下一代车载乘客信息系统

陈　伦，刘庆超，操文元

(中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015)



下一代车载乘客信息系统

陈伦，刘庆超，操文元

(中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015)

随着技术进步和网络化发展，下一代车载乘客信息系统在传统系统的基础上，实现视频播放高清化，客室全景网络摄像机监控以及广播语音数字化。新增了无线应用子系统，为乘客提供音视频、上网等个性化服务。依托网络化，为列车系统设备维修维护提供更便捷的智能化工具，减小维修劳动强度，提高维修工作效率。

乘客信息系统；数字化广播；全景视频监控系统；无线应用

2000年以来，随着中国城市化进程加快，规模成倍扩大，基础设施落后问题显现，城市交通运输矛盾日益突出。城市轨道交通以其安全、准时、快速的优点，在拓宽城市空间、打造城市快速立体交通网络和改善城市交通环境方面发挥越来越大的作用。特别是近十年来，国内城市轨道交通获得长足发展，线路长度、机车数量、客运数量等指标都有大幅增长。以北京为例，预计2016年，总里程将达到664km，日客流量超千万人次已成常态[1]。

在每日承载千万人次的轨道交通列车上，车载乘客信息系统(PassengerInformationSystem，PIS)为乘客提供预报站语音信息、LED显示信息、视频监控、视频播放等服务。随着人们生活节奏的加快、无线网络的发展、互联网+的应用、智能手机的普及，对信息的广度和及时性需求越来越高，在音频品质以及视频高清化方面，传统PIS系统已经很难满足乘客的舒适性、娱乐性和信息化需求。

嵌入式芯片技术发展迅速，设备互联性加强，网络技术与数字化技术发展推动软硬件设计的革新，为PIS系统发展提供技术支持。2015年国家科技支撑计划课题将下一代城市轨道交通列车发展作为其中之一，提出全面采用新技术、新应用，多网合一打造下一代列车。作为该课题PIS子系统协作单位，在传统PIS系统的基础上，结合行业最新技术，增加新功能，提高乘客舒适性和信息实时性体验。

1　系统概述

现代城市轨道交通车辆车载PIS系统主要由3个子系统构成，即车载广播子系统(PA系统)、车载乘客信息显示系统(PIDS系统)、车载视频监控系统(CCTV系统)。

PA系统能够为乘客提供自动/半自动广播、人工广播、无线电广播、乘客-司机紧急对讲通话、司机-司机对讲通话、车辆连挂、车辆运营正常/特殊终点显示、运营信息显示、运行线路及运营站点信息显示等功能。

PIDS系统能够为乘客提供高清多媒体信息显示服务，包括实时视频播放、预录制视频播放、车辆运行信息显示、紧急信息发布等功能，为乘客提供便捷、舒适、现代化的乘车环境和乘车体验[2]。

CCTV系统利用车辆以太网传输，通过分布于司机室、客室、车外及受电弓附近的摄像机提供对司机室、客室、轨行区、车外及受电弓的全时视频监控及视频实时上传等服务，通过与车辆广播系统乘客紧急报警装置联动提供对乘客报警的视频监控联动等功能，为反恐、处突、紧急事件处理等提供可靠、有效、全方位的视频监控信息。

除了以上3个子系统外，增加无线应用子系统。实现列车无线全覆盖、因特网接入、智能终端APP服务等功能。增加乘客网络体验，提供更贴合乘客实际需求的个性化服务。

按照车辆总体WTB_TCN以太网总体规划，下一代PIS系统如图1所示。

图1　下一代PIS系统框

主要设备有PIS司机室控制主机以及分散在每个客室的PIS客室控制主机和多媒体/交换机。其中控制主机主要完成音视频编解码功能，多媒体为无线应用提供车载视频网元，交换机连接各个客室摄像头与列车骨干网。

从系统框图中可以看出，贯穿全车的有网络列车骨干网，MVB总线以及覆盖全车的无线网络。其中列车骨干网用于传输PA音频流、PIS视频数据流、CCTV监控数据流以及列车控制管理系统控制流等。MVB总线用于在骨干网出现故障的情况下重要数据的传输，是列车骨干网的备份。覆盖全车的无线网络用于无线应用APP的传输，为乘客提供无线上网、音视频点播等服务。

2　系统设计

2.1设计原则

根据项目的实际需求，受制于列车上空间、布线及安装方式的限制，提出以下设计原则：

1)先进性。系统设计要有前瞻性，既满足于当前业务的需要，还要能适应未来业务发展的需要，增强系统可扩展性。

2)经济性。在用户需求和系统功能之间寻求最佳平衡点，不能一味追求各种扩展功能而造成巨大的投资，在保证良好质量的基础上，尽可能节约投资。

3)可扩展性。包括两方面的内容，一方面是系统应能够在未来用户增加的情况下，不需太多改动即可实现扩展；另一方面是指可以方便地通过系统升级增加新的功能以及与第三方系统的集成。

4)兼容性。系统设计要遵循国际和行业标准，以兼容其他厂家产品。

5)安全可靠性。保障系统的稳定、安全等要求。

6)易用性。系统应尽可能将复杂的操作进行封装，实现操作的简便，增加界面友好性。

2.2广播子系统

广播子系统是PIS系统的重要组成部分，根据项目功能需求，主要任务是实现音频数字化和乘客报警可视化。

1)音频数字化

音频数字化方案通过ARM处理器控制硬件语音编解码芯片实现。流程框图如图2所示。

图2　音频编码过程

从图2可以看出，整个编码过程有ARM处理器控制，模拟音频输入，经ADC转换后，通过压缩编码进入缓冲区供ARM处理器读取，将数据读取到ARM处理器内部RAM缓冲区后，根据网络协议组播发送到网络上。在此过程中，根据缓冲区产生数据大小和网络状况通过Fs调整采样频率，掌控数据转换速度。

相反，解码过程也是ARM通过处理接收到的缓冲区数据，根据缓冲区内剩余数据多少控制解码速度，不能让编解码芯片达到“饥饿”(缓冲区内无数据)或“撑饱”(缓冲区数据满，无剩余空间可放)状态，不然将出现模拟音频噪音或编解码工作异常状态。音频解码过程如图3所示。

图3　音频解码过程

2)报警器可视对讲

传统对讲报警系统采用全双工模拟方案实现，对讲流程处理复杂，车内布线繁琐，而且司机在接听对讲报警的同时，虽然有PA和CCTV的报警联动机制，但是由于摄像机安装位置较高，且存在遮挡等问题，多数情况下，司机无法准确看到现场情况，因此为进一步提升对讲报警系统的实用性和易用性，引入视频通话技术。

由于下一代车载PIS系统采用全网络化设计理念，包括乘客紧急报警器在内的终端设备，被设计为新一代网络智能终端，也为视频通话的实现提供了技术平台。在下一代车载PIS系统中，通过在客室智能终端中引入微型高清摄像头和高速编解码芯片，将常见于智能楼宇监控的视频通话及网络视频通话技术引入车载PIS系统，即可实现视频通话功能。考虑安全性等因素，该视频通话功能被设计为单向视频、双向音频，监控中心可看到报警乘客画面，也可听到乘客声音，但报警乘客只能听到接警人员声音而无法看到接警人员画面。

2.3PIDS子系统

为了给乘客提供更加高清化的视频画面，PIDS子系统软件采用智能补包技术，硬件上还增加了曲面屏显示，增强车内现代感、时尚感。

车载LCD播放控制器接收来自车-地无线系统的直播视频流节目，经过补包处理，将节目转发至车载网络，同时车载LCD播放控制器接收广播子系统的站点信息进行字幕叠加。直播节目在车载网络传输过程中采用H.264编码，组播形式传输，节目经过客室交换机节目到达客室LCD显示终端直接解码显示，媒体声音随图像码流可直接解码在LCD屏幕扬声器上输出；当无线传输系统发生故障造成直播节目中断时，LCD播放控制器将预先存储在本地的垫播节目以网络流媒体的形式发送至车载网络，供客室LCD屏解码显示播放。LCD播放控制器、LCD终端显示器的故障信息可以通过广播子系统传输给列车控制管理系统(TCMS)以及地面总控中心，实现TCMS对PIS播放主要设备工作状态的监控。LCD播放控制器通过网络接收地面中心下发的紧急信息，将紧急信息通过车载网络进行分发，最终显示在客室LCD屏终端。

为了保证视频节目的流畅性，播控软件需要增加补包技术。在目前国内地铁已有方案中，车-地无线传输多采用无线WLAN的形式，由于使用免费开放频率，干扰源较多[3]，同时没有QoS保障机制，造成PIDS系统接收直播流不稳定，车辆行驶过程中容易丢包，导致播放出现马赛克，甚至影响播放的稳定性。在此背景下，研发了车地媒体补包子系统，保证了传输流的稳定。

提高画质质量的同时，为了贴近列车整体室内装修风格，视频显示终端采用曲面LCD屏，结构贴合车体侧顶曲面部分，效果图如图4所示。

图4　客室曲面PIDS屏与平面屏对比

硬件上采用曲面LCD可以增加一些平面无法达到的视频效果，增加乘客吸引力，提高广告视频关注度。

2.4CCTV子系统

列车视频监控系统(CCTV)应用多媒体信息处理技术、计算机通信网络技术和通信总线网络控制技术，在编组的列车上构建一个多媒体信息处理与传输平台，完成车辆在运行过程中的监控、录像等功能，同时及时准确反映列车运行状态，保证列车运行安全。

CCTV子系统每节车厢安放3个网络全景摄像头，为了保证不过多地占用列车骨干网带宽，没有把所有摄像头码流发送到网络上，而是采用本地存储视频录像，司机室按需调取相应摄像头码流实时查看视频录像。

下一代网络摄像头采用全景摄像机360°无死角监控，集成了视音频采集、智能编码压缩及网络传输等多种功能的数字监控产品。

全景摄像机与普通摄像机相比，监控范围更大，普通摄像机的监视角度多在60°～120°(见图5)，而全景摄像机采用360°镜头(见图6)，可以彻底摆脱监控死角问题[4]。

图5　普通摄像机拍摄角度分析

图6　全景摄像机拍摄角度分析

全景摄像机利用仿生学原理，采用鱼眼摄像技术，配合后端视频监控软件，完成上述司机室监控需求。

2.5无线应用子系统

互联网技术的飞速发展，各种网络衍生产品已经深入各个领域。“互联网+”就是“互联网+各个传统行业”，但这并不是两者简单的相加，而是利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态。

新系统借鉴了互联网发展模式，建立了车地一体化多媒体信息服务平台，通过在车厢内部构建无线网络环境，并依靠车载AP与地面服务器连接，使乘客能够在地铁车辆上顺畅使用无线网络，建立起信息交互平台。如图7所示。

图7　无线应用功能图

在此平台的基础上，开发出适应不同操作系统(IOS，Android，Windows等)的APP应用软件，将乘客使用的移动智能终端(手机、平板PC、笔记本PC等)接入车辆的多媒体服务系统。

乘客通过访问多媒体服务系统，能够获得如下功能：

1)目的地提醒

系统将根据乘客提前设置的目的地信息，通过分析当前车辆运行数据，提前1站给出乘客到站提醒，以防止乘客因为带着耳机等物品熟睡、听歌、看视频等行为造成的坐过站等现象，以弥补车辆广播系统公共扬声器在入耳式提醒方面的不足。

2)站点查询，地铁行程规划

当前地下铁路网络四通八达，北京、上海、广州等大城市的地铁网络已经纵横交织，对于新到一个城市的陌生人，如何便利乘车，如何进行方便快捷的换乘，如何确定出入口周边信息，成为迫切的需求。乘客只需在该系统中输入起点和目的地，系统将自动匹配相关线路，根据各线路实时反馈的运营状况及换乘情况，给出一个方便快捷的路线规划。

3)音视频播放服务

系统在云端设置存储大量的音视频服务资源，乘客可根据实际需要选择收听及观看，以缓解长时间乘车的疲劳，提升乘车体验。

4)购买车票及相关地铁衍生产品及服务

乘客可通过终端设备，注册、操作个人一卡通等城市轨道交通账户，并通过该终端实现费用查询、欠费缴纳等服务，系统可设置相关阈值，当账户金额低于设定阈值时，系统将自动提醒用户充值缴费，以防止后续交通出行受阻。

5)投诉及意见反馈

乘客可通过该系统，将乘车过程中的体验和感受以文字、图片、语音、视频等格式上传至系统服务器，系统服务器可根据上传的相关信息进行分析整理，并根据预设处置方案，向乘客第一时间提供解释、说明，以防止事件的扩大。

地铁车辆运营商通过部署、维护该系统，可以更便利地为乘客提供服务，获取地铁车厢内的相关运营大数据，并通过数据分析，判断人流量、乘客乘车喜好等完善运营服务流程及提升相关服务质量，此外后台服务端进行了用户行为记录。由于提供了上网业务，为了保护用户在公共区域的上网安全，同时按照国家相关规定，多系统采用了可靠的认证接入手段，使用户接入更可靠、更安全，并同时在网元实时记录用户上网行为轨迹，可以随时进行查询和追溯。

通过用户行为分析，完整保留用户所有上网行为资料，并定期汇总到地面服务器，提供超过90天的数据存储和查询功能，查询条件灵活简便，可查询指定用户指定时段的汇总网络活动信息，也可查询某一特定时刻的应用流量情况与行为内容，并且可通过广告推送、定制服务等项目，获得较高的经济回报。

3　关键技术及难点

3.1多网融合、多屏合一

在以往轨道交通车辆上，各功能系统分别根据自身要求进行组网连接，各种工业网络在车上密集交织，对于不同种类通信信号的传输存在布线复杂、工艺要求复杂、电磁环境复杂等问题，影响分系统设备的稳定性和可靠性。根据当前车辆以太网技术的发展，采用实时工业以太网络传输技术，将各系统通信链路全部集成于统一的网络平台，方便车辆布线以及工艺处理，并可以大幅度降低电磁干扰，提升电子设备的稳定性。

为适应车辆骨干传输网络，下一代车载PIS系统必须在音视频传输数据量上进行优化配置，降低对系统带宽的占用。系统通过采用分布式存储策略，将原本需要全部上传至司机室存储器的监控图像存储于车厢本地，仅提供上传地面监控中心的1～2路监控视频流，有效降低传输带宽。

近几年来国际电工协会IEC提出IEC61375标准，最新的IEC61375 2-3于2015年7月发布TRDP相关协议，规定了列车上的不同厂家设备直接互联互通。由于协议发布不久，可借鉴的经验不足，增加了系统的开发难度。

同时下一代PIS系统将PA操控界面、CCTV监控界面和TCMS人机界面三者合一，更为系统开发增加了不小难度，这就需要PIS和TCMS制定更加具体的操控协议。

3.2PIS视频流补码

由于车地无线带宽的限制以及无线AP信号的不稳定性因素[5]，当前投入运营的轨道交通车辆信息显示系统在运营过程中经常出现直播画面卡滞、马赛克等现象，严重影响了乘客的乘车体验以及直播广告投放的直播率，导致乘客的投诉增加和车辆广告客户的流失。

在现有无线通信技术条件下，针对此类直播问题设计出了智能化车辆视频播放稳流系统，通过在地面控制中心增加稳流服务器以及车辆PIDS主机中的解码服务器来提升车辆视频画面播放效果。

从图8和图9可以看出，多媒体稳流系统，主要通过在车辆AP无线通信前级增加稳流服务器，将原先1路的视频数据，分发为2～3路进行处理，确保同样的数据帧有2到3帧数据同时传出，而在车载服务器端，增加数据稳流模块，通过分析比对同时接收到的视频数据，若主视频流中的视频数据出现丢帧，则用接收到的另外2～3帧数据进行丢帧填充，确保视频画面的连续性与清晰度。

图8　未加入稳流系统前的方案图

图9　加入多媒体数据稳流系统后的方案图

显示画面效果对比见图10。

图10　车地网络较差情况下未稳流与加入稳流模块LCD显示对比图

3.3广播语音延迟

采用网络数字化传送语音，由于编解码以及网络传送等必然会导致语音延迟。如何尽量缩小延迟时间是数字广播首先面对的一大难题。音频流处理框图见图11。

图11　音频流处理框图

软硬件设计时，根据人耳系统心理声学理论，确定音频采样频率；硬件音频编解码需要一定大小的缓冲区，缓冲区导致音频延迟。而编解码通道延迟是缓冲区导致的延迟时间的两倍。音频压缩效率和编解码延迟有很大的关系，好的压缩需要较大的缓冲区，而越大的缓冲区必然导致更长的延迟时间，是一个矛盾，需要在具体应用中调整。

通过不同格式硬件压缩算法的时间对比，为了符合列车语音传输带宽限制，同时减少延迟时间，本项目语音广播采用G722压缩格式。整个硬件编解码过程需要3ms延迟[6]，具体实际延迟时间还要加入网络传输和交换机延迟时间。

3.4便携式测试单元(PTU)

系统测试工具包括运行于笔记本PC的PTU软件和手持智能PIS终端。功能相同，手持终端可通过电池供电，更容易携带。

针对系统的每个设备主要功能分3类：

1)状态监测；

2)软件升级，参数设置；

3)功能模拟循环测试。

比如对客室地图进行参数设置或软件升级工作。如图12，PTU或手持终端在司机室主机测试口接入系统，可以监测全车的地图工作状态，并可以对单节车厢或全车进行一次性升级或参数修改。

图12　列车PTU软件升级

在车地无线网络较好的情况下，可以一次性对多列车设备软件进行升级或设备状态检测、故障排查(见图13)。

图13　PTU软件与列车广播系统无线连接

PTU软件运行于笔记本电脑，通过车地无线网络与车载PIS系统的交换机设备无线模块相连。

1)远程或本地集中对系统软件更新升级。

比如更新DCU软件，可以选择编译好的DCU新程序通过无线网关下载到DCU设备上，实现更新升级。无需以往每列车每个DCU设备分别用烧写器刷写软件。

2)广播音频文件更新。

实际运行中，列车广播文件时常需要更新，通过PTU软件可以将音频文件一次性下载到多个列车广播系统中，实现集中更新。

3)远程协助司机处理运营过程中的故障。

由于PTU可以通过车地无线连接，一旦某个设备或模块出现故障，可以自动上传给PTU软件，根据具体故障可以在DCU触摸屏上弹出处理提示或建议，协助司机处理突发状况。

4)远程监视每辆车的系统运行状态。

可以实时检测到系统内各设备的通信数据，从而实时得知各个设备的运行状态，进行故障诊断。

4　小结

下一代车载PIS系统有别于传统模拟列广系统，它是音频数字化技术、网络传输技术并结合近几年推出的嵌入式芯片技术的综合应用。除了完成传统系统功能外，更侧重于系统的网络化、嵌入式芯片的应用，系统具有低功耗、模块化，调试维护便捷化等特点。通过系统搭建，构建的系统是一个具有良好扩展性、维护性和稳定性的平台。

[1]中国地铁行业现状调研及未来发展趋势分析报告(2016—2022)[R].[S.l.]：中国产业调研网,2016.

[2]蔡国涛，陈蕾. 对乘客信息系统(PIS)的分析[J]. 现代城市轨道交通，2008(1)：9-12.

[3]邵君. 轨道交通PIS系统车地无线技术的探讨[J]. 通讯世界, 2013(6)：11-12.

[4]陈乾.超大范围 细节兼顾——鱼眼摄像机浅析[J]. 智能建筑， 2015(9)：45.

[5]张京晶. 城市轨道交通车地无线通信频率规划的探讨[C]//中国科协年会.[S.l.]：中国科协， 2015：1-6.

[6]陈健，沈雷.G.722.1低码率宽带语音编解码器的DSP实现[J]. 电声技术, 2004,28(12)：33-36.

责任编辑：许盈

Nextgenerationvehiclepassengerinformationsystem

CHENLun,LIUQingchao,CAOWenyuan

(No.3 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Beijing 100015, China)

Withthedevelopmentoftechnologyandnetwork,basedonthetraditionalsystem,thenextgenerationofvehiclepassengerinformationsystem,HDvideoplayback,panoramicnetworkcameramonitoringanddigitalaudiobroadcastingarerealized.Newwirelessapplicationsareadded,providingaudio,video,Internetandotherpersonalizedservicestopassengers.Relyingonthenetwork,moreconvenientandintelligenttoolsareprovidedforthemaintenanceofthetrainsystemequipments,andreducethemaintenancelaborintensityandimprovetheefficiency.

passengerinformationsystem；digitalbroadcast；panoramicvideosurveillancesystem；wirelessapplications

TP391

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.08.026

2016-06-28

文献引用格式：陈伦，刘庆超，操文元. 下一代车载乘客信息系统 [J].电视技术，2016，40(8)：132-138.

CHENL,LIUQC,CAOWY.Nextgenerationvehiclepassengerinformationsystem[J].Videoengineering，2016，40(8)：132-138.