基于高速以太网的乘客信息系统在地铁列车上的应用

刘国菲

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

地铁列车的乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统。PIS在正常情况下提供乘车须知、服务时间、列车到发时间、地铁公告、媒体新闻以及广告等实时动态多媒体信息，在火灾或其他非正常情况下还可以提供动态紧急疏散提示[1]。

随着传输数据量的不断增大，以太网技术成为乘客信息系统信息传输的首选技术，高标准的以太网硬件设备可以保证数据安全可靠的在网络上不同设备之间进行传输。以上海申通地铁为主导，联合不同生产厂家对乘客信息系统进行标准化设计，并选用上海13号线增购项目的最后两列车来验证新的PIS系统，同时确保在得出结论后能够复原老的PIS系统。

1 原车老系统的设计

原车PIS系统拓扑结构如图1所示。

图1 上海13号线PIS系统结构图

根据图1，原车PIS系统的列车总线采用双路串行的百兆以太网，可以传输所有的音频、视频以及通信控制命令。除以太网传输总线外，还配备了两根UIC568模拟音频总线。当以太网出现故障时，PIS系统进入降级模式，客室广播和司机对讲等功能仍不受影响，提高了系统运行的安全性和可靠性。

客室内终端设备除扬声器是采用两路模拟音频接口外，其他设备均带有数字通信接口。客室内的乘客紧急报警装置（Passenger Emergency Alarm Control Unit，PECU）采用两路独立的RS485接口进行通信，而LCD多媒体显示屏则采用两路以太网接口进行通信[2]。客室用于视频监控的摄像机均通过独立的以太网接口连接到客室控制器的交换机上，客室控制器为每个摄像机提供独立的供电。

在控制器配置上，PIS的列车广播系统、乘客信息显示系统以及视频监控系统高度集成，每个司机室和客室只需配置一台尺寸为19英寸的3U标准控制主机，采用模块化设计[3]。其中，司机控制器（Drivers Audio Communication Unit，DACU）包含电源模块、交换机模块、CPU模块、I/O模块、视频编码器模块以及MVB模块等；客室控制器（Saloon Control Unit，SCU）包含电源模块、交换机模块、功率放大器模块、I/O模块以及视频处理模块等。

2 原车PIS系统的技术分析

2.1 列车总线

列车总线采用端口汇聚的双路百兆以太网总线，两条总线同时传输数据，带宽最大可达到200 Mb/s。受以太网传输距离和跨车需要分断的影响，实际运行的有效带宽会降低30%～40%，即最大传输数据带宽约为140 Mb/s。此外，端口汇聚的双路以太网总线本身就是冗余设计，在一条总线失效的情况下，另一条总线要确保系统功能不受影响，那么100 Mb/s带宽的总线除去衰减外，可用带宽就剩下几十兆，显然不能满足人们的需求，因此在列车总线方面需要考虑进一步升级优化[3]。

2.2 交换机

列车总线的带宽升级需要更高带宽的交换机来实现。系统主机是集成了模块式的交换机，PIS厂家需要从第三方购买交换机或者自主研发交换机板卡，再与PIS主机进行集成，这无疑多了一道接口[4]。目前市场上专业做交换机的厂家很多，而且品牌交换机在售后和质保方面较为可靠，因此根据自身需求合理选择适用的交换机，以提升系统的稳定性与可靠性。

2.3 可视对讲的需求

随着通信技术的发展和无人驾驶技术的逐渐成熟，无人驾驶列车开始逐步实现。乘客在紧急情况下与司机可视对讲或者与运营控制中心可视对讲是无人驾驶列车的重要前提，传统的对讲系统没有视频功能，不能满足人们的需求，因此需要对PIS系统的可视化功能进行设计和完善，从而更好地保障乘客的人身安全[5]。

2.4 摄像机占用交换机端口

传统设计中，一个摄像机占用一个交换机端口[6]。地铁列车上人员流动密集，3个摄像机虽然可以全覆盖整个列车，但在上下班高峰时段，离镜头最远的乘客可能会被其他乘客遮挡，造成人员遮挡盲区，因此需要增加摄像机[7]。上海13号线科研项目中配置了6台摄像机，传统设计需要6个交换机端口与摄像机通信，不仅要增加车辆走线，而且交换机成本也提高[8]。

2.5 冗余功能的完善

列车上两台交换机失效导致整个以太网不可用时，PIS系统进入降级模式[9]。原车系统在降级模式下仅能实现人工广播和司机对讲功能，无法实现紧急对讲功能。为适应未来的无人驾驶，紧急对讲功能在降级模式中是非常必要的，紧急对讲在任何情况下都能保证乘客和司机取得联系，保障乘客安全[10]。

3 高速以太网的乘客信息系统设计

为了对既有的PIS系统进行完善和改进，设计了基于高速以太网的新型乘客信息系统，采用全数字通信的方式。新型PIS系统拓扑如图2所示。

图2 全数字PIS系统结构图

由图2所示，列车级智能以太网是利用原车列车网络控制系统（Train Control and Management System，TCMS）构建的千兆以太环网，由8个千兆网管型交换机按照跨车环形方式组网，骨干网带宽为1 000 Mb/s，完全满足语音、视频以及列车数据的传输。其中两个TC车分别设置两台千兆网管型交换机，其他车设置1台千兆网管型交换机。TC车中的交换机为三层交换机，可以实现对以太网内IP地址的NAT映射，并可实现虚拟路由冗余协议（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）功能[11]。PIS系统配置独立的交换机，全车共8台交换机。将PIS的8台交换机接入TCMS主干网，这样实现了双网合一，同时也减少了列车总线的数量，提升了系统集成度。8台PIS交换机是系统设备接入主干网的桥梁，可以选用市场上的大品牌交换机，以更好地提升网络性能。

新型的PIS系统仅设置1台司机室控制器，包含电源模块、交换机模块、CPU模块、接口模块以及联挂模块等。每个客室电气柜内设置1台数字功放机箱，主要集成电源模块、交换机模块以及数字功放，为客室扬声器和乘客报警器提供通信接口。将每个客室的摄像机增加为6个，隐藏在客室LED显示屏中做级联设计，减少布线。司机室控制器和数字功放同其他终端设备一样直接接入PIS交换机，均为冗余设计，系统整体拓扑结构为树形。

列车总线设置了两条模拟音频总线，一条用于广播功能，一条用于对讲功能。在列车降级模式下，PIS系统仍能实现客室广播、司机对讲以及乘客对讲等功能。此外还设置CAN总线，用于传输对讲控制信号。音频总线和CAN总线连接司机室控制器和每个车厢的数字功放，广播语音信号通过模拟音频总线传输到数字功放进行功率放大，最后通过扬声器进行广播。乘客报警器采用以太网数字接口，可以满足日后的可视对讲功能。

4 新PIS系统在原车上的技术改造

为了在原车PIS系统的基础上对新PIS系统进行装车验证，将上海13号线增购列车的最后两列车作为实验对象进行系统安装，选择两家供应商，便于试验对比分析。在不改变列车布线的情况下，安装不同厂家的设备，主要从以下5个方面进行改造。

（1）连接器设计。根据拓扑结构，定义每个设备的电气端口和连接器针脚，确保连接器选型一致，可以通用。

（2）设备结构设计。所有设备的外形尺寸和机械接口与原车系统一致，两个厂家共用一套设备图纸，确保设备顺利安装。除新增的交换机需要设计安装位置，其他设备均可以利用原设备空间。

（3）共用线缆设计。列车布线尽可能利用原系统电缆的情况下进行设计，经分析比对可以与原车共用扬声器电缆、两条音频总线电缆、LCD信号电缆以及设备的供电电缆。

（4）新增电缆设计。在原车基础上增加了列车CAN总线电缆、摄像机以太网电缆和电源电缆以及LED显示屏和导乘屏的以太网电缆。此外，由于每个车厢多了交换机，因此需要增加交换机供电电缆以及与交换机连接的以太网电缆。

（5）原车其他电缆处理。所有原系统的电缆均保留，除新系统共用电缆外，其余电缆均标识电缆号和线号，并在终端封堵处理，为后续还原老系统做准备。

5 结 论

通过对上海13号线增购车辆的PIS系统进行分析和改造，将基于高速以太网的PIS系统成功安装在列车上，实现了不同厂家PIS系统的互换，为PIS系统的标准化统型和后续PIS通信协议统型奠定了基础。经过近一年的时间对两列科研车进行试验，结果表明新的PIS系统运行可靠，与TCMS系统成功实现双网合一，系统设计考虑充分，具有一定的可行性，也为后续无人驾驶车辆的PIS系统提供有价值的参考。