白國巖

(中鐵十六局集團電氣化工程有限公司 北京 100018)

1 引言

伴隨著我國軌道交通領域信息技術的高速發(fā)展，信息化系統(tǒng)向智能化、智慧化方向發(fā)展[1－2]。國務院下發(fā)的《規(guī)劃綱要》中提出:到2035年，智慧高鐵率先建成。意味著國家要在2035完成智慧鐵路的目標。智慧鐵路的建設包括工程建造、技術裝備以及運營服務。特別是運營服務是直接面向大眾，直接影響乘客體驗和服務評價[3－4]。在軌道交通系統(tǒng)中，乘客信息系統(tǒng)(Passenger Information System-PIS)是一種集計算機網絡技術與多媒體技術于一體的綜合性服務系統(tǒng)，可為乘客提供動態(tài)的候車、換乘及到站信息，即使在火災等意外發(fā)生時也可切換為播放緊急疏散和防災等文本和圖像信息，幫助并及時引導乘客疏散到安全地帶[5－6]，在一定程度上也提高了運營服務水平[7]，提高軌道交通的運輸效率[8]。

隨著4G、LTE、5G等通信技術更新[9]，PIS將智能感知、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)、協(xié)同控制等技術，與運營服務、設備維護、裝備制造、工程施工等業(yè)務深度融合，推進軌道交通系統(tǒng)向信息化、協(xié)同化、智能化方向發(fā)展[10]。

2 許昌段－鄭州機場線市域鐵路PIS系統(tǒng)概述

本論文依托許昌段－鄭州機場線市域鐵路PIS建設展開研究。鄭州機場至許昌市域鐵路工程(許昌段)包含11座車站(2個為地下站、9個為高架站)、1座停車場。

系統(tǒng)采用最新的顯示技術、通信技術及智能的管理技術，建設智慧的多功能乘客服務系統(tǒng)[11]。乘客信息系統(tǒng)軌旁基站與車站通過光纖連接。多光口交換機與帶有光口的AP(Access Point，無線訪問節(jié)點)技術日益成熟，無線訪問節(jié)點通過中繼放大信號，橋接兩個端點，實現(xiàn)無線AP間的數(shù)據(jù)傳輸，功能強大且價格較低。在乘客信息系統(tǒng)建設中，軌旁AP利用光纜直接與車站交換機進行連接，該方案有利于乘客信息系統(tǒng)的安裝與調試，還可以有效地減少故障點。

乘客信息系統(tǒng)作為一類多媒體綜合信息系統(tǒng)，可以在鐵路系統(tǒng)的各個區(qū)域為乘客提供信息服務，通過安裝在車廂、車站各處的LCD顯示終端，為乘客提供實時的列車運營信息和豐富的公共媒體信息。在正常情況下，運營信息、公共媒體信息共同協(xié)調使用；在緊急情況下運營信息優(yōu)先使用。車地無線系統(tǒng)采用基于5.8 G非授權頻段的寬帶無線通信系統(tǒng)，用于承載PIS車地無線通信業(yè)務。

3 PIS系統(tǒng)拓撲

PIS系統(tǒng)包含線路中心子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)、有線/無線網絡子系統(tǒng)[12]。

3.1 線路中心子系統(tǒng)

線路中心子系統(tǒng)主要由中心服務器、接口服務器、核心交換機、以太網交換機、媒體編輯工作站、發(fā)布管理工作站、系統(tǒng)網管工作站、預覽工作站、LCD屏、磁盤陣列、終端等設備及有關軟件組成，如圖1所示。以上所有設備均應滿足高清標準。

圖1 線路中心子系統(tǒng)

同時本系統(tǒng)在備用控制中心設中心服務器、接口服務器等設備，避免在主服務器出現(xiàn)故障時無備用服務器接替作業(yè)的情況，備有兩種復制技術實現(xiàn)異地容災。

3.2 車站子系統(tǒng)

車站子系統(tǒng)主要由OPS播放控制器、車站交換機、LCD顯示屏(含安裝件)、電源控制器等設備及有關軟件組成，并且提供的所有音視頻設備均應滿足高清標準，如圖2所示。PIS專用的光纜在機房集成到傳輸系統(tǒng)ODF架上。

圖2 車站子系統(tǒng)

3.3 停車場子系統(tǒng)

停車場子系統(tǒng)主要由以太網交換機、軌旁無線設備(AP及天線)等設備及有關軟件組成。

3.4 車載子系統(tǒng)

車輛提供客室LCD彩色圖文顯示器的防護罩及顯示器、車載控制器、車載無線設備、視頻服務器(含存儲設備)、網絡交換機、LCD控制器(可與車載控制器合設)、電源變換器、室內攝像機(含編碼器)、視頻監(jiān)視器(帶觸摸控制功能)，并負責車載設備的線纜、電源等。各線路傳輸方式采用有線無線相結合模式。

3.5 車地無線子系統(tǒng)

WirelessFiber車地無線網絡系統(tǒng)主要由OCC中心子系統(tǒng)、地面(車站、區(qū)間)子系統(tǒng)及車載子系統(tǒng)三部分構成，如圖3所示。其中OCC中心子系統(tǒng)無線管理控制單元與鄭州段的1套設備是雙機冗余結構，用以避免設備自身單點故障。無線網管單元的板卡最多可實現(xiàn)對1 500個無線基站的管理，地面子系統(tǒng)中的GSU同步單元保證了精確的時鐘同步。

圖3 WirelessFiber車地無線系統(tǒng)架構

WirelessFiber車地無線網絡系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)無線通信，具有高帶寬、基站覆蓋范圍大、低時延、小抖動、切換時間短、抗干擾能力強、可支持120 km/h運行時速、支持分集、2乘2多輸入多輸出的特點。

車地一體化的PIS系統(tǒng)實現(xiàn)了業(yè)務流從運營中心覆蓋到地面車站、車輛段和運營車段，將車載廣播、影視娛樂、視頻監(jiān)控等進行了增強，并通過地面服務器強大的計算和處理能力實現(xiàn)智能分析，為智慧化業(yè)務奠定了基礎[13]。

4 系統(tǒng)設備組成

4.1 線路中心子系統(tǒng)

(1)PIS系統(tǒng)管理部分在整個PIS系統(tǒng)中負責系統(tǒng)的結構化運行數(shù)據(jù)的分配和管理。

(2)播出信息管理部分用于向鄭許線(許昌段)車站及車載發(fā)送實時的信息，并且支持MPEG-2標準格式實現(xiàn)對各個線路的直播功能。

(3)車載視頻調看及轉發(fā)管理主要負責遠程調看及轉發(fā)等功能。

(4)中心子系統(tǒng)保證信息的傳輸及共享，使得視頻、音頻傳輸合理有效。

4.2 車站子系統(tǒng)

車站子系統(tǒng)分為控制部分、現(xiàn)場顯示部分和傳輸設備。

4.2.1 控制部分

控制部分基于虛擬化系統(tǒng)的研究，取消了車站服務器的存在，才一定程度上使得系統(tǒng)在24 h內不間斷運行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但本項目依舊采用車站服務器參與控制[14]。

采用車站服務器與中心服務器進行數(shù)據(jù)傳輸，并集中管理本站內的所有播放控制器、終端顯示設備。車載服務器采用大容量硬盤，可以存儲設備狀態(tài)數(shù)據(jù)180 d以上，且其網絡流量控制機制具有網絡流量控制的功能。

LCD顯示屏接受LCD播放控制器控制，進行乘客服務信息、商務信息的發(fā)布，并且能智能地處理各種異常情況。

4.2.2 顯示部分

(1)車站LCD顯示屏視頻配線方案

本子系統(tǒng)在車站面向乘客設置的顯示終端為站臺顯示終端。本系統(tǒng)的所有配置均滿足高清標準要求。本系統(tǒng)在站臺單邊設置8臺LCD顯示器，上下行站臺共設置16臺LCD顯示器。

(2)車站LCD顯示屏電源配線方案

車站終端設備電源線全部采用低煙無鹵阻燃3乘2.5平方的線纜，線纜布置采用星形方式敷設，在車站機柜內，安裝智能電源控制器，終端LCD顯示屏直接接入智能電源控制器的輸出端。

4.3 車地無線系統(tǒng)

基站設置:根據(jù)工程的覆蓋要求及基站鏈路預算，本項目WirelessFiber系統(tǒng)正線及出入段線覆蓋基站82個，停車場列檢庫覆蓋基站3個，合計85個基站。

光口及光模塊配置:每個基站配一對10 km的中距離光模塊。

車載組網方案:WirelessFiber車載子系統(tǒng)由車載無線單元設備和車載通信控制器設備組成。每列車雙向傳輸平均帶寬不小于100 Mbps 120 km/h，前后車載無線單元采用雙機熱備。車載子系統(tǒng)通過車輛專業(yè)提供的車載局域網(由三層交換機、二層交換機)連接組成千兆網絡。

系統(tǒng)同步:采用GSU同步方式為軌旁基站提供精確時鐘同步，即在每個車站設置一臺GSU同步單元設備。

系統(tǒng)頻率配置:優(yōu)先考慮使用40 MHz單頻組網。

車地無線設備切換:軌旁基站設備間切換和車載無線單元間切換。

可靠車地無線傳輸能力:采用 OFDM調制技術。

系統(tǒng)特殊條件下運行(換乘站)處理方案:軌旁基站頻率規(guī)劃使用三頻組網方案。

4.4 系統(tǒng)抗干擾及通信質量保障方案

系統(tǒng)采用具有2種優(yōu)先級方式:802.1p或者DiffServ，7種 WFQ 權重序列(實時、信號、TCP Ack、準實時，高級別、中級別、本地管理)和每序列最大信息速率(最小256 kbps，最大無限制)的多級業(yè)務QoS分級控制。

系統(tǒng)采用一套基于時隙分配(TSA)的解決方案，通過時分雙工(TDD)空口和獨特的同步機制，保證相鄰接入點設備間連續(xù)動態(tài)時隙分配以避免同頻干擾；802.11ac采用OFDM調制技術，利用子載波之間的正交性，可以有效避免不同子載波之間的鄰頻干擾；另外WirelessFiber系統(tǒng)可采用空中接口抗干擾、AAR、FARQ機制、不間斷傳輸、接入點設備同步、OFDM、定向天線技術、天線分級技術等抗干擾方法。

5 結語

本文基于對鄭州機場至許昌市域鐵路工程的研究，面向智慧交通新發(fā)展，對乘客信息系統(tǒng)進行了設計，提出了一整套抗干擾能力強、可用性強、可靠性強的信息系統(tǒng)建設方案。該新型PIS網絡架構能夠有效實時檢測設備狀態(tài)，保證120 km時速運行，有線無線相結合且互不干擾的條件下為乘客提供出列車運營信息和公共媒體信息的多媒體綜合信息系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧交通體系的支持服務。

在軌道交通中，服務器等設備的云化也將成為一個發(fā)展趨勢，使得PIS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不斷提高。