市域鐵路智慧乘客信息系統功能研究

張 雷 翟小旺

(中鐵十六局集團電氣化工程有限公司 北京 100018)

1 引言

乘客信息系統(Passenger Information System-PIS)是軌道列車為乘客提供各類服務資訊的信息系統，可分為廣播系統、乘客信息顯示、多媒體播放系統等[1]，并可以劃分為車載乘客信息系統和地面乘客信息系統兩部分[2]。PIS系統以多媒體播放的形式向乘客展現當前線路的車站信息和換乘信息，可實時監控車廂內情況，并保存錄像等。當遇到緊急情況，乘客還可以通過報警裝置通知工作人員及時處理；反之，信息系統可以通過視頻播放方式幫助乘客及時找到疏散通道快速逃離[3－4]。

隨著交通智慧化應用需求的不斷深化，越來越多的城市提出智慧交通建設規劃，物聯網、人工智能、大數據等新一代信息技術的快速發展將進一步推動智慧交通的落地[5]。

2 乘客信息系統建設需求概述

鄭州機場線至許昌市域鐵路工程(許昌段)包含11座車站(2個地下站、9個高架站)、1座停車場。該工程車地無線系統采用基于5.8 G非授權頻段的寬帶無線通信系統，用于承載PIS車地無線通信業務。

鄭州機場線至許昌市域鐵路工程(許昌段)的PIS通過安裝在全線路的站臺、列車車廂的LCD顯示終端，不間斷播放，為乘客實時提供準確的列車運營信息和豐富的公共媒體信息。運營信息、公共媒體信息通常按照設定的模式切換使用；但在緊急情況下，運營信息優先使用或者優先播放特定信息。為確保PIS系統的智能化、智慧化，系統主要基于信息傳輸網絡、移動端和車載信息處理上形成一個網絡，如圖1所示。使得信息實時分析處理、精確定位等[6]，本文將就該系統功能設計展開研究。

圖1 PIS系統控制中心設備架構

3 PIS各系統功能設計

3.1 信息編播中心子系統功能

編播中心子系統是PIS系統核心，通過接口采集的外部信息數據，在編播中心子系統經過編輯、處理后生成內部信息，并按照規定的格式或版式播出[7－10]。鄭州段工程設置的信息編播中心子系統，主要具有以下功能:

(1)信息處理功能:接受外部信息，編輯、存儲、處理信息完成后下發至各服務器，同時視頻服務器可利用網絡空閑時間或停運時間將較大的文件提前下發至車站服務器。

(2)廣告列表的制作和發布功能:按廣告客戶需求制作并下發至分線服務器。

(3)電視信號的引入和發布功能:具有引入2路有線電視信號的功能，滿足在各線車站、車載LCD顯示屏上實時播放1路有線電視的要求，可實現根據列車所在位置播放不同視頻信號，同時視頻信號可在IP網絡廣播和組播，同時壓縮比、碼率可調節。

(4)公共信息的引入和發布功能:如視頻及文字新聞、天氣預報、股市行情等。

(5)信息預覽功能:在處理媒體信息的過程中可以實時觸發預覽操作，通過顯示屏及時預覽效果。

(6)資料管理功能:生成和管理經營資料。

(7)媒體素材管理功能:編輯完成的媒體文件在素材庫中保存和被引用。

(8)下發功能:可自動接收各信息并下發至服務器，同時可利用網絡空閑或停運時間提前將較大的媒體文件進行下載。

(9)播放列表的制訂和發布功能:按照地鐵運營和廣告列表的要求制訂播放列表，并通過播放列表的下發，把播放規則以及播放內容發布到各車站和車輛基地服務器中。

(10)播放列表的審核和管理功能:對播放列表進行審核并發布，同時對數據傳送定義優先級，對傳送日志進行記錄。

(11)運營信息的管理功能:操作員可編輯運營服務信息類素材，能夠預先定義好各種顯示格式/效果的運營服務信息。

(12)本線模板的定義和審核功能:模板編輯軟件需有USB-KEY認證機制。

(13)緊急信息發布功能:具有相應權限的高級別管理員可通過緊急信息發布管理工作站或綜合監控工作站，輸入并管理部署在車站或車廂內的LCD顯示屏播放的緊急信息。

(14)遠程播出內容監視功能:可在中心指定的任一工作站調看畫面，同時路數不少于4路。

(15)防網絡攻擊功能:數據傳輸時可加密解密，并具有防黑客入侵的功能。

(16)接口功能:將接受的信息進行解析處理實時傳送。

(17)系統網管功能:包括用戶管理、磁盤空間管理、日志管理、故障管理。

3.2 車站子系統功能

車站子系統主要包括控制部分和顯示部分。控制部分負責接收控制中心下發的各類信息與指令，實現對車站設備的控制。顯示部分則負責實現各類乘客服務信息的終端顯示。具體包括如下功能:

(1)接收和下發功能:從線路控制中心子系統接收發布視頻及文本內容的信息，同時接收線網中心和線路中心的控制命令，并且可將播放信息發送至LCD終端顯示設備。

(2)播放控制功能:車站LCD播放控制器實現從本車站服務器接收模板文件、媒體文件以及播放列表，經過合成解碼后控制LCD顯示屏的播放。

(3)LCD顯示屏的功能:播放順暢清晰，支持多種媒體格式，屏幕分屏不少于8屏，實現由線路中心控制車站LCD顯示屏的依次打開和依次關閉等。

(4)同時兼備緊急信息發布功能，播放異常時可啟用屏保功能，以及降級播放功能和電源控制功能。

3.3 車載子系統功能

PIS系統車載子控制架構如圖2所示，車載子系統包括兩個功能:

圖2 PIS系統車載子控制架構

(1)車載設備接收和傳送功能:可自動接收發布實時和非實時信息，當接收或下發失敗時，重新進行。

(2)播放控制功能。

3.4 信息傳輸功能

鄭許市域鐵路工程PIS系統信息采用有線、無線網絡相結合的方式傳輸:信息流為信息線路中心(或電視臺信號)－各車站/車輛段/停車場－列車之間的信息。主要包括地面有線傳輸網、車載有線傳輸網和車地間無線傳輸網三個部分[11－12]。

4 PIS系統性能分析及系統場強覆蓋分析

系統包括的所有硬件設備和軟件都應該具有良好的穩定性，穩定率達99%以上；系統具備較完善的容錯處理能力和監控能力，從整體上提高系統的可靠性。因此系統建設需要注重規范體系統一化和保障體系安全化等要素[13]。

WirelessFiber車地無線系統采用空間波方式進行無線信號覆蓋，在隧道覆蓋情況下，系統可利用無線信號傳輸的多徑效應來增強接收端有效信號的接收效果。參照無線信號自由空間傳輸模型并使用實際工程測試數據印證，認為可以采用以下無線信號傳輸損耗公式進行無線鏈路計算。

系統可靠性設計可以保證系統的RAMS性能(可靠性、可用性、維修性、安全性)，實現系統生命周期內的可靠性管理。

設備主要部件進行冗余配置，包括但不限于CPU、磁盤、電源及風扇模塊。

為達到以上目的，從以下幾個主要方面對本文提供的PIS系統的可靠性進行論述。

4.1 RAMS控制及各子系統RAMS性能分析

RAMS的控制過程是通過制定整個項目過程中的性能保證計劃，定性分析各種性能要求，并根據需要采取改進RAMS性能的措施[14]。在項目方案設計時，應盡可能在各子系統中應用多項措施，以提高系統的可靠性。

(1)網絡子系統的可靠性分析

主干到接入全部采用高速的千兆交換技術，性能高；整個網絡所采用的網絡設備均采用高可靠性設計，核心路由器關鍵部件如主控、電源等關鍵部件采用冗余設計，主控板的切換不影響數據的轉發，所有單板在線熱插拔；核心層交換機S7703具備高容量交換能力和端口密度的平滑升級能力，核心交換機有3個業務插槽，靈活性和可擴展性高；采用的網絡設備均具備強大的QoS特性；所有網絡設備均采用國際標準協議，能夠保證和現有網絡設備的良好互聯互通；統一網管，易于維護和管理；S7703支持iPCA秒級故障定界，實現全網的有效質量測量和故障監控定位；通過能效以太網、端口自動休眠、風扇智能調速、激光器自動關斷ALS、CPU動態調頻技術的方案達到高效節能；利用華為HSR地鐵快速環網切換協議滿足網絡快速切換的要求。

(2)業務應用系統可靠性措施

在LCD播放應用業務系統，控制中心配置視音頻切換矩陣保證視音頻信息源的可靠輸入、切換；設備冗余備份，設計兩套視音頻自動采集工作站，工作功能互相備份；PIS的信息發布模式可以采用FTP和Multicast(選件)兩種技術實現方式，從而保證PIS正確無誤的傳送；同時要保護設備安全，引導系統控制主機與顯示終端之同的數據通訊保證誤碼校驗及糾錯功能。

(3)RAMS的定量要求和基本關系

系統RAMS的度量包括MTBF、MTTR和可用性。其中，MTBF是平均故障間隔時間，MTTR是平均故障修理時間，可用性就是可維修產品的運轉率。理論上這三個性能指標存在以下的定量關系:

可用性＝MTBF/(MTBF＋MTTR)

在計算系統和業務的可用性時，可定義失效率U和可用率A:

系統失效U為:U＝MTTR/(MTBF＋MTTR)

系統可用率A:A＝1－U

n個串聯系統組成的系統，可用率A為:

n個并聯系統組成的系統，系統失效率U為:

混合系統可以分解為串聯系統和并聯系統后估算可用性。

PIS系統可用性計算由關鍵設備的主要故障決定，子系統內部設備劃分為關鍵設備和非關鍵設備。若某設備的故障會影響到整個系統的正常運行，該設備為關鍵設備。設備故障又可以劃分為主要故障和次要故障。當故障影響到系統的主要功能，則此故障視為主要故障。則可用性計算可以通過關鍵設備的主要故障發生時間指標評估如下:

可用性＝平均無故障時間/(平均無故障時間＋平均修復時間)，即:

A＝MTBF/(MTBF＋MTTR)

4.2 軌旁基站設備發射到車載設備接收之間場強覆蓋分析

PIS系統軌旁基站設備連接四面15 dBi定向天線，每兩面天線覆蓋一邊方向350 m；軌旁基站設備輸出20 dBm，定向天線的增益為15 dBi，耦合器損耗3 dB，饋線及饋頭損耗計為2 dB，則天線的輸出功率為:

PO＝20－3－2＋15＝30 dBm

根據無線信號傳輸損耗經驗公式:

Lpath＝32.5＋20lgf＋20lgD

式中，f是頻率(MHz)；D是距離(km)。

350 m隧道內的傳播損耗為:

列車車載接收天線的增益為15 dBi，饋線及饋頭損耗計為2 dB，耦合器損耗3 dB，則列車在隧道內運行到距發射天線350處時，車載無線單元的接收電平為:

P＝PO－Lpath＋15－2－3＝－58.7 dB

故列車從距離基站350 m處駛向基站時，車載無線單元接收到的場強值在－48.7～33 dBm之間變化，而車載無線單元設備在列車運行時邊緣相應帶寬要求對應的接收電平為－79 dB左右，因此能夠保證車載無線單元的正常接收。

同理，當每面天線覆蓋方向延長到700 m時，經計算1 000 m隧道內的傳播損耗為:

Lpath＝32.5＋20lg5 800＋20lg0.7＝104.8 dB

列車在隧道內運行到距發射天線700處時，車載無線單元的接收電平為:

P＝PO－Lpath＋15－2－3＝－64.8 dB

仍能夠保證車載無線單元的正常接收。

5 結束語

乘客信息系統是面向人車路的多媒體服務系統。本文對乘客信息系統進行了系統功能的詳細闡述，并針對鄭許線(許昌段)工程的系統性能進行了詳細分析，為此項目未來的良好運營奠定了基礎。未來，乘客信息系統必然向著智慧的云化方向發展。