地鐵乘客信息系統(tǒng)中車—地實(shí)時信息的傳輸及控制分析

代民安

（江蘇省設(shè)備成套有限公司，江蘇 南京210009）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)水平的提高以及人口數(shù)量的增加，城市交通擁堵問題在世界范圍內(nèi)尤其是各大、中城市日益嚴(yán)峻。為了緩解城市道路交通擁堵的狀況，許多城市都開始著手規(guī)劃和建設(shè)舒適、便捷、高效的地鐵軌道交通系統(tǒng)。在城市地鐵系統(tǒng)建設(shè)不斷發(fā)展的形勢下，地鐵乘客信息系統(tǒng)（Metro Passenger Information System）作為一種新興的軌道交通系統(tǒng)，也逐漸開始得到應(yīng)用。有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2012年乘客信息系統(tǒng)（PIS）在全國軌道交通改造及其相關(guān)機(jī)電設(shè)備采購中占據(jù)了相當(dāng)?shù)姆蓊~，其中北京地鐵14號線、無錫地鐵1號線及2號線，以及長沙軌道交通1號線等都進(jìn)行了乘客信息系統(tǒng)設(shè)備的采購。

1 地鐵乘客信息系統(tǒng)及其構(gòu)成

地鐵乘客信息系統(tǒng)依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)，由控制中心、廣告編輯中心、車站控制子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示。該系統(tǒng)可以對多種多媒體資訊信息進(jìn)行編輯和制作，并借助車站或車載液晶顯示器實(shí)時動態(tài)地傳輸給地鐵乘客，從而提高乘客的出行效率，提升地鐵軌道交通的服務(wù)水平及競爭力。同時，在發(fā)生火災(zāi)、地震、恐怖襲擊等緊急情況時，該系統(tǒng)還可以迅速廣播各種動態(tài)的有關(guān)緊急疏散和防災(zāi)的文本及圖像信息，協(xié)助和引導(dǎo)乘客進(jìn)行緊急避難，從而有效保障乘客及工作人員的生命安全。

圖1 地鐵乘客信息系統(tǒng)基本構(gòu)成

其中，車載子系統(tǒng)是地鐵乘客信息系統(tǒng)的重要組成部分之一，可以接收和廣播控制中心下發(fā)的各類多媒體信息，并在地鐵進(jìn)站時，及時插播地鐵的到站信息和換乘信息。此外，車載子系統(tǒng)中設(shè)置有攝像機(jī)，用于采集車廂內(nèi)的圖像，便于司機(jī)和控制中心人員的實(shí)時監(jiān)控。然而，車載子系統(tǒng)在車—地信息傳輸過程中，其通信信號很容易受到無線通信、有線廣播、內(nèi)部通信聯(lián)絡(luò)、基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）、移動GSM、CDMD及3G通信等的干擾，影響傳輸質(zhì)量。同時，在高速移動的地鐵上，傳輸觸發(fā)時機(jī)和數(shù)據(jù)流量的高速切換也存在很大的問題，如果處理不當(dāng)，就會造成信息重傳、信號衰減、傳輸速率下降等問題，導(dǎo)致車—地之間數(shù)據(jù)和圖像不能實(shí)時、無縫地進(jìn)行傳輸。因此，保證車—地信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實(shí)時性，對提高地鐵運(yùn)營服務(wù)水平來說，就顯得非常重要。

2 車—地信息傳輸網(wǎng)絡(luò)

常用的車—地信息傳輸網(wǎng)絡(luò)可以分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩種。對于前者，隨著城市地鐵軌道交通的線網(wǎng)化發(fā)展和線路的復(fù)雜化，為滿足換乘線路間的信息互通需求，需要不斷增加線路的外部信息源接口和線路間PIS接口，此時無論采用車站接口模式還是中心接口模式，都會增大有線光纜的敷設(shè)難度，導(dǎo)致地鐵管理難度加大。而采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，只需在地鐵沿線設(shè)置無線傳輸設(shè)備和天線，并在地鐵線路的車站設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器，就可以實(shí)現(xiàn)車輛與地面間信息的實(shí)時傳輸。

目前，可應(yīng)用于地鐵數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有數(shù)字視頻廣播技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)流媒體技術(shù)。采用數(shù)字視頻廣播技術(shù)可以提高車載新聞及娛樂視頻節(jié)目的播放質(zhì)量和時效性，基本可以滿足10Mb／s以上的多媒體信息下傳，但是當(dāng)采用該技術(shù)向移動地鐵發(fā)送視頻信號時，低頻率信號容易發(fā)生快速衰減，尤其是在隧道中，因此一般需要在隧道中敷設(shè)漏纜。而采用網(wǎng)絡(luò)流媒體技術(shù)，不僅造價較低，而且車載計(jì)算機(jī)還可以通過無線局域網(wǎng)（WLAN）平臺從遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時下載視頻文件、導(dǎo)乘信息等，并進(jìn)行信息合成，然后以VGA的方式輸出到車載顯示屏上，從而完成信息的遠(yuǎn)程實(shí)時播放。因此，當(dāng)前，地鐵乘客信息系統(tǒng)一般選用無線局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。

在國內(nèi)軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)上使用的無線局域網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802．11a、IEEE802．11b和IEEE802．11g，這3類物理層標(biāo)準(zhǔn)可以滿足2．4GHz免許可證開放頻段的工作需求，最大帶寬為54Mb／s。但是，其容易受到地鐵現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性因素尤其是高速移動的影響，難以保證數(shù)據(jù)和圖像實(shí)時傳輸?shù)馁|(zhì)量。特別是當(dāng)?shù)罔F從線路沿線一個WLAN接入點(diǎn)（AP）的覆蓋區(qū)域進(jìn)入另一個AP覆蓋區(qū)域時，需要進(jìn)行切換，容易造成傳輸中斷或延遲。同時，由于無線頻道的帶寬限制，需要采用大量的編碼算法如H．263、MPEG4等對視頻信號進(jìn)行壓縮，很難保證信號傳輸?shù)母咔遒|(zhì)量。

3 車—地信息傳輸?shù)馁|(zhì)量控制

為了保證車—地信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，可以通過有損通道、誤差控制等方法在原始視頻流中增加冗余信息，從而糾正視頻壓縮過程中的位元錯誤，或者是添加適應(yīng)性源—通道編碼，如離散余弦轉(zhuǎn)變視頻編碼、噴泉碼等，以最大程度地減小視頻傳輸失真。不過，這些編碼模型多是針對因信道衰落而造成的數(shù)據(jù)包丟失，而對地鐵高速移動過程中因網(wǎng)絡(luò)高速切換造成的數(shù)據(jù)丟包問題卻不能很好地解決。

3．1 針對網(wǎng)絡(luò)高速切換的傳輸質(zhì)量控制

IEEE802．11p是軌道交通傳輸網(wǎng)絡(luò)中一種新興的技術(shù)，適用于高速變換車輛網(wǎng)絡(luò)，其介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議采用增強(qiáng)型分布式信道訪問，而其物理層則由基于正交頻分多路復(fù)用的IEEE802．11a標(biāo)準(zhǔn)變化而來，其信道寬為10MHz。近幾年，噴泉碼在視頻數(shù)據(jù)流的傳輸中得到廣泛使用，將其引入地鐵乘客信息系統(tǒng)中，有望用于修復(fù)因網(wǎng)絡(luò)高速切換而造成的數(shù)據(jù)包丟失。因此，將上述二者結(jié)合起來，并進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化視頻傳輸服務(wù)質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)采用噴泉碼作為應(yīng)用層，經(jīng)過編碼的應(yīng)用層數(shù)據(jù)包被密封在實(shí)時傳輸協(xié)議（RTP）中，并被傳送到車—地傳輸網(wǎng)絡(luò)中。而網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP）則被IEEE802．11p的MAC和物理層密封，在地鐵高速運(yùn)行過程中，一旦發(fā)生切換，則相應(yīng)的應(yīng)用層參數(shù)自動適應(yīng)，無線信道也自動改變，從而提高車—地視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量。

3．2 針對通信信號干擾的傳輸質(zhì)量控制

在對乘客信息系統(tǒng)造成干擾的眾多信號源中，CBTC干擾的影響最大，可采取以下措施來減小二者之間的相互干擾：

（1）二者選擇同一家WLAN供貨商。目前，CBTC系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)無線帶寬要求分別為2MHz和10MHz，可以通過采用IEEE802．11b的直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)，將視頻傳輸速率提高到11Mb／s，進(jìn)而使CBTC系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)進(jìn)行集成工作，這樣既能節(jié)省無線頻率資源，又能避免二者之間的干擾。

（2）當(dāng)二者的 WLAN供貨商不同時，可將其頻段分開使用。例如，CBTC使用2．4GHz頻段，而PIS使用5．8GHz頻段。

（3）當(dāng)二者的WLAN供貨商不同時，若要使用同一頻段，則可通過改變天線極化方向和規(guī)劃無線頻段的方法來減少二者之間的干擾。

4 結(jié)語

隨著地鐵乘客信息系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，車—地信息傳輸技術(shù)也不斷完善，這對實(shí)現(xiàn)地鐵與車站之間圖像和數(shù)據(jù)的實(shí)時、無縫傳輸起到了重要作用。地鐵出行信息、新聞娛樂信息等多媒體信息的實(shí)時、可靠傳遞，很大程度上提高了城市軌道交通出行的便捷性、安全性和舒適性，也提高了乘客的滿意度，對提升城市地鐵軌道交通的運(yùn)營服務(wù)水平具有重大意義。

［1］闞庭明．城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢探討［J］．鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009（1）