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地铁/铁路乘客信息系统通信解决方案

概要:
   城市轨道交通凭借便捷、环保、节能、安全和运量大等特点,对缓解城市交通瓶颈、改善城市交通结构、促进经济社会可持续发展起着十分重要的作用。在大城市将逐步实现以地面常规公交为主体向以轨道交通为骨干的城市交通体系的过渡,地铁、轻轨的建设规模越来越大。

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一、应用背景与需求分析

       城市轨道交通凭借便捷、环保、节能、安全和运量大等特点,对缓解城市交通瓶颈、改善城市交通结构、促进经济社会可持续发展起着十分重要的作用。在大城市将逐步实现以地面常规公交为主体向以轨道交通为骨干的城市交通体系的过渡,地铁、轻轨的建设规模越来越大。运营机构既要提高服务、管理水平,加强安全防范,还要为相关安全机关提供实时信息等,因此,在城市轨道交通应用中所要传输的信息种类也越来多元化。城市轨道交通的应用正在向系统化、网络化、信息化、智能化、一体化发展。无线通信技术的飞速发展和成熟,使车地间的实时通信成为可能,车地双向实时通信系统的采用,提高了轨道交通列车运行的自动化程度,系统安全性得到大大提高,车地间信息实时传输的实现也使地铁运营以车辆为中心的运营模式正在发展成为以乘客服务为中心的运营模式。

      乘客信息系统( Passenger Information System ,简称 PIS )的基本概念是指地铁运营商采用成熟可靠的网络技术和多媒体传输、显示技术,在指定的时间,将指定的信息显示给指定的人群。

      乘客信息显示系统( PIS )是依托多媒体网络技术,以计算机系统为核心,以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息的系统。正常情况下,提供乘车须知、服务时间、列车到发时间、列车时刻表、管理者公告、政府公告、出行参考、媒体新闻、赛事直播、广告等实时动态的多媒体信息;在火灾、阻塞及恐怖袭击等非正常情况下,提供动态紧急疏散提示。车载设备通过无线传输实时或预录接收信息,经处理后在列车客室 LCD 显示屏上进行音频视频播放。使乘客通过正确的服务信息引导,安全、便捷地乘坐地铁。

      在列车运行中车载设备要实时接收来自地面运营中心的节目,在列车车厢显示屏上播出视频和音频。同时通过车厢内监控摄像头,监控旅客乘车情况,将监控视频信息实时上传至运营中心,作为管理部门安全决策的支持信息。

      随着科技的不断发展,乘客服务及资讯信息不仅要实现运营中心与车站、车站与车站间的通信,还要完成列车与地面间的实时通信,例如:运营中心向列车实时转播数字视频等多媒体信息,列车实时上传车厢内的监控信息等。

      由于列车是在高速运行环境下进行信息的实时传输,而且为了给乘客提供高质量的信息服务,乘客信息系统要求列车在高速运行情况下,保证图像质量,不会出现马赛克、中断等现象,这就要求车地系统要有足够的带宽并且保证车地间信息的可靠传输。

      因此,乘客信息系统是一个集地铁运营信息服务、多媒体实时资讯发布、广播电视节目制作与播出、地铁电视监控、地铁设备监控于一体的综合服务平台。乘客信息系统为乘客提供上述各类信息,使乘客安全、高效地在地铁中行走,确保地铁系统高效安全运营。

二、系统组成

    车地无线通信系统采用符合 IEEE 802.11 协议的无线局域网技术,主要由车载数据控制器、车载无线单元(含天线)、分布式数据接入交换单元(含 AP 、以太网交换机)、车站数据控制器、车站网络交换机等设备构成。

    在区间和站台根据无线信号覆盖的要求设置分布式数据接入交换单元,实现与车载数据控制单元之间的无线数据通信。各分布式数据接入交换单元通过百兆以太网接入相邻的车站网络交换机,经车站数据控制器对数据进行处理后,通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。在各个车站和控制中心可提供与 PIS 、电视监视的接口。

    连接各分布式数据接入交换单元的 100M 工业以太网利用工业以太网交换机构建,在每个分布式数据接入交换单元内设置一套百兆工业以太网交换机,交换机之间利用多模光纤组成环网,每个隧道内的交换机分别组环接入相邻车站。

    在每列车的车头、车尾各设置 1 套车载数据控制器和车载无线单元, 2 套车载数据控制器之间利用工业以太网交换机构建贯穿整节列车的百兆以太网进行连接。在车头、车尾以及各节列车车厢可提供与 PIS 、电视监视的接口。

三、PIS系统数据承载网解决方案描述

      因为要实现车地之间的通信,有线连接是无法实现的;由于早期地铁建设缺乏车、地无线通信技术,地铁监控只能局限于车站级别,不能对车辆内部进行监控,并以模拟技术为主,但由于模拟监控大规模部署成本高,不支持远程调阅,历史图像查询困难等多种原因,现在基于 IP 的数字监控系统已经成为新的发展潮流。随着无线通信技术的发展,专用的 IWLAN 车地双向实时通信系统可以使地铁列车在以百公里以上的速度高速行驶过程中依然能保持与地面的不间断实时通信。安装在列车上的无线车载设备与安装在轨旁的无线基站通信设备之间的通过专用的 IWLAN 快速漫游技术,可以实现列出行进过程中车地之间乘客信息系统所需的数据、图像信息的可靠传输。

      乘客信息系统通过专用车地双向实时通信设备,使地铁车站和运营中心值班人员可以实时观察运行中列车乘客车厢、司机室内情况,司机能实时观察本列车乘客车厢内情况;运营中心向运行中列车发布及时信息,实时转播数字电视节目;运行中列车的紧急状态,如火灾报警、紧急开关车门,实时上传到运营中心和车辆段车场调度中心。

      因此,当前乘客信息系统的应用将原有封闭的车辆空间变成了一个“信息娱乐中心”,增加了乘客舒适感。同时由于车、地无线通信系统还有富裕的带宽,乘客信息系统往往还与车辆监控系统相结合,将车辆内部图像实时上传到地铁运营中心和地铁公安系统,能及时发现车辆内的安全事故隐患并提前处理,确保列车行驶安全。

      乘客信息系统的交互业务信息包括:列车运营及服务信息、乘客引导信息、紧急灾难信息、一般站务信息、公共服务信息、商业广告、新闻等。

四、PIS系统关键技术

1、快速漫游零丢包技术
    车载流媒体播放服务器作为 PIS 系统组播数据流的接收者,它直接与车载交换机互联,车载交换机上行接入车载 AP 设备,虽然列车移动过程中车载 AP 和轨旁 AP 有着持续的切换 过程,但车载交换机和流媒体播放计算机却无法及时感知这个过程,因此也不会在 AP 切换后主动发起新组播加入命令,直接导致广播流的中断。
    用于覆盖列车运行的隧道和高架桥现场,高达至少 54Mbps 的无线骨干连接带宽保证既能满足现在的应用,同时也能满足地铁今后长期各种无线应用的要求, RR 快速漫游技术使系统切换时间小于 50ms 以保证在车上的实时播放不中断,且接收质量不受影响。
    由于 IEEE 802.11 标准的限制,市场上可得到的 WLAN 产品其切换时间基本上是几百毫秒。在工业环境中,许多应用需要对切换有确定性的时间响应,如要求小于 100 毫秒。为达到这个要求, iPCF 出现了。 iPCF 确保数据流量是有序的,由 AP 集中控制。 iPCF 同时允许快速切换。
    iPCF 的基本原理是 AP 定期的扫描所有节点。同时,扫描包括到节点的下联流量。节点回复时发送上联数据。节点的扫描能够被其它节点看到。这将允许客户端能够探测到 AP 的连接质量,即使它还没有同 AP 本身通讯。如果客户端在一定时间内没有收到 AP 发来的帧,它将开始扫描新的 AP 。在 iPCF 模式,搜索一个新 AP 与登记一个新 AP 的过程在时间上进行了优化,小于 50ms 的切换时间是可以完成的。
2、QoS技术
    PIS 系统的图像、语音是否联贯,与数据承载网的 QoS 能力紧密相关,由于 PIS 系统有线网络千兆骨干网带宽承载 PIS 流媒体业务绰绰有余,整个 PIS 系统性能瓶颈还集中在专用车地无线通信系统, WLAN 部分的 QoS 决定了 PIS 的性能和表现。
    WLAN 的 802.11e 协议定义了无线 QoS 实现方案, 802.11e 用时分多址( TDMA )方式取代类似 Ethernet 的 MAC 层,并为那些时间敏感性强的数据(如语音和视频)增加额外的纠错功能。
    802.11e 定义了 SIFS 到 AIFS 多种等待时间间隔,支持多优先级业务的统一承载,我司提供之 AP 产品均支持 802.11e ,在实际应用环境中可将车厢内的视频播放流设置为高优先级,将视频监控流设置为普通优先级,优先保障媒体广播的高质量。
3、IWLAN 无线网高带宽保证
    正常情况下两个 AP 之间传递数据报文之前需要经过 Probe-Request 、 Probe-Response 等多次握手协商,这需要占用大量的 WLAN 空口实际带宽, 801.11g 标称是 54Mbps ,但实际可用的数据报文带宽不超过 24Mbps。

   IWLAN 产品通过技术改进,能实现将多个短包传输报文拼装成一个长报文发送,这极大的减少了短包传递所需的协议交互报文数量,可有效提高 IWLAN 空中接口的带宽利用效率。在实际地铁环境测试过程中,列车行驶速度达到 80Km / 小时, IWLAN 无线方案可提供的应用带宽可达到 22Mbps ,处于业界领先水平。

五、客户价值

● 满足人性化的导乘需求,提高地铁运营服务水平和质量:

      ■ 实时的信息显示,提供各种列车运行相关信息和其他咨询

      ■ 增加地铁处理紧急事故的能力,在紧急情况下,可提供动态的紧急疏散指示

● 增加业主的利润来源:投放各种广告,提高媒体的利用率

● 高性价比的解决方案,在现场测试有优异的表现

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