■ 韓建平

軌道交通乘客信息系統(tǒng)（PIS）依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計算機技術(shù)為核心，以地鐵車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)，采用控制中心、車站及列車（車載）的三級結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。PIS系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計涉及高清視頻傳輸、車-地?zé)o線傳輸?shù)榷喾N技術(shù)應(yīng)用，是軌道交通系統(tǒng)設(shè)計中技術(shù)含量很高的系統(tǒng)之一。在具體PIS系統(tǒng)工程設(shè)計中，結(jié)合通信及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，研究并合理選擇組網(wǎng)技術(shù)，做到既經(jīng)濟合理、技術(shù)領(lǐng)先，又滿足用戶需求。

1 PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的要點

結(jié)合PIS系統(tǒng)功能要求及三級結(jié)構(gòu)組網(wǎng)的特點，PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的要點包括：（1）PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)流向及帶寬要求；（2）控制中心至車站信息傳輸組網(wǎng)方式的選擇；（3）車站信息顯示系統(tǒng)組網(wǎng)方案選擇及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；（4）車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)制式的選擇及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；（5）車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)與信號系統(tǒng)的兼容性分析；（6）車載信息系統(tǒng)組網(wǎng)方案選擇及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；（7）PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計。

2 PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)流向及帶寬要求

2.1 控制中心至車站

控制中心傳遞到各個車站的業(yè)務(wù)信息主要包括文本信息、設(shè)備監(jiān)控及管理信息、視頻節(jié)目信息。帶寬分析如下：

站內(nèi)文本信息、設(shè)備監(jiān)控及管理信息，按每個車站1 Mb/s考慮；

實時視頻節(jié)目按每站3路設(shè)計（站廳、上行站臺、下行站臺），編碼方式為標清（MPEG-2）或高清（H.264），每路按8 Mb/s計算，共計24 Mb/s；

從控制中心傳遞到車站管轄范圍內(nèi)的運營列車的實時視頻按1路/列考慮，編碼方式為 MPEG-2標清或H.264高清視頻，使用帶寬為每路8 Mb/s；考慮特殊情況，在車站管轄范圍內(nèi)同時有4列列車（車站兩端上下行區(qū)間各1列），且每列列車播放的實時視頻都不相同，均通過控制中心服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)。因此，從控制中心傳遞到車站管轄范圍內(nèi)的運營列車的實時視頻帶寬總需求為32 Mb/s；

從控制中心傳遞到車站管轄范圍內(nèi)的運營列車的文本信息按250 kb/s/列考慮；考慮特殊情況，在車站管轄范圍內(nèi)同時有4列列車（車站兩端上下行區(qū)間各1列），且每列車文本信息內(nèi)容都不相同。因此，從控制中心傳遞到車站管轄范圍內(nèi)的運營列車的實時文本信息總需求為1 Mb/s；

根據(jù)軌道交通運營管理模式，控制中心有關(guān)調(diào)度人員可通過車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)實時調(diào)看列車司機室及客室的監(jiān)控視頻。占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬與控制中心調(diào)看的監(jiān)控圖像路數(shù)及每路圖像的帶寬有關(guān)?？紤]特殊情況，控制中心調(diào)看的圖像均來自于同一個車站管轄范圍內(nèi)的4列列車（車站兩端上下行區(qū)間各1列），每列列車傳遞2路圖像（兩端司機室各1路或同一客室2路），共計8路，采用H.264/MPEG-4編碼格式，每路使用帶寬1.5 Mb/s，共計12 Mb/s；因此，在PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，車站接入控制中心的網(wǎng)絡(luò)帶寬可按70 Mb/s設(shè)計。

2.2 車站至運營列車

從控制中心至車站的業(yè)務(wù)流向及帶寬分析可知，車站與運營列車間傳遞的信息主要是1路實時8 Mb/s的MPEG-2標清或H.264高清視頻、2路實時1.5 Mb/s的H.264/MPEG-4標清車載監(jiān)控視頻及250 kb/s的文本信息，總共11.25 Mb/s，通過車－地?zé)o線傳輸網(wǎng)實現(xiàn)。

PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)流向及帶寬要求見圖1。

3 控制中心至車站信息傳輸組網(wǎng)方式的選擇

根據(jù)PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)流向及帶寬要求分析，控制中心至車站信息傳輸組網(wǎng)方式主要有3種方案（見表1）。

從表1可以看出，3種組網(wǎng)方式各有優(yōu)缺點，可根據(jù)具體組網(wǎng)要求采用。

4 車站信息顯示系統(tǒng)組網(wǎng)方案選擇及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

4.1 高清接口標準的比較

隨著媒體顯示及播放技術(shù)的不斷發(fā)展，目前可用于高清顯示系統(tǒng)建設(shè)的接口標準主要有HD-SDI、YPbPr、HDMI及DVI等，性能比較見表2。

從表2可以看出，HD-SDI和HDMI采用數(shù)字信號實現(xiàn)視、音頻同纜傳輸，在減少干擾的同時，也使布線相對簡單。因此，目前我國軌道交通PIS車站信息顯示系統(tǒng)絕大多數(shù)采用HD-SDI或HDMI高清接口標準進行建設(shè)。

圖1 PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)流向及帶寬要求

在軌道交通PIS車站信息顯示系統(tǒng)布線中，受車站站型的影響，從PIS設(shè)備機房到最遠終端顯示設(shè)備的數(shù)字視頻信號傳輸距離往往超過了150 m，甚至達到200 m，在這種情況下，針對HD-SDI和HDMI接口標準的特點，采用不同的傳輸組網(wǎng)模式實現(xiàn)高清節(jié)目的遠距離傳輸。

4.2 針對HD-SDI標準的傳輸組網(wǎng)方案

HD-SDI接口標準最大支持100 m的傳輸距離，通過視頻轉(zhuǎn)化分配器的級聯(lián)實現(xiàn)信號遠距離傳輸及分屏顯示。數(shù)據(jù)流向為：編播中心→車站服務(wù)器→播放控制器→視頻轉(zhuǎn)化分屏器→顯示屏。組網(wǎng)方式見圖2。

4.3 針對HDMI標準的傳輸組網(wǎng)方案

HDMI接口標準最大支持15 m的傳輸距離，通過光發(fā)射器及接收器的級聯(lián)方式實現(xiàn)信號遠距離傳輸及分屏顯示。數(shù)據(jù)流向為：編播中心→車站服務(wù)器→播放控制器→光發(fā)射器→光接收器→顯示屏。組網(wǎng)方式見圖3。

5 車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)制式選擇及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

5.1 制式選擇

PIS車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇主要考慮以下3個方面因素：（1）滿足PIS車-地數(shù)據(jù)雙向通信，傳輸速率大于11.25 Mb/s；（2）保證軌道交通列車最高120 km/h運行速度條件下的穩(wěn)定、可靠通信；（3）與信號系統(tǒng)車-地?zé)o線網(wǎng)兼容，避免相互干擾。

表1 傳輸組網(wǎng)方式的比較

表2 幾種高清接口標準的比較

圖2 HD-SDI傳輸組網(wǎng)方案

圖3 HDMI傳輸組網(wǎng)方案

目前可以供選擇的無線傳輸技術(shù)主要包括：全球微波互聯(lián)接入（WiMax）、多載波無線信息局域環(huán)路（McWill）、TD-SCDMA的演進技術(shù)（TD-LTE）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等技術(shù)。WiMax技術(shù)支持在移動速度為250 km/s的情況下提供16 Mb/s的無線接入帶寬，空間波傳輸距離在7.5 km，但目前該技術(shù)在我國沒有批準工作頻率，商業(yè)化程度低，設(shè)備選型受限；McWill技術(shù)支持移動速度120 km/h的平臺進行通信，支持漫游和快速切換，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為15 Mb/s，但該技術(shù)缺乏大規(guī)模公網(wǎng)成功應(yīng)用經(jīng)驗，產(chǎn)業(yè)鏈還很弱，終端設(shè)備較少；TD-LTE是TD技術(shù)的后續(xù)演進標準，在高速運動下，理論上支持100 Mb/s下行速率、50 Mb/s上行速率，但該技術(shù)目前還在實驗或測試階段，在軌道交通中尚未有實際運用案例。就目前移動寬帶技術(shù)的發(fā)展而言，基于802.11標準的WLAN技術(shù)是在軌道交通領(lǐng)域車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)中運用最成熟的技術(shù)，主要包括802.11b、802.11a和802.11g、802.11n 4個物理層標準，其比較見表3。

在上述4種標準中，802.11a、802.11g和802.11n均滿足PIS系統(tǒng)車-地數(shù)據(jù)雙向通信的帶寬要求。目前，我國軌道交通已積累豐富的802.11a和802.11g工程建設(shè)經(jīng)驗。對于采用802.11n標準的建設(shè)方案也在積極探索中。

表3 802.11 標準比較表

5.2 采用無線局域網(wǎng)的車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)組網(wǎng)模式

無線局域網(wǎng)組網(wǎng)模式有“瘦”AP和“胖”AP兩種模式。

5.2.1 “瘦”AP

在“瘦”AP 模式中，由控制中心無線控制器對軌旁AP 進行集中管理和配置，并可對無線用戶數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一安全認證及管理。相對于“胖”AP方案而言，“瘦”AP方案中所有無線用戶的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過無線控制器進行轉(zhuǎn)發(fā)。漫游切換時，“瘦”AP 須與無線控制器進行數(shù)據(jù)信息交互，因此切換時間相對較長。

5.2.2 “胖”AP

在“胖”AP模式中，AP對接入的無線用戶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)安全及其設(shè)備管理等操作都獨立完成。漫游切換時，車載AP與軌旁AP直接進行握手通信，通信數(shù)據(jù)在本地處理完成。

“瘦”AP方案相對“胖”AP方案的優(yōu)勢在于實現(xiàn)了設(shè)備的集中管理和配置，安全性最高；“胖”AP方案相對“瘦”AP方案的優(yōu)勢在于設(shè)備配置相對簡單，漫游切換快。目前兩種組網(wǎng)模式在我國軌道交通PIS系統(tǒng)中均有運用，典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 無線局域網(wǎng)典型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

6 車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)與信號系統(tǒng)的兼容性分析

在軌道交通中，基于通信的移動閉塞（CBTC）信號系統(tǒng)可能采用基于WLAN無線系統(tǒng)做為車地信息的傳輸方式，因此如何使2個WLAN在同一工程中共存將是需解決的問題。目前主要有3種方案。方案一：PIS和信號系統(tǒng)采用同一個WLAN網(wǎng)絡(luò)；方案二：PIS和信號系統(tǒng)采用不同頻段的不同WLAN網(wǎng)絡(luò)；方案三：PIS和信號系統(tǒng)采用不同WLAN網(wǎng)絡(luò)，但頻段相同。方案一PIS和信號系統(tǒng)共用一個WLAN網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)帶寬為兩系統(tǒng)共享，在工程中需要協(xié)商好PIS和信號系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)流量大小及優(yōu)先級。方案二PIS和信號系統(tǒng)采用不同頻段的WLAN網(wǎng)絡(luò)，基本不存在干擾問題，可按各自業(yè)主需求建設(shè)WLAN網(wǎng)絡(luò)。

方案三需要采取以下措施盡量減少相互間的干擾：（1）隧道區(qū)間采用定向天線實現(xiàn)覆蓋，最大程度減少多徑的影響。（2）協(xié)調(diào)無線頻點，使PIS和信號系統(tǒng)使用不同的頻點。如在2.4 GHz頻段，只有3個信道（信道1、6、11）是互不重疊的，其他信道使用的頻率相互重疊，存在互相干擾，因此，若CBTC信號系統(tǒng)使用第1和第11信道，PIS系統(tǒng)則可以使用第6信道，保證各系統(tǒng)之間頻段不發(fā)生重疊，避免干擾。（3）協(xié)調(diào)PIS和信號系統(tǒng)AP安裝位置，通過合理布置雙方AP位置，減少相互影響。

7 車載信息系統(tǒng)組網(wǎng)方案選擇及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

PIS車載信息系統(tǒng)由車載信息顯示和車載視頻監(jiān)控兩部分組成。

車載信息顯示設(shè)備通過車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)接收地面發(fā)布的列車運營及乘客服務(wù)等信息，通過車載控制器進行解碼，采用一控多的播控方式，即列車上的所有媒體顯示屏都接受一臺車載控制器的控制，播放相同的節(jié)目內(nèi)容。為了保證系統(tǒng)的安全播出，在列車首尾司機室各安裝一臺車載控制器，互為熱備份工作（通過心跳線相連），當其中一臺出現(xiàn)故障時，另一臺自動接替其工作，從而實現(xiàn)冗余管理，提高車載信息顯示系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)構(gòu)成見圖5。

為保障運營安全，車載監(jiān)控系統(tǒng)一般在客室安裝2臺攝像機對乘客乘車情況進行實施監(jiān)視，在兩端司機室各安裝1臺攝像機對司機駕駛情況進行監(jiān)視；車載監(jiān)控系統(tǒng)除在司機室配置監(jiān)視終端用于司機對各路攝像機圖像進行選擇調(diào)看外，還能利用PIS系統(tǒng)建立的車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)平臺，將車載監(jiān)控圖像傳輸?shù)降孛婵刂浦行墓┱{(diào)度人員實時調(diào)看。受目前車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)技術(shù)帶寬的限制，在正常情況下，傳輸?shù)娇刂浦行牡谋O(jiān)控圖像一般為2路（可以是一個客室的完整圖像，也可以是兩端司機室圖像）；在緊急情況下，可將列車全部監(jiān)控圖像傳輸?shù)降孛婵刂浦行模奖闶录幚?，系統(tǒng)構(gòu)成見圖6。

圖5 車載信息顯示系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖6 車載監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

8 網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計措施

PIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計措施主要包括：（1）控制中心網(wǎng)絡(luò)交換機采用雙機熱備實現(xiàn)冗余和負載均衡；重要服務(wù)器采用雙機或多機配置，采用負載均衡技術(shù)：無線控制器（“瘦”AP模式）采用雙機熱備冗余模式，在單個控制中心故障時，由冗余配置的無線控制器接管全線AP；（2）車站網(wǎng)絡(luò)交換機采用單機加重要模塊（電源、控制等）熱備方式；（3）車-地?zé)o線傳輸網(wǎng)軌旁AP與車站交換機采用交叉連接方式，即同一區(qū)間內(nèi)編號為1、3、5…的AP接入上行站交換機，編號為2、4、6…的AP接入下行站交換機（見圖4），同時相鄰軌旁AP的無線信號覆蓋有足夠的重疊區(qū)，實現(xiàn)無線信號冗余覆蓋；（4）列車兩端司機室設(shè)置功能相同的車載設(shè)備（無線網(wǎng)橋、車載控制器），以雙機熱備方式運行，當一臺出現(xiàn)故障時，另一臺能夠及時接管系統(tǒng)。

9 結(jié)束語

軌道交通線路的復(fù)雜性和車站型式的多樣性，決定了PIS是軌道交通系統(tǒng)設(shè)計中技術(shù)含量很高的系統(tǒng)之一，系統(tǒng)組網(wǎng)涉及高清視頻傳輸、車-地?zé)o線傳輸?shù)榷喾N技術(shù)應(yīng)用。提供的組網(wǎng)方案可為從事軌道交通PIS系統(tǒng)設(shè)計的工作技術(shù)人員借鑒。