轨道交通乘客信息系统组网分析与思考

2012-10-25韩建平

铁路技术创新 2012年6期

■ 韩建平

轨道交通乘客信息系统（PIS）依托多媒体网络技术，以计算机技术为核心，以地铁车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务，采用控制中心、车站及列车（车载）的三级结构组网。PIS系统组网设计涉及高清视频传输、车-地无线传输等多种技术应用，是轨道交通系统设计中技术含量很高的系统之一。在具体PIS系统工程设计中，结合通信及相关技术的发展，研究并合理选择组网技术，做到既经济合理、技术领先，又满足用户需求。

1 PIS系统网络设计的要点

结合PIS系统功能要求及三级结构组网的特点，PIS系统网络设计的要点包括：（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；（7）PIS系统网络可靠性设计。

2 PIS系统网络承载的业务流向及带宽要求

2.1 控制中心至车站

控制中心传递到各个车站的业务信息主要包括文本信息、设备监控及管理信息、视频节目信息。带宽分析如下：

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；

实时视频节目按每站3路设计（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；

从控制中心传递到车站管辖范围内的运营列车的实时视频按1路/列考虑，编码方式为 MPEG-2标清或H.264高清视频，使用带宽为每路8 Mb/s；考虑特殊情况，在车站管辖范围内同时有4列列车（车站两端上下行区间各1列），且每列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。因此，从控制中心传递到车站管辖范围内的运营列车的实时视频带宽总需求为32 Mb/s；

从控制中心传递到车站管辖范围内的运营列车的文本信息按250 kb/s/列考虑；考虑特殊情况，在车站管辖范围内同时有4列列车（车站两端上下行区间各1列），且每列车文本信息内容都不相同。因此，从控制中心传递到车站管辖范围内的运营列车的实时文本信息总需求为1 Mb/s；

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-地无线传输网实时调看列车司机室及客室的监控视频。占用的网络带宽与控制中心调看的监控图像路数及每路图像的带宽有关。考虑特殊情况，控制中心调看的图像均来自于同一个车站管辖范围内的4列列车（车站两端上下行区间各1列），每列列车传递2路图像（两端司机室各1路或同一客室2路），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系统网络设计中，车站接入控制中心的网络带宽可按70 Mb/s设计。

2.2 车站至运营列车

从控制中心至车站的业务流向及带宽分析可知，车站与运营列车间传递的信息主要是1路实时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见图1。

3 控制中心至车站信息传输组网方式的选择

根据PIS系统网络承载的业务流向及带宽要求分析，控制中心至车站信息传输组网方式主要有3种方案（见表1）。

从表1可以看出，3种组网方式各有优缺点，可根据具体组网要求采用。

4 车站信息显示系统组网方案选择及网络构成

4.1 高清接口标准的比较

随着媒体显示及播放技术的不断发展，目前可用于高清显示系统建设的接口标准主要有HD-SDI、YPbPr、HDMI及DVI等，性能比较见表2。

从表2可以看出，HD-SDI和HDMI采用数字信号实现视、音频同缆传输，在减少干扰的同时，也使布线相对简单。因此，目前我国轨道交通PIS车站信息显示系统绝大多数采用HD-SDI或HDMI高清接口标准进行建设。

图1 PIS系统网络承载的业务流向及带宽要求

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。

4.2 针对HD-SDI标准的传输组网方案

HD-SDI接口标准最大支持100 m的传输距离，通过视频转化分配器的级联实现信号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。组网方式见图2。

4.3 针对HDMI标准的传输组网方案

HDMI接口标准最大支持15 m的传输距离，通过光发射器及接收器的级联方式实现信号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。组网方式见图3。

5 车-地无线传输网络制式选择及网络构成

5.1 制式选择

PIS车-地无线传输网络技术的选择主要考虑以下3个方面因素：（1）满足PIS车-地数据双向通信，传输速率大于11.25 Mb/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。

表1 传输组网方式的比较

表2 几种高清接口标准的比较

图2 HD-SDI传输组网方案

图3 HDMI传输组网方案

目前可以供选择的无线传输技术主要包括：全球微波互联接入（WiMax）、多载波无线信息局域环路（McWill）、TD-SCDMA的演进技术（TD-LTE）、无线局域网（WLAN）等技术。WiMax技术支持在移动速度为250 km/s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，但目前该技术在我国没有批准工作频率，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，其比较见表3。

在上述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，我国轨道交通已积累丰富的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

5.2 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两种模式。

5.2.1 “瘦”AP

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。

5.2.2 “胖”AP

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方案相对“胖”AP方案的优势在于实现了设备的集中管理和配置，安全性最高；“胖”AP方案相对“瘦”AP方案的优势在于设备配置相对简单，漫游切换快。目前两种组网模式在我国轨道交通PIS系统中均有运用，典型的网络结构见图4。

图4 无线局域网典型组网结构示意图

6 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）信号系统可能采用基于WLAN无线系统做为车地信息的传输方式，因此如何使2个WLAN在同一工程中共存将是需解决的问题。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；方案二：PIS和信号系统采用不同频段的不同WLAN网络；方案三：PIS和信号系统采用不同WLAN网络，但频段相同。方案一PIS和信号系统共用一个WLAN网络，无线网络带宽为两系统共享，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。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。

7 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两部分组成。

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），当其中一台出现故障时，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。系统构成见图5。

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施监视，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，系统构成见图6。

图5 车载信息显示系统构成示意图

图6 车载监控系统构成示意图

8 网络可靠性设计措施

PIS系统网络可靠性设计措施主要包括：（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；重要服务器采用双机或多机配置，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（见图4），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。