下一代地铁旅客信息系统广播控制系统单元的设计实现

张 伟，贾 涛

（中车青岛四方车辆研究所有限公司 电子事业部，青岛 266000）

旅客信息系统广播控制系统单元 （ACSU，Announcement Control System Unit）是地铁旅客信息系统的中央控制器，传统的地铁旅客信息系统广播控制系统单元目前面临如下问题：（1）采用MVB或CAN总线与列车网络系统进行数据交互，成本高，传输数据量有限[1]。（2）使用模拟音频实现广播功能，布线成本高，不同类型的车组间通用性不强[2]。（3）缺乏对客流量的有效提示和预警，依赖人工疏导[3]。（4）缺乏与乘客的有效互动，智能化接口较弱。

为了解决上述问题，本文提出下一代地铁旅客信息系统广播控制系统单元的设计方案：采用列车实时数据传输协议（TRDP），与列车网络系统进行通信[4]；采用以太网数字化音频通信方法实现广播对讲功能[5]；通过乘客计数系统和信息显示系统，完成客流人员统计和乘客疏导功能[6]；通过控制车窗有机发光二极管（OLED）和魔镜，实现与乘客的娱乐互动。

1 ACSU组成和功能

1.1 ACSU组成与外部接口

ACSU内部主要包括数字音频模块、列车控制管理系统（TCMS）通信模块、闭路电视监控系统（CCTV）联动模块、乘客计数模块、车内外信息显示模块，通过协调管理不同的模块以满足对不同子系统的控制功能。

ACSU与多个子设备进行数据通信，其通信拓扑如图1所示。

（1）TCMS：ACSU接收TCMS的数据，用于行车信息管理和乘客报警信息交互；将旅客信息系统内部的设备诊断信息发送给TCMS，用于设备状态查询和故障诊断。TCMS与ACSU之间通过一个专用以太网接口完成数据交互。

（2）CCTV：ACSU接收CCTV的摄像机报警信息和监控设备诊断信息，实时传送给TCMS；将TCMS的车门信号和乘客报警信息发送给CCTV，用于CCTV实现准确的报警监控。

图1 ACSU与子系统通信拓扑图

（3）数字音频子系统：ACSU通过控制音频解码器与音频切换器完成自动报站、半自动报站、手动报站、人工广播功能；控制首尾车的广播控制终端完成司机对讲功能；控制乘客紧急报警器和广播控制终端完成紧急报警功能；获取数字音频子系统的设备状态和版本信息。

1.2 ACSU功能

ACSU作为下一代地铁旅客信息系统的中央控制单元，实现对旅客信息系统的管理和控制功能。其功能主要有：

（1）行车管理：根据TCMS发送的门信号、列车离站、列车进站、列车到站信号触发相应的语音播报和车内信息显示功能联动；控制司机室挡风玻璃屏显示列车运行速度、车内温度、时间和天气信息，起到引导司机的作用。

（2）人员疏导： 读取乘客计数终端所计算的乘车人员数量，按车厢分析计算人员的拥堵指数并发送给侧部屏显示，疏导候车乘客前往不同车厢乘车，避免出现单一车厢人员拥塞问题[7]。

（3）内部通讯： 通过数字音频系统实现司机对讲、乘客紧急报警对讲和报警优先级功能。

（4）娱乐功能： 实现视频播放、景点介绍、新闻预览等功能。

（5）冗余功能：两台ACSU为主从备份关系，同一时刻只有ACSU主控负责旅客信息系统的调度和管理功能。当ACSU主控宕机后，ACSU从机将接管旅客信息系统的调度和管理工作。

2 ACSU硬件设计

ACSU设计标准为19 inch的3U机箱，CPCI插板式结构设计，所有接口在前面板[8]。主要包括以下模块：

举行典礼的广场上挤满了人，那个捡到鼻子的小孩站在颁奖台上，结结巴巴不知说什么才好：“我……看到有个人掉了鼻子，我就捡起鼻子追了上去，因为跑得飞快，半路上把一个小姑娘的耳朵碰了下来——当然，我停下来替她把耳朵装好，再继续追……”

（1）电源转换模块：采用DC110 V～DC24 V电源模块，再由24 V转化为12 V、5 V、3.3 V、–12 V。

（2）电源供电模块：采用DC110 V～DC24 V隔离电源模块实现，对于DC110 V电源输入，由电源转换模块引入背板，由背板引入电源供电模块进行转换后输出。

（3）CPU控制器：采用Intel Atom处理器，通过背板连接交换机并进一步与其它子设备进行通信。

（4）功率放大器模块：采用成熟的D类功放芯片，设计放大电路完成功率放大功能。

（5）音频解码模块：由内置的微控制芯片对数字音频信号进行解码，通过与CPU控制器进行通信，接收控制命令并执行相应动作。

3 ACSU软件设计

3.1 系统环境和开发平台

ACSU采用Ubuntu操作系统，驱动接口丰富，运行效率高，性能稳定，并能够有效避免Windows系统带来的病毒问题。

应用软件采用QT开发。在Linux操作系统下，QT可重用性好，开发效率高，能够快速搭建人性化的UI界面。同时，QT具备优良的跨平台特性，代码移植效率高，可避免后期平台迁移带来的移植问题[9]。

3.2 软件模块化设计

为提高软件开发效率，增强软件的可读性和易维护性，ACSU的软件采用模块化的开发模式。软件共分为4层，自上而下进行调用，如图2所示。在模块内部实现对应的功能，并对外开放公有接口。

图2 ACSU模块化结构示意图

（1）QT运行库：QT提供了丰富的功能类库，并提供了人性化的接口封装。在QT运行库的基础上进行开发，可以提高开发效率，缩短开发周期并保证软件质量。

（2）协议分析层：包括TRDP协议模块、TCMS通信模块、CCTV联动模块、乘客计数模块、车内外显示模块、VLC播放模块和数字音频子系统协议模块。协议通信模块用于设备收发数据的协议解析。

（3）逻辑分析控制层：包含乘客计数、司机对讲与紧急报警、行车管理、CCTV联动、车内外显示、主从冗余6个模块。通过对来自不同设备的数据进行分析，当满足预设条件后，产生控制命令，从而完成不同设备间的联动。

（4）人机交互层：系统操作界面，识别用户的操作，产生相应的控制命令；显示相关的设备状态信息。

4 ACSU智能化应用

4.1 实时以太网应用

传统的MVB、CAN总线通信虽然可以满足可靠性的需求，但是成本较高，无法满足大数据量的传输需求。不同设备之间通信时需要进行硬件上的兼容测试，开发成本较高，周期长。

TRDP协议是在以太网基础上开发的实时数据传输协议[10]。它在保证实时性和可靠性的基础上可以满足大数据量的传输；与MVB、CAN总线通信相比成本较低；一致性的兼容测试主要集中于软件应用层面，灵活性高。

ACSU采用现有的网络接口通过开发TRDP协议即可以实现与列车网络系统的通信，完成行车信息的交互和故障信息上报，同时，利用现有的网络接口同时实现音视频数据的传输，满足大数据量的传输需求。

4.2 乘客计数应用

传统的地铁列车缺乏乘客计数功能，无法得知目前的乘客人员数量，只能依赖地面工作人员完成人员疏导，效率低且效果不佳。

ACSU实现了乘客计数功能。它通过采集车门上方的乘客计数终端所记录的上车和下车人数，统计计算不同车厢的乘客人数，并计算出拥堵指数显示在显示屏上，并触发相应的语音广播，提醒乘客当前车厢的人员现状。同时，ACSU将不同车厢的人员统计和整车人员统计发送给车地通信模块，从而上传到地面系统，让地面人员得知目前车组的乘车人员现状。拥堵指数显示效果如图3所示。

图3 拥堵指数显示效果

5 结束语

广播控制系统单元作为下一代地铁旅客信息系统的中央控制单元，能够协调管理旅客信息系统不同子系统之间的通信交互，满足列车智能化的应用需求。采用TRDP协议完成与列车网络系统的通信交互，满足通信实时性和大数据量传输的需求；通过控制乘客计数终端获取乘客计数结果，并进一步完成人员统计与人员疏导功能。