城市轨道交通乘客信息系统

马奇志

(长春轨道客车股份有限公司城铁客车开发部，吉林 长春 130000)

近年来，随着全国各地城市轨道交通的发展，信息服务已经成为轨道交通不容忽视的重要环节。信息服务作为紧急情况下疏导乘客的辅助手段，日常运营的信息提示和宣传平台成为保证列车运营的重要组成部分，得到日益的关注。随着信息技术的进步，乘客信息服务的内容也在丰富和发展，具有旅客导向指示和娱乐功能的地铁列车乘客信息系统日臻完善，使之不仅能够具备保证列车安全运营的指标，同时更人性化地为出行者服务，成为城市轨道交通列车形象的标识之一。

乘客信息系统(Passenger Information System，PIS)是一个集地铁运营信息服务、多媒体实时资讯发布、广播电视节目制作与播出、地铁视频监控、地铁设备监控于一体的综合信息平台。乘客信息系统在正常情况下，提供乘车须知、管理者公告、列车运行时间等运营信息，以及公益信息、出行参考、新闻、电视直播、广告等公共媒体信息。在紧急情况下，本着运营信息优先使用的原则，可提供动态辅助性提示，使乘客安全、高效地在地铁中疏散、撤离，确保地铁系统高效安全运营［1-3］。

系统特点主要体现在以下几个方面:

1)功能全面。地铁乘客信息系统一方面发布运营及综合信息，方便旅客出行;另一方面，可以将列车监控视频实时上传至控制中心，便于中心及时掌握和了解列车情况，协助司机处理可能的突发事件。

2)智能化管理。PIS系统的一大特点是系统复杂程度高、分布范围广。地理位置上，PIS系统可以划分为控制中心、车站与车载共3个部分，每个部分又包含各种设备，因此，设备的集中智能化管理非常重要。为了确保安全运营，系统中的主要设备工作状态必须实时地传输至控制中心，进行智能显示，以便中心操作员在短时间内发现设备故障，采取相应的措施，在最短的时间内排除故障，恢复系统的正常运营。

3)模块化管理。系统按照地理位置划分为3个级别，即控制中心、车站、车载，因此，在系统结构与网络拓扑结构上需要采用模块化设计，每个级别的设备管理与运营维护均由相应部分内的控制服务器完成，控制中心服务器则集中管理所有的控制服务器，当某个设备出现故障时，其影响也会限制在相应部分的模块内，不会扩散。

1 系统构架

城市轨道交通乘客信息系统由运营中心发布接收系统、站台接收系统和车载发布接收系统组成，其系统构架如图1所示。系统由地面控制中心、站台和车载三级构成，三级系统根据系统整体规划和要求，完成城市轨道交通列车乘客信息的传输和控制。

2 系统功能

系统功能包含以下9个方面:

图1 乘客信息系统构架

1)系统任务管理

系统应用软件具备多任务管理功能，采用菜单驱动方式实现系统任务管理。

2)用户权限管理

系统具备分级权限管理功能。每个操作员拥有唯一的ID、操作密码。操作员ID由中心系统统一设置，每个操作员的操作等级及权限设置至少包括允许操作的设备类型和功能等。

3)系统监控

所有中心设备、车站设备、网络设备和车载设备在系统中心及车站操作工作站的监控下运行，设备向车站操作工作站及中心操作工作站上传运行模式、设备状态、报警等信息。车站操作工作站及中心操作工作站依据设备所处的模式、状态、报警及故障的等级相应发出报警声并显示。

4)数据及参数管理

系统设备接受控制中心和车站子系统的命令、参数及软件更新数据等。在与控制中心子系统通信中断的情况下，各车站子系统可按照既定的节目表独立运行。

在终端设备与系统通信中断的情况下，通过系统设定实现预定义信息的显示。

5)时钟显示的功能

系统读取时钟系统的时钟基准，并同步整个系统所有设备的时钟，确保终端显示屏幕显示时钟的准确性。在没有时钟源同步的情况下，系统的时钟误差范围控制在每周±1 s内，并可以手工调校。屏幕可以在播出各类信息的同时提供显时服务和日期显示。

6)信息发布管理与在线升级

控制中心、车站子系统及终端设备、网络子系统、车载子系统、备用中心具备网络下载安装及更新软件的功能。发布管理的过程遵循ITIL标准和规范。

7)多语言支持功能

系统支持简体中文、英文同时混合输入、保存、传输、显示。

8)全数字传输功能

整个系统从中心信号采集开始就采用全数字的方式，经过视频服务器处理和编码器的封包，转换成MPEG-2或H.264数据包经以太网传输，被车站和车载设备接收后直接通过PDP、LCD和LED显示控制器解码，转换成视频信号进行显示。

9)广播级的图像质量

系统的显示控制设备、中心视频服务器采用了广播级质量的设备，另外系统整个过程采用全数字的方式，避免了图像质量的下降，使信息图像的显示达到广播级的图像质量。

3 系统设计

由于地铁列车是“24小时”长期运行系统，因此其设备要求高，设计的全过程贯彻可靠性、实时准确、先进性与实用性相结合、灵活扩展、便于维护、安全性等设计原则，保证系统的可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可维修性(Maintainability)和安全性(Safety)——RAMS。

3.1 控制中心子系统

控制中心的功能主要有3个方面:

1)控制中心完成外部信息采集，结合运行的需求，对外部信息进行编辑处理，制作成内部媒体信息，根据运营的需求控制播出，向乘客传递相关信息;

2)控制中心功能包括处理系统内各类数据、管理、控制系统设备、监视控制网络及终端设备的工作状态;

3)控制中心对列车上传到中心的客室监控视频进行显示、管理和存储。

控制中心结构图如图2所示。

图2 控制中心结构图

3.1.1 系统硬件结构

控制中心子系统一般包含的设备如下:

1)中心操作员工作站;2)中心服务器;3)中心视频服务器;4)交换机;5)磁盘阵列;6)显示设备。

3.1.2 软件设计

1)中心服务器

乘客信息服务系统软件从整体上可以划分为2个层级:中心级和车站级。车站级服务器集中管理本车站内的所有系统设备，各车站服务器再由中心服务器统一管理，中心服务器是整体系统的核心。中心服务器上运行的软件包括:日志管理软件、播放控制软件与网络管理软件。

(1)日志管理软件

该软件对系统运行的情况及用户情况进行详细记录，同时定期将各个分站上的日志数据采集到中心服务器进行集中管理，如过期日志的删除、日志的导出与可视化功能等。

(2)播放控制软件

该软件功能主要包含3个方面:

①素材导入:将外部系统素材、如文字、图片、视频信息导入后，进行内容审核、编辑;

②版式编辑:根据需求，将显示屏幕进行窗口划分，将要播放的素材导入后，在素材播放画面之上，叠加需要显示的公共服务信息，如天气预报、股市信息以及紧急信息等;

③播出控制:生成一个播出列表，该播出列表指定素材的播放方式、时间等，根据播放列表，将制作好的节目或者公共服务信息通过网络发布到各子系统。

(3)网络监控软件

该软件功能主要包含2个方面:

①设备监控:实时地对网络中的设备进行状态监控，并保存设备的状态信息，在侦测到设备故障时，将故障设备的网络地址与故障信息保存在本地日志，并可视化地显示出来;

②网络监控:实时监控整个PIS网络的网络状态，如终端设备在线状态、网络拥塞程度等，在网络中出现设备掉线或者网络出现异常情况时，将故障信息保存在本地日志，并可视化地显示出来。

2)中心操作员工作站

中心操作员工作站具有整个PIS系统的管理功能，其上运行的软件包括用户管理软件、信息查询软件、设备维护管理软件。

(1)用户管理软件

管理整个系统的用户账户，包括系统账户的建立、删除，账户的权限设置等与账户管理相关的功能。

(2)信息查询软件

从中心服务器调取日志信息、设备工作状态、网络状态、故障信息等，并可以对这些信息进行统计和分析，输出报表，并可视化地显示出来。

(3)设备维护管理软件

负责对整个乘客服务信息系统进行系统设备管理。对各车站、列车所包含的设备的运行参数、预定义信息等进行配置。

3)中心视频服务器

中心视频服务器上运行的软件包括:视频管理软件与磁盘空间管理软件。

(1)视频管理软件

视频管理软件能够将各列车上传的客室视频监控图像在中心显示设备上进行显示，并将数据存储在磁盘阵列中，可根据查询条件，在软件的指定位置回放调取数据。该软件大致可划分为3个功能模块:

①视频显示:实现全屏及分屏显示模式，实现车辆内视频的监视，并可根据设定的间隔进行轮巡显示，参与轮巡的对象可以任意设定;

②视频回放:用户可以根据时间、车辆号及客室摄像机号索要所需的录像资料，并可在软件的指定位置回放检索到的视频录像;

③视频存储:将上传的视频数据按照约定的存储方式存储在磁盘阵列中。

(2)磁盘空间管理软件

定期检测硬盘的剩余空间，当磁盘空间不够时，发出报警信息。

3.2 车站子系统

车站子系统安装在车站内，主要功能包含3个方面:

1)车站子系统是信息的中转环节，负责接收并下载控制中心的命令、各类信息内容、系统参数等，当在控制中心或网络子系统故障时，车站子系统能够承担控制中心信息发布的责任，按照下载的节目菜单和节目内容在本站显示终端上自动播放。

2)将站台各服务器、工作站与终端设备的工作状态、工作日志、故障信息等定期地上传至控制中心。

车站子系统结构图如图3所示。

图3 车站子系统结构图

3.2.1 系统硬件结构

车站子系统设备主要包括:

1)站台服务器;2)交换机;3)站台操作员工作站;4)多媒体查询机;5)磁盘阵列;6)LED显示屏;7)LCD显示屏。

3.2.2 软件设计

1)车站服务器软件

车站服务器软件包括:日志管理软件、系统监控软件、播出控制软件、设备管理软件、磁盘空间管理软件。

(1)日志管理软件

定期将本站各工作站、终端设备的工作日志导入服务器进行存储，并上传至控制中心服务器。

(2)系统监控软件

与控制中心服务器监控软件具有类似的操作功能，只是其操作权限仅限于本车站的设备。系统监控软件能够判断故障，并自动告警和记录日志。一旦出现故障，及时向中心服务器上传故障与报警信息。

(3)播出控制软件

自动地从中心服务器下载播放列表、节目数据、公共服务信息、紧急信息等乘客信息数据，并根据播放列表将播放数据发送到各终端进行解码播放。同时，在本地存储设备中，存储接收到的播放数据，这样，在通信故障时，系统可按原有播出列表进行播出，不会让乘客明显感到系统故障;当恢复通信时，立刻恢复到正常播放状态。

(4)设备管理软件

能够与控制中心同步，接收来自控制中心的设备配置信息，并将信息下传进行本站设备的配置或管理。

(5)磁盘空间管理软件

定期检测硬盘的剩余空间，当磁盘空间不够时，能够发出报警信息，并上传至控制中心。

2)车站操作员工作站软件

车站操作员工作站与中心操作员工作站类似，但其权限仅限于本站系统内。其上运行的软件包括用户管理软件、信息查询软件、设备维护管理软件。

3)多媒体查询设备软件

多媒体查询设备软件包含一个可视化查询界面，界面上包含了常用信息的查询接口。在没有乘客对屏幕进行触摸操作时，软件将全屏幕滚动显示来自中心服务器的信息。当有屏触摸操作时，能实时互动地显示来自中心服务器的信息。旅客可通过触摸屏幕获得潜在需求的各种信息。比如，公告信息、车站出口及周边地理及交通指南、安全乘车须知等。另外，多媒体查询软件通过与服务器进行通信，定期更新公共服务信息内容。

3.3 车载子系统

车载子系统主要负责利用无线双向传输网络设备将车上监视图像、车辆故障信息上传至控制中心。通过无线双向传输网络设备接收紧急信息和乘客服务信息等内容。

车载子系统结构图如图4所示。

图4 车载子系统结构图

3.3.1 系统硬件结构

车载子系统包含设备有:1)车载控制器;2)车载交换机。

3.3.2 软件设计

车载控制器软件包括主要完成2个工作:

1)考虑到无线网络环境的不稳定性，车载视频控制器软件支持断点续传功能。在控制器硬盘中缓存30～60 s的视频节目，这样，当检测到丢包时，车载控制器能够有时间从控制中心获取丢失的信息。

2)车载控制器软件能将本车的车载设备信息，通过移动网络传送到控制中心。

3.4 网络子系统

网络子系统是连接控制中心、车站和车载三大子系统的关键系统，是整个乘客信息系统的基础系统，它利用中心—车站主干传输网络为PIS提供网络通道，用来传输中心与各车站、地铁车辆之间的各种媒体和控制信息。网络子系统由有线网络和无线网络两个部分组成。

有线网络为中心、车站和无线接入点的视频和数据提供传输通道。按照多媒体传输的需求，采用开放性体系结构与工业标准，所有网络产品支持主流的网络与接口协议;核心交换机依据电信级设备的设计结构，采用全冗余路由交换和分布式电源;所有模块均可热插拔;提供多种方式和层次的访问控制安全机制以确保网络子系统的数据安全性。

车地无线网络可实现信息的上传和下发，主要包括通过组播方式实现中心到列车的信息发布;根据控制的需求，将特定信息发送给指定列车;1路数字视频信息的带宽不低于6 Mbit/s;将车辆监视信息实时及准实时上传至控制中心。无线网络在满足系统要求的前提下需保留带宽25%以上的裕量，且传输层双向平均有效带宽不小于13 Mbit/s。系统需保证在所有列车需进行无线通信的地方都进行全面的网络覆盖。无线设备切换时间不大于50 ms，局域网丢包率在1%以下。

4 主要关键技术

4.1 系统架构设计

PIS系统是一个综合集成系统，系统的架构设计关系到使用性能与维护成本，因此，系统的架构设计非常关键。根据PIS系统的实际需求，将PIS系统划分为3个层级、4个子系统，从层级上划分为控制中心、车站、车载3个级别，从系统上划分为控制中心子系统、车站子系统、车载子系统和网络子系统(包括有线和车地无线)4个子系统，每个子系统为一个模块，进行模块化管理。对全系统设备进行统一的IP规划，以保证系统安全、可靠、稳定、高效。

在系统设计中，充分考虑信息的播出和回传的需求，定义系统中运行的每个车辆为一个大节点，即在车辆内部采用内外网，将车载网络与大系统网络进行物理隔离，保证车载网络稳定传输的同时，保证全系统网络的稳定。车载网路构架如图5所示。

图5 车载网络构架简图

4.2 有线网络拓扑结构设计

有线网络系统提供从控制中心到各车站的数据通道，是整个PIS系统的基础，有线网络的安全性与可靠性对整个PIS系统的可靠性有决定性作用。有线网络系统的可靠性除了与网络设备的可靠性密切相关之外，网络的拓扑结构也是关系到网络系统可靠性的重要手段。根据实际系统需求，将系统有线网络拓扑结构设计成星形千兆以太网，控制中心与车站各设一台核心交换机，同时，在车站设置车地无线网络接入交换机与无线网络控制器，实现车地无线网络到有线骨干网络的接入。

4.3 车地无线网络

PIS系统中，车地无线网络是一个重点，也是一个难点，目前实际应用的PIS系统中，车地无线网络的性能表现一直不是很稳定。因此，车地无线网络的方案设计成为本系统中的一个重点。由于目前采用无线网络(WLAN)为WiFi网络，是地面基本固定(或运动量较小)的无线网络，因此对高速运动的车辆而言并非理想网络，为了克服网络可能存在的信息停顿或中断问题，需采用缓存机制，进行一定信息的预存，保证信息的完整连续展示。

4.4 数据库设计

PIS系统中有大量的配置信息、设备信息、日志信息、乘客信息等系统数据，如何存储和管理这些数据也是系统设计的关键。系统采用SQL Server数据库软件作为系统数据库软件，以实际需求为依托设计具体的数据存储管理方式，从而在完成功能的同时，降低复杂度，提高系统稳定性。

4.5 功能模块划分、功能软件开发

根据实际需求，PIS系统主要包含信息服务、列车视频监控、系统设备监控、系统维护管理这4个功能。要实现这些功能，除了相应的设备、网络等硬件支持外，还需要开发相应的功能软件，这部分也是整个系统研制过程中任务最重、最关键的部分。以乘客信息服务为例，乘客信息服务需要控制中心的播控程序能够对乘客信息进行编辑、排版播放控制，车站服务器和车载控制器进行接收、转发，车站和车载显示控制器进行解码显示。因此，许多功能不是一个简单的软件就可以实现，而是需要一个软件系统。系统通过精准的模块划分、详细的构架设计，使信息流畅地传送至系统的各个终端，为乘客出行提供了便利。图6～图11是系统中各主要软件例示。

5 结束语

乘客信息系统目前已经成为轨道交通列车重要的组成部分，尽管目前依然存在信息传输不畅、停顿、卡滞等问题，业界也在探讨采用广播电视即地面数字电视模式，构建乘客信息的发布网络，解决信息传输存在的问题。相信随着应用的不断扩展、系统设备的成熟和新技术的引入，乘客信息系统也将得到快速发展，满足轨道交通信息服务的需求，为乘客出行提供便利和服务。

［1］翟维丽.城市轨道交通系统关键技术及相关问题研究［D］.长春:吉林大学，2007.

［2］刘伟中.乘客信息系统在城市轨道交通中的应用浅析［J］.铁路通信信号工程技术，2009(3):43-45.

［3］候大志，刘勇，杨宏涛.PIS&CCTV系统在地铁中的应用［J］.电视技术，2012，36(11):129-133.