張 雷 翟小旺

(中鐵十六局集團(tuán)電氣化工程有限公司 北京 100018)

1 引言

乘客信息系統(tǒng)(Passenger Information System-PIS)是軌道列車為乘客提供各類服務(wù)資訊的信息系統(tǒng)，可分為廣播系統(tǒng)、乘客信息顯示、多媒體播放系統(tǒng)等[1]，并可以劃分為車載乘客信息系統(tǒng)和地面乘客信息系統(tǒng)兩部分[2]。PIS系統(tǒng)以多媒體播放的形式向乘客展現(xiàn)當(dāng)前線路的車站信息和換乘信息，可實(shí)時(shí)監(jiān)控車廂內(nèi)情況，并保存錄像等。當(dāng)遇到緊急情況，乘客還可以通過報(bào)警裝置通知工作人員及時(shí)處理；反之，信息系統(tǒng)可以通過視頻播放方式幫助乘客及時(shí)找到疏散通道快速逃離[3－4]。

隨著交通智慧化應(yīng)用需求的不斷深化，越來越多的城市提出智慧交通建設(shè)規(guī)劃，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)智慧交通的落地[5]。

2 乘客信息系統(tǒng)建設(shè)需求概述

鄭州機(jī)場(chǎng)線至許昌市域鐵路工程(許昌段)包含11座車站(2個(gè)地下站、9個(gè)高架站)、1座停車場(chǎng)。該工程車地?zé)o線系統(tǒng)采用基于5.8 G非授權(quán)頻段的寬帶無線通信系統(tǒng)，用于承載PIS車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)。

鄭州機(jī)場(chǎng)線至許昌市域鐵路工程(許昌段)的PIS通過安裝在全線路的站臺(tái)、列車車廂的LCD顯示終端，不間斷播放，為乘客實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的列車運(yùn)營(yíng)信息和豐富的公共媒體信息。運(yùn)營(yíng)信息、公共媒體信息通常按照設(shè)定的模式切換使用；但在緊急情況下，運(yùn)營(yíng)信息優(yōu)先使用或者優(yōu)先播放特定信息。為確保PIS系統(tǒng)的智能化、智慧化，系統(tǒng)主要基于信息傳輸網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)端和車載信息處理上形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。使得信息實(shí)時(shí)分析處理、精確定位等[6]，本文將就該系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)展開研究。

圖1 PIS系統(tǒng)控制中心設(shè)備架構(gòu)

3 PIS各系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 信息編播中心子系統(tǒng)功能

編播中心子系統(tǒng)是PIS系統(tǒng)核心，通過接口采集的外部信息數(shù)據(jù)，在編播中心子系統(tǒng)經(jīng)過編輯、處理后生成內(nèi)部信息，并按照規(guī)定的格式或版式播出[7－10]。鄭州段工程設(shè)置的信息編播中心子系統(tǒng)，主要具有以下功能:

(1)信息處理功能:接受外部信息，編輯、存儲(chǔ)、處理信息完成后下發(fā)至各服務(wù)器，同時(shí)視頻服務(wù)器可利用網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間或停運(yùn)時(shí)間將較大的文件提前下發(fā)至車站服務(wù)器。

(2)廣告列表的制作和發(fā)布功能:按廣告客戶需求制作并下發(fā)至分線服務(wù)器。

(3)電視信號(hào)的引入和發(fā)布功能:具有引入2路有線電視信號(hào)的功能，滿足在各線車站、車載LCD顯示屏上實(shí)時(shí)播放1路有線電視的要求，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)列車所在位置播放不同視頻信號(hào)，同時(shí)視頻信號(hào)可在IP網(wǎng)絡(luò)廣播和組播，同時(shí)壓縮比、碼率可調(diào)節(jié)。

(4)公共信息的引入和發(fā)布功能:如視頻及文字新聞、天氣預(yù)報(bào)、股市行情等。

(5)信息預(yù)覽功能:在處理媒體信息的過程中可以實(shí)時(shí)觸發(fā)預(yù)覽操作，通過顯示屏及時(shí)預(yù)覽效果。

(6)資料管理功能:生成和管理經(jīng)營(yíng)資料。

(7)媒體素材管理功能:編輯完成的媒體文件在素材庫中保存和被引用。

(8)下發(fā)功能:可自動(dòng)接收各信息并下發(fā)至服務(wù)器，同時(shí)可利用網(wǎng)絡(luò)空閑或停運(yùn)時(shí)間提前將較大的媒體文件進(jìn)行下載。

(9)播放列表的制訂和發(fā)布功能:按照地鐵運(yùn)營(yíng)和廣告列表的要求制訂播放列表，并通過播放列表的下發(fā)，把播放規(guī)則以及播放內(nèi)容發(fā)布到各車站和車輛基地服務(wù)器中。

(10)播放列表的審核和管理功能:對(duì)播放列表進(jìn)行審核并發(fā)布，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳送定義優(yōu)先級(jí)，對(duì)傳送日志進(jìn)行記錄。

(11)運(yùn)營(yíng)信息的管理功能:操作員可編輯運(yùn)營(yíng)服務(wù)信息類素材，能夠預(yù)先定義好各種顯示格式/效果的運(yùn)營(yíng)服務(wù)信息。

(12)本線模板的定義和審核功能:模板編輯軟件需有USB-KEY認(rèn)證機(jī)制。

(13)緊急信息發(fā)布功能:具有相應(yīng)權(quán)限的高級(jí)別管理員可通過緊急信息發(fā)布管理工作站或綜合監(jiān)控工作站，輸入并管理部署在車站或車廂內(nèi)的LCD顯示屏播放的緊急信息。

(14)遠(yuǎn)程播出內(nèi)容監(jiān)視功能:可在中心指定的任一工作站調(diào)看畫面，同時(shí)路數(shù)不少于4路。

(15)防網(wǎng)絡(luò)攻擊功能:數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可加密解密，并具有防黑客入侵的功能。

(16)接口功能:將接受的信息進(jìn)行解析處理實(shí)時(shí)傳送。

(17)系統(tǒng)網(wǎng)管功能:包括用戶管理、磁盤空間管理、日志管理、故障管理。

3.2 車站子系統(tǒng)功能

車站子系統(tǒng)主要包括控制部分和顯示部分。控制部分負(fù)責(zé)接收控制中心下發(fā)的各類信息與指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站設(shè)備的控制。顯示部分則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各類乘客服務(wù)信息的終端顯示。具體包括如下功能:

(1)接收和下發(fā)功能:從線路控制中心子系統(tǒng)接收發(fā)布視頻及文本內(nèi)容的信息，同時(shí)接收線網(wǎng)中心和線路中心的控制命令，并且可將播放信息發(fā)送至LCD終端顯示設(shè)備。

(2)播放控制功能:車站LCD播放控制器實(shí)現(xiàn)從本車站服務(wù)器接收模板文件、媒體文件以及播放列表，經(jīng)過合成解碼后控制LCD顯示屏的播放。

(3)LCD顯示屏的功能:播放順暢清晰，支持多種媒體格式，屏幕分屏不少于8屏，實(shí)現(xiàn)由線路中心控制車站LCD顯示屏的依次打開和依次關(guān)閉等。

(4)同時(shí)兼?zhèn)渚o急信息發(fā)布功能，播放異常時(shí)可啟用屏保功能，以及降級(jí)播放功能和電源控制功能。

3.3 車載子系統(tǒng)功能

PIS系統(tǒng)車載子控制架構(gòu)如圖2所示，車載子系統(tǒng)包括兩個(gè)功能:

圖2 PIS系統(tǒng)車載子控制架構(gòu)

(1)車載設(shè)備接收和傳送功能:可自動(dòng)接收發(fā)布實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息，當(dāng)接收或下發(fā)失敗時(shí)，重新進(jìn)行。

(2)播放控制功能。

3.4 信息傳輸功能

鄭許市域鐵路工程PIS系統(tǒng)信息采用有線、無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式傳輸:信息流為信息線路中心(或電視臺(tái)信號(hào))－各車站/車輛段/停車場(chǎng)－列車之間的信息。主要包括地面有線傳輸網(wǎng)、車載有線傳輸網(wǎng)和車地間無線傳輸網(wǎng)三個(gè)部分[11－12]。

4 PIS系統(tǒng)性能分析及系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋分析

系統(tǒng)包括的所有硬件設(shè)備和軟件都應(yīng)該具有良好的穩(wěn)定性，穩(wěn)定率達(dá)99%以上；系統(tǒng)具備較完善的容錯(cuò)處理能力和監(jiān)控能力，從整體上提高系統(tǒng)的可靠性。因此系統(tǒng)建設(shè)需要注重規(guī)范體系統(tǒng)一化和保障體系安全化等要素[13]。

WirelessFiber車地?zé)o線系統(tǒng)采用空間波方式進(jìn)行無線信號(hào)覆蓋，在隧道覆蓋情況下，系統(tǒng)可利用無線信號(hào)傳輸?shù)亩鄰叫?yīng)來增強(qiáng)接收端有效信號(hào)的接收效果。參照無線信號(hào)自由空間傳輸模型并使用實(shí)際工程測(cè)試數(shù)據(jù)印證，認(rèn)為可以采用以下無線信號(hào)傳輸損耗公式進(jìn)行無線鏈路計(jì)算。

系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)可以保證系統(tǒng)的RAMS性能(可靠性、可用性、維修性、安全性)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)生命周期內(nèi)的可靠性管理。

設(shè)備主要部件進(jìn)行冗余配置，包括但不限于CPU、磁盤、電源及風(fēng)扇模塊。

為達(dá)到以上目的，從以下幾個(gè)主要方面對(duì)本文提供的PIS系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行論述。

4.1 RAMS控制及各子系統(tǒng)RAMS性能分析

RAMS的控制過程是通過制定整個(gè)項(xiàng)目過程中的性能保證計(jì)劃，定性分析各種性能要求，并根據(jù)需要采取改進(jìn)RAMS性能的措施[14]。在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能在各子系統(tǒng)中應(yīng)用多項(xiàng)措施，以提高系統(tǒng)的可靠性。

(1)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的可靠性分析

主干到接入全部采用高速的千兆交換技術(shù)，性能高；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所采用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用高可靠性設(shè)計(jì)，核心路由器關(guān)鍵部件如主控、電源等關(guān)鍵部件采用冗余設(shè)計(jì)，主控板的切換不影響數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，所有單板在線熱插拔；核心層交換機(jī)S7703具備高容量交換能力和端口密度的平滑升級(jí)能力，核心交換機(jī)有3個(gè)業(yè)務(wù)插槽，靈活性和可擴(kuò)展性高；采用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均具備強(qiáng)大的QoS特性；所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能夠保證和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的良好互聯(lián)互通；統(tǒng)一網(wǎng)管，易于維護(hù)和管理；S7703支持iPCA秒級(jí)故障定界，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的有效質(zhì)量測(cè)量和故障監(jiān)控定位；通過能效以太網(wǎng)、端口自動(dòng)休眠、風(fēng)扇智能調(diào)速、激光器自動(dòng)關(guān)斷ALS、CPU動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)的方案達(dá)到高效節(jié)能；利用華為HSR地鐵快速環(huán)網(wǎng)切換協(xié)議滿足網(wǎng)絡(luò)快速切換的要求。

(2)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性措施

在LCD播放應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)，控制中心配置視音頻切換矩陣保證視音頻信息源的可靠輸入、切換；設(shè)備冗余備份，設(shè)計(jì)兩套視音頻自動(dòng)采集工作站，工作功能互相備份；PIS的信息發(fā)布模式可以采用FTP和Multicast(選件)兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，從而保證PIS正確無誤的傳送；同時(shí)要保護(hù)設(shè)備安全，引導(dǎo)系統(tǒng)控制主機(jī)與顯示終端之同的數(shù)據(jù)通訊保證誤碼校驗(yàn)及糾錯(cuò)功能。

(3)RAMS的定量要求和基本關(guān)系

系統(tǒng)RAMS的度量包括MTBF、MTTR和可用性。其中，MTBF是平均故障間隔時(shí)間，MTTR是平均故障修理時(shí)間，可用性就是可維修產(chǎn)品的運(yùn)轉(zhuǎn)率。理論上這三個(gè)性能指標(biāo)存在以下的定量關(guān)系:

可用性＝MTBF/(MTBF＋MTTR)

在計(jì)算系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的可用性時(shí)，可定義失效率U和可用率A:

系統(tǒng)失效U為:U＝MTTR/(MTBF＋MTTR)

系統(tǒng)可用率A:A＝1－U

n個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，可用率A為:

n個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)失效率U為:

混合系統(tǒng)可以分解為串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)后估算可用性。

PIS系統(tǒng)可用性計(jì)算由關(guān)鍵設(shè)備的主要故障決定，子系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備劃分為關(guān)鍵設(shè)備和非關(guān)鍵設(shè)備。若某設(shè)備的故障會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，該設(shè)備為關(guān)鍵設(shè)備。設(shè)備故障又可以劃分為主要故障和次要故障。當(dāng)故障影響到系統(tǒng)的主要功能，則此故障視為主要故障。則可用性計(jì)算可以通過關(guān)鍵設(shè)備的主要故障發(fā)生時(shí)間指標(biāo)評(píng)估如下:

可用性＝平均無故障時(shí)間/(平均無故障時(shí)間＋平均修復(fù)時(shí)間)，即:

A＝MTBF/(MTBF＋MTTR)

4.2 軌旁基站設(shè)備發(fā)射到車載設(shè)備接收之間場(chǎng)強(qiáng)覆蓋分析

PIS系統(tǒng)軌旁基站設(shè)備連接四面15 dBi定向天線，每?jī)擅嫣炀€覆蓋一邊方向350 m；軌旁基站設(shè)備輸出20 dBm，定向天線的增益為15 dBi，耦合器損耗3 dB，饋線及饋頭損耗計(jì)為2 dB，則天線的輸出功率為:

PO＝20－3－2＋15＝30 dBm

根據(jù)無線信號(hào)傳輸損耗經(jīng)驗(yàn)公式:

Lpath＝32.5＋20lgf＋20lgD

式中，f是頻率(MHz)；D是距離(km)。

350 m隧道內(nèi)的傳播損耗為:

列車車載接收天線的增益為15 dBi，饋線及饋頭損耗計(jì)為2 dB，耦合器損耗3 dB，則列車在隧道內(nèi)運(yùn)行到距發(fā)射天線350處時(shí)，車載無線單元的接收電平為:

P＝PO－Lpath＋15－2－3＝－58.7 dB

故列車從距離基站350 m處駛向基站時(shí)，車載無線單元接收到的場(chǎng)強(qiáng)值在－48.7～33 dBm之間變化，而車載無線單元設(shè)備在列車運(yùn)行時(shí)邊緣相應(yīng)帶寬要求對(duì)應(yīng)的接收電平為－79 dB左右，因此能夠保證車載無線單元的正常接收。

同理，當(dāng)每面天線覆蓋方向延長(zhǎng)到700 m時(shí)，經(jīng)計(jì)算1 000 m隧道內(nèi)的傳播損耗為:

Lpath＝32.5＋20lg5 800＋20lg0.7＝104.8 dB

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行到距發(fā)射天線700處時(shí)，車載無線單元的接收電平為:

P＝PO－Lpath＋15－2－3＝－64.8 dB

仍能夠保證車載無線單元的正常接收。

5 結(jié)束語

乘客信息系統(tǒng)是面向人車路的多媒體服務(wù)系統(tǒng)。本文對(duì)乘客信息系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)功能的詳細(xì)闡述，并針對(duì)鄭許線(許昌段)工程的系統(tǒng)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，為此項(xiàng)目未來的良好運(yùn)營(yíng)奠定了基礎(chǔ)。未來，乘客信息系統(tǒng)必然向著智慧的云化方向發(fā)展。