康進赟

乘客信息系統(tǒng) （PIS）是融合了多媒體網(wǎng)絡(luò)和計算機信息技術(shù)，通過地面站臺和車載媒體終端向乘客提供媒體信息服務(wù)的系統(tǒng)。目前，北京、上海、廣州、深圳、香港和天津地鐵都已開通了乘客信息系統(tǒng)，且在北京、廣州和深圳等已開通車載實時傳輸乘客信息服務(wù)系統(tǒng)。國內(nèi)地鐵PIS系統(tǒng)普遍采用 “中心－地面－車輛”的媒體信息管理方式。車載PIS的終端直接面向乘客，對其播放的實時性和連續(xù)性有較高的用戶體驗要求。車載PIS服務(wù)器是車載PIS系統(tǒng)的媒體來源，通過轉(zhuǎn)發(fā)車站子系統(tǒng)下發(fā)的媒體信息，向車載子系統(tǒng)的播放終端提供媒體資源和消息服務(wù)，為車－地媒體的統(tǒng)一管理提供了有效的途徑。本文提出一種車載PIS服務(wù)器的設(shè)計方案，根據(jù)地面PIS系統(tǒng)提供的接口協(xié)議，設(shè)計服務(wù)器軟件的整體架構(gòu)。

1 服務(wù)器功能需求分析

PIS系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上可分為3個子系統(tǒng)：控制中心子系統(tǒng)、地面車站子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)。地面PIS系統(tǒng)通過車載子系統(tǒng)向地鐵車輛內(nèi)提供媒體服務(wù)，實現(xiàn)車－地信息統(tǒng)一發(fā)布管理。車載PIS服務(wù)器接收和管理地面PIS下發(fā)的媒體信息，通過車載交換機組傳給車載媒體終端在LCD顯示屏上播放，向乘客提供信息服務(wù)。地面PIS子系統(tǒng)通過車－地無線網(wǎng)絡(luò)向車載PIS子系統(tǒng)傳輸媒體信息，包括直播流媒體、墊播計劃、墊播媒體文件、滾動消息和緊急消息等。由車載PIS服務(wù)器負責接收并進行數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)。車載PIS的列車視頻監(jiān)控（CCTV）上載也通過同一路徑傳輸至地面PIS子系統(tǒng)，地面CCTV在控制中心進行解碼播放。車－地PIS系統(tǒng)通信如圖1所示。

圖1 車－地PIS系統(tǒng)通信示意圖

車載PIS服務(wù)器需要實現(xiàn)以下功能。

1．直播模式。列車運行中，車載設(shè)備要實時接收來自地面運營中心的節(jié)目，包括媒體新聞、賽事直播和廣告等實時動態(tài)的多媒體信息，并在列車車廂的車載媒體終端上播出。地面PIS通過TS流下發(fā)直播流媒體，車載PIS服務(wù)器接收地面PIS下發(fā)的視頻流，以組播的方式實時轉(zhuǎn)發(fā)給車輛PIS系統(tǒng)。

2．墊播模式。根據(jù)系統(tǒng)提出的播放冗余控制需求，為防止客室顯示屏出現(xiàn)黑屏，需要在直播的基礎(chǔ)上加入墊播模式。若視頻源或車－地無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，導致車載PIS系統(tǒng)接收不到直播視頻，車載PIS服務(wù)器將服務(wù)器硬盤中存儲的墊播視頻文件下發(fā)到列車以太網(wǎng)中，供客室服務(wù)器進行播放。

3．消息轉(zhuǎn)發(fā)。正常情況下，地面PIS系統(tǒng)向車輛提供乘車須知、服務(wù)時間、列車到發(fā)時間、列車時刻表、管理者公告、政府公告等滾動消息；在火災、阻塞及恐怖襲擊等非正常情況下，提供動態(tài)緊急消息提示。車載PIS服務(wù)器周期輪詢地面PIS的發(fā)送滾動消息和緊急消息，并將消息通過組播方式轉(zhuǎn)發(fā)到車輛PIS系統(tǒng)中。

4．列車視頻監(jiān)控 （CCTV）上傳。視頻流通過列車以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至車載PIS服務(wù)器；車載PIS服務(wù)器接收到錄像視頻流通過車載CCTV處理模塊將錄像視頻存儲到本地硬盤中，經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)模塊將錄像視頻通過車－地無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至地面控制中心。

2 軟件整體框架設(shè)計

由于車載服務(wù)器各功能之間相對獨立，因此參考地面PIS系統(tǒng)提供的接口通信協(xié)議，按照功能分塊的模式，建立多個執(zhí)行線程，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和文件存儲的任務(wù)。以下主要對直播模塊、墊播模塊和消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊的設(shè)計進行介紹。軟件整體設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。

地面PIS系統(tǒng)向車載PIS系統(tǒng)以UDP組播的方式發(fā)送實時TS流，并通過補包機制盡量保證視頻流穩(wěn)定可靠到達車載PIS服務(wù)器。當車輛系統(tǒng)由于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成直播流數(shù)據(jù)丟包時，車載PIS服務(wù)器通過單播方式向地面PIS系統(tǒng)進行單播補包請求。確保數(shù)據(jù)包無誤后，車載PIS服務(wù)器再通過UDP組播方式下發(fā)視頻流到客室內(nèi)的車載播放控制器。

圖2 車載服務(wù)器軟件架構(gòu)示意圖

墊播模塊的工作機制是根據(jù)地面PIS系統(tǒng)下發(fā)的墊播播放計劃文件，通過FTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議從地面PIS服務(wù)器下載計劃文件中包含的墊播媒體文件。為了達到媒體文件周期更新的效果，每N分鐘從地面PIS服務(wù)器獲取新的計劃文件。計劃文件采用XML格式編碼，在本地服務(wù)器經(jīng)過解析版本號等有效信息之后，比較本地新舊計劃文件，判斷是否需要更新計劃。若計劃更新，則從地面服務(wù)器下載新的媒體文件。

直播模塊實現(xiàn)了客室媒體播放的實時性和穩(wěn)定性，采用補包機制確保了視頻流播放的連續(xù)性。墊播模塊是在直播服務(wù)中斷或車－地網(wǎng)絡(luò)故障的情況下提供的冗余服務(wù)，由客室媒體播放器自行切換，避免了在終端媒體播放器出現(xiàn)黑屏的情況，優(yōu)化乘客的媒體信息服務(wù)體驗。

地面PIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)訪問Web服務(wù)，車載PIS服務(wù)器通過http協(xié)議，以GET方式獲取地面PIS下發(fā)的滾動消息和緊急消息。對消息簡單解析和數(shù)據(jù)包分片操作之后，以組播的形式發(fā)送至各客室的播放控制服務(wù)器。

3 轉(zhuǎn)發(fā)過程關(guān)鍵接口技術(shù)的實現(xiàn)

3．1 UDP組播技術(shù)

在車－地PIS系統(tǒng)通信的過程中，地面TS流的下發(fā)和車載PIS服務(wù)器發(fā)往客室的實時消息都是通過UDP組播方式完成的。UDP組播采用的是無連接、數(shù)據(jù)報的連接方式，相比TCP協(xié)議，UDP是不可靠的連接，數(shù)據(jù)到達接收端的順序都不能保證。但是，在UDP傳輸過程中，所有數(shù)據(jù)的傳送速度很快，保證了在局域網(wǎng)條件下視頻和消息傳輸?shù)膶崟r性。

車載PIS服務(wù)器位于車輛司機控制室，采用雙網(wǎng)卡的物理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)車載網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)隔離，避免網(wǎng)絡(luò)風暴等故障發(fā)生。外網(wǎng)網(wǎng)卡通過無線AP接入車－地無線網(wǎng)絡(luò)；內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)卡與車載交換機相連，接入車載PIS局域網(wǎng)。故在創(chuàng)建UDP連接后，需綁定要接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的網(wǎng)卡。具體流程如下。

1．創(chuàng)建數(shù)據(jù)報式 （SOCK＿DGRAM）套接字，提供UDP服務(wù)。

2．通過setsockopt（）函數(shù)的SO＿BINDTO－DEVICE選項綁定網(wǎng)卡。

3．加入?yún)f(xié)議規(guī)定的UDP組播地址。

4．通過sendto或recvfrom進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

5．關(guān)閉套接字。

3．2 直播過程中的補包技術(shù)

地面PIS系統(tǒng)與車輛PIS之間通過WLAN網(wǎng)絡(luò)連接。PIS系統(tǒng)向車輛系統(tǒng)以UDP組播方式發(fā)送實時H．264／TS流。數(shù)據(jù)以分包的方式傳輸?shù)杰囕dPIS服務(wù)器，到達的數(shù)據(jù)包需要根據(jù)其序號檢測該段數(shù)據(jù)的完整性。當車載PIS系統(tǒng)由于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成直播流數(shù)據(jù)丟包時，通過單播方式向地面PIS系統(tǒng)進行單播補包請求，地面PIS系統(tǒng)將H．264／TS流以UDP單播方式對車載PIS系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)包重傳。

地面PIS系統(tǒng)向車載PIS系統(tǒng)發(fā)送的報文格式如圖3所示。一個報文分為包頭部分和數(shù)據(jù)部分。包頭部分包括序號、時間戳和數(shù)據(jù)校驗三個字段。

圖3 地面PIS發(fā)往車載PIS的報文結(jié)構(gòu)

用8字節(jié)整數(shù)標識報文序號，車載PIS系統(tǒng)可根據(jù)該序號檢測是否丟包。用4字節(jié)整數(shù)標識地面PIS服務(wù)器從啟動至發(fā)送該報文的毫秒數(shù)。包頭的校驗部分采用CRC16CCITT方式對 “數(shù)據(jù)”域做CRC校驗。數(shù)據(jù)部分即為符合H．264／TS標準的流數(shù)據(jù)。

補包過程中，車載PIS系統(tǒng)向地面PIS系統(tǒng)發(fā)送UDP單播指令報文，請求需要重傳的數(shù)據(jù)包。發(fā)送的報文格式如圖4所示，它分為命令字段、最小包序號字段和最大包序號字段。

4 車載PIS向地面PIS發(fā)送的指令報文結(jié)構(gòu)

報文首個字節(jié)標識車載PIS系統(tǒng)向地面PIS系統(tǒng)發(fā)送的命令請求。最小包序號表示申請重傳的最小包序號，最大包序號表示申請重傳的最大包序號。命令字段取值說明如表1所示。

表1 請求命令取值說明

結(jié)合各項請求命令，簡要分析在補包過程中的通信規(guī)則。地面PIS系統(tǒng)與車載PIS系統(tǒng)之間的補包通信過程如圖5所示。

圖5 補包通信過程

1．數(shù)據(jù)發(fā)送。地面PIS系統(tǒng)以UDP組播方式向網(wǎng)絡(luò)中不停地發(fā)送實時H．264／TS流。

2．開始接收 （START）。當某列車的車載PIS系統(tǒng)設(shè)備開始接收實時視頻流時，應向地面PIS系統(tǒng)發(fā)送START命令。

3．保活 （KEEP＿LIVE）。每列車的車載PIS系統(tǒng)設(shè)備固定時間間隔向地面PIS系統(tǒng)發(fā)送KEEP＿LIVE命令，告知地面PIS系統(tǒng)，車載設(shè)備處于在線狀態(tài)。

4．重傳 （RESEND）。當某列車的車載PIS系統(tǒng)設(shè)備檢測到丟包時，向地面PIS系統(tǒng)發(fā)送RESEND命令，地面PIS系統(tǒng)將向該車以UDP單播的方式重新發(fā)送最小包序號 （含該包）至最大包序號 （含該包）之間的所有包。如果列車的車載PIS系統(tǒng)設(shè)備在1s內(nèi)沒有收到中心重傳的包，則重發(fā)RESEND命令。

5．停止接收 （STOP）。當某列車的車載PIS系統(tǒng)設(shè)備停止接收實時視頻流時，應向PIS系統(tǒng)發(fā)送STOP命令。

3．3 基于XML格式的計劃解析

為了統(tǒng)一播放計劃的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用XML格式編碼播放計劃文件。服務(wù)器軟件采用QT類庫中的QDomDocument類，實現(xiàn)XML解析功能。QDomDocument類代表整個的XML文件，是文檔樹的根節(jié)點，并提供了文檔數(shù)據(jù)的基本訪問方法。

計劃文件解析過程如圖6所示。首先通過QFile打開文檔，新建QDomDocument對象，使用setContent方法設(shè)置文檔的全部內(nèi)容，該函數(shù)解析傳入的XML文檔字符串并創(chuàng)建代表文檔的DOM樹。根節(jié)點可以使用documentElement（）得到，方法childNodes將根節(jié)點下一級的所有子節(jié)點初始化為一個NodeList，即節(jié)點數(shù)組。通過遍歷所有子節(jié)點，同時判斷節(jié)點標簽是否符合約定的XML標簽名稱。

若合法的節(jié)點沒有有效的子節(jié)點，則通過QDomNode將其實例化后，調(diào)用nodeName方法獲取其標簽內(nèi)容，存入對應的共享變量中。若節(jié)點下仍存在需要解析的子節(jié)點，則再進行同上所述的解析操作，直到整個文檔有效內(nèi)容提取結(jié)束為止。

圖6 計劃文件解析過程

4 程序運行流程分析

車載PIS服務(wù)器搭建于基于ARM架構(gòu)的嵌入式主板上，操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux?？紤]到嵌入式主板資源有限，開發(fā)任務(wù)在PC平臺完成。通過交叉編譯后將執(zhí)行文件部署至服務(wù)器。

程序功能主要由QT實現(xiàn)，QT是具有跨平臺特性的C＋＋開發(fā)框架。在嵌入式環(huán)境下運行程序，需配置相應的QT依賴庫運行環(huán)境。

官方提供的開源運行庫是面向各個平臺的，需將源代碼包通過編譯后得到arm－linux平臺下的QtEmbedded版本庫。將編譯好的lib目錄拷貝至目 標 機，即 ARM 主 板 的／opt／local／Trolltech／QtEmbedded－4．x．x／目錄下，即可運行 PC工程目錄下交叉編譯好的執(zhí)行文件。

程序運行流程如圖7所示。在程序啟動之后，依次啟動直播服務(wù)線程、消息服務(wù)線程和墊播服務(wù)線程。

圖7 程序運行流程

直播線程開啟之后，初始化UDP套接字，綁定接入車－地網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)卡、本地IP和端口，然后加入UDP組播地址，開始接收來自地面PIS系統(tǒng)的TS流數(shù)據(jù)包。檢查數(shù)據(jù)包及補包過程在此不再贅述。將數(shù)據(jù)包存入緩存區(qū)后，檢測向下組播的套接字是否打開，若未開啟，則創(chuàng)建套接字，綁定到連接車載PIS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)卡，加入組播地址后，向下發(fā)送直播數(shù)據(jù)包。

消息線程通過訪問地面數(shù)據(jù)Web服務(wù)，從地面服務(wù)器獲取消息。分析獲取之后的數(shù)據(jù)判斷類型，滾動和緊急消息經(jīng)過分片處理后通過UDP組播的方式下發(fā)到客室服務(wù)器。若收到消息為空則為異常，丟棄該數(shù)據(jù)不作處理，重新獲取消息。

墊播線程是通過FTP定期下載播放計劃的方式更新本地媒體文件。程序初始化后開始定時，當更新定時到達時，執(zhí)行FTP下載任務(wù)。下載的計劃文件經(jīng)過XML解析后，與本地的原有計劃進行對比，若計劃沒有發(fā)生變化，則重新定時，等待下次更新計劃。若新的計劃發(fā)生變化，根據(jù)計劃解析出媒體列表下載新的媒體文件。

5 結(jié)論

車載PIS服務(wù)器是車載PIS系統(tǒng)面向地面PIS系統(tǒng)的通信接口，一方面實時轉(zhuǎn)發(fā)地面PIS系統(tǒng)下發(fā)的媒體流和文本信息，另一方面向客室播放器提供備用的墊播服務(wù)。在確保車載媒體終端的播放內(nèi)容具有實時性和連續(xù)性的同時，讓乘客得到更豐富多彩的媒體信息服務(wù)體驗。

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