黃培林，王 通

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 通信信號設(shè)計研究處，430063 武漢；2.杭州華三通信技術(shù)有限公司 北京分部，100052 北京）

地鐵乘客信息系統(tǒng)傳輸方案應(yīng)用研究

黃培林1，王 通2

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 通信信號設(shè)計研究處，430063 武漢；2.杭州華三通信技術(shù)有限公司 北京分部，100052 北京）

地鐵乘客信息系統(tǒng)（PIS）組成復(fù)雜，業(yè)務(wù)類型多樣。隨著地鐵對PIS應(yīng)用的不斷深入和要求的不斷提高，有些城市已經(jīng)出現(xiàn)傳統(tǒng)傳輸方案無法適應(yīng)PIS需求的情況。本文結(jié)合PIS業(yè)務(wù)特點以及對傳輸網(wǎng)絡(luò)要求，對當(dāng)前國內(nèi)PIS業(yè)務(wù)主要的傳輸承載方案進(jìn)行分析，并提出適合PIS業(yè)務(wù)傳輸方案的選擇原則和建設(shè)思路。

乘客信息系統(tǒng)；傳輸系統(tǒng)；MSTP；RPR；RRPP

乘客信息系統(tǒng)（PIS）是承載乘客信息服務(wù)的媒介。隨著城市地鐵的大力發(fā)展、各地建設(shè)開通線路的增多以及應(yīng)用技術(shù)的成熟，PIS的建設(shè)方案和設(shè)計模式也趨于穩(wěn)定，得到越來越廣泛的重視。傳輸是PIS解決方案的重要組成部分。傳統(tǒng)方案中，傳輸為PIS以及其他通信系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控、自動售檢票、火災(zāi)自動報警、門禁系統(tǒng)等提供數(shù)據(jù)通道，是傳送語音、視頻、數(shù)據(jù)等多種類型的統(tǒng)一業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)。隨著地鐵建設(shè)和運維等相關(guān)部門的要求不斷提高，業(yè)務(wù)需求不斷豐富，已經(jīng)出現(xiàn)原有傳統(tǒng)傳輸方案不能滿足現(xiàn)有PIS需求的情況。國內(nèi)已有多個城市嘗試結(jié)合PIS采用新的傳輸方案，并開始了實質(zhì)性的探索。

1 PIS傳輸需求分析

1.1 業(yè)務(wù)特點

PIS組成復(fù)雜，業(yè)務(wù)類型多樣，對于傳輸方案的要求相對于其他通信子系統(tǒng)也更加嚴(yán)格。國內(nèi)地鐵PIS的業(yè)務(wù)有以下特點。

（1）實時性要求高。PIS主要是實時播放的視頻業(yè)務(wù)，時延要求較高。乘客在站廳、站臺以及車廂要求能夠看到實時播放的視頻，在控制中心能夠看到實時上傳的車載監(jiān)控視頻。對于車載及站臺視頻播放、車載監(jiān)控視頻上傳以及乘客自助查詢等功能要求效果清晰、流暢、及時。

（2）可靠性要求高。由于PIS的高實時性要求，所以，需要避免因為數(shù)據(jù)通道故障所引起的業(yè)務(wù)中斷。

（3）擴(kuò)展性要求高。地鐵線路建設(shè)周期長，尤其是線路規(guī)劃距離長的線路，為了能夠盡快開通投入運行，多個城市均采用分期建設(shè)分期開通的方式。在進(jìn)行分段開通時，要求后期線路開通調(diào)試時不能對先期已開通線路的PIS的日常應(yīng)用產(chǎn)生影響。

（4）運維要求簡單。PIS設(shè)備數(shù)量眾多，與其他系統(tǒng)接口多樣，要求支持通過統(tǒng)一的管理平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一管理，從而簡化運維復(fù)雜程度。

（5）IP數(shù)據(jù)類型多樣。PIS是基于IP技術(shù)構(gòu)建的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通過豐富的IP報文承載不同的業(yè)務(wù)內(nèi)容實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。

1.2 傳輸要求

通過PIS業(yè)務(wù)特點分析，對承載該業(yè)務(wù)的傳輸方案來說，要求具備以下能力。

（1）高實時提供能力。傳輸需要支持200 ms以內(nèi)的PIS招標(biāo)端到端的業(yè)務(wù)時延，還要支持必要的QoS（服務(wù)質(zhì)量）措施，保障PIS業(yè)務(wù)所需要的帶寬，避免因為丟包影響視頻的實時播放。

（2）高可靠保障能力。支持50 ms單點故障自愈是目前國內(nèi)PIS招標(biāo)中對于傳輸高可靠性的基本要求，通過傳輸50 ms單點故障自愈實現(xiàn)乘客無感知，保障PIS的業(yè)務(wù)持續(xù)性。

（3）高擴(kuò)展實現(xiàn)能力。傳輸應(yīng)具備業(yè)務(wù)的擴(kuò)展能力，在端口和帶寬提供上，支持按需擴(kuò)展。同時，針對地鐵分段建設(shè)分段開通的模式，在開通段PIS業(yè)務(wù)合入既有段時，要求不影響原有業(yè)務(wù)運行。

（4）簡單易維護(hù)。支持豐富的設(shè)備運行狀態(tài)信息顯示方式，可提供簡單有效的管理手段便于維護(hù)人員迅速了解設(shè)備運行狀態(tài)，減少運維人員的維護(hù)工作量。

（5）對IP數(shù)據(jù)類型完全支持。要求傳輸對PIS中組播、廣播、單播報文的完全支持，完全按照其協(xié)議實現(xiàn)報文轉(zhuǎn)發(fā)和處理流程，具備對IP報文高效的處理效率。

2 技術(shù)方向分析

2.1 技術(shù)方向

國內(nèi)地鐵PIS傳輸方案主要分為兩個方向：專用通信系統(tǒng)構(gòu)造統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸通道，PIS作為專用通信子系統(tǒng)之一，專用傳輸設(shè)備為PIS規(guī)劃特定帶寬；PIS單獨構(gòu)建本系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，并不與其他系統(tǒng)共用。

2.2 統(tǒng)一構(gòu)建方案

采用專用傳輸為PIS提供數(shù)據(jù)通道是國內(nèi)PIS傳輸建設(shè)的傳統(tǒng)方案，也是常用方案。圖1為該方案拓?fù)?。每個車站、車輛段以及控制中心均配置1臺傳輸設(shè)備。車站、車輛段PIS交換機(jī)通過傳輸設(shè)備所構(gòu)建的環(huán)網(wǎng)與處于控制中心的PIS核心交換機(jī)建立鏈路，從而實現(xiàn)控制中心到車站、車輛段以及控制中心到列車的雙向數(shù)據(jù)通道。其傳輸設(shè)備所組成的站間環(huán)網(wǎng)分為單環(huán)、相交環(huán)、相切環(huán)等多種形式。

圖1 PIS采用傳輸統(tǒng)一構(gòu)建方案拓?fù)?/p>

在本方案中，傳輸作為專用通信中的子系統(tǒng)單獨建設(shè)，為包括PIS在內(nèi)的多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)通道，所承載業(yè)務(wù)既包括傳統(tǒng)的TDM（時分復(fù)用）類業(yè)務(wù)，如公務(wù)電話、專用電話、無線通信等；也包括大帶寬需求的IP分組類業(yè)務(wù)，如PIS、CCTV、計算機(jī)信息網(wǎng)等?？梢钥闯?，傳統(tǒng)專用傳輸方案的最大優(yōu)勢在于對TDM業(yè)務(wù)和IP分組業(yè)務(wù)同時支持。所以，傳輸設(shè)備所承載業(yè)務(wù)多樣，接口類型復(fù)雜，還要求具備點對點式、一點對多點式、總線式等多種信道類型。例如，對于公務(wù)電話、無線通信業(yè)務(wù)等，提供接口類型為E1的2 Mbps點對點信道；對于專用電話業(yè)務(wù)，提供音頻2線的64 kbps點對點通道；對于PIS、CCTV業(yè)務(wù)，提供接口類型為SFP或RJ45的1 000 Mbps總線型通道。

當(dāng)前，專用傳輸采用的技術(shù)多為OTN（開放傳輸網(wǎng)絡(luò)）和內(nèi)嵌RPR（彈性分組環(huán)）的MSTP（多業(yè)務(wù)傳送平臺）技術(shù)。例如，蘇州地鐵1、2、4號線、南京地鐵1、2、3號線等線路的專用傳輸采用OTN技術(shù)；武漢地鐵2、3、4號線、杭州地鐵1、2、4號線等線路的專用傳輸采用內(nèi)嵌RPR的MSTP技術(shù)。

OTN和MSTP原理相近，都是基于TDM的技術(shù)，可實現(xiàn)各子系統(tǒng)的物理隔離，解決大顆粒數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的共享和環(huán)網(wǎng)保護(hù)，支持多種協(xié)議及業(yè)務(wù)類型，接口類型豐富。尤其是OTN技術(shù)，對于語音、視頻、數(shù)據(jù)、廣播均可提供接口卡。但該技術(shù)在傳送寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時不能滿足大帶寬需求，只能做到數(shù)據(jù)的通道透傳，業(yè)務(wù)交換困難，且該技術(shù)為私有技術(shù)，無法與其他廠家實現(xiàn)互通。

MSTP技術(shù)具有在SDH幀格式中提供不同顆粒的多種業(yè)務(wù)、多種協(xié)議的接入、匯聚和傳輸能力。MSTP對以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的處理上從以太網(wǎng)透傳到二層交換功能不斷得到發(fā)展。在MSTP中引入RPR機(jī)制，通過虛容器VC劃分獨立的通道支持RPR功能。該技術(shù)通過一塊集成RPR各項功能的單板完成MAC層處理，將處理后的RPR業(yè)務(wù)按照GFP、LAPS或HDLC標(biāo)準(zhǔn)映射到SDH幀結(jié)構(gòu)。通過RPR的雙環(huán)傳送、統(tǒng)計復(fù)用、帶寬共享、公平接入等多種技術(shù)手段提高了傳送效率，通過嚴(yán)格的COS（服務(wù)等級）和業(yè)務(wù)優(yōu)先級保證了用戶業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，并可提供50 ms的快速保護(hù)，改善了以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的帶寬共享能力和公平競爭性，充分提高M(jìn)STP產(chǎn)品的競爭力。內(nèi)嵌RPR的MSPT技術(shù)功能框圖如圖2所示[1]。

圖2 內(nèi)嵌RPR的MSTP功能框圖

內(nèi)嵌RPR的MSTP技術(shù)早已實現(xiàn)國產(chǎn)，成熟度高。信息產(chǎn)業(yè)部已于2005年11月頒布了《基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送結(jié)點（MSTP）技術(shù)要求——內(nèi)嵌彈性分組換（RPR）功能部分》（YD/T 1345-2005標(biāo)準(zhǔn)），實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。相對于OTN技術(shù)，內(nèi)嵌RPR的MSTP在地鐵中應(yīng)用案例數(shù)量更多，是目前地鐵行業(yè)中傳輸系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。

數(shù)據(jù)交換的特性在于突發(fā)性，只有通過統(tǒng)計復(fù)用才能降低網(wǎng)絡(luò)造價。內(nèi)嵌RPR的MSTP方案為IP業(yè)務(wù)所提供的各個以太網(wǎng)透傳通道間并沒有實現(xiàn)復(fù)用。近幾年逐步受軌道交通線路延長、視頻等大帶寬業(yè)務(wù)快速發(fā)展等因素影響，傳統(tǒng)內(nèi)嵌RPR的MSTP技術(shù)在帶寬、組網(wǎng)方面的局限性逐步凸顯。在地鐵業(yè)務(wù)IP化的趨勢下，對每個以太網(wǎng)透傳業(yè)務(wù)都提供一次映射和解映射，成本開銷大，以太網(wǎng)映射效率低。在實際應(yīng)用中，也的確存在部分城市PIS業(yè)務(wù)的支持上不是特別的完善，效果不甚理想，例如，組播報文處理時的丟包，列車快速移動過程中要求地面有線網(wǎng)絡(luò)更新MAC地址表項能力偏弱等問題，這都造成了該技術(shù)在PIS方案中應(yīng)用的局限性。

增強型MSTP技術(shù)在近兩年出現(xiàn)，即MSTP+ PTN。該技術(shù)實現(xiàn)了地鐵通信中的TDM業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)的統(tǒng)一承載，采用硬軟通道對多業(yè)務(wù)的獨立承載實行物理隔離，在保證硬通道的TDM業(yè)務(wù)質(zhì)量的同時，分組彈性管道可以保證視頻監(jiān)控等突發(fā)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸。作為一種新興的傳輸技術(shù)，MSTP+PTN已經(jīng)應(yīng)用于北京地鐵16號線、燕房線，深圳地鐵7、9號線。但是，上述線路還在建設(shè)中，尚未開通，其實際效果有待檢驗。

2.3 單獨構(gòu)建方案

單獨為PIS構(gòu)建業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的方案已應(yīng)用的越來越多，圖3為該方案拓?fù)?。車站、車輛段交換機(jī)通過光接口與控制中心核心交換機(jī)建立光纖環(huán)網(wǎng)鏈路，從而實現(xiàn)控制中心到車站、車輛段以及控制中心到車輛的雙向數(shù)據(jù)通道。與統(tǒng)一構(gòu)建方案類似，根據(jù)車站數(shù)量規(guī)模，可以將環(huán)網(wǎng)部署成單環(huán)、相切環(huán)、相交環(huán)等多種形式。對于公務(wù)電話、專用電話、廣播、自動售檢票、綜合監(jiān)控等其他系統(tǒng)仍由采用專用傳輸提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通道。

圖3 PIS采用系統(tǒng)單獨構(gòu)建方案拓?fù)?/p>

該方案相對于專用傳輸構(gòu)建方案最大的區(qū)別在于通過以太網(wǎng)交換機(jī)所提供的光口組成環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)整個線路PIS業(yè)務(wù)承載。PIS作為基于IP技術(shù)所構(gòu)建的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，對于IP數(shù)據(jù)報文的處理有著非常高的要求。而以太網(wǎng)交換機(jī)本身處理的就是IP報文的轉(zhuǎn)發(fā)，對于IP數(shù)據(jù)的處理有著天然的優(yōu)勢。IP以太環(huán)網(wǎng)協(xié)議有很多，在PIS中應(yīng)用比較典型的是RPR協(xié)議和RRPP協(xié)議。

當(dāng)前為地鐵行業(yè)提供RPR技術(shù)的設(shè)備主要包括兩類：基于MSTP的內(nèi)嵌RPR和IP RPR。由于PIS本身就是基于IP的業(yè)務(wù)，所以，采用IP RPR技術(shù)可以做到很好的支持。杭州地鐵4號線PIS采用IP RPR單獨組網(wǎng)的方案已經(jīng)開通，系統(tǒng)運行良好。

RRPP（快速環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議）作為一種低成本的軟件環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)，具備支持50 ms故障收斂、協(xié)議實現(xiàn)簡單、便于應(yīng)用等特點。RRPP在以太網(wǎng)環(huán)完整時能夠防止數(shù)據(jù)環(huán)路引起的廣播風(fēng)暴，而當(dāng)以太網(wǎng)環(huán)上一條鏈路斷開時能迅速恢復(fù)環(huán)網(wǎng)上各個節(jié)點之間的通信通路。相對于RPR協(xié)議只有高端設(shè)備能支持，RRPP協(xié)議高中低端交換機(jī)均可支持，大大降低應(yīng)用成本。在該方案中，PIS系統(tǒng)不再依靠專用傳輸，而是通過車站和中心交換機(jī)加裝千兆光模塊組成PIS專用環(huán)網(wǎng)，不需要另外采購設(shè)備，完全滿足PIS業(yè)務(wù)要求。

除了對IP完全的支持以外，RRPP通過對IP數(shù)據(jù)報文的無阻塞交換以及業(yè)務(wù)單獨承載方式避免業(yè)務(wù)報文產(chǎn)生阻塞及低時延；通過50 ms故障自愈以及設(shè)備本身的可靠性設(shè)計實現(xiàn)方案的高可靠保障能力，業(yè)務(wù)割接時可以做到不影響既有節(jié)點業(yè)務(wù)；通過環(huán)網(wǎng)不受節(jié)點數(shù)影響以及環(huán)網(wǎng)結(jié)點交換機(jī)本身擴(kuò)展性的特點實現(xiàn)整體方案的高擴(kuò)展能力；通過統(tǒng)一網(wǎng)管方式實現(xiàn)對全網(wǎng)所有地面有線網(wǎng)絡(luò)和車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一體化管理，利用網(wǎng)管豐富的功能特性實現(xiàn)方案的簡單易維護(hù)。

在尚未開通的寧波地鐵2號線、合肥地鐵1號線等線路的PIS已經(jīng)確定采用RRPP方案，在已經(jīng)開通并采用RRPP的深圳地鐵4號線、杭州地鐵1號線、哈爾濱地鐵1號線的PIS，系統(tǒng)運行效果良好，完全滿足既定設(shè)計要求，得到地鐵業(yè)主的高度評價。

3 實際應(yīng)用分析

在某城市線路的PIS建設(shè)過程中，原有方案中PIS數(shù)據(jù)由采用內(nèi)嵌RPR的MSTP專用傳輸設(shè)備所提供數(shù)據(jù)通道進(jìn)行傳輸。在該系統(tǒng)的調(diào)試過程中，出現(xiàn)站臺顯示屏黑屏和多列列車運營時車載顯示屏黑屏的現(xiàn)象。

通過對上述問題定位，發(fā)現(xiàn)原有傳輸設(shè)備存在如下問題：

（1）中心至站臺的視頻通過組播數(shù)據(jù)下發(fā)，現(xiàn)有傳輸設(shè)備對于組播數(shù)據(jù)的處理能力不足，大量的組播數(shù)據(jù)報文處理導(dǎo)致傳輸設(shè)備CPU負(fù)荷增加，性能降低，造成組播業(yè)務(wù)報文的丟包。組播源基于IGMP（互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議）協(xié)議向組播組成員發(fā)送通用查詢報文，用于查詢哪些組播組存在成員。由于出現(xiàn)組播報文丟包，組播源發(fā)出的組播成員查詢請求報文得不到應(yīng)答，從而使得組播組成員丟失，造成組播源發(fā)出的視頻流無法下發(fā)到車站，最終出現(xiàn)車站顯示屏黑屏。

（2）在列車移動過程中，當(dāng)發(fā)生車載AP與軌旁AP切換時，車載AP會發(fā)送免費ARP（地址解析協(xié)議）報文以實現(xiàn)地面有線交換機(jī)以及傳輸設(shè)備的MAC地址表項更新。在車載網(wǎng)絡(luò)采用二層方案的情況下，大量車載終端的MAC地址也需要在地面有線設(shè)備得到更新，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)流能夠正確的根據(jù)其MAC地址表項下發(fā)到正確的車站交換機(jī)和軌旁AP上。由于現(xiàn)有傳輸設(shè)備對于MAC地址表項的刷新能力不足，列車在移動過程中已經(jīng)完成車載AP與軌旁AP的切換，但是，其傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的端口仍然停留在原有端口，使得中心下發(fā)到列車的視頻無法到達(dá)車載網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致列車車載顯示屏無法正常顯示，出現(xiàn)馬賽克、畫面中斷、黑屏等現(xiàn)象。

在方案改造中，通過車站交換機(jī)組成的RRPP環(huán)網(wǎng)替代原有傳輸方案，問題得以解決。由于該協(xié)議是基于以太網(wǎng)鏈路層的協(xié)議，并在以太網(wǎng)交換機(jī)來實現(xiàn)IP業(yè)務(wù)報文的承載，該方案對于PIS業(yè)務(wù)所要求的單播、組播、廣播報文能夠做到很好的支持，同時交換機(jī)的高性能MAC地址表項更新能力也能夠滿足列車在快速移動過程中的要求。

4 結(jié)束語

PIS作為基于IP技術(shù)構(gòu)建的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，要求系統(tǒng)解決方案對于IP技術(shù)能夠充分支持。MSTP內(nèi)嵌RPR技術(shù)雖然可以實現(xiàn)對PIS在內(nèi)的多業(yè)務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一承載，但是，在多個城市的實際應(yīng)用過程中的確出現(xiàn)不能適應(yīng)PIS業(yè)務(wù)需求的問題。其他新興的傳輸技術(shù)由于處于應(yīng)用的初期，還未經(jīng)過實際現(xiàn)場的檢驗，方案尚未完全成熟。

業(yè)務(wù)IP化已經(jīng)成為當(dāng)前地鐵通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和業(yè)界共識。建議對于暫時尚不能IP的業(yè)務(wù)可以仍然采用支持TDM業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)傳輸技術(shù)，而對于已經(jīng)實現(xiàn)IP化的業(yè)務(wù)采用IP網(wǎng)絡(luò)方案承載?；贗P以太環(huán)網(wǎng)協(xié)議構(gòu)建的PIS傳輸網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)支持的充分性上，在系統(tǒng)運維的簡易程度上，在應(yīng)用的商務(wù)成本上都完全滿足地鐵行業(yè)當(dāng)前的要求。國內(nèi)已經(jīng)有大量地鐵城市開始采用該方案，并且取得了很好的應(yīng)用效果，完全可以作為現(xiàn)階段PIS建設(shè)方案考慮的技術(shù)方向。

[1]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送結(jié)點（MSTP）技術(shù)要求—內(nèi)嵌彈性分組換（RPR）功能部分[S].中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2009.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Communication transmission scheme for Urban Transit of Passenger Information System

HUANG Peilin1, WANG Tong2
( 1.Communication & Signal Design & Research Dept., China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.Ltd., Wuhan 430063, China; 2.Beijing Branch, Hangzhou H3C Technologies Co.Ltd., Beijing 100052, China )

Passenger Information System (PIS) is a complicated system with various types of service.With the further application and the increasing requirements, the original communication transmission scheme for Urban Transit of PIS could not meet the need of PIS in some cities.Based on the service characteristics and the requirement to communication transmission of PIS, this article analyzed the current domestic communication transmission scheme of PIS, proposed the appropriate principle and the construction thinking of the scheme.

Passenger Information System(PIS); Communication Transmission System; MSTP; RPR; RRPP

U231.6∶TP39

A

2015-08-04

黃培林，高級工程師；王 通，高級工程師。

1005-8451（2016）03-0057-05