張功升，郭秀清，陳永生

(同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

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基于LTE-M的地鐵車載乘客信息系統(tǒng)研究與設(shè)計

張功升，郭秀清，陳永生

(同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

針對當(dāng)前城市軌道交通車載乘客信息系統(tǒng)中車地視頻無線傳輸性能較差、視頻分辨率不高以及系統(tǒng)集成化程度較低的缺陷，在地鐵長期演進LTE-M的基礎(chǔ)上，提出了車載乘客信息系統(tǒng)的集成化設(shè)計方案，并著重研究了系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的軟硬件實現(xiàn)。確定了系統(tǒng)的功能需求并分析了系統(tǒng)的技術(shù)條件，在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)的總體框架，著重討論了車載嵌入式Linux視頻服務(wù)器以及視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的軟硬件設(shè)計方案。測試驗證了車載設(shè)備可有效承擔(dān)720 p、1 080 p的流媒體下發(fā)以及D1分辨率的監(jiān)控視頻上傳，帶寬充足，性能穩(wěn)定。

地鐵長期演進；乘客信息系統(tǒng)；車地?zé)o線通信；嵌入式Linux視頻服務(wù)器；轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器

0 引言

地鐵乘客信息系統(tǒng)(Passenger Information System, PIS)是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計算機系統(tǒng)為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)，實現(xiàn)列車緊急文本下發(fā)、PIS流媒體傳輸播放功能，一般將車載廣播、車廂緊急電話、車載視頻監(jiān)控也看作PIS的一部分。當(dāng)前城市軌道交通車地通信方案采用無線電提供語音調(diào)度，采用兩路獨立WLAN分別負(fù)責(zé)信號控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control, CBTC)和PIS業(yè)務(wù)。

車地通信業(yè)務(wù)不斷增多且數(shù)據(jù)量不斷增大，傳統(tǒng)方案弊端顯現(xiàn)：單一語音調(diào)度不能滿足，急需高清視頻以提供可視化的指揮調(diào)度；WLAN采用公用頻段2.4 GHz，易受干擾；WLAN在高速移動場景下帶寬不穩(wěn)定；WLAN不具備多優(yōu)先級保障機制，不適合綜合承載多種業(yè)務(wù)[1]。對于車地通信系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，語音調(diào)度系統(tǒng)、信號系統(tǒng)以及PIS三者分別獨立建網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜、互聯(lián)互通性差。對于PIS子系統(tǒng)的設(shè)計方案，廣播音頻通過音頻總線以模擬信號形式傳輸并采用數(shù)字信號進行播放的控制，多媒體視頻信息同樣采用模擬方式，監(jiān)控視頻單獨建立以太網(wǎng)傳輸且只能實現(xiàn)列車本地監(jiān)控，無法實時上傳至地面，各子功能分別實現(xiàn)同樣導(dǎo)致PIS子系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜、總線繁多以及維護困難等缺陷。因此，迫切需要網(wǎng)絡(luò)化、一體化的設(shè)計方案。

近年來，基于LTE的車地?zé)o線通信逐漸成為軌道交通領(lǐng)域的研究熱點[2]，本文著重介紹了基于城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)LTE-M的車載乘客信息系統(tǒng)集成化設(shè)計方案以及高清PIS流媒體下傳與高清監(jiān)控視頻上傳系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1 城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)

基于LTE的城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)，簡稱LTE-M系統(tǒng)，占有專用頻帶1 785～1 805 MHz， LTE-M系統(tǒng)采用寬帶集群通信架構(gòu)，由無線終端、集群基站、集群核心網(wǎng)、調(diào)度臺和運營支撐系統(tǒng)組成，可綜合承載列車信號控制CBTC、列車緊急文本下發(fā)、列車運行狀態(tài)監(jiān)測、閉路電視監(jiān)控(Closed Circuit Television, CCTV)、PIS流媒體下發(fā)、集群調(diào)度等多個車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，并為多個業(yè)務(wù)定義不同的服務(wù)質(zhì)量等級，該系統(tǒng)外部接口如表1所示。

表1 LTE-M系統(tǒng)外部接口

2 車載PIS融合設(shè)計方案

2.1 PIS網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)及其功能需求

車載PIS可分為3個子系統(tǒng)：PIS視頻系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及車載廣播顯示系統(tǒng)(含車廂緊急電話)。涉及車地?zé)o線通信的業(yè)務(wù)有：列車緊急文本下發(fā)、PIS流媒體下發(fā)、CCTV監(jiān)控視頻上傳以及車地語音雙向通信等。列車緊急文本是指地面PIS服務(wù)器傳送給車載PIS終端的緊急文本信息；PIS流媒體下發(fā)是指由地面將視頻或圖像信息通過廣播或者組播傳輸?shù)杰噹麅?nèi)播放；CCTV監(jiān)控業(yè)務(wù)是指將列車駕駛室、列車車廂的視頻監(jiān)控圖像通過無線的方式傳輸?shù)娇刂浦行幕虻孛姹O(jiān)控站。

2.2 PIS融合設(shè)計方案

設(shè)計基于LTE-M的城市軌道交通高清化乘客信息系統(tǒng)融合化方案，如圖1所示。

圖1 基于LTE-M的一體化乘客信息系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(半編組)

對于車地間無線數(shù)據(jù)傳輸，主要由無線接入單元(Train Access Unit, TAU)和車載臺兩個車載無線終端完成。TAU是車載寬帶接入終端設(shè)備，通過LTE網(wǎng)絡(luò)連接地面和列車，為列車提供上下行數(shù)據(jù)傳輸。TAU支持CBTC列車控制業(yè)務(wù)的發(fā)送和接收、列車運行狀態(tài)信息上行發(fā)送、地面緊急文本信息的接收、車廂監(jiān)控視頻的上傳、地面PIS視頻的接收。車載臺通過無線方式接入LTE網(wǎng)絡(luò)，部署在列車兩端，為列車司機提供LTE語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持語音呼叫、視頻呼叫以及短消息等服務(wù)。

對于列車內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)設(shè)計方案中，廣播系統(tǒng)采用模擬方式，采用MVB或CAN總線傳輸音頻控制信號并采用模擬音頻總線傳輸音頻信息[3]；監(jiān)控視頻獨立建網(wǎng)并使用以太網(wǎng)進行傳輸；PIS視頻則由位于駕駛室PIS控制單元的解碼設(shè)備解碼后經(jīng)分屏器、同軸電纜傳輸至各LCD終端播放。廣播系統(tǒng)通過RS232與PIS視頻系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動?？傮w而言，各系統(tǒng)的控制設(shè)備相互獨立且系統(tǒng)間進行通信需要協(xié)議轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)可靠性低、總線繁多、維護困難。集成化設(shè)計方案下，PIS視頻、CCTV監(jiān)控視頻以及車地語音通信皆采用以太網(wǎng)傳輸，在輕量化設(shè)計的同時，獲得了更高的傳輸帶寬，為高清視頻傳輸提供了便利。為保障列車廣播系統(tǒng)的可靠性，車載廣播(主要指駕駛員人工廣播)采用模擬信號傳輸音頻數(shù)據(jù)并采用數(shù)字信號進行控制，保障了列車廣播功能的可靠性。列車主干網(wǎng)采用千兆級別的以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，車輛子網(wǎng)采用百兆級別的以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸[4]。系統(tǒng)設(shè)備除揚聲器和LED外均為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3 車載高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

目前安防行業(yè)對于高清的標(biāo)準(zhǔn)主要參考廣播電視行業(yè)對數(shù)字電視高清的標(biāo)準(zhǔn)定義，包括3種：720 p、1 080 i、1 080 p，畫面寬高比為16:9。業(yè)界普遍認(rèn)為視頻監(jiān)控領(lǐng)域的高清要達到720p(即1 280像素×720像素，逐行掃描)，并且具備16:9顯示模式和全幀速(25 f/s)[5]。

車載CCTV監(jiān)控具體功能需求如下：攝像頭采集視頻圖像能夠存儲至車載CCTV服務(wù)器本地硬盤，存儲時長不少于15天；攝像頭采集視頻圖像能夠通過LTE-M無線方式傳輸至地面監(jiān)控工作站進行集中監(jiān)控，要求可同時進行上行2路或4路視頻傳輸，每路視頻傳輸速率(即碼率、帶寬)為1～2 Mb/s；系統(tǒng)自行檢測設(shè)備故障并報錯；能夠進行人口密度識別、運動檢測等一般視頻智能分析。

系統(tǒng)涉及視頻采集輸入、視頻預(yù)處理及編碼、視頻傳輸、視頻存儲、視頻解碼播放等過程，主要由5部分組成：前端攝像機、嵌入式視頻服務(wù)器、視頻轉(zhuǎn)發(fā)(或稱代理)服務(wù)器、TAU、地面客戶端。其物理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地鐵車載高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)(半編組)

地鐵網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)工作原理是：前端模擬攝像機采集圖像信號，接入客室內(nèi)嵌入式視頻服務(wù)器，后者對信號進行A/D轉(zhuǎn)換、MPEG-4/H.264編碼壓縮等數(shù)字化處理后，通過車內(nèi)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸至列車駕駛室內(nèi)的視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器。該視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器是一種雙碼流網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，所謂雙碼流，是指該轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器將畫面質(zhì)量較高的一路碼流進行本地存儲，并將另一路畫面質(zhì)量較低的碼流通過RTSP、RTP協(xié)議上傳至地面監(jiān)控工作站供監(jiān)控人員實時點播[6-7]。

嵌入式視頻服務(wù)器以及視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器分別位于列車的客室和駕駛室。嵌入式視頻服務(wù)器采用嵌入式Linux系統(tǒng)，硬件平臺基于高清網(wǎng)絡(luò)攝像機SOC Hi3521實現(xiàn)，Hi3521是海思半導(dǎo)體公司針對多路D1和多路高清DVR、NVR產(chǎn)品應(yīng)用而研發(fā)的一款專業(yè)高端網(wǎng)絡(luò)攝像機SOC，在Hi3521上移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，嵌入式視頻服務(wù)器主要完成視頻的采集、預(yù)處理、編碼以及網(wǎng)絡(luò)實時傳輸功能，考慮到單個車廂安裝有3～4個攝像頭，以及LTE-M規(guī)范為視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)預(yù)留的帶寬為每路視頻1～2 Mb/s，設(shè)計嵌入式視頻服務(wù)器的視頻采集方案為4路720p輸入。硬件設(shè)計主要包括視頻Hi3521最小系統(tǒng)、采集模塊、存儲模塊、以太網(wǎng)模塊以及其他外圍設(shè)備，如圖3所示。

圖3 嵌入式視頻服務(wù)器Hi3521硬件接口

嵌入式Linux視頻服務(wù)器應(yīng)用程序采用多線程程序設(shè)計，主線程創(chuàng)建了調(diào)度線程和視頻編碼線程，在視頻編碼線程內(nèi)部又創(chuàng)建了視頻碼流取出與保存線程，如圖4所示。主線程的工作主要為監(jiān)聽與受理來自轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的RTSP請求，主要表現(xiàn)為RTSP會話，在此階段，轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器充當(dāng)RTSP客戶端，嵌入式Linux視頻服務(wù)器充當(dāng)RTSP服務(wù)器。

圖4 嵌入式Linux視頻服務(wù)器應(yīng)用程序主線程流程

嵌入式Linux視頻服務(wù)器應(yīng)用程序內(nèi)調(diào)度線程、編碼線程以及取流保存線程之間的關(guān)系以及碼流的傳遞如圖5所示。

圖5 編碼、取流與調(diào)度線程間的關(guān)系

視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)與嵌入式Linux視頻服務(wù)器不同，其基于X86架構(gòu)并搭載Windows操作系統(tǒng)。視頻服務(wù)器應(yīng)用程序主要完成碼流接收、碼流(主碼流)本地存儲、碼流(次碼流)網(wǎng)絡(luò)傳輸3個功能[8]，多線程程序設(shè)計如圖6所示。

圖6 視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器應(yīng)用程序多線程程序

地鐵車載視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器居于核心地位，車載前端的嵌入式Linux視頻服務(wù)器將H.264編碼碼流推流至駕駛室視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，而地面監(jiān)控客戶端則從駕駛室的視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器拉流，地鐵車載視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器一方面需要向前端設(shè)備發(fā)出視頻連接請求，另一方面還要接收來自地面客戶端的視頻點播請求[9]，方可完成H.264碼流的中轉(zhuǎn)工作。

4 車載高清PIS視頻系統(tǒng)設(shè)計

目前上海地鐵PIS視頻尚未達到高清720 p乃至全高清1 080 p，受限的關(guān)鍵技術(shù)主要在于車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)以及多媒體處理平臺兩個方面。LTE-M網(wǎng)絡(luò)以IP方式承載所有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，為PIS流媒體視頻預(yù)留了2 Mb/s～8 Mb/s的帶寬，有效解決傳統(tǒng)方式下WiFi承載帶來的帶寬不足的問題。對于多媒體處理平臺，德州儀器TI達芬奇系列數(shù)字多媒體處理芯片如TMS320DM368、TMS320DM8168等多核芯片適用于此類視頻處理[10]。

車載PIS服務(wù)器負(fù)責(zé)接收地面PIS服務(wù)器的視頻數(shù)據(jù)并通過車載交換機和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給各LCD終端，由LCD終端自行解碼播放，數(shù)據(jù)流向為下行。終端硬件設(shè)備基于德州儀器的TMS320DM368平臺[11]，終端應(yīng)用程序主要完成接收視頻數(shù)據(jù)、解碼并播放的功能。因此，程序流程可以按照多線程程序設(shè)計，主線程完成初始化并創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收線程、視頻解碼線程和視頻顯示線程。車載PIS終端應(yīng)用程序主線程流程如圖7所示。

圖7 車載PIS終端應(yīng)用程序主線程流程

5 車上下行帶寬分析

車地綜合承載LTE-M系統(tǒng)以IP的方式綜合承載多種業(yè)務(wù)，PIS內(nèi)車地通信業(yè)務(wù)主要包括緊急文本下發(fā)、PIS流媒體下傳、CCTV監(jiān)控視頻上傳。

緊急文本下發(fā)由地面PIS服務(wù)器將文本信息通過無線方式傳輸至車廂內(nèi)LCD，規(guī)定最大發(fā)送200個漢字，數(shù)據(jù)包長度為400 B，故通信傳輸速率為3.2 kb/s，考慮到無線傳輸帶寬余量，要求無線傳輸帶寬最大為下行10 kb/s。PIS流媒體采用組播方式，對于單路高清(720 p)流媒體視頻，下行帶寬不少于4 Mb/s。車載電視監(jiān)視業(yè)務(wù)要求每列車同時上傳2路或4路視頻至地面監(jiān)控中心播放，保證帶寬為2 Mb/s，即2路1 Mb/s碼率視頻。同時上傳4路2 Mb/s碼率視頻將占用8 Mb/s的帶寬。單車上、下行帶寬統(tǒng)計分析結(jié)果如表2所示。

表2 單車PIS上下行帶寬統(tǒng)計

6 結(jié)束語

LTE-M系統(tǒng)專門應(yīng)用于地鐵、輕軌等軌道交通領(lǐng)域，憑借LTE高可靠的抗干擾能力、高效的多業(yè)務(wù)優(yōu)先級保障機制以及高速移動下的穩(wěn)定傳輸?shù)葍?yōu)勢，以IP方式綜合承載CBTC、PIS、CCTV等多個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，在保障CBTC業(yè)務(wù)高可靠傳輸?shù)耐瑫r，能夠同時滿足緊急文本下發(fā)和列車實時狀態(tài)的傳輸需求，且能為車載視頻監(jiān)控和乘客信息傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)提供有效的通道。通過研究PIS視頻和CCTV監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)了車載PIS視頻和車載電視監(jiān)視系統(tǒng)的輕量化、網(wǎng)絡(luò)化方案，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度并便于擴展維護。同時著重研究并實現(xiàn)了車載高清視頻編碼、傳輸、播放等關(guān)鍵模塊的軟件和硬件設(shè)計，并將結(jié)合上海輕軌進行線上測試。

[1] 楊利強.城市軌道交通無線通信系統(tǒng)融合方案[J].都市快軌交通,2015,28(2):117-120.

[2] 李照敬,葛叔云.基于LTE技術(shù)的城市軌道交通綜合承載業(yè)務(wù)需求分析[J].鐵路通信信號,2015,51(7):74-78.

[3] 曲偉強,張亞.上海軌道交通16號線列車乘客信息系統(tǒng)全數(shù)字化的實現(xiàn)[J].電力機車與城軌車輛,2014,37(2):52-55.

[4] 程珂,錢存元.無人駕駛地鐵列車乘客信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵道機車與車輛,2015,35(2):120-124.

[5] 梁篤國,張艷霞,曹寧,等.網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)與智能應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社,2013.

[6] 潘力策,孟利民.基于DM365的雙碼流視頻監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用,2015,34(10):41-47.

[7] 袁劍飛,袁宇浩,簡丹丹.基于Hi3521的機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計,2016,37(7):1781-1786.

[8] 林錐,王立徳,周潔瓊，等.全高清車載乘客信息系統(tǒng)多媒體平臺研制[J].都市快軌交通,2015,26(1):100-103.

[9] 孫永才.基于以太網(wǎng)的車載通信系統(tǒng)設(shè)計[J].都市快軌交通,2015,28(3):132-135.

[10] 高玉龍,白旭,吳瑋.達芬奇技術(shù)開發(fā)基礎(chǔ)原理與實例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.

[11] 施朝輝,劉全利,王偉.基于DM8168的列車多媒體平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].控制工程,2014,21(6):913-917.

Research and design of onboard passenger information system in metro based on LTE-M

Zhang Gongsheng, Guo Xiuqing, Chen Yongsheng

(College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In order to improve vehicle communication performance and video resolution of onboard passenger information system in urban rail transit and simplify the system, an integrated design of onboard passenger information system based on Long Term Evolution-Metro (LTE-M) was proposed and the implementation of key modules in the system were studied. The framework of the system was established after technical condition was analyzed and various functions were identified, the hardware and software design of embedded Linux video server and video proxy server were presented in detail. Tests show that download of streaming media in 720p or 1 080p and upload of surveillance video in D1 can be implemented efficiently. The stability and performance of bandwidth is quite well.

Long Term Evolution-Metro (LTE-M); onboard passenger information system; vehicle wireless communication; embedded Linux video server; proxy server

TP37

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.030

張功升，郭秀清，陳永生.基于LTE-M的地鐵車載乘客信息系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(11)：102-105.

2016-12-11)

張功升(1993-)，通信作者，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與計算機控制。E-mail：1404833530@qq.com。

郭秀清(1965-)，女，博士，教授，主要研究方向：過程控制與計算機控制。

陳永生(1966-)，男，博士，教授，主要研究方向：仿真與多媒體處理。