智軌車站服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

鄒 斌，蔣小晴，肖 磊，吳俊亮，詹崇樹

（1. 中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001; 2. 四川川南軌道交通運營有限公司，四川 宜賓 644600）

0 引言

車站作為最直接的客運組織場所，為乘客提供上下車、換乘及候車等服務(wù)功能，是公共交通運輸系統(tǒng)的重要組成部分。智能軌道快運系統(tǒng)（autonomous-rail rapid transit，ART）是一種以地面敷設(shè)為主的中低運量交通制式，其車站建設(shè)時需要更多地考慮路權(quán)形式、運營組織及乘客過街等因素[1]。車站服務(wù)系統(tǒng)作為ART站臺的重要組成部分，直接影響到車站客運的安全性、運營組織的便利性及乘客乘坐的體驗感[2]。為了合理地設(shè)置智軌車站服務(wù)系統(tǒng)，借鑒軌道交通的運營理念，ART車站系統(tǒng)設(shè)計主要考慮候車安全性、乘車準(zhǔn)時性及運營高效性。

本文將基于宜賓智軌T1線站臺的需求，以滿足正常運營管理、安全疏散、提供信息化服務(wù)為主要目的，進(jìn)行智軌車站服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)集成工作。系統(tǒng)主要由乘客信息、廣播、視頻監(jiān)控、售檢票及站臺門等系統(tǒng)組成，并通過車站現(xiàn)地系統(tǒng)來保障車站服務(wù)系統(tǒng)在通信故障情況下的正常運行。

1 ART車站服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

參考地面中低運量軌道交通車站服務(wù)系統(tǒng)特點，ART車站服務(wù)系統(tǒng)通過設(shè)置乘客信息系統(tǒng)（passenger information system, PIS）與廣播系統(tǒng)（public-address system, PA）向乘客提供客觀、可靠的站臺信息，包括列車到達(dá)時間、運行班次信息、相應(yīng)的城市資訊、實時新聞、宣傳廣告與娛樂信息等[3]。同時，結(jié)合以地鐵為代表的大運量城市軌道交通，通過設(shè)置站臺門系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)（closed circuit television，CCTV）保證乘客的候車安全，通過設(shè)置自動售檢票系統(tǒng)(automatic fare collection，AFC )進(jìn)一步提高ART的運營效率與乘車舒適性，保證智軌電車安全、快速、高效運行。ART車站服務(wù)系統(tǒng)通過建立車站現(xiàn)地控制系統(tǒng)，實現(xiàn)站臺中心化，確保在控制中心失效時車站服務(wù)系統(tǒng)仍能實現(xiàn)部分核心的通信信號系統(tǒng)功能（乘客信息服務(wù)、乘客上下車），以提高系統(tǒng)的可用性，提升用戶體驗。ART車站服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)通過傳輸系統(tǒng)與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成乘客信息系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)等的相關(guān)服務(wù)信息發(fā)布以及站臺門系統(tǒng)的開關(guān)門動作執(zhí)行，同時將各系統(tǒng)狀態(tài)信息回傳確保各系統(tǒng)的狀態(tài)可控。

圖 1 智軌車站服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of ART station service system

2 子系統(tǒng)功能

ART車站服務(wù)系統(tǒng)子系統(tǒng)包括現(xiàn)地控制系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、PA系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)、站臺門系統(tǒng)及AFC系統(tǒng)。

2.1 現(xiàn)地控制系統(tǒng)

現(xiàn)地控制系統(tǒng)通過配置現(xiàn)地控制主機、射頻接收機、WiFi單元等站臺控制設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)地控制模式切換、射頻定位、站臺聯(lián)動控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障記錄等功能，進(jìn)而達(dá)到站臺中心化的目的。正常模式（中心控制模式）下，現(xiàn)地控制僅通過射頻接收機將車輛定位信息發(fā)送給現(xiàn)地控制主機，并由現(xiàn)地控制主機將該信息轉(zhuǎn)發(fā)至智軌電車，從而實現(xiàn)智軌電車的精確定位。在現(xiàn)地模式下，現(xiàn)地控制系統(tǒng)通過控制主機通信單元以TCP/IP以太網(wǎng)傳輸方式實現(xiàn)與地面各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互，并根據(jù)車輛的位置信息，結(jié)合廣播、PIS等系統(tǒng)接口協(xié)議控制相關(guān)乘客信息發(fā)布；通過WiFi單元實現(xiàn)車輛與地面的短程無線接入及通信，進(jìn)而實現(xiàn)站臺門控制；控制主機通過網(wǎng)絡(luò)實時查詢各個子系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)（正常/故障），包括站臺門控制器、PA控制器、PIS顯示屏、室內(nèi)基帶處理單元（building base band unite, BBU）及交換機等設(shè)備。采用站臺交換機的端口鏡像功能，通過現(xiàn)地控制主機對WiFi、射頻、站臺門、PA及PIS等系統(tǒng)設(shè)備的控制命令及其他關(guān)鍵交互信息數(shù)據(jù)包進(jìn)行抓取并記錄存儲。

圖 2 現(xiàn)地系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系圖Fig. 2 Association graph of local control system

作為站臺中心化的主要系統(tǒng)，現(xiàn)地控制系統(tǒng)初始化默認(rèn)為中心控制模式，確保不干擾正常模式下的運營，并對中心實時發(fā)送的心跳信號狀態(tài)等條件進(jìn)行判斷，當(dāng)狀態(tài)異常時進(jìn)入現(xiàn)地模式；當(dāng)車輛運行至車站附近時，現(xiàn)地系統(tǒng)對4G通信鏈路是否正常等切換條件進(jìn)行判斷，當(dāng)鏈路異常時進(jìn)入現(xiàn)地模式。進(jìn)入現(xiàn)地模式后，由車載信號主機車載控制單元（onboard control unit, OBCU）向現(xiàn)地控制主機發(fā)送預(yù)廣播播報、PIS顯示、站臺門開關(guān)等指令，實現(xiàn)站臺中心化（圖3）。

圖3 現(xiàn)地控制流程圖Fig.3 Control fl ow of local control system

2.2 PIS系統(tǒng)

PIS系統(tǒng)是一個集運營信息服務(wù)、多媒體實時資訊發(fā)布、廣播電視節(jié)目制作與播出于一體的綜合信息平臺。在正常情況下，PIS系統(tǒng)提供乘車須知、管理者公告及列車運行時間等運營信息，以及公益信息、出行參考、新聞、電視直播和廣告等公共媒體信息。在緊急情況下，本著運營信息優(yōu)先使用的原則，可提供動態(tài)輔助性提示，使乘客安全、高效地疏散、撤離，以確保ART高效、安全地運營[4-5]。

PIS系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決于有線傳輸網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。對于有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說，設(shè)備本身與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均起著重要作用。根據(jù)智軌電車行駛過程中的實際要求，目前將有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計為星形結(jié)構(gòu)的千兆以太網(wǎng)（圖4），以確保正常工況下智軌電車的穩(wěn)定運行；同時通過現(xiàn)地系統(tǒng)的控制，確保網(wǎng)絡(luò)中斷工況下智軌電車的正常運行。

圖 4 乘客信息系統(tǒng)拓?fù)銯ig.4 Topology of the PIS

站臺子系統(tǒng)包括播控器與LCD屏。其中播控器一方面負(fù)責(zé)接收并下載控制中心的命令、各類信息、系統(tǒng)參數(shù)等，一旦控制中心或網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)發(fā)生故障，通過與現(xiàn)地控制主機的信息交互來實現(xiàn)站臺中心化控制；另一方面，負(fù)責(zé)將站臺各終端設(shè)備的工作狀態(tài)、工作日志及故障情況等信息定期地上傳至控制中心。而站臺顯示屏作為信息交互窗口，通過播控軟件實現(xiàn)信息分類及顯示。播控軟件作為一個統(tǒng)一容器，搭建方式采用Java Frame框架；其依據(jù)軟件平臺設(shè)定的播放計劃來描述文件plan.xml中的定義，對各Frame分區(qū)在界面中進(jìn)行繪制，如圖5所示。通過編播中心編制模板，可以設(shè)置組件（如視頻、文本、圖片及車站組件等），制定播放計劃，并根據(jù)設(shè)定列表的型式選擇對應(yīng)播放器播放。對于應(yīng)急廣播，系統(tǒng)可依據(jù)播放信息的重要性設(shè)定優(yōu)先級，優(yōu)先級高的信息可覆蓋優(yōu)先級低的。其中，通用信息在指定位置固定播放，應(yīng)急信息（如緊急疏散、安全信息及應(yīng)急故障等）采用全屏滾動。

圖5 播控器軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture of the broadcast controller

圖6 廣播系統(tǒng)拓?fù)銯ig.6 Topology of the PA system

2.3 PA系統(tǒng)

PA系統(tǒng)是城市軌道交通運營行車組織的必要手段，其負(fù)責(zé)向乘客通告當(dāng)前的運營情況等信息，向運營人員發(fā)布有關(guān)通知信息以協(xié)同配合工作。正常情況下，PA系統(tǒng)向乘客廣播，通知列車到站、離站、線路換乘、列車誤點及安全狀況等信息[6-7]，引導(dǎo)乘客正確搭乘列車，并播放背景音樂來改善候車環(huán)境；突發(fā)情況，特別是在發(fā)生火災(zāi)、車輛事故等緊急情況下，通過車站PA系統(tǒng)組織指揮事故搶險，安全、有效、快速地疏導(dǎo)乘客，有效提高應(yīng)急響應(yīng)能力。

在傳統(tǒng)軌道交通站臺PA系統(tǒng)中，雖然主要采用音頻或調(diào)頻方式，但因存在擴展性差/信號失真等缺點，已逐步發(fā)展為基于音頻和調(diào)頻傳輸?shù)腜A系統(tǒng)?；谝纛l和調(diào)頻傳輸?shù)腜A系統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)智能廣播，但受傳輸方式的限制，只能以分區(qū)、分組的方式實現(xiàn)控制；加之缺乏獨立的節(jié)目源，導(dǎo)致廣播功能不能滿足個性化的應(yīng)用需求。

為了進(jìn)一步提高ART站臺PA系統(tǒng)的可靠性，通過采用IP網(wǎng)絡(luò)廣播來解決傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)的傳輸距離短、音質(zhì)不佳、維護(hù)管理復(fù)雜及互動性能差等問題。ART的PA系統(tǒng)其網(wǎng)管、語音和控制數(shù)據(jù)共用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道，并通過有線傳輸網(wǎng)絡(luò)提供的通道與車站設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互（圖6）。系統(tǒng)基于以太網(wǎng)，可實現(xiàn)跨線路控制、監(jiān)控和多用戶管理，并且能夠與防災(zāi)、信號等外部系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動控制管理；具備設(shè)備故障自動檢測系統(tǒng)能力，內(nèi)置操作監(jiān)測、故障輸出告警以及故障日志記錄等功能；功能音頻、監(jiān)聽、控制、狀態(tài)和網(wǎng)管等信息均以數(shù)字信號形式傳輸，實現(xiàn)信號數(shù)字化處理和傳輸。

2.4 CCTV系統(tǒng)

ART的CCTV系統(tǒng)用于滿足行車管理人員（如中心調(diào)度人員、車站值班員及列車司機）對相應(yīng)的管轄區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視的需求，是維護(hù)和保證運輸安全的重要手段之一；當(dāng)車站發(fā)生災(zāi)情時，該系統(tǒng)亦可作為防災(zāi)調(diào)度員指揮搶險的工具[8]。CCTV車站系統(tǒng)通過傳輸系統(tǒng)（以太網(wǎng)）將站臺監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至中心服務(wù)器，CCTV系統(tǒng)從調(diào)度管理集成軟件接口中接收設(shè)備動作指令及配置信息，控制中心通過以太網(wǎng)實時查看視頻監(jiān)控信息，CCTV系統(tǒng)提供設(shè)備狀態(tài)信息反饋至控制中心（圖7）。

圖 7 視頻監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)銯ig.7 Topology of the video monitoring system

CCTV系統(tǒng)采用全高清視頻制式，通過H.265圖像編碼方式，實現(xiàn)低于1.5 Mb/s帶寬下的視頻傳輸；同時H.265方式具有更高的數(shù)據(jù)壓縮比，能夠更好地適應(yīng)IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，實現(xiàn)1080P全高清視頻傳輸。同時通過在控制中心設(shè)置網(wǎng)絡(luò)存儲服務(wù)器、視頻管理平臺服務(wù)器和監(jiān)控終端，在車站設(shè)置球形一體化攝像機，在快速充電站設(shè)置槍式攝像機，并通過有線傳輸以太網(wǎng)形式進(jìn)行連接，實現(xiàn)全區(qū)域的視頻監(jiān)控及存儲。CCTV系統(tǒng)通過服務(wù)器的管理軟件，啟動或停止錄像設(shè)備的實時錄像功能，實現(xiàn)實時錄像時的動態(tài)偵測錄像轉(zhuǎn)換，使圖像質(zhì)量達(dá)到高清度水平，分辨率為1080P。全線視頻數(shù)據(jù)采用IPSAN方式集中存儲于控制中心的存儲設(shè)備上；CCTV系統(tǒng)具備循環(huán)錄像功能，數(shù)據(jù)存滿后，按時間先后順序進(jìn)行內(nèi)容覆蓋。

2.5 站臺門系統(tǒng)

站臺門系統(tǒng)作為站臺共區(qū)域與智軌電車間的可控通道，其在智軌電車進(jìn)站時能配合車門聯(lián)動，同時在乘客候車時能避免由于擁擠或其他原因?qū)е碌某丝瓦M(jìn)入行車區(qū)域類事故的發(fā)生，從而確保正常的行車運營[9]。

站臺門系統(tǒng)設(shè)置于站臺邊緣處，將旅客候車區(qū)域與智軌電車車道隔離，并在相應(yīng)位置安裝滑動門；智軌電車到站后，相應(yīng)站臺門打開，供旅客上下車，為乘車旅客提供安全保障。站臺門通過多種短程通信方式，接收車載相關(guān)開關(guān)門指令直接控制門的開關(guān)，同時通過以太網(wǎng)接口與控制中心調(diào)度系統(tǒng)通信，接收、執(zhí)行調(diào)度系統(tǒng)的相關(guān)開關(guān)門控制命令，并將相關(guān)狀態(tài)信息回傳，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控。當(dāng)中心子系統(tǒng)宕機或者車站與中心網(wǎng)絡(luò)中斷時，車站子系統(tǒng)通過現(xiàn)地系統(tǒng)進(jìn)行運行。

智軌站臺門系統(tǒng)具備3級控制能力，即就地控制、控制中心控制和車載信號控制，以確保站臺門在不同工況下的安全操作，其控制優(yōu)先級別依次遞減[8]。通過現(xiàn)場總線及硬線，將每側(cè)站臺安全門單元中所有設(shè)備的狀態(tài)及故障信息傳送到站臺安全門監(jiān)控系統(tǒng)上；利用維護(hù)終端或從中央控制盤上查詢所監(jiān)視設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)及報警信息。中央控制盤將相關(guān)的站臺門狀態(tài)及故障信息通過以太網(wǎng)傳輸至控制中心，以顯示站臺安全門系統(tǒng)狀態(tài)及故障信息。站臺門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 站臺門系統(tǒng)拓?fù)銯ig.8 Topology of the platfrom door system

圖 9 站臺門控制流程Fig. 9 Control fl ow of the platfrom door system

站臺門上、下行控制系統(tǒng)（圖9）均獨立構(gòu)成，由本側(cè)就地控制盤（PSD system local controller，PSL）、若干門控單元（door control unit，DCU）及控制回路及單元控制器等組成，確保兩側(cè)故障互不影響；每側(cè)滑動門的 DCU控制相對獨立，任意扇門的故障不影響其他門的正常運行。當(dāng)列車進(jìn)站時，車輛相關(guān)信息通過信號系統(tǒng)發(fā)送到站臺門控制器，站臺門系統(tǒng)收到相關(guān)車輛信息及開門命令后，對應(yīng)的門體打開；當(dāng)站臺門系統(tǒng)收到信號系統(tǒng)關(guān)門命令時，對應(yīng)門體關(guān)門，門體關(guān)門到位且鎖緊后，發(fā)送鎖閉信號至信號系統(tǒng)，信號系統(tǒng)收到此命令，列車關(guān)門并駛出站臺[10]。當(dāng)信號系統(tǒng)發(fā)生故障時，站臺門系統(tǒng)可通過操作PSL發(fā)送相應(yīng)的開關(guān)門命令來控制站臺門。另外，調(diào)度中心通過CCTV系統(tǒng)實時監(jiān)控站臺狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時，可通過調(diào)度中心對站臺門進(jìn)行控制。

2.6 AFC系統(tǒng)

AFC系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)搜集和系統(tǒng)控制等技術(shù)實現(xiàn)售票、檢票、會計及統(tǒng)計等高度自動化的票務(wù)管理功能，是城市軌道交通體系中不可或缺的重要組成部分。檢票機內(nèi)網(wǎng)以有線和WiFi方式連接到后臺服務(wù)系統(tǒng)，內(nèi)網(wǎng)出口通過防火墻隔離保障系統(tǒng)安全，防火墻使用白名單策略保證所有網(wǎng)絡(luò)連接均受控。后臺服務(wù)系統(tǒng)部署于控制中心，通過防火墻、入侵檢測設(shè)備提供訪問控制列表、黑白名單、報文檢測、危險檢測、數(shù)據(jù)防泄漏檢測等安全組合措施，確保網(wǎng)絡(luò)安全。AFC系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D10所示。

圖10 AFC系統(tǒng)拓?fù)銯ig.10 Topology of the AFC system

乘客通過自動售票機、BOM機及手機終端等進(jìn)行購票，進(jìn)站過程中通過閘機、車載POS機及手持POS機對車票有效性進(jìn)行判斷，記錄車票信息并上傳至控制中心相關(guān)服務(wù)器；乘客到達(dá)目的地出站時，閘機等設(shè)備對車票信息進(jìn)行確認(rèn)并扣費回收[11]。

ART自動售檢票系統(tǒng)目前主要采用以下兩種方案，分別適用于不同場景：

（1）車上售檢票。其僅在智軌電車上配置計費終端設(shè)備，采用車載 POS 機（讀卡器）檢票。單程乘客采用現(xiàn)金支付的方式；公交一卡通可作為儲值票使用。該方式在車站無需設(shè)置付費區(qū)和阻擋裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低；但通常需要在車上設(shè)置售票員，且無法實時監(jiān)測客流情況。

（2）地面售檢票。其在車站設(shè)置售檢票設(shè)備，采用非接觸式 IC卡車票。單程乘客通過售票機購買車票，在閘機上刷卡進(jìn)入付費區(qū)；公交一卡通可作為儲值票使用。該方式需在車站設(shè)置付費區(qū)和阻擋裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高；但自動化水平相對較高，車上通常不設(shè)售票員，且能實時監(jiān)測客流情況。

3 ART車站服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展

隨著首條商業(yè)運營線路——宜賓智軌T1線于2019年12月5日的開通，ART站臺系統(tǒng)也正式投入使用。該系統(tǒng)通過廣播、乘客信息系統(tǒng)的信息提示來提醒乘客正確乘車，通過綜合CCTV系統(tǒng)保證站臺的安防監(jiān)控，通過站臺門系統(tǒng)保證乘客的安全候車，通過AFC系統(tǒng)實現(xiàn)乘客的高效進(jìn)出站及收費。

ART車站設(shè)備未來發(fā)展將注重于創(chuàng)意智慧型設(shè)計，在滿足基本安全、便捷乘車的前提下，結(jié)合云技術(shù)，提高站臺設(shè)備穩(wěn)定性，同時在人機體驗上進(jìn)一步提高乘客的候車舒適性。

3.1 智慧乘車的安全性和舒適性

智軌電車無實際物理軌道，目前車輛停車位置與站臺間仍存在間隙?？煽紤]在站臺安裝伸縮板裝置，通過車載開關(guān)門信號控制站臺伸縮踏板運動，同時通過伸縮踏板的距離調(diào)節(jié)來保證乘客上下車安全。依托圖像識別技術(shù)，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對站臺乘客行為信息進(jìn)行識別，對危險行為進(jìn)行預(yù)警。

在站臺增加相關(guān)暖房設(shè)備，通過配置相關(guān)空氣調(diào)節(jié)設(shè)備以及相關(guān)環(huán)境檢測傳感器，保證暖房內(nèi)部溫度適宜，提高乘客的候車舒適度。

3.2 站臺智慧人機互動

目前ART車站服務(wù)系統(tǒng)的功能主要為保障運營的安全、可靠，在人機交互方面仍有待提高。后期可通過設(shè)置智能動態(tài)信息顯示屏，提供相關(guān)乘車信息，并對相關(guān)熱門新聞、政府公告、天氣預(yù)報、路況等信息進(jìn)行發(fā)布。同時可以通過設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的連接，為乘客提供以相應(yīng)站臺為中心的周邊范圍內(nèi)的商店、餐廳、旅店等等各類增值服務(wù)信息，充分考慮站臺便民服務(wù)功能。

4 結(jié)語

車站服務(wù)系統(tǒng)作為ART的重要組成部分，為保證站臺區(qū)域的乘車安全、提高乘客候車舒適性起到了重要作用。目前智軌站臺設(shè)備已基本滿足完整性方面要求，但部分性能仍存在可提升空間，通過各系統(tǒng)間的統(tǒng)一整合，逐步加強各系統(tǒng)間的融合性，實現(xiàn)智軌站臺設(shè)備的整體性能提升。