施亦進(jìn) 楊超華 郝衛(wèi)國(guó)

（上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海 200070）

1 PIS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及存在問題

1.1 國(guó)內(nèi)地鐵PIS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及隱患

1.1.1 PIS系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)地鐵乘客信息系統(tǒng)（PIS）為方便乘客候車、乘車，在本工程的各車站站臺(tái)、站廳公共區(qū)及出入口處設(shè)置乘客顯示設(shè)備。乘客通過顯示設(shè)備及時(shí)了解列車的運(yùn)行信息、公共信息及安全事項(xiàng)等。同時(shí)該系統(tǒng)在列車運(yùn)行空隙時(shí)間可播放天氣預(yù)報(bào)、時(shí)事新聞、娛樂節(jié)目等內(nèi)容。

各車站PIS向乘客顯示的主要內(nèi)容包括。

1）與廣播內(nèi)容同步實(shí)時(shí)顯示列車到達(dá)動(dòng)態(tài)信息（年月日、現(xiàn)在時(shí)間、最近兩班列車到達(dá)時(shí)間、距本站最近的列車到達(dá)時(shí)間等）。

2）能實(shí)時(shí)顯示本線及軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的基本狀態(tài)信息。

3）乘客乘車須知和換乘信息。

4）一些重要事項(xiàng)（突發(fā)事件、緊急信息、通知等）。

5）實(shí)時(shí)地鐵電視臺(tái)直播信息（含模擬、數(shù)字電視信息）。

PIS主要由中心子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)等部分組成。

1.1.2 控制中心子系統(tǒng)功能

控制中心PIS軟件接收、存儲(chǔ)、處理和發(fā)布地鐵咨詢信息。

控制中心功能包括有線電視信號(hào)的引入、處理和發(fā)布，可以引入、處理和發(fā)布多路（至少2路）有線電視信號(hào)，滿足在車站、車載LCD顯示屏上實(shí)時(shí)播放2路有線電視的要求。有線電視信號(hào)進(jìn)入編播中心后，直接進(jìn)入視頻服務(wù)器并編碼，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鬈囌炯傲熊嚨娘@示終端進(jìn)行播放，通過視頻服務(wù)器接收有線電視信號(hào)經(jīng)過編碼壓縮后，轉(zhuǎn)換成MPEG-2格式；支持視頻信號(hào)在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行單播、組播和廣播；能夠調(diào)節(jié)視頻的壓縮比、碼率。接收時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步，接收ATS信息顯示各站到站信息。

1.1.3 車站播控子系統(tǒng)功能

車站子系統(tǒng)播放控制器負(fù)責(zé)從中心服務(wù)器接收模板文件、播放文件以及播放列表，經(jīng)過合成解碼后控制顯示屏的播放，可實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）從中心服務(wù)器接收播放列表、廣告媒體信息和運(yùn)營(yíng)信息等；從信息編播中心接收實(shí)時(shí)信息及實(shí)時(shí)有線電視信息。

2）對(duì)接收后的信息進(jìn)行解碼，并按照系統(tǒng)預(yù)先定義的顯示區(qū)域、模板格式進(jìn)行合成，然后通過信號(hào)分配器使其在相應(yīng)的顯示屏播放。

3）能夠?qū)崿F(xiàn)同一個(gè)車站站廳、上行站臺(tái)、下行站臺(tái)的屏顯示不同播放內(nèi)容；能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)車站播放不同的內(nèi)容。一個(gè)終端畫面，可同時(shí)播出多路視頻。另外，可播出動(dòng)畫、圖片和文字，每路視頻畫面尺寸可自定義。

4）LCD播放控制器的信號(hào)輸出應(yīng)采用HDSDI、DVI或 HDMI接口。

5）能夠識(shí)別翻譯來自O(shè)CC轉(zhuǎn)發(fā)的ATS信息，并在指定的區(qū)域播出列車到站信息。

1.1.4 PIS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

PIS車站設(shè)備一般由車站服務(wù)器、播放控制器、操作終端、LCD/LED顯示屏（板）、光發(fā)送接收器組成，車站設(shè)置站廳、站臺(tái)、出入口播放控制器。以上海地鐵10號(hào)線為例，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 上海地鐵PIS系統(tǒng)維護(hù)常見問題

圖1 PIS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of PIS network

某一年度上海地鐵10號(hào)線PIS系統(tǒng)維護(hù)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，可以看到，工控機(jī)即車站PIS播放控制器的故障頻率較高，占所有故障率的87%。由于國(guó)內(nèi)軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)中PIS播放控制器用工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，相比服務(wù)器的可靠性、可用性、可維護(hù)性的性能指標(biāo)較低，這樣的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)決定了當(dāng)1臺(tái)播控器發(fā)生故障，其管理監(jiān)控的某一回路所有車站顯示屏全部退出服務(wù)，導(dǎo)致乘客無法掌握列車到站等咨詢信息，因而引起大量投訴。

表1 PIS維護(hù)故障統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Fault statistics of PIS maintenance

2 雙機(jī)熱備方案

2.1 基本原理

為了解決單臺(tái)播控器故障影響系統(tǒng)功能，提出1套全新的技術(shù)方案，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，通過軟硬件的較小優(yōu)化改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備功能。

其基本原理如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)PIS車站播控組網(wǎng)架構(gòu)Fig.2 Traditional media player networking structure of PIS stations

當(dāng)1臺(tái)播控器故障，如上行播控器，則上行所有發(fā)送接收器都無法正常工作，影響相應(yīng)站臺(tái)顯示屏的顯示。

新方案巧妙地利用播控器操作系統(tǒng)的雙屏輸出功能，將播控器的顯示內(nèi)容分別通過兩路進(jìn)行輸出，輸出內(nèi)容為不同的信息，如上行和下行顯示咨詢。如圖3所示。

圖3 車站播控雙機(jī)熱備方案Fig.3 Dual hot-standby solution of station media players

當(dāng)某1臺(tái)播控器發(fā)生故障，另1臺(tái)播控器的兩路內(nèi)容依然能夠被兩路接收器接收顯示；當(dāng)某一臺(tái)音頻發(fā)送器發(fā)生故障，另1臺(tái)播控器的兩路內(nèi)容也依然能夠被兩路接收器接收顯示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

應(yīng)用雙機(jī)熱備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨福阂陨虾５罔F10號(hào)線為例，采取本組網(wǎng)方案，因工控機(jī)、發(fā)送器引起的故障率可以降低1個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到27.3%→2.97%，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 如圖4所示。

2.3 可靠性分析

傳統(tǒng)PIS在單站部署2臺(tái)工控機(jī)的情況下：

P1，P2分別為播控器的故障率，根據(jù)可靠性原理，系統(tǒng)總體故障率P為：

假設(shè)單機(jī)設(shè)備故障率P1=P2=10%，則系統(tǒng)故障率P=19%。

本方案中，PIS在單站部署2臺(tái)雙機(jī)熱備工控機(jī)的情況下，只有2臺(tái)播控器同時(shí)故障，才會(huì)造成1個(gè)方向的PIS故障，因此P1a=P1*P2，P2b=P1*P2。

根據(jù)可靠性原理，系統(tǒng)總體故障率P為：

假設(shè)單機(jī)設(shè)備故障率P1=P2=10%，那么系統(tǒng)故障率P=1.9%。

可見采取該組網(wǎng)方案，工控機(jī)的故障率可以降低10倍，大大提高系統(tǒng)的可靠性。

圖4 PIS雙機(jī)熱備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.4 Network topology diagram of dual hot-standby PIS system

2.4 其他方案比較分析

國(guó)內(nèi)PIS設(shè)計(jì)方案采用N+1的熱備方案，在播控發(fā)送端增加1臺(tái)視頻矩陣和1臺(tái)備用播控器。該方案存在3個(gè)問題：1）增加矩陣和播控器硬件投入，成本上升；2）視頻矩陣作為新增節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生故障，影響車站所有回路的播控信息輸出；3）視頻切換軟件對(duì)切換條件判斷要求較高，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，誤判率高。如圖5所示。

圖5 增加視頻切換矩陣PIS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.5 PIS newtork architecture for adding video switching matrix

采用本方案，不增加硬件成本，只需升級(jí)系統(tǒng)軟件。當(dāng)1臺(tái)播控器發(fā)生故障，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速切換，切換時(shí)間小于0.5 s；當(dāng)2臺(tái)播控器發(fā)生故障，還能保證2個(gè)回路的信息輸出，系統(tǒng)可靠性影響降到最低。

3 技術(shù)優(yōu)化方案

3.1 播控軟件優(yōu)化

實(shí)施本方案，需要對(duì)OCC及車站播控軟件進(jìn)行修改。

控制中心服務(wù)器軟件增加雙倍網(wǎng)元的監(jiān)控和管理功能，原本每個(gè)車站3臺(tái)播控器、3個(gè)網(wǎng)元，根據(jù)本方案要增加到6個(gè)，共享3個(gè)獨(dú)立的IP地址，控制中心服務(wù)器軟件能夠同時(shí)相應(yīng)控制6個(gè)網(wǎng)元的數(shù)據(jù)和多媒體傳輸要求，并實(shí)時(shí)監(jiān)控。

車站播控器軟件需支持雙屏顯示，將不同的兩路內(nèi)容（如上行和下行）同時(shí)顯示在兩個(gè)頁(yè)面中，并通過操作系統(tǒng)的雙屏顯示技術(shù)進(jìn)行傳送。在音頻上為了避免重音疊加，須對(duì)兩路視頻信號(hào)中的一路進(jìn)行靜音切換處理。由于目前國(guó)內(nèi)的PIS多媒體視頻均為同一內(nèi)容，因此可保留一路音頻信號(hào)即可。

3.2 播放控制器優(yōu)化

軌道交通PIS中，往往采用工業(yè)計(jì)算機(jī)加光發(fā)送器的組合把高清數(shù)字視頻信號(hào)、音視頻信號(hào)和RS-232控制信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。由于受工控機(jī)的關(guān)鍵元器件，如風(fēng)扇、顯卡以及發(fā)送器板卡使用壽命的影響，系統(tǒng)存在2個(gè)故障節(jié)點(diǎn)。本方案對(duì)播放控制器和光發(fā)送器進(jìn)行優(yōu)化組合，采用工業(yè)級(jí)插槽式機(jī)框設(shè)計(jì)，用單片機(jī)板卡代替工控機(jī)，極大的提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖6所示。

圖6 插卡式車站播控器Fig.6 Plug-in media player

技術(shù)指標(biāo)如下。

1) 標(biāo)準(zhǔn)3U、19英寸、14槽插卡式結(jié)構(gòu)。

2) CPU卡采用雙核Intel處理器,支持2路獨(dú)立1 080 P高清顯示。

3) 編解碼卡支持主流視頻碼流的編解碼。

4) 光發(fā)送卡將2路獨(dú)立的高清視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)送，傳輸距離可達(dá)20 km。

5) 網(wǎng)管卡可實(shí)時(shí)上傳每塊卡的工作狀態(tài)和故障類型。

6) 接口板可支持網(wǎng)口、串口、USB口通訊等。

7) 提供 1+1冗余電源。

8) 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，支持7×24 h連續(xù)工作。

3.3 頻接收器優(yōu)化(解碼器)

3.3.1 工作原理

軌道交通PIS中，解碼分配器采取外置形式，通常安裝于PIS顯示屏防護(hù)罩內(nèi)，給設(shè)備散熱和可維護(hù)性提出更高要求。

本方案可選擇對(duì)音視頻接收器編碼模塊進(jìn)行改造，采取標(biāo)準(zhǔn)OPS接口，即插即用，無需外置電源和安裝條件，與HDMI光發(fā)送卡配合使用構(gòu)成無縫切換冗余系統(tǒng)，如圖7所示。解碼器支持1路輸入光信號(hào)端口，2路HDMI視頻輸出端口和1路光信號(hào)旁路端口，將以IP組播方式通過1路光纖進(jìn)行傳輸?shù)囊曨l信號(hào)進(jìn)行解碼分配成2路HDMI音視頻信號(hào)進(jìn)行輸出。

圖7 PIS音視頻編解碼模塊Fig.7 Audio-video frequency coding and decoding moduel of PIS system

接收器支持功能包括如下。

1）標(biāo)準(zhǔn)OPS接口，即插即用。

2）雙路單纖單模全雙工接收和發(fā)送。

3）可級(jí)聯(lián)構(gòu)成環(huán)路冗余系統(tǒng)。

4）與HDMI光發(fā)送卡配合使用，構(gòu)成無縫切換冗余系統(tǒng)。

5）支持UTP協(xié)議，可組網(wǎng)傳輸。

6）傳輸距離可達(dá)20 km。

7）接收，轉(zhuǎn)發(fā)并解碼音視頻信號(hào)與RS-232控制信號(hào)的混編數(shù)據(jù)。

8）支持視頻圖像分辨率高達(dá)1 920×1 080 p。

9）內(nèi)部看門狗，實(shí)時(shí)檢測(cè)接收數(shù)據(jù)流。

10）可帶電熱插拔，即插即用。

11）收發(fā)狀態(tài),光路狀態(tài)燈指示，故障檢測(cè)輕松、快捷。

12）可定制開機(jī)畫面。

13）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，支持7×24 h連續(xù)工作。

3.3.2 光纖入屏

采取目前市場(chǎng)上已成熟運(yùn)用案例的OPS光纖入屏技術(shù)，可大大減少故障節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)可靠性。如圖8所示。

光纖入屏優(yōu)勢(shì)如下。

1) 省去接收設(shè)備，減少故障點(diǎn)。

2) OPS無需外部供電。

3) 布線簡(jiǎn)單，光纖入屏。

圖8 光纖入屏接入拓?fù)鋱DFig.8 Topological graph of optical fibers connected to display screens

4) 支持光纖級(jí)聯(lián)。

5) 支持控制信號(hào)監(jiān)控。

3.3.3 優(yōu)化后的車站PIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

采用全光網(wǎng)絡(luò)，可選用增加1臺(tái)備用播控器，實(shí)現(xiàn)1+1雙機(jī)熱備。如圖9所示。

圖9 雙機(jī)熱備PIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.9 Network topological graph of dual hot-standby PIS system

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市軌道交通的日益發(fā)展，PIS的構(gòu)建也被納入重點(diǎn)研究范圍。PIS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)備冗余設(shè)計(jì)，可靠性，可用性，可維護(hù)性和安全性愈來愈多的成為各地軌道交通運(yùn)營(yíng)和建設(shè)公司關(guān)心的課題。利用現(xiàn)有的軟硬件設(shè)備，不增加額外投資的雙機(jī)熱備方案不失為一個(gè)創(chuàng)新技術(shù)，雖然在上海地鐵5號(hào)線有了小范圍應(yīng)用，還需要軌道交通通信專業(yè)設(shè)計(jì)院，軌道公司技術(shù)研究人員根據(jù)各地情況進(jìn)行具體專題研究后進(jìn)行推廣。