市域鐵路智慧乘客信息系統設計

白國巖

(中鐵十六局集團電氣化工程有限公司 北京 100018)

1 引言

伴隨著我國軌道交通領域信息技術的高速發展，信息化系統向智能化、智慧化方向發展[1－2]。國務院下發的《規劃綱要》中提出:到2035年，智慧高鐵率先建成。意味著國家要在2035完成智慧鐵路的目標。智慧鐵路的建設包括工程建造、技術裝備以及運營服務。特別是運營服務是直接面向大眾，直接影響乘客體驗和服務評價[3－4]。在軌道交通系統中，乘客信息系統(Passenger Information System-PIS)是一種集計算機網絡技術與多媒體技術于一體的綜合性服務系統，可為乘客提供動態的候車、換乘及到站信息，即使在火災等意外發生時也可切換為播放緊急疏散和防災等文本和圖像信息，幫助并及時引導乘客疏散到安全地帶[5－6]，在一定程度上也提高了運營服務水平[7]，提高軌道交通的運輸效率[8]。

隨著4G、LTE、5G等通信技術更新[9]，PIS將智能感知、云計算、大數據、人工智能、移動互聯、協同控制等技術，與運營服務、設備維護、裝備制造、工程施工等業務深度融合，推進軌道交通系統向信息化、協同化、智能化方向發展[10]。

2 許昌段－鄭州機場線市域鐵路PIS系統概述

本論文依托許昌段－鄭州機場線市域鐵路PIS建設展開研究。鄭州機場至許昌市域鐵路工程(許昌段)包含11座車站(2個為地下站、9個為高架站)、1座停車場。

系統采用最新的顯示技術、通信技術及智能的管理技術，建設智慧的多功能乘客服務系統[11]。乘客信息系統軌旁基站與車站通過光纖連接。多光口交換機與帶有光口的AP(Access Point，無線訪問節點)技術日益成熟，無線訪問節點通過中繼放大信號，橋接兩個端點，實現無線AP間的數據傳輸，功能強大且價格較低。在乘客信息系統建設中，軌旁AP利用光纜直接與車站交換機進行連接，該方案有利于乘客信息系統的安裝與調試，還可以有效地減少故障點。

乘客信息系統作為一類多媒體綜合信息系統，可以在鐵路系統的各個區域為乘客提供信息服務，通過安裝在車廂、車站各處的LCD顯示終端，為乘客提供實時的列車運營信息和豐富的公共媒體信息。在正常情況下，運營信息、公共媒體信息共同協調使用；在緊急情況下運營信息優先使用。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。

3 PIS系統拓撲

PIS系統包含線路中心子系統、車站子系統、車載子系統、有線/無線網絡子系統[12]。

3.1 線路中心子系統

線路中心子系統主要由中心服務器、接口服務器、核心交換機、以太網交換機、媒體編輯工作站、發布管理工作站、系統網管工作站、預覽工作站、LCD屏、磁盤陣列、終端等設備及有關軟件組成，如圖1所示。以上所有設備均應滿足高清標準。

圖1 線路中心子系統

同時本系統在備用控制中心設中心服務器、接口服務器等設備，避免在主服務器出現故障時無備用服務器接替作業的情況，備有兩種復制技術實現異地容災。

3.2 車站子系統

車站子系統主要由OPS播放控制器、車站交換機、LCD顯示屏(含安裝件)、電源控制器等設備及有關軟件組成，并且提供的所有音視頻設備均應滿足高清標準，如圖2所示。PIS專用的光纜在機房集成到傳輸系統ODF架上。

圖2 車站子系統

3.3 停車場子系統

停車場子系統主要由以太網交換機、軌旁無線設備(AP及天線)等設備及有關軟件組成。

3.4 車載子系統

車輛提供客室LCD彩色圖文顯示器的防護罩及顯示器、車載控制器、車載無線設備、視頻服務器(含存儲設備)、網絡交換機、LCD控制器(可與車載控制器合設)、電源變換器、室內攝像機(含編碼器)、視頻監視器(帶觸摸控制功能)，并負責車載設備的線纜、電源等。各線路傳輸方式采用有線無線相結合模式。

3.5 車地無線子系統

WirelessFiber車地無線網絡系統主要由OCC中心子系統、地面(車站、區間)子系統及車載子系統三部分構成，如圖3所示。其中OCC中心子系統無線管理控制單元與鄭州段的1套設備是雙機冗余結構，用以避免設備自身單點故障。無線網管單元的板卡最多可實現對1 500個無線基站的管理，地面子系統中的GSU同步單元保證了精確的時鐘同步。

圖3 WirelessFiber車地無線系統架構

WirelessFiber車地無線網絡系統相比于傳統無線通信，具有高帶寬、基站覆蓋范圍大、低時延、小抖動、切換時間短、抗干擾能力強、可支持120 km/h運行時速、支持分集、2乘2多輸入多輸出的特點。

車地一體化的PIS系統實現了業務流從運營中心覆蓋到地面車站、車輛段和運營車段，將車載廣播、影視娛樂、視頻監控等進行了增強，并通過地面服務器強大的計算和處理能力實現智能分析，為智慧化業務奠定了基礎[13]。

4 系統設備組成

4.1 線路中心子系統

(1)PIS系統管理部分在整個PIS系統中負責系統的結構化運行數據的分配和管理。

(2)播出信息管理部分用于向鄭許線(許昌段)車站及車載發送實時的信息，并且支持MPEG-2標準格式實現對各個線路的直播功能。

(3)車載視頻調看及轉發管理主要負責遠程調看及轉發等功能。

(4)中心子系統保證信息的傳輸及共享，使得視頻、音頻傳輸合理有效。

4.2 車站子系統

車站子系統分為控制部分、現場顯示部分和傳輸設備。

4.2.1 控制部分

控制部分基于虛擬化系統的研究，取消了車站服務器的存在，才一定程度上使得系統在24 h內不間斷運行，保證了系統的穩定性和可靠性，但本項目依舊采用車站服務器參與控制[14]。

采用車站服務器與中心服務器進行數據傳輸，并集中管理本站內的所有播放控制器、終端顯示設備。車載服務器采用大容量硬盤，可以存儲設備狀態數據180 d以上，且其網絡流量控制機制具有網絡流量控制的功能。

LCD顯示屏接受LCD播放控制器控制，進行乘客服務信息、商務信息的發布，并且能智能地處理各種異常情況。

4.2.2 顯示部分

(1)車站LCD顯示屏視頻配線方案

本子系統在車站面向乘客設置的顯示終端為站臺顯示終端。本系統的所有配置均滿足高清標準要求。本系統在站臺單邊設置8臺LCD顯示器，上下行站臺共設置16臺LCD顯示器。

(2)車站LCD顯示屏電源配線方案

車站終端設備電源線全部采用低煙無鹵阻燃3乘2.5平方的線纜，線纜布置采用星形方式敷設，在車站機柜內，安裝智能電源控制器，終端LCD顯示屏直接接入智能電源控制器的輸出端。

4.3 車地無線系統

基站設置:根據工程的覆蓋要求及基站鏈路預算，本項目WirelessFiber系統正線及出入段線覆蓋基站82個，停車場列檢庫覆蓋基站3個，合計85個基站。

光口及光模塊配置:每個基站配一對10 km的中距離光模塊。

車載組網方案:WirelessFiber車載子系統由車載無線單元設備和車載通信控制器設備組成。每列車雙向傳輸平均帶寬不小于100 Mbps 120 km/h，前后車載無線單元采用雙機熱備。車載子系統通過車輛專業提供的車載局域網(由三層交換機、二層交換機)連接組成千兆網絡。

系統同步:采用GSU同步方式為軌旁基站提供精確時鐘同步，即在每個車站設置一臺GSU同步單元設備。

系統頻率配置:優先考慮使用40 MHz單頻組網。

車地無線設備切換:軌旁基站設備間切換和車載無線單元間切換。

可靠車地無線傳輸能力:采用 OFDM調制技術。

系統特殊條件下運行(換乘站)處理方案:軌旁基站頻率規劃使用三頻組網方案。

4.4 系統抗干擾及通信質量保障方案

系統采用具有2種優先級方式:802.1p或者DiffServ，7種 WFQ 權重序列(實時、信號、TCP Ack、準實時，高級別、中級別、本地管理)和每序列最大信息速率(最小256 kbps，最大無限制)的多級業務QoS分級控制。

系統采用一套基于時隙分配(TSA)的解決方案，通過時分雙工(TDD)空口和獨特的同步機制，保證相鄰接入點設備間連續動態時隙分配以避免同頻干擾；802.11ac采用OFDM調制技術，利用子載波之間的正交性，可以有效避免不同子載波之間的鄰頻干擾；另外WirelessFiber系統可采用空中接口抗干擾、AAR、FARQ機制、不間斷傳輸、接入點設備同步、OFDM、定向天線技術、天線分級技術等抗干擾方法。

5 結語

本文基于對鄭州機場至許昌市域鐵路工程的研究，面向智慧交通新發展，對乘客信息系統進行了設計，提出了一整套抗干擾能力強、可用性強、可靠性強的信息系統建設方案。該新型PIS網絡架構能夠有效實時檢測設備狀態，保證120 km時速運行，有線無線相結合且互不干擾的條件下為乘客提供出列車運營信息和公共媒體信息的多媒體綜合信息系統，實現智慧交通體系的支持服務。

在軌道交通中，服務器等設備的云化也將成為一個發展趨勢，使得PIS系統的穩定性和可靠性不斷提高。