陳嘉

摘要：目前，城軌列車乘客信息系統(tǒng)產(chǎn)品的形式多樣化，給用戶后續(xù)使用、成本、替代升級(jí)都帶來(lái)了困擾。標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)在城軌列車領(lǐng)域逐步開(kāi)展起來(lái)，論文結(jié)合列車通信領(lǐng)域內(nèi)數(shù)字化作為電子信號(hào)及信息載體發(fā)展的必然趨勢(shì)，提出列車乘客信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。

關(guān)鍵詞：乘客信息系統(tǒng) 標(biāo)準(zhǔn)化 全數(shù)字化

Research on Standardization of Passenger Information System of Urban Rail Train

Chen Jia（Technology Center， Shanghai Shentong Metro Co. Ltd.）

Abstract： The diversification of product forms has brought troubles to users follow-up use， cost and substitution upgrade on passenger information system of urban rail train.Standardization work and gradual development in the field of urban rail train. This paper presents one solution to standardization of passenger information system of urban rail train，unite the inevitable trend of digitalization as electronic signal and information carrier in the field of communication.

Key words： passenger information system， standardization， full digitalization

目前，城軌車輛在近30年間飛速發(fā)展，最早的列車上為提醒乘客所播報(bào)站信息的廣播系統(tǒng)就是乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）的雛形。隨著技術(shù)發(fā)展，承載信息手段、載體也逐漸豐富，為了提升乘客服務(wù)，更多的信息需求也被挖掘出來(lái)，如今除了語(yǔ)音廣播，文字顯示、多媒體顯示的功能也加入到了PIS中。近10多年來(lái)，視頻監(jiān)控的重要性也逐漸提升，原本的獨(dú)立車載CCTV也已經(jīng)成為PIS的重要功能。

現(xiàn)在的PIS是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。PIS在正常情況下，提供乘車須知、服務(wù)時(shí)間、列車到發(fā)時(shí)間、列車時(shí)刻表、管理者公告、政府公告、出行參考、股票信息、媒體新聞、賽事直播、廣告等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的多媒體信息;在火災(zāi)、故障及恐怖襲擊等非正常情況下，提供動(dòng)態(tài)緊急疏散提示。

但隨著PIS功能越來(lái)越多，系統(tǒng)中包含的設(shè)備類型也逐步增加。同時(shí)，由于研發(fā)、技術(shù)門檻不是很高，生產(chǎn)廠家也越來(lái)越多，再加上不同設(shè)計(jì)的個(gè)性化，就算同一個(gè)廠家的產(chǎn)品形態(tài)也有很多種，可以說(shuō)產(chǎn)品形式千姿百態(tài)，各個(gè)項(xiàng)目多有所不同。隨著各個(gè)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展，不少運(yùn)營(yíng)方已經(jīng)感受到在乘客信息維護(hù)方面的壓力。

1 列車PIS標(biāo)準(zhǔn)化的必要性

PIS包含的設(shè)備種類較多，一般由系統(tǒng)主機(jī)、客室廣播分機(jī)、揚(yáng)聲器、乘客緊急對(duì)講器、司機(jī)廣播控制盒、司機(jī)對(duì)講器、多媒體主機(jī)、多媒體LCD屏、動(dòng)態(tài)地圖屏、LED文字顯示屏、視頻錄像機(jī)、攝像機(jī)、監(jiān)控屏等近20種設(shè)備組成。而且每節(jié)車廂都有大量的PIS設(shè)備，如屏幕類一般都需要4～8塊，隨著PIS設(shè)備數(shù)量的龐大，設(shè)備可靠性對(duì)于列車總的故障率關(guān)聯(lián)性很高，而且PIS的故障往往會(huì)直接影響乘客體驗(yàn)，容易導(dǎo)致乘客投訴。

所以各家運(yùn)營(yíng)方都希望采用高可靠性的PIS設(shè)備，但由于PIS個(gè)性化程度高，廠家產(chǎn)品多樣性，導(dǎo)致有些車型PIS設(shè)備故障頻發(fā)，但沒(méi)有有效的解決手段。部分設(shè)備故障率高，也沒(méi)有辦法將其從系統(tǒng)中剝離出來(lái)，進(jìn)行替代。即使有替代的PIS產(chǎn)品，也需要根據(jù)原系統(tǒng)進(jìn)行定制，產(chǎn)品工業(yè)化程度也會(huì)由于定制而下降。

如果是一個(gè)路網(wǎng)級(jí)的運(yùn)營(yíng)方，多條線路、多期車型的列車，導(dǎo)致所有的PIS設(shè)備達(dá)到上百種，平時(shí)的維護(hù)需要準(zhǔn)備幾百個(gè)備件，而且定制化備件的采購(gòu)也是一大問(wèn)題，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，長(zhǎng)期使用的備件往往會(huì)遭遇停產(chǎn)。

所以根據(jù)以上行業(yè)現(xiàn)狀，如果有標(biāo)準(zhǔn)化的PIS產(chǎn)品，雖然是不同廠家，但都能兼容，就能解決以上問(wèn)題。近些年來(lái)，軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的工作正如火如荼地展開(kāi)，最具代表性的例子就是復(fù)興號(hào)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組。各系統(tǒng)都由不同廠家按標(biāo)準(zhǔn)化要求設(shè)計(jì)、生產(chǎn)部件，隨時(shí)可以將不同廠家的部件進(jìn)行替換。給后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)了二次選擇的便利，列車全壽命周期的保障也不再是單一來(lái)源，大大增加了可維護(hù)性。

根據(jù)以上實(shí)際案例以及其他工業(yè)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，可以總結(jié)出標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品在運(yùn)維階段可選性強(qiáng)，可依據(jù)質(zhì)量選擇;

2）標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品工程化程度高，生產(chǎn)質(zhì)量、工藝更能控制;

3）標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度更高，可以降低生產(chǎn)成本;

4）標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品簡(jiǎn)化了整車設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方可預(yù)先進(jìn)行車體接口的模塊化設(shè)計(jì)。

2 列車PIS標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)及關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

為了更充分地發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，列車PIS系統(tǒng)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)更小單位部件的標(biāo)準(zhǔn)化，這樣標(biāo)準(zhǔn)化的程度越高。但標(biāo)準(zhǔn)化程度越高也會(huì)限制生產(chǎn)廠家的創(chuàng)造能力和技術(shù)實(shí)力。所以達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)化程度才能夠使使用方與生產(chǎn)方的利益最大化。

列車各個(gè)系統(tǒng)均有最小可維護(hù)單元的概念，該概念基于運(yùn)營(yíng)方在后期維護(hù)時(shí)能方便地拆卸、安裝、采購(gòu)的模塊化部件。所以列車PIS系統(tǒng)合理的最小可維護(hù)單元應(yīng)以終端設(shè)備總成為宜，而終端設(shè)備內(nèi)部或板卡應(yīng)由生產(chǎn)方自主設(shè)計(jì)。

對(duì)于各終端設(shè)備要體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：?jiǎn)蝹€(gè)標(biāo)準(zhǔn)化終端設(shè)備在系統(tǒng)內(nèi)可被替換為不同生產(chǎn)廠家的同種標(biāo)準(zhǔn)化終端設(shè)備，并能實(shí)現(xiàn)該終端設(shè)備需完成的功能。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)PIS終端設(shè)備互換性標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)，首先，要研究哪些關(guān)鍵點(diǎn)會(huì)影響到標(biāo)準(zhǔn)化的終端設(shè)備設(shè)計(jì)?；Q性需要確定設(shè)備的安裝、接入、功能實(shí)現(xiàn)幾方面。在確定功能的同時(shí)，需要確定設(shè)備種類，特定的種類實(shí)現(xiàn)同一類功能。其次，安裝需要確定設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸，如限界、固定方式等。再次，在PIS中單個(gè)設(shè)備無(wú)法單獨(dú)工作時(shí)，需要接入到系統(tǒng)中工作，所以確定系統(tǒng)構(gòu)架及設(shè)備接入接口方式也是必要的，還需要確定的是設(shè)備接受的指令和反饋的信息。

綜上所述，總結(jié)以下5點(diǎn)為終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的關(guān)鍵要素。

1）確定終端設(shè)備的種類及功能;

2）列車PIS系統(tǒng)的構(gòu)架;

3）終端設(shè)備結(jié)構(gòu);

4）終端設(shè)備的電氣接口;

5）終端設(shè)備間的通信協(xié)議。

3 列車PIS標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)方案

列車PIS標(biāo)準(zhǔn)化方案著力于5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1 終端設(shè)備種類及功能

一般列車乘客信息系統(tǒng)的基本功能是用于實(shí)現(xiàn)列車的廣播/對(duì)講功能、信息顯示功能和視頻監(jiān)控。一般乘客信息系統(tǒng)需要有系統(tǒng)主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)站、信息處理、指令發(fā)送等任務(wù)，每節(jié)車廂需要有功放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放音頻信息。信息顯示設(shè)備包括LED顯示器顯示文本信息，LCD顯示器顯示多媒體信息，乘客導(dǎo)乘屏顯示線路運(yùn)營(yíng)信息。視頻監(jiān)控設(shè)備包括各類攝像機(jī)以及存儲(chǔ)視頻錄像的錄像機(jī)。

目前，終端設(shè)備類型可以分為：系統(tǒng)主機(jī)（PCU）、客室數(shù)字功放（DPA）、揚(yáng)聲器（LSP）、司機(jī)廣播控制盒（DACU）、司機(jī)麥克風(fēng)（MIC）、乘客緊急對(duì)講器（PECU）、網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)（NVR）、監(jiān)控觸摸屏（VWD）、攝像機(jī)電源（DPS）、行車攝像機(jī)（FCAM）、司機(jī)室攝像機(jī)（CCAM）、客室攝像機(jī)（SCAM）、車內(nèi)LED顯示單元（IDU）、目的地LED顯示單元（FDU）、多媒體LCD屏（LCD）、乘客導(dǎo)乘屏（DRMD）。

PCU負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理，發(fā)布指令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)外部系統(tǒng)的接口，如列車控制系統(tǒng)（TCMS）、無(wú)線電臺(tái)、外部多媒體、綜合監(jiān)控等。

DPA根據(jù)PCU發(fā)出的指令以及音頻信息，驅(qū)動(dòng)本節(jié)車廂的揚(yáng)聲器進(jìn)行播報(bào)。

DACU根據(jù)司機(jī)臺(tái)的廣播、對(duì)講等指令按鈕實(shí)現(xiàn)司機(jī)的廣播對(duì)講功能。

PECU實(shí)現(xiàn)乘客緊急對(duì)講的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)乘客與工作人員的對(duì)講。

VWD對(duì)所有攝像機(jī)與錄像機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行管理，并實(shí)現(xiàn)司機(jī)查看各個(gè)攝像機(jī)畫面和錄像機(jī)保存的視頻錄像。

LED屏能根據(jù)PCU發(fā)出的文字信息進(jìn)行顯示。

LCD屏能播放PCU發(fā)出的多媒體流，并且能根據(jù)用戶設(shè)置分窗顯示PCU發(fā)送的運(yùn)營(yíng)信息。

DRMD根據(jù)PCU發(fā)出的線路設(shè)置、運(yùn)營(yíng)信息等指令顯示形象生動(dòng)的線路地圖以及相應(yīng)的導(dǎo)乘信息。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)架

隨著信息、信號(hào)的數(shù)字化已經(jīng)在電子和通信領(lǐng)域奠定了發(fā)展方向，同時(shí)介于目前車載以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用全數(shù)字以太網(wǎng)構(gòu)架的列車PIS系統(tǒng)在兼具系統(tǒng)的成熟度的同時(shí)也兼?zhèn)淞诵袠I(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

系統(tǒng)通過(guò)列車級(jí)的骨干以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)廣播/對(duì)講功能、信息顯示功能和視頻監(jiān)控功能，三大子系統(tǒng)的全數(shù)字化，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

各個(gè)終端設(shè)備利用以太網(wǎng)通過(guò)數(shù)字音頻流、多媒體流、指令狀態(tài)數(shù)據(jù)包的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

3.3 終端設(shè)備結(jié)構(gòu)

對(duì)于終端設(shè)備結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，并不是設(shè)定統(tǒng)一的設(shè)備造型，主要實(shí)現(xiàn)互換設(shè)備時(shí)不影響車體的安裝結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)。

終端設(shè)備的結(jié)構(gòu)主要需規(guī)定以下幾點(diǎn)：

1）設(shè)備關(guān)鍵尺寸的限界，如長(zhǎng)、寬、高;

2）設(shè)備固定的方式及固定點(diǎn)位置;

3）顯示類設(shè)備的最小顯示區(qū)域長(zhǎng)、寬;

4）機(jī)箱類設(shè)備的寬度（建議采用19英寸寬的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱）。

3.4 終端設(shè)備電氣接口

為了標(biāo)準(zhǔn)化終端設(shè)備替換時(shí)不影響車輛上的原有布線，需要在終端設(shè)備的電氣接口上作相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定。

終端設(shè)備的電氣接口需要規(guī)定以下幾點(diǎn)：

1）電氣接口的命名及功能;

2）電氣接口的連接器選擇;

3）電氣接口的布局和排列（保證相同連接器的相對(duì)位置變差不大）;

4）電氣接口的針腳定義;

5）接地螺栓的規(guī)格與位置排布。

由于標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)構(gòu)架采用以太網(wǎng)全數(shù)字PIS構(gòu)架，終端設(shè)備的數(shù)據(jù)接口均以以太網(wǎng)連接器為主，可采用連接良好的IEC 61076-2-101中M12類型的連接器。相似的終端設(shè)備規(guī)定相同的電源連接器。

3.5 終端設(shè)備通信協(xié)議

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化PIS方案，外部系統(tǒng)的接口都由系統(tǒng)主機(jī)PCU進(jìn)行接入，而PIS的其他設(shè)備均為系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備，為了使標(biāo)準(zhǔn)化終端設(shè)備均能融入到系統(tǒng)中進(jìn)行工作，需要將PIS內(nèi)部的通信協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，各個(gè)終端設(shè)備根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議內(nèi)容執(zhí)行。

PIS的設(shè)備數(shù)量較多，但設(shè)備種類相對(duì)較為固定，所以采用UDP（User Datagram Protocol， 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）的方式對(duì)同類設(shè)備進(jìn)行組播是較為合適的通信手段。

列車PIS設(shè)備通信分為設(shè)備檢修模式控制、設(shè)備狀態(tài)控制、廣播系統(tǒng)控制、媒體系統(tǒng)控制、監(jiān)控系統(tǒng)控制、音頻流傳輸、多媒體視頻流傳輸?shù)取?/p>

1）設(shè)備檢修模式控制、設(shè)備狀態(tài)控制、廣播系統(tǒng)控制可采用規(guī)定的UDP數(shù)據(jù)包的特定點(diǎn)位、字節(jié)來(lái)表達(dá)需要控制的變量或狀態(tài)。

2）數(shù)字音頻流可采用音頻PCM（Pulse Code Modulation， 脈沖編碼調(diào)制）編碼格式，單聲道，采樣率44100Hz，采樣位數(shù)為16位（bit）;緊急廣播和報(bào)站情況下每秒鐘PCU發(fā)送的數(shù)據(jù)量：;PCU對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分包發(fā)送，每包1024個(gè)字節(jié)，等時(shí)間間距發(fā)送。DPA根據(jù)原音頻采樣率和采樣位數(shù)等速率信息來(lái)進(jìn)行同步解碼。人工廣播、對(duì)講等數(shù)字音頻格式：音頻采用PCM編碼格式，單聲道，采樣率16000Hz，采樣位數(shù)為16位。PCU發(fā)送的數(shù)據(jù)量和時(shí)間間隔同報(bào)站、緊急廣播等本地音頻格式發(fā)送要求。DPA、DACU根據(jù)原音頻采樣率和位每采樣等速率信息來(lái)進(jìn)行同步解碼。

3）多媒體視頻流可采用H.264（ITU-T H.264 200503）編碼格式TS視頻流，固定碼率，2～4Mbit/s。為了確保網(wǎng)絡(luò)通信使用率，每一包應(yīng)包含7個(gè)TS數(shù)據(jù)包（每一包188個(gè)字節(jié)，188×7=1316，可以使網(wǎng)絡(luò)通信最優(yōu)化）。

4）視頻監(jiān)控設(shè)備控制可采用ONVIF（IEC 62676-2013）標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)議應(yīng)遵循ONVIF標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)控觸摸屏通過(guò)ONVIF協(xié)議完成攝像頭狀態(tài)查詢、NVR狀態(tài)查詢、系統(tǒng)時(shí)間同步等功能。通過(guò)ONVIF協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)來(lái)獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以目前城市軌道交通行業(yè)列車PIS的現(xiàn)狀以及運(yùn)營(yíng)方在維護(hù)時(shí)的痛點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，闡述了列車PIS標(biāo)準(zhǔn)化的必要性。同時(shí)研究了標(biāo)準(zhǔn)化的重點(diǎn)及可實(shí)現(xiàn)的方案樣例。目前，該方案樣例已在上海地鐵13號(hào)線科研列車進(jìn)行試點(diǎn)，并成功實(shí)現(xiàn)不同廠家的部分終端設(shè)備在同一系統(tǒng)中進(jìn)行使用。但后續(xù)還需根據(jù)試點(diǎn)情況，以及各家的經(jīng)驗(yàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)的通信協(xié)議及功能項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化和補(bǔ)充。希望能早一步實(shí)現(xiàn)列車PIS標(biāo)準(zhǔn)化后為其他系統(tǒng)提供參考，從而推動(dòng)整個(gè)城軌列車標(biāo)準(zhǔn)化工作。

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