地铁PIS系统双机热备可靠性方案技术研究

施亦进 杨超华 郝卫国

（上海申通轨道交通研究咨询有限公司，上海 200070）

1 PIS系统的网络现状及存在问题

1.1 国内地铁PIS系统的网络架构及隐患

1.1.1 PIS系统功能简介

国内地铁乘客信息系统（PIS）为方便乘客候车、乘车，在本工程的各车站站台、站厅公共区及出入口处设置乘客显示设备。乘客通过显示设备及时了解列车的运行信息、公共信息及安全事项等。同时该系统在列车运行空隙时间可播放天气预报、时事新闻、娱乐节目等内容。

各车站PIS向乘客显示的主要内容包括。

1）与广播内容同步实时显示列车到达动态信息（年月日、现在时间、最近两班列车到达时间、距本站最近的列车到达时间等）。

2）能实时显示本线及轨道交通网络运营的基本状态信息。

3）乘客乘车须知和换乘信息。

4）一些重要事项（突发事件、紧急信息、通知等）。

5）实时地铁电视台直播信息（含模拟、数字电视信息）。

PIS主要由中心子系统、车站子系统、车载子系统和网络子系统等部分组成。

1.1.2 控制中心子系统功能

控制中心PIS软件接收、存储、处理和发布地铁咨询信息。

控制中心功能包括有线电视信号的引入、处理和发布，可以引入、处理和发布多路（至少2路）有线电视信号，满足在车站、车载LCD显示屏上实时播放2路有线电视的要求。有线电视信号进入编播中心后，直接进入视频服务器并编码，然后通过网络传输到各车站及列车的显示终端进行播放，通过视频服务器接收有线电视信号经过编码压缩后，转换成MPEG-2格式；支持视频信号在IP网络上进行单播、组播和广播；能够调节视频的压缩比、码率。接收时钟信号进行时间同步，接收ATS信息显示各站到站信息。

1.1.3 车站播控子系统功能

车站子系统播放控制器负责从中心服务器接收模板文件、播放文件以及播放列表，经过合成解码后控制显示屏的播放，可实现以下功能。

1）从中心服务器接收播放列表、广告媒体信息和运营信息等；从信息编播中心接收实时信息及实时有线电视信息。

2）对接收后的信息进行解码，并按照系统预先定义的显示区域、模板格式进行合成，然后通过信号分配器使其在相应的显示屏播放。

3）能够实现同一个车站站厅、上行站台、下行站台的屏显示不同播放内容；能够实现每个车站播放不同的内容。一个终端画面，可同时播出多路视频。另外，可播出动画、图片和文字，每路视频画面尺寸可自定义。

4）LCD播放控制器的信号输出应采用HDSDI、DVI或 HDMI接口。

5）能够识别翻译来自OCC转发的ATS信息，并在指定的区域播出列车到站信息。

1.1.4 PIS网络架构

PIS车站设备一般由车站服务器、播放控制器、操作终端、LCD/LED显示屏（板）、光发送接收器组成，车站设置站厅、站台、出入口播放控制器。以上海地铁10号线为例，网络架构如图1所示。

1.2 上海地铁PIS系统维护常见问题

图1 PIS网络架构图Fig.1 Architecture of PIS network

某一年度上海地铁10号线PIS系统维护故障统计数据如表1所示，可以看到，工控机即车站PIS播放控制器的故障频率较高，占所有故障率的87%。由于国内轨道交通系统设计中PIS播放控制器用工业级计算机实现，相比服务器的可靠性、可用性、可维护性的性能指标较低，这样的网络架构决定了当1台播控器发生故障，其管理监控的某一回路所有车站显示屏全部退出服务，导致乘客无法掌握列车到站等咨询信息，因而引起大量投诉。

表1 PIS维护故障统计表Tab.1 Fault statistics of PIS maintenance

2 双机热备方案

2.1 基本原理

为了解决单台播控器故障影响系统功能，提出1套全新的技术方案，在不增加硬件成本的基础上，通过软硬件的较小优化改动，实现双机热备功能。

其基本原理如图2所示。

图2 传统PIS车站播控组网架构Fig.2 Traditional media player networking structure of PIS stations

当1台播控器故障，如上行播控器，则上行所有发送接收器都无法正常工作，影响相应站台显示屏的显示。

新方案巧妙地利用播控器操作系统的双屏输出功能，将播控器的显示内容分别通过两路进行输出，输出内容为不同的信息，如上行和下行显示咨询。如图3所示。

图3 车站播控双机热备方案Fig.3 Dual hot-standby solution of station media players

当某1台播控器发生故障，另1台播控器的两路内容依然能够被两路接收器接收显示；当某一台音频发送器发生故障，另1台播控器的两路内容也依然能够被两路接收器接收显示。

2.2 网络拓扑

应用双机热备的网络拓扑方案：以上海地铁10号线为例，采取本组网方案，因工控机、发送器引起的故障率可以降低1个数量级，达到27.3%→2.97%，大大提高了系统的可靠性。 如图4所示。

2.3 可靠性分析

传统PIS在单站部署2台工控机的情况下：

P1，P2分别为播控器的故障率，根据可靠性原理，系统总体故障率P为：

假设单机设备故障率P1=P2=10%，则系统故障率P=19%。

本方案中，PIS在单站部署2台双机热备工控机的情况下，只有2台播控器同时故障，才会造成1个方向的PIS故障，因此P1a=P1*P2，P2b=P1*P2。

根据可靠性原理，系统总体故障率P为：

假设单机设备故障率P1=P2=10%，那么系统故障率P=1.9%。

可见采取该组网方案，工控机的故障率可以降低10倍，大大提高系统的可靠性。

图4 PIS双机热备网络拓扑图Fig.4 Network topology diagram of dual hot-standby PIS system

2.4 其他方案比较分析

国内PIS设计方案采用N+1的热备方案，在播控发送端增加1台视频矩阵和1台备用播控器。该方案存在3个问题：1）增加矩阵和播控器硬件投入，成本上升；2）视频矩阵作为新增节点，当发生故障，影响车站所有回路的播控信息输出；3）视频切换软件对切换条件判断要求较高，实现复杂，误判率高。如图5所示。

图5 增加视频切换矩阵PIS网络架构图Fig.5 PIS newtork architecture for adding video switching matrix

采用本方案，不增加硬件成本，只需升级系统软件。当1台播控器发生故障，能实现自动快速切换，切换时间小于0.5 s；当2台播控器发生故障，还能保证2个回路的信息输出，系统可靠性影响降到最低。

3 技术优化方案

3.1 播控软件优化

实施本方案，需要对OCC及车站播控软件进行修改。

控制中心服务器软件增加双倍网元的监控和管理功能，原本每个车站3台播控器、3个网元，根据本方案要增加到6个，共享3个独立的IP地址，控制中心服务器软件能够同时相应控制6个网元的数据和多媒体传输要求，并实时监控。

车站播控器软件需支持双屏显示，将不同的两路内容（如上行和下行）同时显示在两个页面中，并通过操作系统的双屏显示技术进行传送。在音频上为了避免重音叠加，须对两路视频信号中的一路进行静音切换处理。由于目前国内的PIS多媒体视频均为同一内容，因此可保留一路音频信号即可。

3.2 播放控制器优化

轨道交通PIS中，往往采用工业计算机加光发送器的组合把高清数字视频信号、音视频信号和RS-232控制信号进行远距离传输。由于受工控机的关键元器件，如风扇、显卡以及发送器板卡使用寿命的影响，系统存在2个故障节点。本方案对播放控制器和光发送器进行优化组合，采用工业级插槽式机框设计，用单片机板卡代替工控机，极大的提升系统稳定性。如图6所示。

图6 插卡式车站播控器Fig.6 Plug-in media player

技术指标如下。

1) 标准3U、19英寸、14槽插卡式结构。

2) CPU卡采用双核Intel处理器,支持2路独立1 080 P高清显示。

3) 编解码卡支持主流视频码流的编解码。

4) 光发送卡将2路独立的高清视频信号转换成光信号发送，传输距离可达20 km。

5) 网管卡可实时上传每块卡的工作状态和故障类型。

6) 接口板可支持网口、串口、USB口通讯等。

7) 提供 1+1冗余电源。

8) 工业标准，支持7×24 h连续工作。

3.3 频接收器优化(解码器)

3.3.1 工作原理

轨道交通PIS中，解码分配器采取外置形式，通常安装于PIS显示屏防护罩内，给设备散热和可维护性提出更高要求。

本方案可选择对音视频接收器编码模块进行改造，采取标准OPS接口，即插即用，无需外置电源和安装条件，与HDMI光发送卡配合使用构成无缝切换冗余系统，如图7所示。解码器支持1路输入光信号端口，2路HDMI视频输出端口和1路光信号旁路端口，将以IP组播方式通过1路光纤进行传输的视频信号进行解码分配成2路HDMI音视频信号进行输出。

图7 PIS音视频编解码模块Fig.7 Audio-video frequency coding and decoding moduel of PIS system

接收器支持功能包括如下。

1）标准OPS接口，即插即用。

2）双路单纤单模全双工接收和发送。

3）可级联构成环路冗余系统。

4）与HDMI光发送卡配合使用，构成无缝切换冗余系统。

5）支持UTP协议，可组网传输。

6）传输距离可达20 km。

7）接收，转发并解码音视频信号与RS-232控制信号的混编数据。

8）支持视频图像分辨率高达1 920×1 080 p。

9）内部看门狗，实时检测接收数据流。

10）可带电热插拔，即插即用。

11）收发状态,光路状态灯指示，故障检测轻松、快捷。

12）可定制开机画面。

13）工业标准，支持7×24 h连续工作。

3.3.2 光纤入屏

采取目前市场上已成熟运用案例的OPS光纤入屏技术，可大大减少故障节点，提高系统可靠性。如图8所示。

光纤入屏优势如下。

1) 省去接收设备，减少故障点。

2) OPS无需外部供电。

3) 布线简单，光纤入屏。

图8 光纤入屏接入拓扑图Fig.8 Topological graph of optical fibers connected to display screens

4) 支持光纤级联。

5) 支持控制信号监控。

3.3.3 优化后的车站PIS网络拓扑

采用全光网络，可选用增加1台备用播控器，实现1+1双机热备。如图9所示。

图9 双机热备PIS网络拓扑图Fig.9 Network topological graph of dual hot-standby PIS system

4 结语

随着我国城市轨道交通的日益发展，PIS的构建也被纳入重点研究范围。PIS的网络架构，设备冗余设计，可靠性，可用性，可维护性和安全性愈来愈多的成为各地轨道交通运营和建设公司关心的课题。利用现有的软硬件设备，不增加额外投资的双机热备方案不失为一个创新技术，虽然在上海地铁5号线有了小范围应用，还需要轨道交通通信专业设计院，轨道公司技术研究人员根据各地情况进行具体专题研究后进行推广。