地铁乘客信息系统中车—地实时信息的传输及控制分析

代民安

（江苏省设备成套有限公司，江苏 南京210009）

0 引言

随着世界经济水平的提高以及人口数量的增加，城市交通拥堵问题在世界范围内尤其是各大、中城市日益严峻。为了缓解城市道路交通拥堵的状况，许多城市都开始着手规划和建设舒适、便捷、高效的地铁轨道交通系统。在城市地铁系统建设不断发展的形势下，地铁乘客信息系统（Metro Passenger Information System）作为一种新兴的轨道交通系统，也逐渐开始得到应用。有关数据统计显示，2012年乘客信息系统（PIS）在全国轨道交通改造及其相关机电设备采购中占据了相当的份额，其中北京地铁14号线、无锡地铁1号线及2号线，以及长沙轨道交通1号线等都进行了乘客信息系统设备的采购。

1 地铁乘客信息系统及其构成

地铁乘客信息系统依托计算机网络技术和多媒体技术，由控制中心、广告编辑中心、车站控制子系统、车载子系统及网络系统等构成，如图1所示。该系统可以对多种多媒体资讯信息进行编辑和制作，并借助车站或车载液晶显示器实时动态地传输给地铁乘客，从而提高乘客的出行效率，提升地铁轨道交通的服务水平及竞争力。同时，在发生火灾、地震、恐怖袭击等紧急情况时，该系统还可以迅速广播各种动态的有关紧急疏散和防灾的文本及图像信息，协助和引导乘客进行紧急避难，从而有效保障乘客及工作人员的生命安全。

图1 地铁乘客信息系统基本构成

其中，车载子系统是地铁乘客信息系统的重要组成部分之一，可以接收和广播控制中心下发的各类多媒体信息，并在地铁进站时，及时插播地铁的到站信息和换乘信息。此外，车载子系统中设置有摄像机，用于采集车厢内的图像，便于司机和控制中心人员的实时监控。然而，车载子系统在车—地信息传输过程中，其通信信号很容易受到无线通信、有线广播、内部通信联络、基于通信的列车自动控制系统（CBTC）、移动GSM、CDMD及3G通信等的干扰，影响传输质量。同时，在高速移动的地铁上，传输触发时机和数据流量的高速切换也存在很大的问题，如果处理不当，就会造成信息重传、信号衰减、传输速率下降等问题，导致车—地之间数据和图像不能实时、无缝地进行传输。因此，保证车—地信息传输的稳定性和实时性，对提高地铁运营服务水平来说，就显得非常重要。

2 车—地信息传输网络

常用的车—地信息传输网络可以分为有线网络和无线网络两种。对于前者，随着城市地铁轨道交通的线网化发展和线路的复杂化，为满足换乘线路间的信息互通需求，需要不断增加线路的外部信息源接口和线路间PIS接口，此时无论采用车站接口模式还是中心接口模式，都会增大有线光缆的敷设难度，导致地铁管理难度加大。而采用无线网络传输，只需在地铁沿线设置无线传输设备和天线，并在地铁线路的车站设置网络管理服务器，就可以实现车辆与地面间信息的实时传输。

目前，可应用于地铁数据传输的无线网络技术有数字视频广播技术和网络流媒体技术。采用数字视频广播技术可以提高车载新闻及娱乐视频节目的播放质量和时效性，基本可以满足10Mb／s以上的多媒体信息下传，但是当采用该技术向移动地铁发送视频信号时，低频率信号容易发生快速衰减，尤其是在隧道中，因此一般需要在隧道中敷设漏缆。而采用网络流媒体技术，不仅造价较低，而且车载计算机还可以通过无线局域网（WLAN）平台从远程服务器实时下载视频文件、导乘信息等，并进行信息合成，然后以VGA的方式输出到车载显示屏上，从而完成信息的远程实时播放。因此，当前，地铁乘客信息系统一般选用无线局域网来实现。

在国内轨道交通网络系统中，传统上使用的无线局域网物理层标准是IEEE802．11a、IEEE802．11b和IEEE802．11g，这3类物理层标准可以满足2．4GHz免许可证开放频段的工作需求，最大带宽为54Mb／s。但是，其容易受到地铁现场环境的复杂性因素尤其是高速移动的影响，难以保证数据和图像实时传输的质量。特别是当地铁从线路沿线一个WLAN接入点（AP）的覆盖区域进入另一个AP覆盖区域时，需要进行切换，容易造成传输中断或延迟。同时，由于无线频道的带宽限制，需要采用大量的编码算法如H．263、MPEG4等对视频信号进行压缩，很难保证信号传输的高清质量。

3 车—地信息传输的质量控制

为了保证车—地信息传输的可靠性和稳定性，可以通过有损通道、误差控制等方法在原始视频流中增加冗余信息，从而纠正视频压缩过程中的位元错误，或者是添加适应性源—通道编码，如离散余弦转变视频编码、喷泉码等，以最大程度地减小视频传输失真。不过，这些编码模型多是针对因信道衰落而造成的数据包丢失，而对地铁高速移动过程中因网络高速切换造成的数据丢包问题却不能很好地解决。

3．1 针对网络高速切换的传输质量控制

IEEE802．11p是轨道交通传输网络中一种新兴的技术，适用于高速变换车辆网络，其介质访问控制（MAC）协议采用增强型分布式信道访问，而其物理层则由基于正交频分多路复用的IEEE802．11a标准变化而来，其信道宽为10MHz。近几年，喷泉码在视频数据流的传输中得到广泛使用，将其引入地铁乘客信息系统中，有望用于修复因网络高速切换而造成的数据包丢失。因此，将上述二者结合起来，并进行综合设计，可以优化视频传输服务质量。该结构采用喷泉码作为应用层，经过编码的应用层数据包被密封在实时传输协议（RTP）中，并被传送到车—地传输网络中。而网络协议（IP）则被IEEE802．11p的MAC和物理层密封，在地铁高速运行过程中，一旦发生切换，则相应的应用层参数自动适应，无线信道也自动改变，从而提高车—地视频传输的质量。

3．2 针对通信信号干扰的传输质量控制

在对乘客信息系统造成干扰的众多信号源中，CBTC干扰的影响最大，可采取以下措施来减小二者之间的相互干扰：

（1）二者选择同一家WLAN供货商。目前，CBTC系统和PIS系统无线带宽要求分别为2MHz和10MHz，可以通过采用IEEE802．11b的直接序列扩频（DSSS）技术，将视频传输速率提高到11Mb／s，进而使CBTC系统和PIS系统进行集成工作，这样既能节省无线频率资源，又能避免二者之间的干扰。

（2）当二者的 WLAN供货商不同时，可将其频段分开使用。例如，CBTC使用2．4GHz频段，而PIS使用5．8GHz频段。

（3）当二者的WLAN供货商不同时，若要使用同一频段，则可通过改变天线极化方向和规划无线频段的方法来减少二者之间的干扰。

4 结语

随着地铁乘客信息系统的不断改进，车—地信息传输技术也不断完善，这对实现地铁与车站之间图像和数据的实时、无缝传输起到了重要作用。地铁出行信息、新闻娱乐信息等多媒体信息的实时、可靠传递，很大程度上提高了城市轨道交通出行的便捷性、安全性和舒适性，也提高了乘客的满意度，对提升城市地铁轨道交通的运营服务水平具有重大意义。

［1］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）