地铁列车地面实景播报系统研究★

张紫城 何永明 付皓天 韩思泽 丁柏群

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

北上广深等特大城市的上班族每天有大量的时间乘坐拥挤的地铁，对车厢内视频广告要么熟视无睹，要么不胜其烦。同时还得集中精力注意地铁车辆所在的区段位置，以免错过站点，因此很容易产生疲劳和焦虑情绪[1]。对于外地乘客，渴望欣赏城市高楼大厦的繁华，却又忍受不了地面交通的拥堵，不得不在地面交通和地下交通之间做艰难选择。

论文对地铁列车地面实景播报系统进行了研究，该系统可以实时提供地铁列车所处位置地面的实景视频，让乘客乘坐地铁时能够和乘坐地面交通工具一样了解自身所处的实时位置，并能欣赏沿途城市风景。

1 相关研究概述

目前国内地铁报站方式基本相同，通常用语音报站和车厢内指示灯相结合的方法[2]。语音报站一般在停车和开车之前，告知乘客下一站停靠站点和换乘信息。车厢内的指示灯能够显示地铁列车所处的实时区段。由于定位误差和通信故障造成站点误报或未报的情形时常出现，因此针对地铁定位和通讯的相关研究较多[3]。

逄顺勇等利用智能手机陀螺仪等惯性传感器弥补GPS和基站定位过分依赖外部信号的不足，有效提高了地铁列车定位精度，提高了地铁列车报站准确度[4]。徐子兴等提出了一个高可靠性的地铁列车广播控制盒仿真方案，该方案以STC15单片机为核心，通过电路设计和制作，实现了自动报站、紧急信息广播，以及紧急对讲等功能[5]。薛红艳等研究了包含广播系统、视频监控系统和媒体显示系统的乘客信息显示系统，并对地铁运营过程中出现的问题提出优化建议[6]。孙语涵设计了一种适用于地铁隧道侧壁连续视频播放系统,该系统确保列车内部的乘客所观看的地铁隧道侧壁播放的视频是连续播放和流畅无停顿[7]。

以上研究对提高地铁服务水平起到一定的作用，但是无法让乘客欣赏到地铁隧道上方地面道路两侧的风景。

2 系统结构原理

2.1 系统结构

地铁列车地面实景播报系统，由控制主机、投影仪、条形屏幕、定位模块和测距模块组成。系统结构见图1。

定位模块安装在地铁列车编组中间车厢顶部正中，用于采集地铁车辆的位置信息。测距模块安装在列车每个车窗正下方，用于采集车身与隧道壁的距离信息。条形屏幕沿隧道壁连续安装，其中心线高度略低于车窗水平中心线，条形屏幕高度取车窗高度的2倍。投影仪安装在列车每个车窗正上方，向下倾斜45°，用于将实景视频投射到条形屏幕。控制主机安装在地铁列车驾驶室，用于存储实景视频，并根据定位模块采集的位置信息和测距模块采集的距离选择播放相应的实景视频。

2.2 系统原理

地铁列车无论是运行状态还是在站停靠，地铁列车、乘客、投影仪和条形屏幕4者都是相对静止的，研究团队巧妙运用这一特点实现隧道壁投影，让乘客领略隧道上方地面道路两侧的风景。

地铁列车地面实景播报系统用定位模块获取地铁列车实时位置，利用测距模块判断列车与隧道壁的距离信息，并将以上信息发送给控制主机，控制主机根据以上信息，选择是否播放实景视频和播放哪段视频，地铁乘客通过观赏列车窗户外条形屏幕上的实景视频，得到与乘坐地面公交车相同的效果(见图2)。

3 系统工作过程

3.1 视频录制及编号

以地面公交车乘客视角录制道路两侧实景视频，录制视频时公交车行驶速度与地铁列车驶过速度尽量一致，与地铁列车在站点附近加速和减速段的速度也尽量一致，地铁列车在站上下客时，录制站点附近地面实景，并将视频编号保存在控制主机中，视频编号举例见表1。

表1 视频编号举例

3.2 视频播报过程

1)起点站发车。

定位模块采集地铁列车的位置信息，如定位模块确定地铁列车在站点1，测距模块检测车身两侧与隧道壁的距离信息，距离大于正常值则表明该侧(例如右侧)为站台，投影仪关闭，控制主机将朝向隧道壁另一侧(左侧)的视频(SZ1)传送到投影仪，乘客通过列车窗户外的条形屏幕观赏到站点附近地面道路对应一侧(左侧)的实景视频。

2)区间1-2运行。

SZ1视频播放完毕，乘客全部上车，右侧车门关闭。地铁列车启动，由站点1开往站点2，控制主机将视频SZ12和SY12分别传送到车身左右两侧的投影仪，乘客通过列车窗户外的条形屏幕观赏到地铁车辆位置附近地面道路两侧的实景视频。

3)停靠站上下客。

地铁到达站点2，地铁列车停车。由于录制视频时的速度与地铁列车行驶速度基本相同，地铁列车停车时，视频SZ12和SY12也刚好播放完毕。测距模块再次检测车身两侧与隧道壁的距离，距离大于正常值则表明该侧(例如左侧)为站台，控制主机将视频传送到车身另一侧的投影仪，乘客通过右侧列车窗户观赏到站点2附近地面道路对应一侧(右侧)的实景视频。

4)区间2-3运行。

由于地铁在各站上下客的时长相对固定，SY2视频播放完毕时乘客也完成上下车，左侧车门关闭。地铁列车启动，由站点1开往站点2，控制主机将视频SZ23和SY23分别传送到车身左右两侧的投影仪，乘客通过列车窗户外的条形屏幕观赏到地铁车辆位置附近地面道路两侧的实景视频。

按照以上步骤直至地铁列车完成上行行程到达终点，进入下行行程，如此反复。

4 效果评价

4.1 评价参数选择

当地铁列车在某一区段运行到达停靠站点时，播放内容正好播放完毕，或者地铁列车发车时停靠站点的视频正好播放完毕，这是最理想的效果。

实际上地铁运行时间误差为零几乎是不可能的，因此只能期望误差越小越好。地面实景播报系统在每个区段运行或在每个站点停靠时，播放内容的时长与实际运行时间或停靠时间的误差越小则证明效果越好。因此，选择运行时间误差和停靠时间误差作为评价实景播报系统的评价参数。

4.2 运行时间误差

为了评价地铁运行时间误差，研究团队调查了哈尔滨市地铁1号线学府路站至铁路局站之间的3个运行区间，10次调查数据平均误差和最大误差见表2。

表2 运行时间误差

由表2可见，调查区间运行平均误差不超过5 s，最大误差仅有13 s。因此，在误差时间段内插入报站信息或者广告即可完美转换，不会影响实景播报系统的效果。

4.3 停靠时间误差

调查区段涉及4个停靠站，各站点停靠时间误差见表3。

表3 停靠时间误差 s

由表3可见，各停靠站平均停靠时间误差不超过2.5 s，最大误差不超过4 s，低于运行时间误差，因此也不会影响到实景播报系统的实施效果。

5 结语

论文研究了一种地铁列车地面实景播报系统，该系统用定位模块获取地铁列车实时位置，利用测距模块判断列车与隧道壁的距离信息，并将以上信息发送给控制主机，控制主机根据以上信息，选择是否播放实景视频和播放哪段视频，地铁乘客通过观赏列车窗户外条形屏幕上的实景视频，得到与乘坐地面公交车相同的效果。