北京地铁10号线列车乘客信息系统规范化研究

刘 博，张 衡

（北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京 102208）

目前，适用于地铁的列车乘客信息系统(passenger information system，PIS)日趋多样化，更替速度加快，导致现行的一些设备落后于运营需求，另一些设备的性能参数、维修方式等各有不同，这给列车日常运营维护、周期性故障诊断检修等造成了很大的困难。一般列车寿命周期为30年，PIS大多采用了多年前的流行技术，在列车运行与维修中已经暴露出一系列问题[1]。以北京地铁10号线车辆为例，近年来列车乘客信息系统设备老化、备件停产、型号繁杂等问题日趋凸显，这给列车维修、配件管理等带来极为不利的影响[2]。

1 列车乘客信息系统架构

对于北京地铁而言，乘客信息系统(PIS)不能一概而论。根据所属的监管部门不同，把 PIS划分为站台乘客信息系统和列车乘客信息系统。但是，这种从管辖范围上的分类也造成设备种类和性能上的差异[3]。笔者主要对影响运营安全最为重要且检修难度较大的列车乘客信息系统在规范性方面进行研究。

列车乘客信息系统主要由 3部分组成：列车广播系统(包括乘客紧急对讲、司机对讲、车门动态地图显示(LED或LCD))、车端信息显示多媒体播放系统、视频监控系统[4]。

列车广播及多媒体系统(见图1)由司机室和客室设备组成：司机室设备包括媒体服务器，客室设备包括解码分屏器、网关和客室LCD显示器。其中，客室两端LED显示器可根据具体需求来确定是否加装[5]。

图1 列车广播及多媒体播放系统结构Figure 1 Structure of broadcasting and multimedia broadcasting system

网络采用环网冗余的连接方式，所有的控制信息及音视频信息均以数字形式通过以太网传输，系统中预留一对列车音频总线。

视频监控系统(见图2)宜单独组网，司机室设置一台主机(即媒体服务器)，每个客室设置一台网关，设备间采用以太网传输，建议采用集成拾音器的数字摄像机。

图2 视频监控系统结构Figure 2 Structure of video surveillance system

特别指出的是，广播系统、多媒体系统、视频监控系统宜分别独立供电，设置独立电源开关。因电器柜尺寸原因，可将广播系统、多媒体系统、视频监控系统进行集成。客室车端显示器可根据要求确定是否设置。司机室宜采用3层网络交换机，客室宜采用2层网络交换机。

2 列车乘客信息系统可靠性

可靠性分析是建立在对故障统计研究的基础之上的，笔者采用故障模式风险分析法(FMECA)，对北京地铁10号线在2016年的列车乘客信息系统故障检修情况进行了研究。首先，对10号线运行列车的车载乘客信息系统进行故障情况调研，了解其设备种类、故障类型、故障频次以及故障趋势。在此基础上，对故障等级参照国家相关标准进行划分，然后进行故障模式分析，以便区分故障的轻重缓急，制定合理的应对措施[6]。最后，形成危害性风险评价矩阵，以便研究故障与检修规程之间的匹配程度，并为下一步进行设备及维修的标准化研究提供支撑。

2.1 故障统计分析

故障统计部分，选取了2016年北京地铁10号线一期列车的乘客信息系统作为研究对象，追踪调研了视频监控、列车广播、主控单元(MCU)、电子地图、客室电视等故障高发及关键设备的故障情况，对列车的乘客信息系统设备故障规律进行了统计与分析(见图3)[7]。

图3 2016年10号线列车乘客信息系统故障统计Figure 3 Fault statistics of passenger information system of Line 10 trains in 2016

截至2016年12月，10号线车辆列车广播系统共发生碎修故障1 608起，相比2015年的1 381起上升了14.1%。2016年1—12月中，监控系统故障729起，占总故障的45.3%；自动广播故障381起，占总故障的23.6%；动态地图故障87起，占总故障的5.4%；MCU故障112起，占总故障的6.9%；客室LCD故障289起，占总故障的17.9%；其他故障10起，占总故障的 0.6%。通过统计分析，2016年监控和自动广播的故障占总故障的 68.9%。由于客室电视相关备品厂家停产等原因，使备品准备不足，客室电视故障无法及时修复，导致客室电视故障率大幅增加。由于对监控系统和动态地图的整改，使得2016年监控系统故障数与往年持平，录像丢失隐患基本消除，动态地图故障下降，乘客投诉有所减少。

2.2 故障模式分析

故障模式分析建立在故障统计分析的基础之上，选择故障高发的设备或部件进行研究。经过分析发现，主控单元(MUC)、音频控制模块、电源模块为关键性设备，涉及列车乘客信息系统能源供给与信号传输，应该予以特别关注。视频播放单元、乘客信息显示屏、动态电子地图、视频监控是整个系统中功能输出的关键设备，与乘客的乘车体验与应急安全有着密切联系，其中乘客信息显示屏在故障统计中占有很大比重，是故障高发设备，应予以关注[8]。在选取关键设备后，对故障模式、成因及特性进行了分析，具体如表1所示。

表1 故障模式分析Table 1 Failure mode analysis

通过分析可以发现：从故障特性看，所有的故障均为随机故障，说明与系统设计与布局无关；从故障成因看，除视频监控、摄像头、视频设备接口外，其余故障均与电压电流变化引起的峰值、电涌或干扰有关，应定期检查设备绝缘情况。电源设备属于早期工艺，应该制定新的规范提升其性能，并对各设备加装电源开关，稳定电阻，在方便检修的同时，减少电路故障。

通过故障影响分析(见表2)可以发现，除了视频播放单元产生故障时需要驾驶人员人工广播告知以外，其余故障均不影响运营，可待停运后进行维护检修。从保护措施来看，许多设备性能上已经表现出明显的落后与不足，如视频播放单元抗干扰能力差、摄像头清晰度不够等。这种问题只通过日常检修已经无法改善，应该制定或修订列车乘客信息系统规范，提高设备性能要求。

表2 故障影响分析Table 2 Failure impact analysis

2.3 风险评价矩阵

风险评价矩阵的建立，主要参照《轨道交通可靠性、可用性、可维修性及安全性规范示例》(GB/T21562)中关于轨道交通车辆维修的风险与安全性评价的要求[9]。建立列车乘客信息系统风险评价矩阵，并根据故障统计与日常检修经验，将数据录入并比对风险矩阵模型，形成的重要性分析结果如表3所示。

表3 乘客信息系统设备重要性分析Table 3 Analysis of importance of passenger information system equipment

从整体结果看，列车乘客信息系统故障的危害性普遍不高(为R4)，且相较于其他设备而言，故障发生率也不高(为F)，但是对照日常检修规程可以看出，日常对上述设备的检修频率并不低，这说明检修与故障发生存在匹配度低的问题。因此，应该对列车乘客信息系统的设备检修频次进行调整，使其与故障发生率相匹配。同时，通过危害的重要性分析，使关键设备的故障情况更加明晰，有助于日常修程修制的修订。可将该方法规范化到设备日常统计中，追踪设备故障变化情况[10]。

3 列车乘客信息系统标准化

综合上述研究可以发现，目前列车乘客信息系统存在设备老化、备品备件缺失、型号规格不统一等问题，具体如下：

1) 车辆PIS设备老化，故障率升高。PIS在运用中多采用故障修的方法进行维修，当列车进入较高级别修程(如架修)时才进行系统的整改、维修。列车架修时机随车型而不同，一般距列车上线运行7～8年或更长的时间。10号线一期、二期和二期增购车辆分别于2007、2012、2015年开始投入运营使用，其中一期、二期车辆运营时间较长，设备性能下降明显，故障率较高。

2) 车辆PIS设备备件停产，故障无法修复。现有对策只能进行车辆设备升级改造，车辆维修成本大幅增加。如10号线一期、二期车辆电力网络桥接器(PLC)停产，导致车辆客室电视黑屏、花屏等故障无法修复，曾多次遭乘客投诉[11]。

3) 车辆PIS设备型号繁复，统型难度大。PIS没有制造、验证方面的规范、标准，模块化程度低，造成产品型号繁复，配件不统一，相互不兼容，维修周期不统一。目前，10号线车辆PIS使用了包括三所、华高、阿纳克斯、山海天地等厂家的产品，各厂家设备通信协议、设备接口、系统设计均不尽相同，给车辆PIS的维修带来很大困扰。

针对上述问题，可以通过标准化准入机制，降低列车乘客信息系统故障率，减轻检修难度，具体举措如下：

1) 在北京地铁10号线进行列车乘客信息系统标准化准入制度。首先，通过编制适用于10号线的设备技术规范与检测规范，在设备采购选型阶段控制各项参数指标；其次，建立检测平台，对准备采购或更新的设备进行统一的性能测试，通过检测平台，方可准入10号线列车进行应用。

2) 采用可靠性分析方法，对10号线列车乘客信息系统进行持续追踪分析，并根据分析结果修订检修规程，使之与故障发生规律相匹配，减少不必要的日常检修，设立重点专项检修制度。

3) 建立设备全生命周期的成本核算体系，明确设备损耗及采购的经费支出，减少不必要的开支，在保障运营安全的基础之上，保证经费支出的合理性。

4 应用效果与推广价值

根据标准化举措，对10号线万柳检修中心管辖范围内车载PIS进行跟踪改进研究，经过2018年对修程修制的优化以及设备准入制的实行，故障发生情况有所下降，具体如图4所示。

图4 2019年10号线列车乘客信息系统故障统计Figure 4 Fault statistics of Line 10 train passenger information system of Line 10 in 2019

通过统计可以发现，2019年共发生车载乘客信息系统故障 1 251起，其中监控故障 541起，占总故障率的 43.2%；广播故障 345起，占总故障率的27.6%；MCU故障99起，占总故障率的7.9%；动态地图故障77起，占总故障率的6.2%；客室电视故障87起，占总故障率的7%；其他各类故障 102起，占总故障率的8.2%。

监控和广播故障仍为检修中最多见的故障，但相比2016年，监控故障减少了188起，广播故障减少了36起，总故障减少了357起。通过回访调查发现，通过优化修程修制，增加了重点设备的故障排查频率，同时降低了少发故障设备的排查频率，有效起到了故障预防作用，并降低了工作人员的总工作时间。从经济性分析，故障的减少带来检修支出的减少，初步统计约25万元。通过设备准入制度的建立，采购了一批符合10号线当前检修标准的车载PIS设备，预计未来会进一步减少重点设备故障的发生，同时降低故障检修的难度。近一年的跟踪调研显示，10号线车载PIS标准化策略具备进一步推广的价值。

5 结语

综上所述，研究结果为北京地铁现有车型车载PIS技术升级改造后的统型、后续车型车载PIS的采购提供了技术支持。目前，北京地铁10号线列车乘客信息系统的技术规范、检测规范的征求意见稿及配套的检修规程已经编制完毕，已于2019年在车辆大修中10号线万柳检修中心进行应用，并取得初步成效。