線通信相比成本較低；一致性的兼容測試主要集中于軟件應用層面，靈活性高。

ACSU采用現有的網絡接口通過開發TRDP協議即可以實現與列車網絡系統的通信，完成行車信息的交互和故障信息上報，同時，利用現有的網絡接口同時實現音視頻數據的傳輸，滿足大數據量的傳輸需求。

4.2 乘客計數應用

傳統的地鐵列車缺乏乘客計數功能，無法得知目前的乘客人員數量，只能依賴地面工作人員完成人員疏導，效率低且效果不佳。

ACSU實現了乘客計數功能。它通過采集車門上方的乘客計數終端所記錄的上車和下車人數，統計計算不同車廂的乘客人數，并計算出擁堵指數顯示在顯示屏上，并觸發相應的語音廣播，提醒乘客當前車廂的人員現狀。同時，ACSU將不同車廂的人員統計和整車人員統計發送給車地通信模塊，從而上傳到地面系統，讓地面人員得知目前車組的乘車人員現狀。擁堵指數顯示效果如圖3所示。

圖3 擁堵指數顯示效果

5 結束語

廣播控制系統單元作為下一代地鐵旅客信息系統的中央控制單元，能夠協調管理旅客信息系統不同子系統之間的通信交互，滿足列車智能化的應用需求。采用TRDP協議完成與列車網絡系統的通信交互，滿足通信實時性和大數據量傳輸的需求；通過控制乘客計數終端獲取乘客計數結果，并進一步完成人員統計與人員疏導功能。