城轨列车乘客信息系统标准化研究

陈嘉

摘要：目前，城轨列车乘客信息系统产品的形式多样化，给用户后续使用、成本、替代升级都带来了困扰。标准化工作已经在城轨列车领域逐步开展起来，论文结合列车通信领域内数字化作为电子信号及信息载体发展的必然趋势，提出列车乘客信息系统标准化的解决方案。

关键词：乘客信息系统 标准化 全数字化

Research on Standardization of Passenger Information System of Urban Rail Train

Chen Jia（Technology Center， Shanghai Shentong Metro Co. Ltd.）

Abstract： The diversification of product forms has brought troubles to users follow-up use， cost and substitution upgrade on passenger information system of urban rail train.Standardization work and gradual development in the field of urban rail train. This paper presents one solution to standardization of passenger information system of urban rail train，unite the inevitable trend of digitalization as electronic signal and information carrier in the field of communication.

Key words： passenger information system， standardization， full digitalization

目前，城轨车辆在近30年间飞速发展，最早的列车上为提醒乘客所播报站信息的广播系统就是乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）的雏形。随着技术发展，承载信息手段、载体也逐渐丰富，为了提升乘客服务，更多的信息需求也被挖掘出来，如今除了语音广播，文字显示、多媒体显示的功能也加入到了PIS中。近10多年来，视频监控的重要性也逐渐提升，原本的独立车载CCTV也已经成为PIS的重要功能。

现在的PIS是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。PIS在正常情况下，提供乘车须知、服务时间、列车到发时间、列车时刻表、管理者公告、政府公告、出行参考、股票信息、媒体新闻、赛事直播、广告等实时动态的多媒体信息;在火灾、故障及恐怖袭击等非正常情况下，提供动态紧急疏散提示。

但随着PIS功能越来越多，系统中包含的设备类型也逐步增加。同时，由于研发、技术门槛不是很高，生产厂家也越来越多，再加上不同设计的个性化，就算同一个厂家的产品形态也有很多种，可以说产品形式千姿百态，各个项目多有所不同。随着各个城市轨道交通网络建设的发展，不少运营方已经感受到在乘客信息维护方面的压力。

1 列车PIS标准化的必要性

PIS包含的设备种类较多，一般由系统主机、客室广播分机、扬声器、乘客紧急对讲器、司机广播控制盒、司机对讲器、多媒体主机、多媒体LCD屏、动态地图屏、LED文字显示屏、视频录像机、摄像机、监控屏等近20种设备组成。而且每节车厢都有大量的PIS设备，如屏幕类一般都需要4～8块，随着PIS设备数量的庞大，设备可靠性对于列车总的故障率关联性很高，而且PIS的故障往往会直接影响乘客体验，容易导致乘客投诉。

所以各家运营方都希望采用高可靠性的PIS设备，但由于PIS个性化程度高，厂家产品多样性，导致有些车型PIS设备故障频发，但没有有效的解决手段。部分设备故障率高，也没有办法将其从系统中剥离出来，进行替代。即使有替代的PIS产品，也需要根据原系统进行定制，产品工业化程度也会由于定制而下降。

如果是一个路网级的运营方，多条线路、多期车型的列车，导致所有的PIS设备达到上百种，平时的维护需要准备几百个备件，而且定制化备件的采购也是一大问题，生产周期长，长期使用的备件往往会遭遇停产。

所以根据以上行业现状，如果有标准化的PIS产品，虽然是不同厂家，但都能兼容，就能解决以上问题。近些年来，轨道交通行业标准化的工作正如火如荼地展开，最具代表性的例子就是复兴号标准动车组。各系统都由不同厂家按标准化要求设计、生产部件，随时可以将不同厂家的部件进行替换。给后期运营维护带来了二次选择的便利，列车全寿命周期的保障也不再是单一来源，大大增加了可维护性。

根据以上实际案例以及其他工业行业的经验，可以总结出标准化产品主要有以下几个优点：

1）标准化产品在运维阶段可选性强，可依据质量选择;

2）标准化产品工程化程度高，生产质量、工艺更能控制;

3）标准化产品生产线的自动化程度更高，可以降低生产成本;

4）标准化产品简化了整车设计，设计方可预先进行车体接口的模块化设计。

2 列车PIS标准化的目标及关键点

2.1 标准化实现的目标

为了更充分地发挥标准化产品所带来的优点，列车PIS系统的产品实现更小单位部件的标准化，这样标准化的程度越高。但标准化程度越高也会限制生产厂家的创造能力和技术实力。所以达到一定的标准化程度才能够使使用方与生产方的利益最大化。

列車各个系统均有最小可维护单元的概念，该概念基于运营方在后期维护时能方便地拆卸、安装、采购的模块化部件。所以列车PIS系统合理的最小可维护单元应以终端设备总成为宜，而终端设备内部或板卡应由生产方自主设计。

对于各终端设备要体现标准化的优点，应实现以下目标：单个标准化终端设备在系统内可被替换为不同生产厂家的同种标准化终端设备，并能实现该终端设备需完成的功能。

2.2 标准化关键点

为了实现PIS终端设备互换性标准化目标，首先，要研究哪些关键点会影响到标准化的终端设备设计。互换性需要确定设备的安装、接入、功能实现几方面。在确定功能的同时，需要确定设备种类，特定的种类实现同一类功能。其次，安装需要确定设备机械结构的关键尺寸，如限界、固定方式等。再次，在PIS中单个设备无法单独工作时，需要接入到系统中工作，所以确定系统构架及设备接入接口方式也是必要的，还需要确定的是设备接受的指令和反馈的信息。

综上所述，总结以下5点为终端设备标准化设计时必须考虑的关键要素。

1）确定终端设备的种类及功能;

2）列车PIS系统的构架;

3）终端设备结构;

4）终端设备的电气接口;

5）终端设备间的通信协议。

3 列车PIS标准化实现方案

列车PIS标准化方案着力于5个标准化的关键点。

3.1 终端设备种类及功能

一般列车乘客信息系统的基本功能是用于实现列车的广播/对讲功能、信息显示功能和视频监控。一般乘客信息系统需要有系统主机来实现报站、信息处理、指令发送等任务，每节车厢需要有功放驱动扬声器播放音频信息。信息显示设备包括LED显示器显示文本信息，LCD显示器显示多媒体信息，乘客导乘屏显示线路运营信息。视频监控设备包括各类摄像机以及存储视频录像的录像机。

目前，终端设备类型可以分为：系统主机（PCU）、客室数字功放（DPA）、扬声器（LSP）、司机广播控制盒（DACU）、司機麦克风（MIC）、乘客紧急对讲器（PECU）、网络录像机（NVR）、监控触摸屏（VWD）、摄像机电源（DPS）、行车摄像机（FCAM）、司机室摄像机（CCAM）、客室摄像机（SCAM）、车内LED显示单元（IDU）、目的地LED显示单元（FDU）、多媒体LCD屏（LCD）、乘客导乘屏（DRMD）。

PCU负责整个系统的管理，发布指令，同时实现系统对外部系统的接口，如列车控制系统（TCMS）、无线电台、外部多媒体、综合监控等。

DPA根据PCU发出的指令以及音频信息，驱动本节车厢的扬声器进行播报。

DACU根据司机台的广播、对讲等指令按钮实现司机的广播对讲功能。

PECU实现乘客紧急对讲的请求，实现乘客与工作人员的对讲。

VWD对所有摄像机与录像机的状态进行管理，并实现司机查看各个摄像机画面和录像机保存的视频录像。

LED屏能根据PCU发出的文字信息进行显示。

LCD屏能播放PCU发出的多媒体流，并且能根据用户设置分窗显示PCU发送的运营信息。

DRMD根据PCU发出的线路设置、运营信息等指令显示形象生动的线路地图以及相应的导乘信息。

3.2 系统构架

随着信息、信号的数字化已经在电子和通信领域奠定了发展方向，同时介于目前车载以太网技术的飞速发展，采用全数字以太网构架的列车PIS系统在兼具系统的成熟度的同时也兼备了行业的技术发展趋势。

系统通过列车级的骨干以太网实现广播/对讲功能、信息显示功能和视频监控功能，三大子系统的全数字化，其网络拓扑结构如图1所示。

各个终端设备利用以太网通过数字音频流、多媒体流、指令状态数据包的传递来实现系统功能。

3.3 终端设备结构

对于终端设备结构的标准化，并不是设定统一的设备造型，主要实现互换设备时不影响车体的安装结构及设计。

终端设备的结构主要需规定以下几点：

1）设备关键尺寸的限界，如长、宽、高;

2）设备固定的方式及固定点位置;

3）显示类设备的最小显示区域长、宽;

4）机箱类设备的宽度（建议采用19英寸宽的标准机箱）。

3.4 终端设备电气接口

为了标准化终端设备替换时不影响车辆上的原有布线，需要在终端设备的电气接口上作相应的标准化规定。

终端设备的电气接口需要规定以下几点：

1）电气接口的命名及功能;

2）电气接口的连接器选择;

3）电气接口的布局和排列（保证相同连接器的相对位置变差不大）;

4）电气接口的针脚定义;

5）接地螺栓的规格与位置排布。

由于标准化系统构架采用以太网全数字PIS构架，终端设备的数据接口均以以太网连接器为主，可采用连接良好的IEC 61076-2-101中M12类型的连接器。相似的终端设备规定相同的电源连接器。

3.5 终端设备通信协议

根据标准化PIS方案，外部系统的接口都由系统主机PCU进行接入，而PIS的其他设备均为系统内部设备，为了使标准化终端设备均能融入到系统中进行工作，需要将PIS内部的通信协议进行标准化，各个终端设备根据标准化的协议内容执行。

PIS的设备数量较多，但设备种类相对较为固定，所以采用UDP（User Datagram Protocol， 用户数据报协议）的方式对同类设备进行组播是较为合适的通信手段。

列车PIS设备通信分为设备检修模式控制、设备状态控制、广播系统控制、媒体系统控制、监控系统控制、音频流传输、多媒体视频流传输等。

1）设备检修模式控制、设备状态控制、广播系统控制可采用规定的UDP数据包的特定点位、字节来表达需要控制的变量或状态。

2）数字音频流可采用音频PCM（Pulse Code Modulation， 脉冲编码调制）编码格式，单声道，采样率44100Hz，采样位数为16位（bit）;紧急广播和报站情况下每秒钟PCU发送的数据量：;PCU对音频数据进行分包发送，每包1024个字节，等时间间距发送。DPA根据原音频采样率和采样位数等速率信息来进行同步解码。人工广播、对讲等数字音频格式：音频采用PCM编码格式，单声道，采样率16000Hz，采样位数为16位。PCU发送的数据量和时间间隔同报站、紧急广播等本地音频格式发送要求。DPA、DACU根据原音频采样率和位每采样等速率信息来进行同步解码。

3）多媒体视频流可采用H.264（ITU-T H.264 200503）編码格式TS视频流，固定码率，2～4Mbit/s。为了确保网络通信使用率，每一包应包含7个TS数据包（每一包188个字节，188×7=1316，可以使网络通信最优化）。

4）视频监控设备控制可采用ONVIF（IEC 62676-2013）标准，监控系统内部协议应遵循ONVIF标准。监控触摸屏通过ONVIF协议完成摄像头状态查询、NVR状态查询、系统时间同步等功能。通过ONVIF协议标准来获取系统状态信息。

4 结语

本文以目前城市轨道交通行业列车PIS的现状以及运营方在维护时的痛点为出发点，阐述了列车PIS标准化的必要性。同时研究了标准化的重点及可实现的方案样例。目前，该方案样例已在上海地铁13号线科研列车进行试点，并成功实现不同厂家的部分终端设备在同一系统中进行使用。但后续还需根据试点情况，以及各家的经验对标准化系统的通信协议及功能项点进行优化和补充。希望能早一步实现列车PIS标准化后为其他系统提供参考，从而推动整个城轨列车标准化工作。

参考文献

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