集成化高清城轨列车乘客信息系统的设计

陈真等

摘 要：随着网络和多媒体技术的飞速发展，城市轨道交通的安防和乘客服务功能都不断完善，近年来，更有一些城市轨道交通工程提出高清列车视播放和视频监视系统，这更大大增加了列车和地面、列车与乘客之间的通讯量。该设计方案通过端口汇聚的方式既能够提升带宽，又不会增加设备，有效地解决了列车轻量化和传输带宽之间的矛盾

关键词：列车乘客信息系统 端口汇聚 带宽

中图分类号：U270.38 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0003-02

目前国内轨道车辆车载列车乘客信息系统有三个功能相对独立的子系统广播系统、实事多媒体播放系统、列车视频监视系统。如果将三个子系统集成为一个系统，带宽仅能满足标清视频信息的传输，如果将三个子系统分开，则大大增加了车载设备的数量，与目前城轨列车模块化和轻量化要求背道而驰。该设计方案通过端口汇聚的方式既能够提升带宽，又不会增加设备，有效地解决了列车轻量化和传输带宽之间的矛盾。

1 多媒体的信息质量与列车系统化设计之间的矛盾。

列车乘客信息系统的三个子系统的功能如下。

广播系统：实现列车到站信息的自动广播、半自动广播和司机人工广播，司机室之间的对讲，地面控制中心对司机和乘客的广播（包括在火灾、阻塞、及恐怖袭击紧急情况下，向车辆提供控制中心的动态紧急疏散提示），以及乘客和司机的紧急对讲。

实时多媒体播放系统：实时播放地面控制中心下传的管理者和政府的公告、出行参考、新闻、赛事、广告等服务信息，也可以播放车载主机预录的多媒體信息。

列车视频监视系统：通过车载摄像头拍摄车厢内乘客情况，在司机室监控显示屏上显示，并将监视画面上传给地面控制中心，以便在发生火灾、阻塞、及恐怖袭击紧急情况下，实时监视车厢内的状况，提供及时正确的疏散方案。

目前的许多传统城轨车辆乘客信息系统是将三个子系统集成为一个系统，如深圳地铁1号线、武汉1号线2期，其系统图见图1。

从图1可以看出，列车信息传输通过两组总线传输：列车广播对讲通信总线和监控媒体以太网总线，其中，列车对讲通信总线用于按照优先级别传输控制中心广播、司机对讲、乘客紧急报警、司机人工广播、自动广播等语音信息，监控媒体以太网总线用于向监控中心实时上传车载摄像头监视到的车厢内旅客的乘车情况，并实时接受地面运营中心下传的视频和音频信息，并在列车车厢内显示屏上播放。

列车监控媒体以太网目前都是采用的百兆以太网，由于以太网经过车厢二位端、车端连接器等多处转接以及其它因素，将会带来带宽损耗，另外列车是在高速运行的过程中进行的信息实时传输，要保证画面质量，不会出现马赛克、中断等现象，在设计时，就必须考虑网络的冗余，以避免网络阻塞，所以，1套以太网实际可使用的带宽通常仅为40M左右。

如果对于传输画面清晰度仅要求为标清，则以一列六编组的列车为例，列车需要传输的数据量计算如下。

（1）一列车14个摄像头同时存储在2个司机室，占用带宽共计：1M×14×2=28M。

（2）二位端司机室监控屏上最多8路司机室监控占用带宽1×8=8M。

（3）每列车上传最多2路视频到OCC占用带宽1×2=2M。

（4）1组WLAN系统传送的多媒体视频大约8M。

所以100M以太网约使用：2+8+8+28=

46M。

基本符合以太网使用原则。

为了及时发现车辆内部安全事故隐患，并及时处理，确保列车安全运行，这要求车辆上传给城轨运营中心和城轨公安系统画面有较高的清晰度，而且随着近年来无线网络的发展，地面设备的不断扩容，使地面设备完全有能力接受和下传高清的多媒体信息，所以很多城市轨道交通的用户提出乘客信息传输由应该由标清提高到高清，与地面设备相匹配。但是如果需要将实事多媒体播放系统和列车视频监控系统升级到高清，对于带宽的要求将会大大增加。

同样以一个6编组的列车为例。

（1）1个高清摄像头拍摄的录像占用带宽4～8M（图像中物体运动幅度越剧烈，占用带宽越高），即使按照4M来计算，全车14个摄像头至少占用带宽56M。

（2）2端司机室LCD监控屏上当全屏监控的时候切换为高清显示，4分屏采用CIF显示，所以最多8路CIF，8×1=8M或2路高清2×（4～8）=8～16M

（3）每列车上传最多2路视频到OCC占用带宽2×（4～8）=8～16M

总计最少占用带宽：56+8+8=72M

前面已经提到车载百兆以太网的带宽利用率仅为40M，如此大的信息量无法保证数据传输的通畅，从以上的计算数据来看，若要实现高清传输，百兆以太网根本无法满足要求，要达到更高的数据传输率，则需要更换传输媒介，使用千兆光纤或升级为千兆以太网，这样虽然能在带宽上增加，但是成本昂贵，而且布车载光纤是非常困难的。

所以在许多城轨列车项目为了实现大信息量的传输，都采用了两套以太网，实时多媒体占用一套以太网、列车视频监控占用一套以太网，如深圳地铁2号线、上海16号线、武汉2/4号线。但是这样增加了大量的车载设备和列车线，与现今轨道车辆轻量化和集成化理念背道而驰。

2 采用端口汇聚技术的列车乘客信息系统

采用端口汇聚（TRUNK）的扩容方法，就能在不增加设备和配线的情况下，增加传输带宽，端口汇集是通过配置软件的设置，将多个物理端口组合在一起成为一条逻辑的路径从而增加在交换机和网络节点之间的带宽，将属于这几个端口的带宽合并，给端口提供一个几倍于独立端口的独享高带宽。

TRUNK的主要功能就是将多个物理端口（一般为2～8个）绑定为一个逻辑的通道，使其工作起来就像一个通道一样。将多个物理链路捆绑在一起后，不但提升了整个网络的带宽，而且数据还可以同时经由被绑定的多个物理链路传输，具有链路冗余的作用，在网络出现故障或其他原因断开其中一条或多条链路时，剩下的链路还可以工作。

2.1 采用端口汇聚的乘客信息系统网络拓扑

采用端口汇聚技术的列车乘客信息系统，从硬件上看，除了增加了一组列车线，与传统的列车信息系统没有太大区别，但是它可以将系统的带宽扩容至800M，可以在不增加任何硬件的情况下，实现高清画面的传输.

列车的系统图见图2。

和传统列车的乘客信息系统一样，本列车乘客信息系统主要包括广播和信息显示子系统、媒体播放子系统、列车监控子系统。实现了公共广播（包括司机室对客室广播和控制中心对客室广播），司机室对讲、乘客紧急对讲、全自动及半自动报站、动态地图显示、LCD实时媒体播放、全景无盲区视频监视等功能。

从图2可以看出，系统仍然采用了两条传输总线，一条音频和控制总线，一条以太网总线。在正常情况下，以太网总线能够承担控制、音频和多媒体等所有信息传输功能，但是从冗余性和兼容性方面考虑，仍然保留了音频和控制总线，当以太网故障的情况下，系统执行降级模式，保证广播和对讲功能。另外，为了在救援境况下，和其他列车连挂，保证与被救援车辆的音频通讯功能。

2.2 系统的可靠性和安全性

为保证行车安全，同其它车载系统一样，列车乘客信息系统须具有较高的可靠性和安全性，所以该系统作了较高的冗余设计。

2.2.1 系统级别的冗余

图3为正常时系统网络拓扑图，所有功能正常，此时，网络带宽为800M。

当以太网中任意一根断开，系统带宽由800M降为100M，系统功能不变，广播和对讲功能不受任何影响，但是多媒体和视频监控由高清变为标清。

当以太网全部故障的情况下，乘客信息系统执行降级模式，保留涉及行车和乘客安全的广播功能，通过音频备用总线按照优先级别传输广播和对讲信息。

音频备用总线发生故障，系统功能不会受到任何影响，因为以太网可以同时传播广播和视频信息。

2.2.2 设备级别的冗余

两台主机互为热备份，当激活司机室主机发生故障时，另一端司机室主机会立即被激活，承担系统的主机，不会影响系统的功能。

3 结语

该列车乘客信息系统通过端口汇聚的方法，增加了网络带宽，提高了网络传输质量，不仅提升了乘客的感官享受，而且进一步保证了行车安全，同时实现系统的模块化，为车辆的轻量化设计做出了贡献，该系统已经在南京河西1号线低地板车辆上装车试运行，效果良好。

参考文献

[1] 罗铮.地铁列车乘客信息系统设备界面划分[J].电力机车与城轨车辆，2011.

[2] 秦孝峰.西安地鐵2号线车辆乘客信息系统[J].电力机车与城轨车辆，2012.

[3] 张亚.城轨车辆车载乘客信息系统的集成设计[J].电力机车与城轨车辆，2011.