市域铁路智慧乘客信息系统设计

白国岩

(中铁十六局集团电气化工程有限公司 北京 100018)

1 引言

伴随着我国轨道交通领域信息技术的高速发展，信息化系统向智能化、智慧化方向发展[1－2]。国务院下发的《规划纲要》中提出:到2035年，智慧高铁率先建成。意味着国家要在2035完成智慧铁路的目标。智慧铁路的建设包括工程建造、技术装备以及运营服务。特别是运营服务是直接面向大众，直接影响乘客体验和服务评价[3－4]。在轨道交通系统中，乘客信息系统(Passenger Information System-PIS)是一种集计算机网络技术与多媒体技术于一体的综合性服务系统，可为乘客提供动态的候车、换乘及到站信息，即使在火灾等意外发生时也可切换为播放紧急疏散和防灾等文本和图像信息，帮助并及时引导乘客疏散到安全地带[5－6]，在一定程度上也提高了运营服务水平[7]，提高轨道交通的运输效率[8]。

随着4G、LTE、5G等通信技术更新[9]，PIS将智能感知、云计算、大数据、人工智能、移动互联、协同控制等技术，与运营服务、设备维护、装备制造、工程施工等业务深度融合，推进轨道交通系统向信息化、协同化、智能化方向发展[10]。

2 许昌段－郑州机场线市域铁路PIS系统概述

本论文依托许昌段－郑州机场线市域铁路PIS建设展开研究。郑州机场至许昌市域铁路工程(许昌段)包含11座车站(2个为地下站、9个为高架站)、1座停车场。

系统采用最新的显示技术、通信技术及智能的管理技术，建设智慧的多功能乘客服务系统[11]。乘客信息系统轨旁基站与车站通过光纤连接。多光口交换机与带有光口的AP(Access Point，无线访问节点)技术日益成熟，无线访问节点通过中继放大信号，桥接两个端点，实现无线AP间的数据传输，功能强大且价格较低。在乘客信息系统建设中，轨旁AP利用光缆直接与车站交换机进行连接，该方案有利于乘客信息系统的安装与调试，还可以有效地减少故障点。

乘客信息系统作为一类多媒体综合信息系统，可以在铁路系统的各个区域为乘客提供信息服务，通过安装在车厢、车站各处的LCD显示终端，为乘客提供实时的列车运营信息和丰富的公共媒体信息。在正常情况下，运营信息、公共媒体信息共同协调使用；在紧急情况下运营信息优先使用。车地无线系统采用基于5.8 G非授权频段的宽带无线通信系统，用于承载PIS车地无线通信业务。

3 PIS系统拓扑

PIS系统包含线路中心子系统、车站子系统、车载子系统、有线/无线网络子系统[12]。

3.1 线路中心子系统

线路中心子系统主要由中心服务器、接口服务器、核心交换机、以太网交换机、媒体编辑工作站、发布管理工作站、系统网管工作站、预览工作站、LCD屏、磁盘阵列、终端等设备及有关软件组成，如图1所示。以上所有设备均应满足高清标准。

图1 线路中心子系统

同时本系统在备用控制中心设中心服务器、接口服务器等设备，避免在主服务器出现故障时无备用服务器接替作业的情况，备有两种复制技术实现异地容灾。

3.2 车站子系统

车站子系统主要由OPS播放控制器、车站交换机、LCD显示屏(含安装件)、电源控制器等设备及有关软件组成，并且提供的所有音视频设备均应满足高清标准，如图2所示。PIS专用的光缆在机房集成到传输系统ODF架上。

图2 车站子系统

3.3 停车场子系统

停车场子系统主要由以太网交换机、轨旁无线设备(AP及天线)等设备及有关软件组成。

3.4 车载子系统

车辆提供客室LCD彩色图文显示器的防护罩及显示器、车载控制器、车载无线设备、视频服务器(含存储设备)、网络交换机、LCD控制器(可与车载控制器合设)、电源变换器、室内摄像机(含编码器)、视频监视器(带触摸控制功能)，并负责车载设备的线缆、电源等。各线路传输方式采用有线无线相结合模式。

3.5 车地无线子系统

WirelessFiber车地无线网络系统主要由OCC中心子系统、地面(车站、区间)子系统及车载子系统三部分构成，如图3所示。其中OCC中心子系统无线管理控制单元与郑州段的1套设备是双机冗余结构，用以避免设备自身单点故障。无线网管单元的板卡最多可实现对1 500个无线基站的管理，地面子系统中的GSU同步单元保证了精确的时钟同步。

图3 WirelessFiber车地无线系统架构

WirelessFiber车地无线网络系统相比于传统无线通信，具有高带宽、基站覆盖范围大、低时延、小抖动、切换时间短、抗干扰能力强、可支持120 km/h运行时速、支持分集、2乘2多输入多输出的特点。

车地一体化的PIS系统实现了业务流从运营中心覆盖到地面车站、车辆段和运营车段，将车载广播、影视娱乐、视频监控等进行了增强，并通过地面服务器强大的计算和处理能力实现智能分析，为智慧化业务奠定了基础[13]。

4 系统设备组成

4.1 线路中心子系统

(1)PIS系统管理部分在整个PIS系统中负责系统的结构化运行数据的分配和管理。

(2)播出信息管理部分用于向郑许线(许昌段)车站及车载发送实时的信息，并且支持MPEG-2标准格式实现对各个线路的直播功能。

(3)车载视频调看及转发管理主要负责远程调看及转发等功能。

(4)中心子系统保证信息的传输及共享，使得视频、音频传输合理有效。

4.2 车站子系统

车站子系统分为控制部分、现场显示部分和传输设备。

4.2.1 控制部分

控制部分基于虚拟化系统的研究，取消了车站服务器的存在，才一定程度上使得系统在24 h内不间断运行，保证了系统的稳定性和可靠性，但本项目依旧采用车站服务器参与控制[14]。

采用车站服务器与中心服务器进行数据传输，并集中管理本站内的所有播放控制器、终端显示设备。车载服务器采用大容量硬盘，可以存储设备状态数据180 d以上，且其网络流量控制机制具有网络流量控制的功能。

LCD显示屏接受LCD播放控制器控制，进行乘客服务信息、商务信息的发布，并且能智能地处理各种异常情况。

4.2.2 显示部分

(1)车站LCD显示屏视频配线方案

本子系统在车站面向乘客设置的显示终端为站台显示终端。本系统的所有配置均满足高清标准要求。本系统在站台单边设置8台LCD显示器，上下行站台共设置16台LCD显示器。

(2)车站LCD显示屏电源配线方案

车站终端设备电源线全部采用低烟无卤阻燃3乘2.5平方的线缆，线缆布置采用星形方式敷设，在车站机柜内，安装智能电源控制器，终端LCD显示屏直接接入智能电源控制器的输出端。

4.3 车地无线系统

基站设置:根据工程的覆盖要求及基站链路预算，本项目WirelessFiber系统正线及出入段线覆盖基站82个，停车场列检库覆盖基站3个，合计85个基站。

光口及光模块配置:每个基站配一对10 km的中距离光模块。

车载组网方案:WirelessFiber车载子系统由车载无线单元设备和车载通信控制器设备组成。每列车双向传输平均带宽不小于100 Mbps 120 km/h，前后车载无线单元采用双机热备。车载子系统通过车辆专业提供的车载局域网(由三层交换机、二层交换机)连接组成千兆网络。

系统同步:采用GSU同步方式为轨旁基站提供精确时钟同步，即在每个车站设置一台GSU同步单元设备。

系统频率配置:优先考虑使用40 MHz单频组网。

车地无线设备切换:轨旁基站设备间切换和车载无线单元间切换。

可靠车地无线传输能力:采用 OFDM调制技术。

系统特殊条件下运行(换乘站)处理方案:轨旁基站频率规划使用三频组网方案。

4.4 系统抗干扰及通信质量保障方案

系统采用具有2种优先级方式:802.1p或者DiffServ，7种 WFQ 权重序列(实时、信号、TCP Ack、准实时，高级别、中级别、本地管理)和每序列最大信息速率(最小256 kbps，最大无限制)的多级业务QoS分级控制。

系统采用一套基于时隙分配(TSA)的解决方案，通过时分双工(TDD)空口和独特的同步机制，保证相邻接入点设备间连续动态时隙分配以避免同频干扰；802.11ac采用OFDM调制技术，利用子载波之间的正交性，可以有效避免不同子载波之间的邻频干扰；另外WirelessFiber系统可采用空中接口抗干扰、AAR、FARQ机制、不间断传输、接入点设备同步、OFDM、定向天线技术、天线分级技术等抗干扰方法。

5 结语

本文基于对郑州机场至许昌市域铁路工程的研究，面向智慧交通新发展，对乘客信息系统进行了设计，提出了一整套抗干扰能力强、可用性强、可靠性强的信息系统建设方案。该新型PIS网络架构能够有效实时检测设备状态，保证120 km时速运行，有线无线相结合且互不干扰的条件下为乘客提供出列车运营信息和公共媒体信息的多媒体综合信息系统，实现智慧交通体系的支持服务。

在轨道交通中，服务器等设备的云化也将成为一个发展趋势，使得PIS系统的稳定性和可靠性不断提高。