基于宽带无线通信的车地广播系统技术方案研究

葛淑云，尹林杰，郭 戈，申钰蓉

（1.中铁电气化局集团有限公司设计研究院，北京 100166；2. 西咸新区轨道交通投资建设有限公司，西安 710086）

1 概述

城市轨道交通广播系统在地铁行车组织、客运服务、防灾救险、设备维护等方面具有十分重要的作用。城市轨道交通广播系统主要由地面广播系统和车载广播系统组成，地面广播系统由中心广播系统和车站广播系统组成，地面广播系统已经非常成熟。受车地无线通信系统带宽的限制，基于窄带无线通信系统的车地广播系统主要实现语音广播内容传输，功能简单。同时，列车乘客报警器一般只能进行语音报警，无法实现可视化的音视频报警，而且乘客仅能向列车司机报警，无法向控制中心报警。

随着无线宽带通信技术的发展及应用，在地面与列车之间构建宽带无线通信网络成为可能，在满足城市轨道交通广播业务基本需求的同时，可开展更多车地广播系统功能的研究。同时，无人驾驶已成为城市轨道交通发展的必然趋势，对广播系统功能提出更高的要求，此情况下由控制中心对车载广播进行管理和控制是十分必要的。

2 车地广播系统技术方案

车地广播系统实现控制中心对列车的人工广播、TTS（文本转语音）广播、应急广播及中心与乘客紧急可视对讲等功能。车地广播系统构成如图1 所示。

图1 车地广播系统构成图Fig.1 Composition diagram of train-ground broadcasting system

2.1 中心广播系统

在控制中心设置广播/TTS 服务器、广播控制终端、广播控制盒及网络交换机等设备，实现中心对列车实时人工广播、预录制广播、TTS 广播及应急广播等功能，并可根据设定的优先级进行播放，语音清晰流畅。

广播/TTS 服务器可实现广播节目编辑及分发、日志记录及查询等功能，可将文本转语音，并下发至列车进行广播；可实现广播音频流的推送、拉取、转发，具有流媒体传输协议转换功能，可接入TCC（路网指挥中心）对列车广播；可实现乘客对讲视频存储功能。

广播/乘客对讲终端可编辑、分发广播节目和语音库，启动广播节目，管理乘客求助呼叫；可监控广播系统和设备状态，当设备离线或故障时，可进行报警，通知维护人员对设备进行维修；同时，通过广播/乘客对讲终端可实现控制中心与列车乘客可视对讲及挂断、显示报警列车号和车厢报警器号等功能，当报警求助的乘客较多时，能够实现排队等待，并在地面广播终端上显示排队情况；可设置列车、TCC、OCC 等多个接报地点的优先级。

广播控制盒可实现人工广播、监听等功能。

2.2 车载广播系统

在列车设置广播主机、客室分机、广播控制盒、乘客报警器及扬声器等设备，通过车地宽带无线系统实现与控制中心广播系统的连接，接收控制中心发送的广播信息，实现乘客与控制中心的可视对讲。

广播主机设置在司机室或者车头车尾的弱电设备机柜中，广播主机作为车载广播系统的核心设备，管理客室分机、广播控制盒、乘客报警器等广播设备；客室分机负责接收广播主机、广播控制盒的音频，进行音频解码，驱动车厢扬声器工作。

车载广播系统在乘客语音报警器的基础上，增加视频功能，实现乘客与司机、乘客与控制中心乘客调度的可视化报警。当列车乘客报警器被触发后，司机室、控制中心可根据设定优先级分别收到报警提示。例如首选司机接听乘客报警，若10 s 后司机仍无应答，自动转至控制中心调度人员接听；司机或控制中心调度人员与乘客对讲时，摄像头能捕捉乘客图像，实时同步清晰地在广播/乘客对讲终端上播放；当多个乘客呼叫中心时，广播/乘客对讲终端可以显示全部呼叫，中心人员可选择任意一个接通，其余未被接听的呼叫保留请求。

2.3 宽带无线通信系统

当控制中心对列车进行广播时，传送的是语音业务，各种语音编码对无线带宽的需求不同，每路最大为64 kbit/s；当乘客对控制中心紧急可视报警时，由于传送列车对控制中心的上行高清视频业务，视频带宽每路不少于2 Mbit/s。因此车地广播系统对宽带无线通信系统的带宽需求为每列车上行不少于2 Mbit/s，下行不少于64 kbit/s。当控制中心有2 个乘客调度员时，可以同时接收2 个乘客紧急可视对讲，若乘客紧急可视报警发生在同一无线小区的两列车时，带宽需求则加倍。

现阶段城市轨道交通可采用的宽带无线通信系统技术主要有LTE-M、WIFI 技术、EUHT 技术、5G 技术。LTE-M 在1.8 GHz 频段下使用15 MHz频宽，测试的小区边缘带宽为上行8 Mbit/s，下行边缘带宽为9 Mbit/s。EUHT 在5.8 GHz 80 MHz的频宽下，测试的小区边缘带宽为上行63 Mbit/s，下行边缘带宽为106 Mbit/s。随着LTE-M、EUHT 等技术在城市轨道交通的应用，通过宽带无线通信系统承载单向可视对讲也成为趋势。在宽带无线通信系统综合承载信号系统、PIS 系统、广播系统业务时，建议对车地广播系统设置较高的优先级，以保证广播业务的实时性和可靠性。

2.4 广播优先级

轨道交通广播播报应具有优先级功能，作为广播分区冲突时的判断依据。当不同优先级的终端对相同区域进行广播操作时，高优先级广播可覆盖低优先级广播，低优先级广播在高优先级广播占用时操作无效。

《北京市轨道交通广播系统（PA）应用规范》规定，线路控制中心广播系统同线路备用控制中心广播系统优先级一致。在线路控制中心失效，备用控制中心启用降级广播模式后，备用控制中心实时录制素材播报的优先级等同于线路控制中心TTS 素材播报的优先级。TCC-PA 可对同一线路正线运营列车下发1 路广播音频流。若与其他信源有冲突，由该线路中心层广播系统进行优先级判断，确保对同一线路正线运营列车仅下发1 路广播音频流。具体优先级规定如下：

1）防灾广播：列车级广播>中心级广播>路网级广播；

2）业务广播：中心级（行车调度员）>列车级广播>中心级广播（其他岗位）>路网级广播；

3）背景广播：列车级广播>中心级广播>路网级广播。

3 车地广播系统关键技术

车地广播系统从网络组播、音频编码、视频编码、流媒体传输及TTS 等关键技术入手，对中心广播系统、车载广播系统进行研制，实现基于宽带无线网络，中心与列车之间广播、可视对讲等业务信息的传输。

3.1 网络组播

在网络中，主要有单播、广播、组播3 种发送报文的方式。单播方式适合用户较少的网络，而广播方式适合用户稠密的网络，当网络中需求某信息的用户量不确定时，单播和广播方式效率很低。因此，IP 组播技术逐渐发展起来。组播路由协议常用的有PIM-DM 和PIM-SM 技术；组播模型根据对组播源处理方式不同可分为ASM（Any-Source Multicast）、SFM（Source-Filtered Multicast）及SSM（Source-Specif ic Multicast）。

结合城市轨道交通网络设备与实际业务功能考虑，车地广播系统采用组播模式，组播协议采用PIM 组播协议的SM 稀疏模式，组播模型采用SSM 模型；该组播模式可以向特定的组播组发送组播数据流，比单播数据效率高，比广播数据节约带宽，比较适合城市轨道交通的网络通信。

3.2 音频编码

音频编码主要是完成对声音信息的压缩，常用的音频编码格式有PCM（Pulse Code Modulated Audio）、MP3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）、WMA(Windows Media Audio)及AMR（Adaptive Multi-Rate）等。

在列车实际运行当中，对列车广播质量要求较高，而广播音频从地面广播设备到列车广播设备需要经过宽带无线通信网络传输，因此音频必须高度保真。PCM 音频数据是未经压缩的音频采样数据裸流，它是由模拟信号经过采样、量化、编码转换成的标准数字音频数据，能做到最大程度的无限接近绝对保真。因此，建议地面广播系统到车载广播系统的音频编码采用PCM 音频编码技术。

3.3 视频编码

视频编码主要是完成对图像信息的压缩，通过特定的压缩技术，将某个视频格式的文件转换成另外一种视频格式文件，常用的视频编码格式有H.26X 系列和MPEG 系列等。

在列车实际运行中，当有乘客通过可视对讲器报警时，视频传输数据量较大，因此在传输过程中必须压缩码流。相对于其他视频编码格式而言，H.264/H.265 具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264 压缩比是MPEG-2 的2 倍以上。H.264/H.265 压缩技术能够大大节省列车司机或中心调度员的下载时间，在有高压缩比同时具有高质量、流畅的图像；此外，H.264/H.265 压缩的视频数据较小，在网络传输过程中所需要的带宽更少，具有更好的经济效益。

由于H.264/H.265 具有高压缩比、图像高质量、占用带宽较少等优点，因此，建议地面广播系统到车载广播系统的视频编码采用H.264/H.265 视频编码技术。

3.4 流媒体传输

流媒体技术具备边传边播的特点，该技术应用的一个最大好处是用户无需花费很长时间将多媒体数据全部下载到本地后才能播放，以节省下载时间和存储空间，有效地减少延时。常用的流媒体协议有RTSP、HTTP 及RTMP 等。

地面广播系统与车载广播系统进行数据交互时，产生的音视频流需要通过网络传输，便需要流媒体传输协议。RTSP 是一种基于文本的应用层协议，在语法及一些消息参数等方面与HTTP 协议类似，它是TCP/IP 协议体系中的一个应用层协议，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过IP 网络传送多媒体数据。RTSP 在体系结构上位于RTP 和RTCP 之上，使用TCP 或UDP 完成数据传输。对于其他流媒体传输协议而言，RTSP 实时流传输协议具有可扩展性、易解析、独立传输、多服务器支持及HTTP 友好等优点，因此建议地面广播系统到车载广播系统的流媒体传输采用RTSP 实时流传输协议。

3.5 TTS技术

TTS 技术，即语音合成技术，通常又称为文语转换技术（Text To Speech，TTS），是一种将任意的输入文本转换成相应语音的技术，是人机语音交互应用中不可或缺的技术模块之一。

语音合成系统通常包含前端和后端两个模块。前端模块主要是对输入文本进行分析，提取后端模块所需要的语言学信息。后端模块根据前端分析结果，通过一定的方法生成语音波形。后端模块一般由基于统计参数建模的语音合成，即参数合成（Statistical Parameter Speech Synthesis，SPSS），基于单元选择和波形拼接的语音合成，拼接合成，两条技术主线组成。语音合成系统基本框架如图2 所示。

图2 语音合成系统基本框架Fig.2 Basic framework of speech synthesis system

参数合成是在训练阶段对语音声学特征、时长信息进行相关建模，在合成阶段通过时长、声学模型预测声学相关的特征参数，并对这些特征参数做后处理，最后通过声码器恢复语音波形。拼接合成的训练阶段与参数合成基本相同，在合成阶段通过统计模型计算来指导单元选择，采用动态规划算法选出最优单元序列，再对选出的单元进行能量规整和波形拼接。拼接合成直接使用真实语音片段，可以最大限度保留语音音质，缺点是需要的音库一般较大，而且无法保证领域外文本的合成效果。

本方案选用科大讯飞的离线语音合成技术实现TTS 广播应用，该技术具备参数合成、拼接合成等语音合成技术，有众多极具特色的发音人（语音库），合成音在音色、自然度等方面的表现均接近甚至超过了人声。

4 结束语

按照以上组网方案搭建车地广播系统，可实现中心对列车广播、与乘客对讲等业务功能。基于宽带无线通信系统的车地广播系统，在满足城市轨道交通运营广播业务基本需求的基础上，为乘客提供了更有效的安全保障，为运营人员提供了更全面的维护方式。此外，本方案已在首都机场线进行了工程实践且效果良好，为EUHT 等宽带无线通信系统承载车地广播系统业务的应用提供技术支持及参考，为未来列车无人驾驶模式的车地广播系统提供研究基础，引领城市轨道交通车地广播系统发展进入新阶段。