地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)研究

趙京超

（北京奧特維科技有限公司，北京 100015）

0 引 言

地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)是當前地鐵乘客信息系統(tǒng)不可替代的重要組成部分[1]，是地鐵在緊急情況下乘客對外進行呼叫救援的主要工具，也是地鐵出現(xiàn)火災等重大災害時，保障救援工作可以順利開展的重要基石。在當前地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)的研發(fā)過程中，技術人員需要切實加強對緊急報警系統(tǒng)的分析與研究，借助現(xiàn)代數(shù)字技術，提升地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)的可靠性與通信質量，以此確保地鐵運行的安全與穩(wěn)定，切實滿足當前地鐵緊急報警的要求。

1 地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)的構成及工作原理

乘客報警系統(tǒng)的主要功能是在發(fā)生緊急事件時，乘客通過觸發(fā)報警器向司機請求報警通信，司機在接收到乘客的報警請求后視情況允許或拒絕乘客的報警，在允許報警后建立乘客與司機之間的報警通信通道，使得司機與乘客可以通過語音通信了解緊急事件的細節(jié)，從而采取合適的應急處理措施。

地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)一般由乘客報警器、通信線路和設備、司機報警處理裝置共同組成，系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 地鐵列車乘客報警系統(tǒng)示意圖

圖1 中，乘客報警器主要完成報警觸發(fā)、乘客音頻信號拾取發(fā)送以及司機音頻的接收放大。通信線路完成音頻和控制信號的連接，現(xiàn)在一般采用列車網(wǎng)絡、CAN 總線[2]，早期也有使用模擬音頻線加RS-485 總線[3]的方式。如果使用CAN 總線，乘客報警器一般直接與司機報警處理裝置通信；如果使用列車網(wǎng)絡，則乘客與司機的設備之間需要使用通信設備——交換機。司機報警處理裝置一般是集成在司機控制單元中的一個功能模塊，很少有獨立設置的司機報警處理設備。

乘客報警系統(tǒng)看似簡單，但其工作流程并不簡單。完成一次報警，需要經(jīng)過觸發(fā)報警→報警管理→確認→音頻通話→關閉報警這樣幾個步驟。其工作原理如圖2 所示。由于通信設備在此過程中只是透傳信息，并不完成任何報警功能，在此予以忽略。

圖2 乘客報警工作原理示意圖

圖2 中，乘客報警的工作自上而下展開。報警觸發(fā)一般是通過一個開關或按鈕完成，觸發(fā)后的信號傳送到司機報警處理裝置，進入報警管理模塊。報警管理模塊會提示司機是哪個位置來的報警請求并等待司機處理。司機確定響應后，通過報警回應模塊告訴乘客報警器已接受報警，建立音頻對講，此時乘客可以將緊急情況匯報給司機。報警完成后，司機在處理裝置上關閉當前報警，將此信息通過報警回應模塊告訴乘客報警器，使得報警器關閉。

2 地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)的技術分析

2.1 技術特點

地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)具有可靠性要求高、防誤操作設計以及防呆設計等技術特點。

2.1.1 可靠性要求高

由于地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)是在緊急情況下乘客用于求助的最重要也是幾乎唯一的手段，因此必須能夠可靠地工作。然而，報警器又是一個很少使用的設備，無法像列車廣播系統(tǒng)一樣在日常使用中發(fā)現(xiàn)問題，因此特別注重可靠性設計[4]。

針對這種可靠性要求，乘客報警器的觸發(fā)裝置一般使用機械開關而不用輕觸或者觸摸開關。這是因為，輕觸或觸摸開關都需要電路乃至軟件才能完成功能，而機械開關只要機械動作執(zhí)行沒問題就能夠可靠地觸發(fā)。如圖3 所示的報警器，中間的紅色防誤觸蓋子下面就是報警觸發(fā)的機械開關。

圖3 一種乘客報警器

此外，報警器與司機處理裝置的控制信號連接也要盡可能簡單，一般采用CAN 總線連接方式，用兩根線完成控制信號的傳送，且通信速率在滿足要求的前提下盡可能采用低碼率，提高通信的可靠性。近年來，隨著列車網(wǎng)絡的可靠性不斷提高，也有采用列車局域網(wǎng)的方式，但相比較而言CAN 總線的可靠性更高。音頻通路則采用最傳統(tǒng)的模擬線路，這樣經(jīng)過的環(huán)節(jié)最少，音頻通話的可靠性能夠得到保證。此外，在電路結構上也盡可能簡單，能用硬件實現(xiàn)的結構盡可能用硬件完成，能使用低速芯片就不用高速芯片，這些措施都是為了提升可靠性。

2.1.2 防誤操作設計

列車在行駛時，司機的注意力高度集中，這是為了保證乘客出行安全所要求的。為了讓司機專注于車輛駕駛，盡可能不受外界干擾，乘客報警系統(tǒng)需要防止乘客誤觸發(fā)報警，這也是為了讓真正的報警能夠有效地傳遞到司機處，否則，如果經(jīng)常有誤報警就可能影響真正的報警傳遞。為此，報警器的觸發(fā)開關都會設計有可開啟的蓋板或可擊碎的罩板。這樣，如果有乘客需要報警就必須執(zhí)行兩個動作：抬起蓋板→撥動開關，防止有人僅僅是靠在上面就觸發(fā)了報警。此外，報警系統(tǒng)的控制權在司機端，乘客不能強制與司機對講，司機可以隨時中斷或者屏蔽某個報警器，這樣可以防止有人惡意占用報警資源。

2.1.3 防呆設計

防呆設計方面，連接器的設計盡可能與其他連接器不同，防止安裝時連接錯誤。乘客報警器上一般僅設計一個報警觸發(fā)開關，其他都交由司機控制，防止乘客在緊急情況下忘記打開拾音器從而影響對講，或者在報警完成后忘記關閉報警器而產(chǎn)生對司機的干擾。面板上會設計一些簡單而明確的提示，保證乘客一看就會操作。

2.2 地鐵列車乘客緊急報警系統(tǒng)的新發(fā)展

乘客報警系統(tǒng)除了要求使用簡便、可靠外，也對通話質量和功能提出了更多的要求。例如解決傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)中困擾司機和乘客的回聲問題，在增強功能的基礎上增加可靠性等等。網(wǎng)絡技術、數(shù)字技術及處理器的發(fā)展，為人們提供了解決更多需求的可行方法。

對于報警系統(tǒng)中的回聲問題，設計人員可以采用基于數(shù)字信號處理技術的回聲消除算法來抑制回聲?；芈曄幕驹砣鐖D4 所示。

圖4 展示的是在司機端的回聲消除。它可以讓來自乘客的語音信號不再返回乘客報警器端。這樣，乘客在講話時不會聽見自己的聲音，可以減少被自己的語音困擾。乘客端的語音消除也是同樣的原理。

在沒有回聲消除的模擬信號系統(tǒng)中，來自乘客的語音信號會經(jīng)過圖4 中虛線所示的空間聲音通道，被司機端的拾音器拾取，然后通過語音對講系統(tǒng)返回乘客端，形成回聲。乘客在報警器端不僅能聽到司機的講話，同時還有自己發(fā)出的聲音，從而造成困擾。回聲消除算法的基本原理就是通過對司機或乘客的語音信號以及兩側同時講話的檢測，判斷當時的工作狀態(tài)，然后產(chǎn)生控制參數(shù)，將自適應濾波器[5]調(diào)整到適合的工作模式。一般為以下3種工作模式：

（1）只有乘客講話，濾波器工作，根據(jù)誤差信號更新濾波器參數(shù)；

（2）只有司機講話，濾波器不工作；

（3）乘客和司機同時講話，濾波器以缺省的參數(shù)工作。

圖4 中，來自乘客的語音信號通過空間聲音通道回到向乘客發(fā)送語音的通路中。同時，乘客的語音信號也經(jīng)過一個自適應濾波器，讓經(jīng)過濾波之后的信號與通過空間返回的信號相近然后相減，這樣可以在發(fā)往乘客端的信號中消除來自乘客自己的語音信號。自適應濾波器的濾波參數(shù)根據(jù)相減之后的誤差信號調(diào)整，使得相減之后的誤差信號盡可能小，這樣逐步調(diào)整達到最佳消除效果。這里的自適應濾波實際上就是模擬空間聲音通道。很明顯，在只有乘客講話的情況下，濾波器進行自適應調(diào)整濾波即可。在只有司機講話的情況下不需要進行回聲消除。在兩者都講話的情況下，為了減少對司機語音的干擾，采用一組折中的濾波參數(shù)，使得總體效果最好。

圖4 回聲消除基本原理

另外，在新技術的支持下，列車報警系統(tǒng)有網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展趨勢[6]。但報警系統(tǒng)網(wǎng)絡化后，由于網(wǎng)絡并非專用于報警系統(tǒng)，因此必須采取一定的措施保證報警系統(tǒng)的可用性。實際上，這是基于網(wǎng)絡的報警系統(tǒng)的可靠性設計。運維人員可以采用設備自檢結合定時巡檢的方式，定時收集報警系統(tǒng)中各個設備的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障，保證報警系統(tǒng)的可用性。

3 結 語

地鐵列車乘客報警系統(tǒng)是列車安全運行中最重要的系統(tǒng)之一。因此，乘客報警系統(tǒng)的設計必須把可靠性放在第一位，采取各種措施將失效和誤操作的概率降到最低。同時，設計人員也需要采用各種新技術，如視頻傳輸、人工智能等，來豐富乘客報警系統(tǒng)的功能，在保證報警系統(tǒng)的可靠性的同時，提升報警系統(tǒng)的使用體驗。