智轨车站服务系统设计与应用

2020-08-03蒋小晴吴俊亮詹崇树

控制与信息技术 2020年1期

邹斌，蒋小晴，肖磊，吴俊亮，詹崇树

（1. 中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲 412001; 2. 四川川南轨道交通运营有限公司，四川宜宾 644600）

0 引言

车站作为最直接的客运组织场所，为乘客提供上下车、换乘及候车等服务功能，是公共交通运输系统的重要组成部分。智能轨道快运系统（autonomous-rail rapid transit，ART）是一种以地面敷设为主的中低运量交通制式，其车站建设时需要更多地考虑路权形式、运营组织及乘客过街等因素[1]。车站服务系统作为ART站台的重要组成部分，直接影响到车站客运的安全性、运营组织的便利性及乘客乘坐的体验感[2]。为了合理地设置智轨车站服务系统，借鉴轨道交通的运营理念，ART车站系统设计主要考虑候车安全性、乘车准时性及运营高效性。

本文将基于宜宾智轨T1线站台的需求，以满足正常运营管理、安全疏散、提供信息化服务为主要目的，进行智轨车站服务系统设计及系统集成工作。系统主要由乘客信息、广播、视频监控、售检票及站台门等系统组成，并通过车站现地系统来保障车站服务系统在通信故障情况下的正常运行。

1 ART车站服务系统架构

参考地面中低运量轨道交通车站服务系统特点，ART车站服务系统通过设置乘客信息系统（passenger information system, PIS）与广播系统（public-address system, PA）向乘客提供客观、可靠的站台信息，包括列车到达时间、运行班次信息、相应的城市资讯、实时新闻、宣传广告与娱乐信息等[3]。同时，结合以地铁为代表的大运量城市轨道交通，通过设置站台门系统与视频监控系统（closed circuit television，CCTV）保证乘客的候车安全，通过设置自动售检票系统(automatic fare collection，AFC )进一步提高ART的运营效率与乘车舒适性，保证智轨电车安全、快速、高效运行。ART车站服务系统通过建立车站现地控制系统，实现站台中心化，确保在控制中心失效时车站服务系统仍能实现部分核心的通信信号系统功能（乘客信息服务、乘客上下车），以提高系统的可用性，提升用户体验。ART车站服务系统架构如图1所示，该系统通过传输系统与控制中心进行数据交互，完成乘客信息系统与广播系统等的相关服务信息发布以及站台门系统的开关门动作执行，同时将各系统状态信息回传确保各系统的状态可控。

图 1 智轨车站服务系统架构Fig.1 Architecture of ART station service system

2 子系统功能

ART车站服务系统子系统包括现地控制系统、PIS系统、PA系统、CCTV系统、站台门系统及AFC系统。

2.1 现地控制系统

现地控制系统通过配置现地控制主机、射频接收机、WiFi单元等站台控制设备，实现现地控制模式切换、射频定位、站台联动控制、设备状态监测及故障记录等功能，进而达到站台中心化的目的。正常模式（中心控制模式）下，现地控制仅通过射频接收机将车辆定位信息发送给现地控制主机，并由现地控制主机将该信息转发至智轨电车，从而实现智轨电车的精确定位。在现地模式下，现地控制系统通过控制主机通信单元以TCP/IP以太网传输方式实现与地面各子系统的业务数据交互，并根据车辆的位置信息，结合广播、PIS等系统接口协议控制相关乘客信息发布；通过WiFi单元实现车辆与地面的短程无线接入及通信，进而实现站台门控制；控制主机通过网络实时查询各个子系统设备的状态（正常/故障），包括站台门控制器、PA控制器、PIS显示屏、室内基带处理单元（building base band unite, BBU）及交换机等设备。采用站台交换机的端口镜像功能，通过现地控制主机对WiFi、射频、站台门、PA及PIS等系统设备的控制命令及其他关键交互信息数据包进行抓取并记录存储。

图 2 现地系统关联关系图Fig. 2 Association graph of local control system

作为站台中心化的主要系统，现地控制系统初始化默认为中心控制模式，确保不干扰正常模式下的运营，并对中心实时发送的心跳信号状态等条件进行判断，当状态异常时进入现地模式；当车辆运行至车站附近时，现地系统对4G通信链路是否正常等切换条件进行判断，当链路异常时进入现地模式。进入现地模式后，由车载信号主机车载控制单元（onboard control unit, OBCU）向现地控制主机发送预广播播报、PIS显示、站台门开关等指令，实现站台中心化（图3）。

图3 现地控制流程图Fig.3 Control fl ow of local control system

2.2 PIS系统

PIS系统是一个集运营信息服务、多媒体实时资讯发布、广播电视节目制作与播出于一体的综合信息平台。在正常情况下，PIS系统提供乘车须知、管理者公告及列车运行时间等运营信息，以及公益信息、出行参考、新闻、电视直播和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、高效地疏散、撤离，以确保ART高效、安全地运营[4-5]。

PIS系统的稳定性主要取决于有线传输网络的稳定性。对于有线网络系统来说，设备本身与网络拓扑结构均起着重要作用。根据智轨电车行驶过程中的实际要求，目前将有线网络系统设计为星形结构的千兆以太网（图4），以确保正常工况下智轨电车的稳定运行；同时通过现地系统的控制，确保网络中断工况下智轨电车的正常运行。

图 4 乘客信息系统拓扑Fig.4 Topology of the PIS

站台子系统包括播控器与LCD屏。其中播控器一方面负责接收并下载控制中心的命令、各类信息、系统参数等，一旦控制中心或网络子系统发生故障，通过与现地控制主机的信息交互来实现站台中心化控制；另一方面，负责将站台各终端设备的工作状态、工作日志及故障情况等信息定期地上传至控制中心。而站台显示屏作为信息交互窗口，通过播控软件实现信息分类及显示。播控软件作为一个统一容器，搭建方式采用Java Frame框架；其依据软件平台设定的播放计划来描述文件plan.xml中的定义，对各Frame分区在界面中进行绘制，如图5所示。通过编播中心编制模板，可以设置组件（如视频、文本、图片及车站组件等），制定播放计划，并根据设定列表的型式选择对应播放器播放。对于应急广播，系统可依据播放信息的重要性设定优先级，优先级高的信息可覆盖优先级低的。其中，通用信息在指定位置固定播放，应急信息（如紧急疏散、安全信息及应急故障等）采用全屏滚动。

图5 播控器软件架构Fig.5 Software architecture of the broadcast controller

图6 广播系统拓扑Fig.6 Topology of the PA system

2.3 PA系统

PA系统是城市轨道交通运营行车组织的必要手段，其负责向乘客通告当前的运营情况等信息，向运营人员发布有关通知信息以协同配合工作。正常情况下，PA系统向乘客广播，通知列车到站、离站、线路换乘、列车误点及安全状况等信息[6-7]，引导乘客正确搭乘列车，并播放背景音乐来改善候车环境；突发情况，特别是在发生火灾、车辆事故等紧急情况下，通过车站PA系统组织指挥事故抢险，安全、有效、快速地疏导乘客，有效提高应急响应能力。

在传统轨道交通站台PA系统中，虽然主要采用音频或调频方式，但因存在扩展性差/信号失真等缺点，已逐步发展为基于音频和调频传输的PA系统。基于音频和调频传输的PA系统虽然可以实现智能广播，但受传输方式的限制，只能以分区、分组的方式实现控制；加之缺乏独立的节目源，导致广播功能不能满足个性化的应用需求。

为了进一步提高ART站台PA系统的可靠性，通过采用IP网络广播来解决传统广播系统的传输距离短、音质不佳、维护管理复杂及互动性能差等问题。ART的PA系统其网管、语音和控制数据共用以太网数据通道，并通过有线传输网络提供的通道与车站设备进行数据交互（图6）。系统基于以太网，可实现跨线路控制、监控和多用户管理，并且能够与防灾、信号等外部系统进行联动控制管理；具备设备故障自动检测系统能力，内置操作监测、故障输出告警以及故障日志记录等功能；功能音频、监听、控制、状态和网管等信息均以数字信号形式传输，实现信号数字化处理和传输。

2.4 CCTV系统

ART的CCTV系统用于满足行车管理人员（如中心调度人员、车站值班员及列车司机）对相应的管辖区域进行监视的需求，是维护和保证运输安全的重要手段之一；当车站发生灾情时，该系统亦可作为防灾调度员指挥抢险的工具[8]。CCTV车站系统通过传输系统（以太网）将站台监控数据上传至中心服务器，CCTV系统从调度管理集成软件接口中接收设备动作指令及配置信息，控制中心通过以太网实时查看视频监控信息，CCTV系统提供设备状态信息反馈至控制中心（图7）。

图 7 视频监控系统拓扑Fig.7 Topology of the video monitoring system

CCTV系统采用全高清视频制式，通过H.265图像编码方式，实现低于1.5 Mb/s带宽下的视频传输；同时H.265方式具有更高的数据压缩比，能够更好地适应IP网络的应用，实现1080P全高清视频传输。同时通过在控制中心设置网络存储服务器、视频管理平台服务器和监控终端，在车站设置球形一体化摄像机，在快速充电站设置枪式摄像机，并通过有线传输以太网形式进行连接，实现全区域的视频监控及存储。CCTV系统通过服务器的管理软件，启动或停止录像设备的实时录像功能，实现实时录像时的动态侦测录像转换，使图像质量达到高清度水平，分辨率为1080P。全线视频数据采用IPSAN方式集中存储于控制中心的存储设备上；CCTV系统具备循环录像功能，数据存满后，按时间先后顺序进行内容覆盖。

2.5 站台门系统

站台门系统作为站台共区域与智轨电车间的可控通道，其在智轨电车进站时能配合车门联动，同时在乘客候车时能避免由于拥挤或其他原因导致的乘客进入行车区域类事故的发生，从而确保正常的行车运营[9]。

站台门系统设置于站台边缘处，将旅客候车区域与智轨电车车道隔离，并在相应位置安装滑动门；智轨电车到站后，相应站台门打开，供旅客上下车，为乘车旅客提供安全保障。站台门通过多种短程通信方式，接收车载相关开关门指令直接控制门的开关，同时通过以太网接口与控制中心调度系统通信，接收、执行调度系统的相关开关门控制命令，并将相关状态信息回传，实现状态监控。当中心子系统宕机或者车站与中心网络中断时，车站子系统通过现地系统进行运行。

智轨站台门系统具备3级控制能力，即就地控制、控制中心控制和车载信号控制，以确保站台门在不同工况下的安全操作，其控制优先级别依次递减[8]。通过现场总线及硬线，将每侧站台安全门单元中所有设备的状态及故障信息传送到站台安全门监控系统上；利用维护终端或从中央控制盘上查询所监视设备的当前状态及报警信息。中央控制盘将相关的站台门状态及故障信息通过以太网传输至控制中心，以显示站台安全门系统状态及故障信息。站台门系统结构如图8所示。

图8 站台门系统拓扑Fig.8 Topology of the platfrom door system

图 9 站台门控制流程Fig. 9 Control fl ow of the platfrom door system

站台门上、下行控制系统（图9）均独立构成，由本侧就地控制盘（PSD system local controller，PSL）、若干门控单元（door control unit，DCU）及控制回路及单元控制器等组成，确保两侧故障互不影响；每侧滑动门的 DCU控制相对独立，任意扇门的故障不影响其他门的正常运行。当列车进站时，车辆相关信息通过信号系统发送到站台门控制器，站台门系统收到相关车辆信息及开门命令后，对应的门体打开；当站台门系统收到信号系统关门命令时，对应门体关门，门体关门到位且锁紧后，发送锁闭信号至信号系统，信号系统收到此命令，列车关门并驶出站台[10]。当信号系统发生故障时，站台门系统可通过操作PSL发送相应的开关门命令来控制站台门。另外，调度中心通过CCTV系统实时监控站台状态，当发生紧急情况时，可通过调度中心对站台门进行控制。

2.6 AFC系统

AFC系统通过数据搜集和系统控制等技术实现售票、检票、会计及统计等高度自动化的票务管理功能，是城市轨道交通体系中不可或缺的重要组成部分。检票机内网以有线和WiFi方式连接到后台服务系统，内网出口通过防火墙隔离保障系统安全，防火墙使用白名单策略保证所有网络连接均受控。后台服务系统部署于控制中心，通过防火墙、入侵检测设备提供访问控制列表、黑白名单、报文检测、危险检测、数据防泄漏检测等安全组合措施，确保网络安全。AFC系统拓扑如图10所示。

图10 AFC系统拓扑Fig.10 Topology of the AFC system

乘客通过自动售票机、BOM机及手机终端等进行购票，进站过程中通过闸机、车载POS机及手持POS机对车票有效性进行判断，记录车票信息并上传至控制中心相关服务器；乘客到达目的地出站时，闸机等设备对车票信息进行确认并扣费回收[11]。

ART自动售检票系统目前主要采用以下两种方案，分别适用于不同场景：

（1）车上售检票。其仅在智轨电车上配置计费终端设备，采用车载 POS 机（读卡器）检票。单程乘客采用现金支付的方式；公交一卡通可作为储值票使用。该方式在车站无需设置付费区和阻挡装置，系统结构简单、成本较低；但通常需要在车上设置售票员，且无法实时监测客流情况。

（2）地面售检票。其在车站设置售检票设备，采用非接触式 IC卡车票。单程乘客通过售票机购买车票，在闸机上刷卡进入付费区；公交一卡通可作为储值票使用。该方式需在车站设置付费区和阻挡装置，系统结构复杂、成本较高；但自动化水平相对较高，车上通常不设售票员，且能实时监测客流情况。

3 ART车站服务系统的应用及发展

随着首条商业运营线路——宜宾智轨T1线于2019年12月5日的开通，ART站台系统也正式投入使用。该系统通过广播、乘客信息系统的信息提示来提醒乘客正确乘车，通过综合CCTV系统保证站台的安防监控，通过站台门系统保证乘客的安全候车，通过AFC系统实现乘客的高效进出站及收费。

ART车站设备未来发展将注重于创意智慧型设计，在满足基本安全、便捷乘车的前提下，结合云技术，提高站台设备稳定性，同时在人机体验上进一步提高乘客的候车舒适性。

3.1 智慧乘车的安全性和舒适性

智轨电车无实际物理轨道，目前车辆停车位置与站台间仍存在间隙。可考虑在站台安装伸缩板装置，通过车载开关门信号控制站台伸缩踏板运动，同时通过伸缩踏板的距离调节来保证乘客上下车安全。依托图像识别技术，通过视频监控系统对站台乘客行为信息进行识别，对危险行为进行预警。

在站台增加相关暖房设备，通过配置相关空气调节设备以及相关环境检测传感器，保证暖房内部温度适宜，提高乘客的候车舒适度。

3.2 站台智慧人机互动

目前ART车站服务系统的功能主要为保障运营的安全、可靠，在人机交互方面仍有待提高。后期可通过设置智能动态信息显示屏，提供相关乘车信息，并对相关热门新闻、政府公告、天气预报、路况等信息进行发布。同时可以通过设备与网络的连接，为乘客提供以相应站台为中心的周边范围内的商店、餐厅、旅店等等各类增值服务信息，充分考虑站台便民服务功能。