白國(guó)巖

(中鐵十六局集團(tuán)電氣化工程有限公司 北京 100018)

1 引言

伴隨著我國(guó)軌道交通領(lǐng)域信息技術(shù)的高速發(fā)展，信息化系統(tǒng)向智能化、智慧化方向發(fā)展[1－2]。國(guó)務(wù)院下發(fā)的《規(guī)劃綱要》中提出:到2035年，智慧高鐵率先建成。意味著國(guó)家要在2035完成智慧鐵路的目標(biāo)。智慧鐵路的建設(shè)包括工程建造、技術(shù)裝備以及運(yùn)營(yíng)服務(wù)。特別是運(yùn)營(yíng)服務(wù)是直接面向大眾，直接影響乘客體驗(yàn)和服務(wù)評(píng)價(jià)[3－4]。在軌道交通系統(tǒng)中，乘客信息系統(tǒng)(Passenger Information System-PIS)是一種集計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與多媒體技術(shù)于一體的綜合性服務(wù)系統(tǒng)，可為乘客提供動(dòng)態(tài)的候車(chē)、換乘及到站信息，即使在火災(zāi)等意外發(fā)生時(shí)也可切換為播放緊急疏散和防災(zāi)等文本和圖像信息，幫助并及時(shí)引導(dǎo)乘客疏散到安全地帶[5－6]，在一定程度上也提高了運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平[7]，提高軌道交通的運(yùn)輸效率[8]。

隨著4G、LTE、5G等通信技術(shù)更新[9]，PIS將智能感知、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)、協(xié)同控制等技術(shù)，與運(yùn)營(yíng)服務(wù)、設(shè)備維護(hù)、裝備制造、工程施工等業(yè)務(wù)深度融合，推進(jìn)軌道交通系統(tǒng)向信息化、協(xié)同化、智能化方向發(fā)展[10]。

2 許昌段－鄭州機(jī)場(chǎng)線市域鐵路PIS系統(tǒng)概述

本論文依托許昌段－鄭州機(jī)場(chǎng)線市域鐵路PIS建設(shè)展開(kāi)研究。鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路工程(許昌段)包含11座車(chē)站(2個(gè)為地下站、9個(gè)為高架站)、1座停車(chē)場(chǎng)。

系統(tǒng)采用最新的顯示技術(shù)、通信技術(shù)及智能的管理技術(shù)，建設(shè)智慧的多功能乘客服務(wù)系統(tǒng)[11]。乘客信息系統(tǒng)軌旁基站與車(chē)站通過(guò)光纖連接。多光口交換機(jī)與帶有光口的AP(Access Point，無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn))技術(shù)日益成熟，無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)通過(guò)中繼放大信號(hào)，橋接兩個(gè)端點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線AP間的數(shù)據(jù)傳輸，功能強(qiáng)大且價(jià)格較低。在乘客信息系統(tǒng)建設(shè)中，軌旁AP利用光纜直接與車(chē)站交換機(jī)進(jìn)行連接，該方案有利于乘客信息系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，還可以有效地減少故障點(diǎn)。

乘客信息系統(tǒng)作為一類多媒體綜合信息系統(tǒng)，可以在鐵路系統(tǒng)的各個(gè)區(qū)域?yàn)槌丝吞峁┬畔⒎?wù)，通過(guò)安裝在車(chē)廂、車(chē)站各處的LCD顯示終端，為乘客提供實(shí)時(shí)的列車(chē)運(yùn)營(yíng)信息和豐富的公共媒體信息。在正常情況下，運(yùn)營(yíng)信息、公共媒體信息共同協(xié)調(diào)使用；在緊急情況下運(yùn)營(yíng)信息優(yōu)先使用。車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)采用基于5.8 G非授權(quán)頻段的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)，用于承載PIS車(chē)地?zé)o線通信業(yè)務(wù)。

3 PIS系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

PIS系統(tǒng)包含線路中心子系統(tǒng)、車(chē)站子系統(tǒng)、車(chē)載子系統(tǒng)、有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)[12]。

3.1 線路中心子系統(tǒng)

線路中心子系統(tǒng)主要由中心服務(wù)器、接口服務(wù)器、核心交換機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、媒體編輯工作站、發(fā)布管理工作站、系統(tǒng)網(wǎng)管工作站、預(yù)覽工作站、LCD屏、磁盤(pán)陣列、終端等設(shè)備及有關(guān)軟件組成，如圖1所示。以上所有設(shè)備均應(yīng)滿足高清標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 線路中心子系統(tǒng)

同時(shí)本系統(tǒng)在備用控制中心設(shè)中心服務(wù)器、接口服務(wù)器等設(shè)備，避免在主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)無(wú)備用服務(wù)器接替作業(yè)的情況，備有兩種復(fù)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)異地容災(zāi)。

3.2 車(chē)站子系統(tǒng)

車(chē)站子系統(tǒng)主要由OPS播放控制器、車(chē)站交換機(jī)、LCD顯示屏(含安裝件)、電源控制器等設(shè)備及有關(guān)軟件組成，并且提供的所有音視頻設(shè)備均應(yīng)滿足高清標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。PIS專用的光纜在機(jī)房集成到傳輸系統(tǒng)ODF架上。

圖2 車(chē)站子系統(tǒng)

3.3 停車(chē)場(chǎng)子系統(tǒng)

停車(chē)場(chǎng)子系統(tǒng)主要由以太網(wǎng)交換機(jī)、軌旁無(wú)線設(shè)備(AP及天線)等設(shè)備及有關(guān)軟件組成。

3.4 車(chē)載子系統(tǒng)

車(chē)輛提供客室LCD彩色圖文顯示器的防護(hù)罩及顯示器、車(chē)載控制器、車(chē)載無(wú)線設(shè)備、視頻服務(wù)器(含存儲(chǔ)設(shè)備)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、LCD控制器(可與車(chē)載控制器合設(shè))、電源變換器、室內(nèi)攝像機(jī)(含編碼器)、視頻監(jiān)視器(帶觸摸控制功能)，并負(fù)責(zé)車(chē)載設(shè)備的線纜、電源等。各線路傳輸方式采用有線無(wú)線相結(jié)合模式。

3.5 車(chē)地?zé)o線子系統(tǒng)

WirelessFiber車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由OCC中心子系統(tǒng)、地面(車(chē)站、區(qū)間)子系統(tǒng)及車(chē)載子系統(tǒng)三部分構(gòu)成，如圖3所示。其中OCC中心子系統(tǒng)無(wú)線管理控制單元與鄭州段的1套設(shè)備是雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)，用以避免設(shè)備自身單點(diǎn)故障。無(wú)線網(wǎng)管單元的板卡最多可實(shí)現(xiàn)對(duì)1 500個(gè)無(wú)線基站的管理，地面子系統(tǒng)中的GSU同步單元保證了精確的時(shí)鐘同步。

圖3 WirelessFiber車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)架構(gòu)

WirelessFiber車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)無(wú)線通信，具有高帶寬、基站覆蓋范圍大、低時(shí)延、小抖動(dòng)、切換時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、可支持120 km/h運(yùn)行時(shí)速、支持分集、2乘2多輸入多輸出的特點(diǎn)。

車(chē)地一體化的PIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)流從運(yùn)營(yíng)中心覆蓋到地面車(chē)站、車(chē)輛段和運(yùn)營(yíng)車(chē)段，將車(chē)載廣播、影視娛樂(lè)、視頻監(jiān)控等進(jìn)行了增強(qiáng)，并通過(guò)地面服務(wù)器強(qiáng)大的計(jì)算和處理能力實(shí)現(xiàn)智能分析，為智慧化業(yè)務(wù)奠定了基礎(chǔ)[13]。

4 系統(tǒng)設(shè)備組成

4.1 線路中心子系統(tǒng)

(1)PIS系統(tǒng)管理部分在整個(gè)PIS系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化運(yùn)行數(shù)據(jù)的分配和管理。

(2)播出信息管理部分用于向鄭許線(許昌段)車(chē)站及車(chē)載發(fā)送實(shí)時(shí)的信息，并且支持MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)格式實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)線路的直播功能。

(3)車(chē)載視頻調(diào)看及轉(zhuǎn)發(fā)管理主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程調(diào)看及轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

(4)中心子系統(tǒng)保證信息的傳輸及共享，使得視頻、音頻傳輸合理有效。

4.2 車(chē)站子系統(tǒng)

車(chē)站子系統(tǒng)分為控制部分、現(xiàn)場(chǎng)顯示部分和傳輸設(shè)備。

4.2.1 控制部分

控制部分基于虛擬化系統(tǒng)的研究，取消了車(chē)站服務(wù)器的存在，才一定程度上使得系統(tǒng)在24 h內(nèi)不間斷運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但本項(xiàng)目依舊采用車(chē)站服務(wù)器參與控制[14]。

采用車(chē)站服務(wù)器與中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并集中管理本站內(nèi)的所有播放控制器、終端顯示設(shè)備。車(chē)載服務(wù)器采用大容量硬盤(pán)，可以存儲(chǔ)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)180 d以上，且其網(wǎng)絡(luò)流量控制機(jī)制具有網(wǎng)絡(luò)流量控制的功能。

LCD顯示屏接受LCD播放控制器控制，進(jìn)行乘客服務(wù)信息、商務(wù)信息的發(fā)布，并且能智能地處理各種異常情況。

4.2.2 顯示部分

(1)車(chē)站LCD顯示屏視頻配線方案

本子系統(tǒng)在車(chē)站面向乘客設(shè)置的顯示終端為站臺(tái)顯示終端。本系統(tǒng)的所有配置均滿足高清標(biāo)準(zhǔn)要求。本系統(tǒng)在站臺(tái)單邊設(shè)置8臺(tái)LCD顯示器，上下行站臺(tái)共設(shè)置16臺(tái)LCD顯示器。

(2)車(chē)站LCD顯示屏電源配線方案

車(chē)站終端設(shè)備電源線全部采用低煙無(wú)鹵阻燃3乘2.5平方的線纜，線纜布置采用星形方式敷設(shè)，在車(chē)站機(jī)柜內(nèi)，安裝智能電源控制器，終端LCD顯示屏直接接入智能電源控制器的輸出端。

4.3 車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)

基站設(shè)置:根據(jù)工程的覆蓋要求及基站鏈路預(yù)算，本項(xiàng)目WirelessFiber系統(tǒng)正線及出入段線覆蓋基站82個(gè)，停車(chē)場(chǎng)列檢庫(kù)覆蓋基站3個(gè)，合計(jì)85個(gè)基站。

光口及光模塊配置:每個(gè)基站配一對(duì)10 km的中距離光模塊。

車(chē)載組網(wǎng)方案:WirelessFiber車(chē)載子系統(tǒng)由車(chē)載無(wú)線單元設(shè)備和車(chē)載通信控制器設(shè)備組成。每列車(chē)雙向傳輸平均帶寬不小于100 Mbps 120 km/h，前后車(chē)載無(wú)線單元采用雙機(jī)熱備。車(chē)載子系統(tǒng)通過(guò)車(chē)輛專業(yè)提供的車(chē)載局域網(wǎng)(由三層交換機(jī)、二層交換機(jī))連接組成千兆網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)同步:采用GSU同步方式為軌旁基站提供精確時(shí)鐘同步，即在每個(gè)車(chē)站設(shè)置一臺(tái)GSU同步單元設(shè)備。

系統(tǒng)頻率配置:優(yōu)先考慮使用40 MHz單頻組網(wǎng)。

車(chē)地?zé)o線設(shè)備切換:軌旁基站設(shè)備間切換和車(chē)載無(wú)線單元間切換。

可靠車(chē)地?zé)o線傳輸能力:采用 OFDM調(diào)制技術(shù)。

系統(tǒng)特殊條件下運(yùn)行(換乘站)處理方案:軌旁基站頻率規(guī)劃使用三頻組網(wǎng)方案。

4.4 系統(tǒng)抗干擾及通信質(zhì)量保障方案

系統(tǒng)采用具有2種優(yōu)先級(jí)方式:802.1p或者DiffServ，7種 WFQ 權(quán)重序列(實(shí)時(shí)、信號(hào)、TCP Ack、準(zhǔn)實(shí)時(shí)，高級(jí)別、中級(jí)別、本地管理)和每序列最大信息速率(最小256 kbps，最大無(wú)限制)的多級(jí)業(yè)務(wù)QoS分級(jí)控制。

系統(tǒng)采用一套基于時(shí)隙分配(TSA)的解決方案，通過(guò)時(shí)分雙工(TDD)空口和獨(dú)特的同步機(jī)制，保證相鄰接入點(diǎn)設(shè)備間連續(xù)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配以避免同頻干擾；802.11ac采用OFDM調(diào)制技術(shù)，利用子載波之間的正交性，可以有效避免不同子載波之間的鄰頻干擾；另外WirelessFiber系統(tǒng)可采用空中接口抗干擾、AAR、FARQ機(jī)制、不間斷傳輸、接入點(diǎn)設(shè)備同步、OFDM、定向天線技術(shù)、天線分級(jí)技術(shù)等抗干擾方法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于對(duì)鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路工程的研究，面向智慧交通新發(fā)展，對(duì)乘客信息系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了一整套抗干擾能力強(qiáng)、可用性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的信息系統(tǒng)建設(shè)方案。該新型PIS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠有效實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，保證120 km時(shí)速運(yùn)行，有線無(wú)線相結(jié)合且互不干擾的條件下為乘客提供出列車(chē)運(yùn)營(yíng)信息和公共媒體信息的多媒體綜合信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧交通體系的支持服務(wù)。

在軌道交通中，服務(wù)器等設(shè)備的云化也將成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，使得PIS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不斷提高。