基于寬帶無線通信的車地廣播系統技術方案研究

葛淑云，尹林杰，郭 戈，申鈺蓉

（1.中鐵電氣化局集團有限公司設計研究院，北京 100166；2. 西咸新區軌道交通投資建設有限公司，西安 710086）

1 概述

城市軌道交通廣播系統在地鐵行車組織、客運服務、防災救險、設備維護等方面具有十分重要的作用。城市軌道交通廣播系統主要由地面廣播系統和車載廣播系統組成，地面廣播系統由中心廣播系統和車站廣播系統組成，地面廣播系統已經非常成熟。受車地無線通信系統帶寬的限制，基于窄帶無線通信系統的車地廣播系統主要實現語音廣播內容傳輸，功能簡單。同時，列車乘客報警器一般只能進行語音報警，無法實現可視化的音視頻報警，而且乘客僅能向列車司機報警，無法向控制中心報警。

隨著無線寬帶通信技術的發展及應用，在地面與列車之間構建寬帶無線通信網絡成為可能，在滿足城市軌道交通廣播業務基本需求的同時，可開展更多車地廣播系統功能的研究。同時，無人駕駛已成為城市軌道交通發展的必然趨勢，對廣播系統功能提出更高的要求，此情況下由控制中心對車載廣播進行管理和控制是十分必要的。

2 車地廣播系統技術方案

車地廣播系統實現控制中心對列車的人工廣播、TTS（文本轉語音）廣播、應急廣播及中心與乘客緊急可視對講等功能。車地廣播系統構成如圖1 所示。

圖1 車地廣播系統構成圖Fig.1 Composition diagram of train-ground broadcasting system

2.1 中心廣播系統

在控制中心設置廣播/TTS 服務器、廣播控制終端、廣播控制盒及網絡交換機等設備，實現中心對列車實時人工廣播、預錄制廣播、TTS 廣播及應急廣播等功能，并可根據設定的優先級進行播放，語音清晰流暢。

廣播/TTS 服務器可實現廣播節目編輯及分發、日志記錄及查詢等功能，可將文本轉語音，并下發至列車進行廣播；可實現廣播音頻流的推送、拉取、轉發，具有流媒體傳輸協議轉換功能，可接入TCC（路網指揮中心）對列車廣播；可實現乘客對講視頻存儲功能。

廣播/乘客對講終端可編輯、分發廣播節目和語音庫，啟動廣播節目，管理乘客求助呼叫；可監控廣播系統和設備狀態，當設備離線或故障時，可進行報警，通知維護人員對設備進行維修；同時，通過廣播/乘客對講終端可實現控制中心與列車乘客可視對講及掛斷、顯示報警列車號和車廂報警器號等功能，當報警求助的乘客較多時，能夠實現排隊等待，并在地面廣播終端上顯示排隊情況；可設置列車、TCC、OCC 等多個接報地點的優先級。

廣播控制盒可實現人工廣播、監聽等功能。

2.2 車載廣播系統

在列車設置廣播主機、客室分機、廣播控制盒、乘客報警器及揚聲器等設備，通過車地寬帶無線系統實現與控制中心廣播系統的連接，接收控制中心發送的廣播信息，實現乘客與控制中心的可視對講。

廣播主機設置在司機室或者車頭車尾的弱電設備機柜中，廣播主機作為車載廣播系統的核心設備，管理客室分機、廣播控制盒、乘客報警器等廣播設備；客室分機負責接收廣播主機、廣播控制盒的音頻，進行音頻解碼，驅動車廂揚聲器工作。

車載廣播系統在乘客語音報警器的基礎上，增加視頻功能，實現乘客與司機、乘客與控制中心乘客調度的可視化報警。當列車乘客報警器被觸發后，司機室、控制中心可根據設定優先級分別收到報警提示。例如首選司機接聽乘客報警，若10 s 后司機仍無應答，自動轉至控制中心調度人員接聽；司機或控制中心調度人員與乘客對講時，攝像頭能捕捉乘客圖像，實時同步清晰地在廣播/乘客對講終端上播放；當多個乘客呼叫中心時，廣播/乘客對講終端可以顯示全部呼叫，中心人員可選擇任意一個接通，其余未被接聽的呼叫保留請求。

2.3 寬帶無線通信系統

當控制中心對列車進行廣播時，傳送的是語音業務，各種語音編碼對無線帶寬的需求不同，每路最大為64 kbit/s；當乘客對控制中心緊急可視報警時，由于傳送列車對控制中心的上行高清視頻業務，視頻帶寬每路不少于2 Mbit/s。因此車地廣播系統對寬帶無線通信系統的帶寬需求為每列車上行不少于2 Mbit/s，下行不少于64 kbit/s。當控制中心有2 個乘客調度員時，可以同時接收2 個乘客緊急可視對講，若乘客緊急可視報警發生在同一無線小區的兩列車時，帶寬需求則加倍。

現階段城市軌道交通可采用的寬帶無線通信系統技術主要有LTE-M、WIFI 技術、EUHT 技術、5G 技術。LTE-M 在1.8 GHz 頻段下使用15 MHz頻寬，測試的小區邊緣帶寬為上行8 Mbit/s，下行邊緣帶寬為9 Mbit/s。EUHT 在5.8 GHz 80 MHz的頻寬下，測試的小區邊緣帶寬為上行63 Mbit/s，下行邊緣帶寬為106 Mbit/s。隨著LTE-M、EUHT 等技術在城市軌道交通的應用，通過寬帶無線通信系統承載單向可視對講也成為趨勢。在寬帶無線通信系統綜合承載信號系統、PIS 系統、廣播系統業務時，建議對車地廣播系統設置較高的優先級，以保證廣播業務的實時性和可靠性。

2.4 廣播優先級

軌道交通廣播播報應具有優先級功能，作為廣播分區沖突時的判斷依據。當不同優先級的終端對相同區域進行廣播操作時，高優先級廣播可覆蓋低優先級廣播，低優先級廣播在高優先級廣播占用時操作無效。

《北京市軌道交通廣播系統（PA）應用規范》規定，線路控制中心廣播系統同線路備用控制中心廣播系統優先級一致。在線路控制中心失效，備用控制中心啟用降級廣播模式后，備用控制中心實時錄制素材播報的優先級等同于線路控制中心TTS 素材播報的優先級。TCC-PA 可對同一線路正線運營列車下發1 路廣播音頻流。若與其他信源有沖突，由該線路中心層廣播系統進行優先級判斷，確保對同一線路正線運營列車僅下發1 路廣播音頻流。具體優先級規定如下：

1）防災廣播：列車級廣播>中心級廣播>路網級廣播；

2）業務廣播：中心級（行車調度員）>列車級廣播>中心級廣播（其他崗位）>路網級廣播；

3）背景廣播：列車級廣播>中心級廣播>路網級廣播。

3 車地廣播系統關鍵技術

車地廣播系統從網絡組播、音頻編碼、視頻編碼、流媒體傳輸及TTS 等關鍵技術入手，對中心廣播系統、車載廣播系統進行研制，實現基于寬帶無線網絡，中心與列車之間廣播、可視對講等業務信息的傳輸。

3.1 網絡組播

在網絡中，主要有單播、廣播、組播3 種發送報文的方式。單播方式適合用戶較少的網絡，而廣播方式適合用戶稠密的網絡，當網絡中需求某信息的用戶量不確定時，單播和廣播方式效率很低。因此，IP 組播技術逐漸發展起來。組播路由協議常用的有PIM-DM 和PIM-SM 技術；組播模型根據對組播源處理方式不同可分為ASM（Any-Source Multicast）、SFM（Source-Filtered Multicast）及SSM（Source-Specif ic Multicast）。

結合城市軌道交通網絡設備與實際業務功能考慮，車地廣播系統采用組播模式，組播協議采用PIM 組播協議的SM 稀疏模式，組播模型采用SSM 模型；該組播模式可以向特定的組播組發送組播數據流，比單播數據效率高，比廣播數據節約帶寬，比較適合城市軌道交通的網絡通信。

3.2 音頻編碼

音頻編碼主要是完成對聲音信息的壓縮，常用的音頻編碼格式有PCM（Pulse Code Modulated Audio）、MP3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）、WMA(Windows Media Audio)及AMR（Adaptive Multi-Rate）等。

在列車實際運行當中，對列車廣播質量要求較高，而廣播音頻從地面廣播設備到列車廣播設備需要經過寬帶無線通信網絡傳輸，因此音頻必須高度保真。PCM 音頻數據是未經壓縮的音頻采樣數據裸流，它是由模擬信號經過采樣、量化、編碼轉換成的標準數字音頻數據，能做到最大程度的無限接近絕對保真。因此，建議地面廣播系統到車載廣播系統的音頻編碼采用PCM 音頻編碼技術。

3.3 視頻編碼

視頻編碼主要是完成對圖像信息的壓縮，通過特定的壓縮技術，將某個視頻格式的文件轉換成另外一種視頻格式文件，常用的視頻編碼格式有H.26X 系列和MPEG 系列等。

在列車實際運行中，當有乘客通過可視對講器報警時，視頻傳輸數據量較大，因此在傳輸過程中必須壓縮碼流。相對于其他視頻編碼格式而言，H.264/H.265 具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質量的條件下，H.264 壓縮比是MPEG-2 的2 倍以上。H.264/H.265 壓縮技術能夠大大節省列車司機或中心調度員的下載時間，在有高壓縮比同時具有高質量、流暢的圖像；此外，H.264/H.265 壓縮的視頻數據較小，在網絡傳輸過程中所需要的帶寬更少，具有更好的經濟效益。

由于H.264/H.265 具有高壓縮比、圖像高質量、占用帶寬較少等優點，因此，建議地面廣播系統到車載廣播系統的視頻編碼采用H.264/H.265 視頻編碼技術。

3.4 流媒體傳輸

流媒體技術具備邊傳邊播的特點，該技術應用的一個最大好處是用戶無需花費很長時間將多媒體數據全部下載到本地后才能播放，以節省下載時間和存儲空間，有效地減少延時。常用的流媒體協議有RTSP、HTTP 及RTMP 等。

地面廣播系統與車載廣播系統進行數據交互時，產生的音視頻流需要通過網絡傳輸，便需要流媒體傳輸協議。RTSP 是一種基于文本的應用層協議，在語法及一些消息參數等方面與HTTP 協議類似，它是TCP/IP 協議體系中的一個應用層協議，該協議定義了一對多應用程序如何有效地通過IP 網絡傳送多媒體數據。RTSP 在體系結構上位于RTP 和RTCP 之上，使用TCP 或UDP 完成數據傳輸。對于其他流媒體傳輸協議而言，RTSP 實時流傳輸協議具有可擴展性、易解析、獨立傳輸、多服務器支持及HTTP 友好等優點，因此建議地面廣播系統到車載廣播系統的流媒體傳輸采用RTSP 實時流傳輸協議。

3.5 TTS技術

TTS 技術，即語音合成技術，通常又稱為文語轉換技術（Text To Speech，TTS），是一種將任意的輸入文本轉換成相應語音的技術，是人機語音交互應用中不可或缺的技術模塊之一。

語音合成系統通常包含前端和后端兩個模塊。前端模塊主要是對輸入文本進行分析，提取后端模塊所需要的語言學信息。后端模塊根據前端分析結果，通過一定的方法生成語音波形。后端模塊一般由基于統計參數建模的語音合成，即參數合成（Statistical Parameter Speech Synthesis，SPSS），基于單元選擇和波形拼接的語音合成，拼接合成，兩條技術主線組成。語音合成系統基本框架如圖2 所示。

圖2 語音合成系統基本框架Fig.2 Basic framework of speech synthesis system

參數合成是在訓練階段對語音聲學特征、時長信息進行相關建模，在合成階段通過時長、聲學模型預測聲學相關的特征參數，并對這些特征參數做后處理，最后通過聲碼器恢復語音波形。拼接合成的訓練階段與參數合成基本相同，在合成階段通過統計模型計算來指導單元選擇，采用動態規劃算法選出最優單元序列，再對選出的單元進行能量規整和波形拼接。拼接合成直接使用真實語音片段，可以最大限度保留語音音質，缺點是需要的音庫一般較大，而且無法保證領域外文本的合成效果。

本方案選用科大訊飛的離線語音合成技術實現TTS 廣播應用，該技術具備參數合成、拼接合成等語音合成技術，有眾多極具特色的發音人（語音庫），合成音在音色、自然度等方面的表現均接近甚至超過了人聲。

4 結束語

按照以上組網方案搭建車地廣播系統，可實現中心對列車廣播、與乘客對講等業務功能?；趯拵o線通信系統的車地廣播系統，在滿足城市軌道交通運營廣播業務基本需求的基礎上，為乘客提供了更有效的安全保障，為運營人員提供了更全面的維護方式。此外，本方案已在首都機場線進行了工程實踐且效果良好，為EUHT 等寬帶無線通信系統承載車地廣播系統業務的應用提供技術支持及參考，為未來列車無人駕駛模式的車地廣播系統提供研究基礎，引領城市軌道交通車地廣播系統發展進入新階段。