张 雷 翟小旺

(中铁十六局集团电气化工程有限公司 北京 100018)

1 引言

乘客信息系统(Passenger Information System-PIS)是轨道列车为乘客提供各类服务资讯的信息系统，可分为广播系统、乘客信息显示、多媒体播放系统等[1]，并可以划分为车载乘客信息系统和地面乘客信息系统两部分[2]。PIS系统以多媒体播放的形式向乘客展现当前线路的车站信息和换乘信息，可实时监控车厢内情况，并保存录像等。当遇到紧急情况，乘客还可以通过报警装置通知工作人员及时处理；反之，信息系统可以通过视频播放方式帮助乘客及时找到疏散通道快速逃离[3－4]。

随着交通智慧化应用需求的不断深化，越来越多的城市提出智慧交通建设规划，物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术的快速发展将进一步推动智慧交通的落地[5]。

2 乘客信息系统建设需求概述

郑州机场线至许昌市域铁路工程(许昌段)包含11座车站(2个地下站、9个高架站)、1座停车场。该工程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。

郑州机场线至许昌市域铁路工程(许昌段)的PIS通过安装在全线路的站台、列车车厢的LCD显示终端，不间断播放，为乘客实时提供准确的列车运营信息和丰富的公共媒体信息。运营信息、公共媒体信息通常按照设定的模式切换使用；但在紧急情况下，运营信息优先使用或者优先播放特定信息。为确保PIS系统的智能化、智慧化，系统主要基于信息传输网络、移动端和车载信息处理上形成一个网络，如图1所示。使得信息实时分析处理、精确定位等[6]，本文将就该系统功能设计展开研究。

图1 PIS系统控制中心设备架构

3 PIS各系统功能设计

3.1 信息编播中心子系统功能

编播中心子系统是PIS系统核心，通过接口采集的外部信息数据，在编播中心子系统经过编辑、处理后生成内部信息，并按照规定的格式或版式播出[7－10]。郑州段工程设置的信息编播中心子系统，主要具有以下功能:

(1)信息处理功能:接受外部信息，编辑、存储、处理信息完成后下发至各服务器，同时视频服务器可利用网络空闲时间或停运时间将较大的文件提前下发至车站服务器。

(2)广告列表的制作和发布功能:按广告客户需求制作并下发至分线服务器。

(3)电视信号的引入和发布功能:具有引入2路有线电视信号的功能，满足在各线车站、车载LCD显示屏上实时播放1路有线电视的要求，可实现根据列车所在位置播放不同视频信号，同时视频信号可在IP网络广播和组播，同时压缩比、码率可调节。

(4)公共信息的引入和发布功能:如视频及文字新闻、天气预报、股市行情等。

(5)信息预览功能:在处理媒体信息的过程中可以实时触发预览操作，通过显示屏及时预览效果。

(6)资料管理功能:生成和管理经营资料。

(7)媒体素材管理功能:编辑完成的媒体文件在素材库中保存和被引用。

(8)下发功能:可自动接收各信息并下发至服务器，同时可利用网络空闲或停运时间提前将较大的媒体文件进行下载。

(9)播放列表的制订和发布功能:按照地铁运营和广告列表的要求制订播放列表，并通过播放列表的下发，把播放规则以及播放内容发布到各车站和车辆基地服务器中。

(10)播放列表的审核和管理功能:对播放列表进行审核并发布，同时对数据传送定义优先级，对传送日志进行记录。

(11)运营信息的管理功能:操作员可编辑运营服务信息类素材，能够预先定义好各种显示格式/效果的运营服务信息。

(12)本线模板的定义和审核功能:模板编辑软件需有USB-KEY认证机制。

(13)紧急信息发布功能:具有相应权限的高级别管理员可通过紧急信息发布管理工作站或综合监控工作站，输入并管理部署在车站或车厢内的LCD显示屏播放的紧急信息。

(14)远程播出内容监视功能:可在中心指定的任一工作站调看画面，同时路数不少于4路。

(15)防网络攻击功能:数据传输时可加密解密，并具有防黑客入侵的功能。

(16)接口功能:将接受的信息进行解析处理实时传送。

(17)系统网管功能:包括用户管理、磁盘空间管理、日志管理、故障管理。

3.2 车站子系统功能

车站子系统主要包括控制部分和显示部分。控制部分负责接收控制中心下发的各类信息与指令，实现对车站设备的控制。显示部分则负责实现各类乘客服务信息的终端显示。具体包括如下功能:

(1)接收和下发功能:从线路控制中心子系统接收发布视频及文本内容的信息，同时接收线网中心和线路中心的控制命令，并且可将播放信息发送至LCD终端显示设备。

(2)播放控制功能:车站LCD播放控制器实现从本车站服务器接收模板文件、媒体文件以及播放列表，经过合成解码后控制LCD显示屏的播放。

(3)LCD显示屏的功能:播放顺畅清晰，支持多种媒体格式，屏幕分屏不少于8屏，实现由线路中心控制车站LCD显示屏的依次打开和依次关闭等。

(4)同时兼备紧急信息发布功能，播放异常时可启用屏保功能，以及降级播放功能和电源控制功能。

3.3 车载子系统功能

PIS系统车载子控制架构如图2所示，车载子系统包括两个功能:

图2 PIS系统车载子控制架构

(1)车载设备接收和传送功能:可自动接收发布实时和非实时信息，当接收或下发失败时，重新进行。

(2)播放控制功能。

3.4 信息传输功能

郑许市域铁路工程PIS系统信息采用有线、无线网络相结合的方式传输:信息流为信息线路中心(或电视台信号)－各车站/车辆段/停车场－列车之间的信息。主要包括地面有线传输网、车载有线传输网和车地间无线传输网三个部分[11－12]。

4 PIS系统性能分析及系统场强覆盖分析

系统包括的所有硬件设备和软件都应该具有良好的稳定性，稳定率达99%以上；系统具备较完善的容错处理能力和监控能力，从整体上提高系统的可靠性。因此系统建设需要注重规范体系统一化和保障体系安全化等要素[13]。

WirelessFiber车地无线系统采用空间波方式进行无线信号覆盖，在隧道覆盖情况下，系统可利用无线信号传输的多径效应来增强接收端有效信号的接收效果。参照无线信号自由空间传输模型并使用实际工程测试数据印证，认为可以采用以下无线信号传输损耗公式进行无线链路计算。

系统可靠性设计可以保证系统的RAMS性能(可靠性、可用性、维修性、安全性)，实现系统生命周期内的可靠性管理。

设备主要部件进行冗余配置，包括但不限于CPU、磁盘、电源及风扇模块。

为达到以上目的，从以下几个主要方面对本文提供的PIS系统的可靠性进行论述。

4.1 RAMS控制及各子系统RAMS性能分析

RAMS的控制过程是通过制定整个项目过程中的性能保证计划，定性分析各种性能要求，并根据需要采取改进RAMS性能的措施[14]。在项目方案设计时，应尽可能在各子系统中应用多项措施，以提高系统的可靠性。

(1)网络子系统的可靠性分析

主干到接入全部采用高速的千兆交换技术，性能高；整个网络所采用的网络设备均采用高可靠性设计，核心路由器关键部件如主控、电源等关键部件采用冗余设计，主控板的切换不影响数据的转发，所有单板在线热插拔；核心层交换机S7703具备高容量交换能力和端口密度的平滑升级能力，核心交换机有3个业务插槽，灵活性和可扩展性高；采用的网络设备均具备强大的QoS特性；所有网络设备均采用国际标准协议，能够保证和现有网络设备的良好互联互通；统一网管，易于维护和管理；S7703支持iPCA秒级故障定界，实现全网的有效质量测量和故障监控定位；通过能效以太网、端口自动休眠、风扇智能调速、激光器自动关断ALS、CPU动态调频技术的方案达到高效节能；利用华为HSR地铁快速环网切换协议满足网络快速切换的要求。

(2)业务应用系统可靠性措施

在LCD播放应用业务系统，控制中心配置视音频切换矩阵保证视音频信息源的可靠输入、切换；设备冗余备份，设计两套视音频自动采集工作站，工作功能互相备份；PIS的信息发布模式可以采用FTP和Multicast(选件)两种技术实现方式，从而保证PIS正确无误的传送；同时要保护设备安全，引导系统控制主机与显示终端之同的数据通讯保证误码校验及纠错功能。

(3)RAMS的定量要求和基本关系

系统RAMS的度量包括MTBF、MTTR和可用性。其中，MTBF是平均故障间隔时间，MTTR是平均故障修理时间，可用性就是可维修产品的运转率。理论上这三个性能指标存在以下的定量关系:

可用性＝MTBF/(MTBF＋MTTR)

在计算系统和业务的可用性时，可定义失效率U和可用率A:

系统失效U为:U＝MTTR/(MTBF＋MTTR)

系统可用率A:A＝1－U

n个串联系统组成的系统，可用率A为:

n个并联系统组成的系统，系统失效率U为:

混合系统可以分解为串联系统和并联系统后估算可用性。

PIS系统可用性计算由关键设备的主要故障决定，子系统内部设备划分为关键设备和非关键设备。若某设备的故障会影响到整个系统的正常运行，该设备为关键设备。设备故障又可以划分为主要故障和次要故障。当故障影响到系统的主要功能，则此故障视为主要故障。则可用性计算可以通过关键设备的主要故障发生时间指标评估如下:

可用性＝平均无故障时间/(平均无故障时间＋平均修复时间)，即:

A＝MTBF/(MTBF＋MTTR)

4.2 轨旁基站设备发射到车载设备接收之间场强覆盖分析

PIS系统轨旁基站设备连接四面15 dBi定向天线，每两面天线覆盖一边方向350 m；轨旁基站设备输出20 dBm，定向天线的增益为15 dBi，耦合器损耗3 dB，馈线及馈头损耗计为2 dB，则天线的输出功率为:

PO＝20－3－2＋15＝30 dBm

根据无线信号传输损耗经验公式:

Lpath＝32.5＋20lgf＋20lgD

式中，f是频率(MHz)；D是距离(km)。

350 m隧道内的传播损耗为:

列车车载接收天线的增益为15 dBi，馈线及馈头损耗计为2 dB，耦合器损耗3 dB，则列车在隧道内运行到距发射天线350处时，车载无线单元的接收电平为:

P＝PO－Lpath＋15－2－3＝－58.7 dB

故列车从距离基站350 m处驶向基站时，车载无线单元接收到的场强值在－48.7～33 dBm之间变化，而车载无线单元设备在列车运行时边缘相应带宽要求对应的接收电平为－79 dB左右，因此能够保证车载无线单元的正常接收。

同理，当每面天线覆盖方向延长到700 m时，经计算1 000 m隧道内的传播损耗为:

Lpath＝32.5＋20lg5 800＋20lg0.7＝104.8 dB

列车在隧道内运行到距发射天线700处时，车载无线单元的接收电平为:

P＝PO－Lpath＋15－2－3＝－64.8 dB

仍能够保证车载无线单元的正常接收。

5 结束语

乘客信息系统是面向人车路的多媒体服务系统。本文对乘客信息系统进行了系统功能的详细阐述，并针对郑许线(许昌段)工程的系统性能进行了详细分析，为此项目未来的良好运营奠定了基础。未来，乘客信息系统必然向着智慧的云化方向发展。