无人驾驶地铁列车乘客信息系统的关键技术

程 珂，钱存元

(同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海201804)

无人驾驶地铁列车乘客信息系统的关键技术

程 珂，钱存元

(同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海201804)

介绍了马来西亚吉隆坡无人驾驶地铁乘客信息系统的关键技术，该系统基于全数字化的网络设计对客室进行语音广播、多媒体播放以及闭路电视的监控。描述了系统的主要功能和技术特点，为今后相关技术在我国的运用和推广有着很好的借鉴作用。

无人驾驶;地铁列车;乘客信息系统;

无人驾驶地铁车辆代表着地铁车辆中最高的技术需求，作为车辆部件的重要组成部分之一的乘客信息系统，其担负着通过正确的服务信息引导乘客，安全，方便地乘坐地铁车辆。

顾名思义，乘客信息系统即通过语音和多媒体信息的及时更新服务于乘客的计算机系统。其主要由3个关键子系统组成:即广播系统、多媒体播放系统、闭路电视监控系统。随着近年来网络技术的高速发展，乘客信息系统依托工业以太网、多媒体播放、LCD屏的技术有了长足的进步。

对于广播系统来说，传统的乘客信息系统的语音传输是通过模拟量信号。随着科技的发展，目前已通过模数—数模的转换，将语音信息以VOIP的协议在以太网上传输。况且由于是应用于无人驾驶的列车，广播系统不但要实现列车运营时正常的语音播报，而且还需要具有车辆与地面控制中心的语音通讯，如乘客与地面控制中心进行紧急对讲，地面控制中心对车辆进行人工广播等。

对于媒体播放系统而言，基于TCP/IP协议应用层的实时流传输协议(RTSP)能将多媒体信息通过以太网传输到各个LCD内，从而替代了早期采用视频解码器以VGA线连接LCD的控制方式。这样免去了列车的重复布线，减少了设备的布置空间，降低了列车配重。另外由于LCD屏的普及，传统LED显示技术已逐步向LCD显示技术过渡。视频广告和路线导向指示信息可通过LCD屏进行播放，相较于LED固定不变的点阵设计，LCD屏更易于多样化的显示内容和便捷的线路调整。线路图能随着城市轨道交通线路的发展而逐步调整，对于乘客而言，也可以及时地了解到列车的动向并有效地丰富列车内的车厢文化。

闭路电视监控系统是随着当今社会安保意识的不断提高而发展起来的一个系统，它起到了有效监控列车客室内外的实时动态，并将监控视屏予以记录和实时传输到地面控制中心。全数字化设计的摄像头能根据设定，以不同的视屏码流清晰高速地传输视屏信息。大容量车载视频记录装置能对所有的视频信息予以记录，以便于安保部门日后的取证和查阅。

1 系统的基本构成及各部分功能

作为吉隆坡的无人驾驶地铁，乘客信息系统的结构有着特别之处，其所有的部件均连接在列车的以太网上。整个列车以太网采用H形结构设计，主干网使用千兆级别的Cat7网络线进行数据传输，子网采用百兆级别的Cat5网络线连接，所有以太网设备均连接在交换机上，并通过千兆级别的主干网进行车与车之间的数据交换。主干网H形网络结构如图1所示。

图1 H形网络结构

该系统的3个子系统:广播系统、多媒体播放系统、闭路电视监控系统均连接在H形的主干网从而实现语音的广播，视频流的播放以及闭路电视系统的监控，并且该以太网也用于传输列车各个子系统的故障诊断数据，系统如图2所示。

对于吉隆坡的无人驾驶地铁而言，广播系统主要用于列车内的乘客语音到站广播，司机室之间的对讲，以及乘客的紧急语音通讯。其分别由音频通讯和媒体控制单元(ACSU)，集成通讯面板(ICP)，功放(AMP)，客室紧急通讯单元(PECU)，客室喇叭(ILS)以及司机室喇叭(CLS)组成。在客室广播时，语音信息通过ACSU内的媒体控制器以基于IP的语音传输协议(VOIP)传输到位于客室音频控制单元(PACU)内的各个功放中，功放对数字化的信息进行解码，并通过双绞音频线连接到各个客室喇叭，进行语音广播。在司机室对讲时，两个位于司机室的ICP能相互通讯，并与其相连的司机室喇叭发挥出司机室对讲的功能。当客室发生紧急情况时，乘客能主动激活PECU，对司机室和地面控制中心发起语音呼叫，一旦通讯建立，便可以形成全双工的语音通讯模式。

多媒体播放系统主要用于LCD屏，动态地图显示屏的视频信息播放。位于ACSU内的媒体控制器，将存储在内的视屏文件通过以太网已实时流传输协议(RTSP)传输到每个车内的LCD屏和动态地图显示屏予以播放。另外媒体控制器能发出相应的站名，消息数据的触发信号，将位于显示屏内的列车到站信息根据列车实际运行情况予以图像展示。

闭路电视监控系统是一个集视频监控和记录的多功能系统。位于客室内、司机室端部、车体两侧的数字摄像头构成了整列车的视频监控源，司机或维修人员通过触摸屏(TLCD)则能实时地浏览各个摄像头拍摄的视频信息，网络视频记录器(NVR)也是闭路电视监控系统的一个组成部分，NVR能有效地记录下各个摄像头拍摄的视频信息，其存储容量为固定的，采用先进先出的模式，但是根据摄像头预先设置的码流和图像帧率，保存的视频文件有效期可以为之进行调整。

图2 乘客信息系统总览

2 各子系统在无人驾驶中的关键技术

作为无人驾驶地铁列车，不但有着一般有人驾驶地铁列车的普遍技术功能，而且还具有一些特殊设计的功能以适应无人驾驶高技术、高可靠性的要求。这里就主要描述各子系统在无人驾驶技术中的主要关键技术。

2.1 列车以太网技术

2.1.1 核心网络设备

随着传输数据量的不断增大，以太网技术是乘客信息系统信息传输的首选。高标准的以太网硬件设备是保证数据安全、可靠、实时地在网络上不同设备之间进行传输的关键之一。对于设备之间的通讯，汇聚链接即主干网，采用Cat7的网线相连，访问链接采用Cat5的网线相连。

交换机和位于ACSU内的网络控制计算机(NCC)是最核心的设备。交换机应当包括以下主要功能:

(1)交换机至少为2层交换机，支持百兆和千兆网络;

(2)为保证网络的稳定性，交换机需要实现环网控制机制以及快速生成树协议(RSTP)以实现网络的冗余性;

(3)交换机须支持 IEEE802.1Q的端口 VLAN的划分，并且支持优先级;

(4)交换机需要能够限制每一端口的数据传输速率;

(5)交换机需要支持简单网络管理协议(SNMPv2c);

(6)交换机须支持动态主机配置协议(DHCP);

网络控制计算机(NCC)也可称作为网络的路由器，这是一个独立的设备，并通过百兆网和交换机设备相连。它主要功能如下:

(1)用于控制网络内部虚拟网络之间的通讯，具有支持源地址和目标地址翻译的功能(NAT/PAT);

(2)支持动态主机配置协议(DHCP)以及网络时钟协议(NTP)的服务器;

(3)具有冗余功能，即主从设计。当主NCC检测到故障时，主要功能将自动切换至从的NCC执行。

综上所述，这两个核心设备构成了网络的基本的通讯和传输的功能。

2.1.2 虚拟局域网络(VLAN)的构成

随着传输数据量的不断增大，以太网技术是乘客信息系统信息传输的首选。但是如何保证数据安全、可靠、实时地在网络上不同设备之间进行传输呢?根据IEEE802.Q，把同一物理局域网内的不同用户逻辑地划分成不同的广播域，这样就构成了多个虚拟的局域网络(VLAN)，VLAN将有助于控制网络流量、简化网络管理、提高网络的安全性。

我们根据无人驾驶列车网络上的不同设备以及不同的功能，车载网络被划分成以下3个虚拟局域网络:

(1)列车控制VLAN

该虚拟网络包含所有的列车控制的子系统设备，如车辆控制单元，门控单元，空调控制单元等。

(2)网络管理VLAN

该虚拟网络包含所有车载网络设备，如交换机，网络控制计算机等。

(3)乘客信息系统VLAN

该虚拟网络包含所有的乘客信息系统设备，如媒体控制单元，功放，摄像头，LCD屏，动态地图显示屏等。

通过单独划分列车控制VLAN，可以增加局域网的安全性，车辆控制单元等这些敏感数据用户将不会轻易的被外网用户所连接攻击。由于局域网上需要传播大量视频语音信息，这些信息数据量大且更新发送频繁，很容易引起广播风暴，单独划分乘客信息系统VLAN将减少参与广播风暴的设备数量，有效的控制了网络传输流量。

由于交换机为2层交换机，支持IEEE802.Q标准的VLAN划分。网络控制计算机NCC起到了VLAN之间的通讯处理，NCC定义了虚拟网关，利用网络地址转换(NAT)技术，在IP数据包传输中改变其源IP地址或者目的IP地址，从而实现各个VLAN之间的相互连通。

2.2 广播系统

2.2.1 车地语音通讯

车辆与地面及时的语音通讯是无人驾驶地铁广播系统的主要特点之一。地面控制中心可根据视频监控情况及时中断车载自动广播，对客室内进行人工语音提示。由图2所示，地面无线电设备分别通过两根音频线实现与车载音频控制单元的音频数据交换，相关的控制数据则通过以太网传输连接实现。

在列车运行过程中，列车无线电控制单元需要始终和车载音频控制单元保持主控对主控的匹配位置，而其主从的信号则通过以太网来源于列车的中央控制单元，从而达到有效同步的效果。

车载音频控制单元则通过以太网对每节车内的功放进行语音信息的传输，每节车内分别配有两个功放单元，已达到单节车语音播放冗余的目的。

2.2.2 乘客紧急对讲通讯

乘客紧急对讲系统是当列车客室内发生突发事件时，由乘客主动发起的语音呼叫装置。在无人驾驶地铁列车中，每节车厢内分别安装有4个乘客紧急对讲装置，采用以太网供电(PoE)的方式两两连接在两个交换机上。

当列车在无人驾驶模式时，在乘客触发紧急装置上的“对讲”按钮后，音频控制单元ACSU通过用户数据报文的协议(UDP)以单播的方式向车载无线电台发起语音通讯请求，车载无线电台会和地面控制中心进行联系，在得到地面控制中心确认后，乘客可与地面控制中心的语音通讯通道建立联系，双方可以实现全双工的对讲。考虑到多重触发的可能，地面控制中心可根据实际需要任意选择触发的紧急对讲进行通话。与此同时紧急对讲的激活信息会通过车载视频系统以TCP/IP的协议发送给地面视频系统，从而地面视频系统能快速读取紧急对讲装置内的针孔摄像头的视频信息，车载视频记录装置也会据此记录所发生的一切视频信息。

在无人驾驶地铁乘客信息系统中，乘客紧急对讲装置根据EN50128有安全等级认证SIL1需求的部件之一。当任意一个紧急对讲装置触发后，可通过硬线输出给车载信号ATC系统一个触发信号，此时如果列车在行驶过程中，ATC会在下一个站保留列车继续前进的权利，直到所有乘客紧急装置都被复位。

2.2.3 客室内的语音传输指标

在无人驾驶地铁列车中，良好的语音传输指标是优秀广播系统的一个必要条件。因为列车在运行过程，语音广播系统的设计需保证每个乘客能够清楚地听到语音信息，这就要求在设计之初建立一个有效的声响三维模型，并根据喇叭实际的布置效果来仿真车厢内的语音效果是否符合要求，可参见图4喇叭在三维模型中的布置。

根据建立的声响3D模型，分别以下述性能为基本的衡量准则对车辆声响效果进行仿真考核:(1)在离地板1.5 m的水平高度，整列车的声音覆盖应统一且公差在±2 dB(A)的范围内;(2)良好的语音可懂度，对于语音传播指标STI(Speech Transmission Index)值应大于0.6; (3)语音系统传递的声压等级不应超过96 dB(A)。

图4 喇叭在三维模型中的布置

唯有通过设计阶段有效的语音传播指标的仿真以及后期试验的论证，才能充分验证整个广播系统的实际有效工作状态。

2.3 多媒体播放系统

2.3.1 LCD屏的多功能使用

随着科技日新月异的发展，大尺寸的LCD屏已经成了主流的发展趋势。在吉隆坡无人驾驶地铁项目中，采用了两种规格的LCD屏，一是标准22寸LCD屏，另一种是异形43寸动态地图显示屏。通过研究，将门区常规的动态地图LED显示屏改为LCD显示屏，实时动态显示真实的线路路线图并配合广告的播放，能使乘客更直观更清晰的了解路线情况，并且由于是LCD显示技术，动态线路的形状及图标可根据客户的喜好随意更改，如图5和图6所示。另外标准22寸LCD屏也能进行分屏显示，同时播放广告和下一站站名等消息数据，如图7所示。

图5 动态地图线路效果示意图

图6 动态地图到站效果示意图

图722 寸LCD屏效果示意图

2.3.2 实时流媒体的播放方式

流媒体技术是这些年随着互联网技术的发展而孕育的新的多媒体播放技术。所谓流媒体是指以太网中使用流式传输技术的连续实时多媒体，如语音文件、视频信息等。流媒体在播放时无需等候完全下载整个媒体文件、或全部的数据。各个LCD屏和功放可以一边从媒体控制单元内下载一边播放，所有相关的媒体信息均存储在媒体控制单元内，因此流式传输和数据编码解码是实现实时流媒体播放的关键技术。

每列车分别设有头尾各一套媒体控制单元，已达到冗余的效果。媒体控制单元通过以太网与各个LCD屏相连，以实时流传输协议(RTSP)传播媒体信息，该协议用于视频和音频的远程控制功能，控制实时数据的传送。为了达到较高的视频质量并且占用较少的网络播放带宽，所有视频均采用H.264的压缩格式，H.264具有高效的图像压缩质量在世界上得到广泛的使用，在无人驾驶地铁列车中单一的视频流媒体只有约8 MB左右的大小，音频信息约为几百KB左右，这样整个视频音频的播放最多也只占用约10 MB左右的带宽，这相对千兆网的主带宽来说，这只是冰山一角。

图8 流媒体播放功能流程图

这里的媒体控制单元综合了传统视屏VGA的编码、解码等设备繁琐的工作，可以直接由以太网将视频媒体流从媒体控制单元传输到LCD屏播放，达到简单可靠的效果，也解决了传统网络下载多媒体资讯时间过长，降低了对播放系统缓存的需求。

2.4 闭路电视监控系统

2.4.1 数字摄像机的选择和布置

对于无人驾驶列车，地面控制中心需要全方位地监控列车状态，因此数字摄像机的选择和设计显得尤为重要。

在吉隆坡项目中，每列车前后各设有一个端部摄像机，该摄像机主要用于监控车辆前后的轨道状态，由于列车会迎阳光或进出隧道运行，这就要求端部摄像机具有宽动态(WDR)调节技术，从而提高图像的质量。

在每节车左右两侧各设有一个侧视摄像机，该摄像机则用于监控两侧车门的开关状态以及乘客进出车厢的状态。由于车侧摄像机是直接装在车体的外侧，其厚度应足够地薄以不超出车辆包络线允许范畴，并且应能满足列车经过洗车机时候强烈的喷水性能考验，也要具有防止镜头内出现冷凝水的情况。因此尽量的扁平化设计，良好的密封外壳IP性能以及内部具有加热功能，是一款性能良好的车侧摄像机的必要条件。

此外在每个客室内设有4个室内摄像机以及每个乘客紧急对讲装置均配有针孔摄像机，这些摄像机用于监控客室内的状态和触发紧急对讲装置时乘客的具体情况。另外每个摄像机的视角需要与实际客室内装、车体布置相结合，已达到视角无盲点，全面覆盖列车所有相关的监控区域。

2.4.2 数字化视频的传输和记录

列车在无人驾驶中，地面控制中心可以通过网络实时的了解列车内各种突发事件。在地面的控制中心首先可以选择列车并发出要求视频信息的请求，当信号连接到对应列车的相应摄像机后，实时视频流信息会通过摄像机传输到控制中心的监控屏幕上。根据测试当摄像机的视频配置为25帧/s，分辨率在4 CIF，采用H.264的压缩格式时，视频流大小大约为1.5 MB/s，由于此项目车对地无线传输的带宽限制在8 MB/s左右，因此对于控制中心来说每列车能实际监控到只有约4个画面，以后的项目设计在此基础上应当有较大的提升和改进。

另外列车内设计有两个网络视频记录器，这两个视频记录器起到互为冗余的作用，其可将摄像机传来的数字视频信号直接保存在本地的硬盘中，本地硬盘采用HDD 4T的容量设计，能保证存储10天以上的视频信息。

3 结束语

无人驾驶地铁列车乘客信息系统全以太网的结构和相关关键技术的运用能简化系统对外接口，减少车辆设计的复杂性和成本。马来西亚吉隆坡地铁列车作为该理念列车在亚太地区推广的首个项目有着里程碑式的意义。目前该车型已进入调试验证阶段，随着项目经验的积累，此系统后续项目的设计将为我国乃至全球的应用提供参考。

［1］ 刘俊艳，钱存元.上海国产化A型地铁列车乘客信息系统［J］.城市轨道交通研究，2011(9):108.

［2］ Metro Platform Inspiro Passenger Information System Specification［R］.Siemens AG.

［3］ Particular Specification SBK-S－01:Electric Trains.

Key Technology for Passenger Information System of Driverless Metro Train

CHENG Ke，QIAN Cunyuan
(Tongji University Institute of Railway and Urban Mass Transit，Shanghai 201804，China)

This paper mainly presents the key technology for passenger information system of driverless metro train in Kuala Lumpor of Malaysia，and this system is based on the full digital network design to realize the audio broadcast in passenger room，multimedia playing and closed circuit television monitoring.It describes the main function and technical characteristics of the system，and provides the reference for future operation and popularize of the relevant technology in our country.

driverless;metro train;passenger information system;

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.29

1008－7842(2015)02－0120－05

)男，硕士研究生(

2014－09－09)