轨道交通乘客信息系统组网分析与思考

韩建平

轨道交通乘客信息系统组网分析与思考

韩建平

摘 要：乘客信息系统 (PIS)是提升轨道交通运营水平、提高服务质量、改善乘客乘车环境的重要手段。结合PIS系统采用控制中心、车站及列车三级结构组网的特点，依托当前通信及相关技术的发展，对设计中采用的各种组网技术进行深入地分析和研究，可为相关工程技术人员提供参考。

关键词：乘客信息系统;三级组网结构;综合数据通信网

轨道交通乘客信息系统 (PIS)，以计算机技术为核心，以地铁车站和车载显示终端为媒介，采用控制中心、车站及列车 (车载)三级结构组网，向乘客提供信息服务。由于涉及高清视频传输、车-地无线传输等多种技术，在PIS系统工程设计中，应结合通信及相关技术的发展，合理选择组网技术，做到既经济合理、技术领先，又满足用户需求。PIS系统网络设计的要点：①PIS系统网络承载的业务流向及带宽要求;②控制中心至车站信息传输组网方式的选择;③车站信息显示系统组网方案选择及网络构成;④车-地无线传输网络制式的选择及网络构成;⑤车-地无线传输网络与信号系统的兼容性分析;⑥车载信息系统组网方案选择及网络构成;⑦PIS系统网络可靠性设计。

1 PIS系统网络承载业务流向及带宽要求

1.1 控制中心至车站带宽分析

控制中心传递到各个车站的业务信息包括文本信息、设备监控及管理信息、视频节目信息等。

1．站内文本信息、设备监控及管理信息，按每个车站1 Mb/s考虑。

2．实时视频节目按3路/每站设计 (站厅、上行站台、下行站台)，编码方式为标清 (MPEG-2)或高清 (H.264)，每路按 8 Mb/s计算，共计24 Mb/s。

3．实时视频按1路/列车考虑，编码方式为MPEG-2标清或 H.264高清视频，带宽为每路8 Mb/s。假设在车站管辖范围内同时有4列车(车站两端上下行区间各1列)，且每列车播放的实时视频都不相同，均通过控制中心服务器转发，那么实时视频带宽总需求为32 Mb/s。

4．文本信息按250 kb/s/列车考虑。当车站管辖范围内同时有4列车，且每列车文本信息内容都不相同时，实时文本信息总需求为1 Mb/s。

5．根据轨道交通运营管理模式，控制中心有关调度人员可通过车-地无线传输网调看列车司机室及客室的监控视频。考虑特殊情况，中心调看的图像均来自于同一个车站管辖范围内的4列车，每列车传递2路图像，共计8路，采用 H.264/MPEG-4编码格式，每路使用带宽1.5 Mb/s，共计12 Mb/s。因此，在PIS网络系统设计中，车站接入控制中心的网络带宽可按70 Mb/s设计。

1.2 车站至运营列车带宽分析

车站与运营列车间传递的信息，主要是1路8 Mb/s的 MPEG-2标清或H.264高清视频，2路实时1.5 Mb/s的H.264/MPEG-4标清车载监控视频，以及250 kb/s的文本信息，总共11.25 Mb/s，通过车-地无线传输网实现。

PIS系统网络承载的业务流向及带宽要求如图1所示。

图1 PIS系统网络承载的业务流向及带宽要求

2 控制中心至车站信息传输组网方式选择

根据PIS网络承载的业务流向及带宽要求，控制中心至车站信息传输主要有以下3种组网方案。

方案一，车站交换机采用星形拓扑结构，以双归属方式与中心交换机相连，链路带宽为FE或者GE。

方案二，车站交换机与中心交换机利用光纤以环形拓扑结构相连，环网带宽为GE或10GE。

方案三，车站交换机利用传输的以太网通道与中心交换机相连，通道带宽为GE。

3种组网方式各有优缺点，具体比较见表1，可根据实际组网要求采用。

3 车站信息显示系统组网方案选择及网络构成

目前可用于高清显示系统建设的接口标准主要有高清数字分量串行接口 (HD-SDI)、色差分量接口(YpbPr)、高清多媒体接口(HDMI)、数字视频接口(DVI)等，性能比较如表2所示。

从表2可以看出，HD-SDI和HDMI采用数字信号可以实现视、音频同缆传输，减少了干扰，同时布线相对简单。目前国内轨道交通PIS车站信息显示系统绝大多数采用了HD-SDI或HDMI高清接口标准进行建设。

在轨道交通PIS车站信息显示系统布线中，受车站站型的影响，从PIS设备机房到最远终端显示设备的数字视频信号传输距离往往超过了150 m，甚至达到200 m，在这种情况下，针对HD-SDI和HDMI接口标准的特点，采用不同的传输组网模式实现高清节目的远距离传输，具体如下。

1．HD-SDI标准传输方案。HD-SDI接口标准传输距离最大100 m，需要通过视频转化分配器的级联实现信号的远距离传输及分屏显示。数据流向为：编播中心→车站服务器→播放控制器→视频转化分屏器→显示屏。

2．HDMI标准传输方案。HDMI接口标准传输距离最大15 m，需要通过光发射器及接收器级联的方式实现信号的远距离传输及分屏显示。数据流向为：编播中心→车站服务器→播放控制器→光发射器→光接收器→显示屏。

表1 传输组网方式的比较

表2 几种高清接口标准的比较

4 车-地无线传输网络制式选择及网络构成

4.1 制式的选择

PIS车-地无线传输网络技术的选择，主要考虑的因素：①满足PIS车-地数据双向通信，传输速率大于11.25Mb/s;②保证轨道交通列车最高120 km/h运行速度条件下的稳定、可靠通信;③与信号系统车-地无线网兼容，避免相互干扰。

目前可以供选择的无线传输技术主要包括：WiMax(全球微波互联接入)、McWill(多载波无线信息局域环路)、TD-LTE(TD-SCDMA的演进技术)、WLAN(无线局域网)等技术。WiMax技术支持在移动速度为250 km/h的情况下提供16 Mb/s的无线接入带宽，空间波传输距离在7.5 km，但该技术目前在国内没有批准工作频率，商业化程度低，设备选型受限。McWill技术支持移动速度120 km/h的平台进行通信，支持漫游和快速切换，最大数据传输速率为15 Mb/s，但该技术缺乏大规模公网成功应用经验，产业链还很弱，终端设备较少。TD-LTE是TD技术的后续演进标准，在高速运动情况下，理论上支持100 Mb/s下行速率、50 Mb/s上行速率，但该技术目前还在实验或测试阶段，在轨道交通中尚未有实际运用案例。就目前移动宽带技术的发展而言，基于802.11标准的WLAN技术是在轨道交通领域车-地无线传输网中运用最成熟的技术，主要包括802.11b、802.11a和802.11g、802.11n 4个物理层标准，其比较如表3所示。

这4种标准中，802.11a、802.11g和802.11n均满足PIS系统车-地数据双向通信的带宽要求。目前，国内轨道交通已积累了丰富的802.11a和802.11g工程建设经验。对于采用802.11n标准的建设方案也在积极探索中。

表3 802.11标准比较表

4.2 采用无线局域网的车-地无线传输网组网模式

无线局域网组网模式有“瘦”AP和“胖”AP 2种模式。

在“瘦”AP模式中，由控制中心无线控制器对轨旁AP进行集中管理和配置，并可对无线用户数据进行统一安全认证及管理。相对于“胖”AP方案而言，“瘦”AP方案中所有无线用户的数据必须经过无线控制器进行转发。漫游切换时，“瘦”AP须与无线控制器进行数据信息交互，因此切换时间相对较长。

在“胖”AP模式中，AP对接入的无线用户的数据转发、数据安全及其设备管理等操作都独立完成。漫游切换时，车载AP与轨旁AP直接进行握手通信，通信数据在本地处理完成。

“瘦”AP的优势，实现了设备的集中管理和配置，安全性最高;而“胖”AP的优势，设备配置相对简单，漫游切换快。目前2种组网模式在国内轨道交通PIS系统中均有运用。

5 车-地无线传输网络与信号系统的兼容性分析

在轨道交通中，基于通信的移动闭塞(CBTC)信号系统可能采用WLAN无线系统做为车-地信息的传输方式，因此使2个WLAN共存将是工程上需解决的问题。目前主要有3种方案。

方案一：PIS和信号系统采用同一个WLAN网络。无线网络带宽为2个系统共享，在工程中需要协商好PIS和信号系统使用的数据流量大小及优先级。方案二：PIS和信号系统采用不同频段的不同WLAN网络。基本不存在干扰问题，可按各自业主需求建设WLAN网络。

方案三：PIS和信号系统采用不同WLAN网络，但频段相同，需要采取以下措施尽量减少相互间的干扰。

1．隧道区间采用定向天线实现覆盖，最大程度减少多径的影响。

2．协调无线频点，使PIS和信号系统使用不同的频点。例如在2.4 GHz频段，只有3个信道(信道1、6、11)是互不重叠的，其他信道使用的频率相互重叠，存在互相干扰。因此，若CBTC信号系统使用第1和第11信道，PIS系统则可以使用第6信道，保证各系统之间频段不发生重叠，避免干扰。

3．协调PIS和信号系统AP安装位置，通过合理布置双方AP位置，减少相互影响。

6 车载信息系统组网方案选择及网络构成

PIS车载信息系统由车载信息显示和车载视频监控2部分组成。

6.1 车载信息显示设备

通过车-地无线传输网接收地面发布的列车运营及乘客服务等信息，通过车载控制器进行解码，采用一控多的播控方式，即列车上的所有媒体显示屏都接受一台车载控制器的控制，播放相同的节目内容。为了保证系统的安全播出，在列车首尾司机室各安装一台车载控制器，互为热备份工作(通过心跳线相连)，若其中一台出现故障，另一台自动接替其工作，从而实现冗余管理，提高车载信息显示系统的可靠性。系统构成方式如图2所示。

6.2 车载监控系统

为保障运营安全，车载监控系统一般在客室安装2台摄像机对乘客乘车情况进行实时监视，在两端司机室各安装1台摄像机对司机驾驶情况进行监视。车载监控系统除在司机室配置监视终端用于司机对各路摄像机图像进行选择调看外，还能利用PIS系统建立的车-地无线传输网平台，将车载监控图像传输到地面控制中心供调度人员实时调看。受目前车-地无线传输网技术带宽的限制，在正常情况下，传输到控制中心的监控图像一般为2路(可以是一个客室的完整图像，也可以是两端司机室图像);在紧急情况下，可将列车全部监控图像传输到地面控制中心，方便事件处理。系统构成方式如图3所示。

7 网络可靠性设计

1．控制中心网络交换机采用双机热备实现冗余和负载均衡;重要服务器为双机或多机配置，采用负载均衡技术;无线控制器(“瘦”AP模式)采用双机热备冗余模式，在单个控制中心故障时，由冗余配置的无线控制器接管全线AP。

2．车站网络交换机采用单机加重要模块 (电源、控制等)热备方式。

3．车-地无线传输网轨旁AP与车站交换机采用交叉连接方式，即同一区间内编号为1、3、5…的AP接入上行站交换机，编号为2、4、6…的AP接入下行站交换机;同时相邻轨旁AP的无线信号覆盖有足够的重叠区，实现无线信号冗余覆盖。

4．列车两端司机室设置功能相同的车载设备(无线网桥、车载控制器)，以双机热备方式运行，当一台出现故障时，另一台能够及时接管系统。

8 结束语

轨道交通线路的复杂性和车站型式的多样性，决定了PIS是轨道交通系统设计中技术含量很高的系统之一，系统组网涉及高清视频传输、车-地无线传输等多种技术应用。本文提供的组网方案可为从事轨道交通PIS系统设计工作的技术人员借鉴。

［1］李佳祎．轨道交通PIS与CBTC无线组网技术及干扰分析研究［J］．铁道工程学报，2011(06).

［2］蔡国涛．陈蕾．对乘客信息系统(PIS)的分析［J］．现代城市轨道交通，2008(1)．

［3］阚庭明．城市轨道交通乘客信息系统技术发展趋势探讨［J］．铁路计算机应用，2009(1)．

Abstract:Passenger information system(PIS)is designed to enhance the level of track traffic operation，enhance the quality of service，and improve the environment for passenger services．Combined with the features of PIS system with three level network structure of the control center，the station，and train，we make a more in-depth analysis and research on the design of various networking technologies based on the current development of communication and other related technologies，providing references for related engineering technical personnel．

Key words:Passenger information system(PIS);Three level network structure;Integrated data communication network

韩建平：中铁二院工程集团有限责任公司 工程师 610031成都

2012-04-21

(责任编辑：诸 红)