地鐵PIS系統(tǒng)雙機熱備可靠性方案技術(shù)研究

施亦進 楊超華 郝衛(wèi)國

（上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海 200070）

1 PIS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及存在問題

1.1 國內(nèi)地鐵PIS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及隱患

1.1.1 PIS系統(tǒng)功能簡介

國內(nèi)地鐵乘客信息系統(tǒng)（PIS）為方便乘客候車、乘車，在本工程的各車站站臺、站廳公共區(qū)及出入口處設(shè)置乘客顯示設(shè)備。乘客通過顯示設(shè)備及時了解列車的運行信息、公共信息及安全事項等。同時該系統(tǒng)在列車運行空隙時間可播放天氣預報、時事新聞、娛樂節(jié)目等內(nèi)容。

各車站PIS向乘客顯示的主要內(nèi)容包括。

1）與廣播內(nèi)容同步實時顯示列車到達動態(tài)信息（年月日、現(xiàn)在時間、最近兩班列車到達時間、距本站最近的列車到達時間等）。

2）能實時顯示本線及軌道交通網(wǎng)絡(luò)運營的基本狀態(tài)信息。

3）乘客乘車須知和換乘信息。

4）一些重要事項（突發(fā)事件、緊急信息、通知等）。

5）實時地鐵電視臺直播信息（含模擬、數(shù)字電視信息）。

PIS主要由中心子系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)等部分組成。

1.1.2 控制中心子系統(tǒng)功能

控制中心PIS軟件接收、存儲、處理和發(fā)布地鐵咨詢信息。

控制中心功能包括有線電視信號的引入、處理和發(fā)布，可以引入、處理和發(fā)布多路（至少2路）有線電視信號，滿足在車站、車載LCD顯示屏上實時播放2路有線電視的要求。有線電視信號進入編播中心后，直接進入視頻服務(wù)器并編碼，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鬈囌炯傲熊嚨娘@示終端進行播放，通過視頻服務(wù)器接收有線電視信號經(jīng)過編碼壓縮后，轉(zhuǎn)換成MPEG-2格式；支持視頻信號在IP網(wǎng)絡(luò)上進行單播、組播和廣播；能夠調(diào)節(jié)視頻的壓縮比、碼率。接收時鐘信號進行時間同步，接收ATS信息顯示各站到站信息。

1.1.3 車站播控子系統(tǒng)功能

車站子系統(tǒng)播放控制器負責從中心服務(wù)器接收模板文件、播放文件以及播放列表，經(jīng)過合成解碼后控制顯示屏的播放，可實現(xiàn)以下功能。

1）從中心服務(wù)器接收播放列表、廣告媒體信息和運營信息等；從信息編播中心接收實時信息及實時有線電視信息。

2）對接收后的信息進行解碼，并按照系統(tǒng)預先定義的顯示區(qū)域、模板格式進行合成，然后通過信號分配器使其在相應(yīng)的顯示屏播放。

3）能夠?qū)崿F(xiàn)同一個車站站廳、上行站臺、下行站臺的屏顯示不同播放內(nèi)容；能夠?qū)崿F(xiàn)每個車站播放不同的內(nèi)容。一個終端畫面，可同時播出多路視頻。另外，可播出動畫、圖片和文字，每路視頻畫面尺寸可自定義。

4）LCD播放控制器的信號輸出應(yīng)采用HDSDI、DVI或 HDMI接口。

5）能夠識別翻譯來自O(shè)CC轉(zhuǎn)發(fā)的ATS信息，并在指定的區(qū)域播出列車到站信息。

1.1.4 PIS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

PIS車站設(shè)備一般由車站服務(wù)器、播放控制器、操作終端、LCD/LED顯示屏（板）、光發(fā)送接收器組成，車站設(shè)置站廳、站臺、出入口播放控制器。以上海地鐵10號線為例，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 上海地鐵PIS系統(tǒng)維護常見問題

圖1 PIS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of PIS network

某一年度上海地鐵10號線PIS系統(tǒng)維護故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示，可以看到，工控機即車站PIS播放控制器的故障頻率較高，占所有故障率的87%。由于國內(nèi)軌道交通系統(tǒng)設(shè)計中PIS播放控制器用工業(yè)級計算機實現(xiàn)，相比服務(wù)器的可靠性、可用性、可維護性的性能指標較低，這樣的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)決定了當1臺播控器發(fā)生故障，其管理監(jiān)控的某一回路所有車站顯示屏全部退出服務(wù)，導致乘客無法掌握列車到站等咨詢信息，因而引起大量投訴。

表1 PIS維護故障統(tǒng)計表Tab.1 Fault statistics of PIS maintenance

2 雙機熱備方案

2.1 基本原理

為了解決單臺播控器故障影響系統(tǒng)功能，提出1套全新的技術(shù)方案，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，通過軟硬件的較小優(yōu)化改動，實現(xiàn)雙機熱備功能。

其基本原理如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)PIS車站播控組網(wǎng)架構(gòu)Fig.2 Traditional media player networking structure of PIS stations

當1臺播控器故障，如上行播控器，則上行所有發(fā)送接收器都無法正常工作，影響相應(yīng)站臺顯示屏的顯示。

新方案巧妙地利用播控器操作系統(tǒng)的雙屏輸出功能，將播控器的顯示內(nèi)容分別通過兩路進行輸出，輸出內(nèi)容為不同的信息，如上行和下行顯示咨詢。如圖3所示。

圖3 車站播控雙機熱備方案Fig.3 Dual hot-standby solution of station media players

當某1臺播控器發(fā)生故障，另1臺播控器的兩路內(nèi)容依然能夠被兩路接收器接收顯示；當某一臺音頻發(fā)送器發(fā)生故障，另1臺播控器的兩路內(nèi)容也依然能夠被兩路接收器接收顯示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲

應(yīng)用雙機熱備的網(wǎng)絡(luò)拓撲方案：以上海地鐵10號線為例，采取本組網(wǎng)方案，因工控機、發(fā)送器引起的故障率可以降低1個數(shù)量級，達到27.3%→2.97%，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 如圖4所示。

2.3 可靠性分析

傳統(tǒng)PIS在單站部署2臺工控機的情況下：

P1，P2分別為播控器的故障率，根據(jù)可靠性原理，系統(tǒng)總體故障率P為：

假設(shè)單機設(shè)備故障率P1=P2=10%，則系統(tǒng)故障率P=19%。

本方案中，PIS在單站部署2臺雙機熱備工控機的情況下，只有2臺播控器同時故障，才會造成1個方向的PIS故障，因此P1a=P1*P2，P2b=P1*P2。

根據(jù)可靠性原理，系統(tǒng)總體故障率P為：

假設(shè)單機設(shè)備故障率P1=P2=10%，那么系統(tǒng)故障率P=1.9%。

可見采取該組網(wǎng)方案，工控機的故障率可以降低10倍，大大提高系統(tǒng)的可靠性。

圖4 PIS雙機熱備網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.4 Network topology diagram of dual hot-standby PIS system

2.4 其他方案比較分析

國內(nèi)PIS設(shè)計方案采用N+1的熱備方案，在播控發(fā)送端增加1臺視頻矩陣和1臺備用播控器。該方案存在3個問題：1）增加矩陣和播控器硬件投入，成本上升；2）視頻矩陣作為新增節(jié)點，當發(fā)生故障，影響車站所有回路的播控信息輸出；3）視頻切換軟件對切換條件判斷要求較高，實現(xiàn)復雜，誤判率高。如圖5所示。

圖5 增加視頻切換矩陣PIS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.5 PIS newtork architecture for adding video switching matrix

采用本方案，不增加硬件成本，只需升級系統(tǒng)軟件。當1臺播控器發(fā)生故障，能實現(xiàn)自動快速切換，切換時間小于0.5 s；當2臺播控器發(fā)生故障，還能保證2個回路的信息輸出，系統(tǒng)可靠性影響降到最低。

3 技術(shù)優(yōu)化方案

3.1 播控軟件優(yōu)化

實施本方案，需要對OCC及車站播控軟件進行修改。

控制中心服務(wù)器軟件增加雙倍網(wǎng)元的監(jiān)控和管理功能，原本每個車站3臺播控器、3個網(wǎng)元，根據(jù)本方案要增加到6個，共享3個獨立的IP地址，控制中心服務(wù)器軟件能夠同時相應(yīng)控制6個網(wǎng)元的數(shù)據(jù)和多媒體傳輸要求，并實時監(jiān)控。

車站播控器軟件需支持雙屏顯示，將不同的兩路內(nèi)容（如上行和下行）同時顯示在兩個頁面中，并通過操作系統(tǒng)的雙屏顯示技術(shù)進行傳送。在音頻上為了避免重音疊加，須對兩路視頻信號中的一路進行靜音切換處理。由于目前國內(nèi)的PIS多媒體視頻均為同一內(nèi)容，因此可保留一路音頻信號即可。

3.2 播放控制器優(yōu)化

軌道交通PIS中，往往采用工業(yè)計算機加光發(fā)送器的組合把高清數(shù)字視頻信號、音視頻信號和RS-232控制信號進行遠距離傳輸。由于受工控機的關(guān)鍵元器件，如風扇、顯卡以及發(fā)送器板卡使用壽命的影響，系統(tǒng)存在2個故障節(jié)點。本方案對播放控制器和光發(fā)送器進行優(yōu)化組合，采用工業(yè)級插槽式機框設(shè)計，用單片機板卡代替工控機，極大的提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖6所示。

圖6 插卡式車站播控器Fig.6 Plug-in media player

技術(shù)指標如下。

1) 標準3U、19英寸、14槽插卡式結(jié)構(gòu)。

2) CPU卡采用雙核Intel處理器,支持2路獨立1 080 P高清顯示。

3) 編解碼卡支持主流視頻碼流的編解碼。

4) 光發(fā)送卡將2路獨立的高清視頻信號轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送，傳輸距離可達20 km。

5) 網(wǎng)管卡可實時上傳每塊卡的工作狀態(tài)和故障類型。

6) 接口板可支持網(wǎng)口、串口、USB口通訊等。

7) 提供 1+1冗余電源。

8) 工業(yè)標準，支持7×24 h連續(xù)工作。

3.3 頻接收器優(yōu)化(解碼器)

3.3.1 工作原理

軌道交通PIS中，解碼分配器采取外置形式，通常安裝于PIS顯示屏防護罩內(nèi)，給設(shè)備散熱和可維護性提出更高要求。

本方案可選擇對音視頻接收器編碼模塊進行改造，采取標準OPS接口，即插即用，無需外置電源和安裝條件，與HDMI光發(fā)送卡配合使用構(gòu)成無縫切換冗余系統(tǒng)，如圖7所示。解碼器支持1路輸入光信號端口，2路HDMI視頻輸出端口和1路光信號旁路端口，將以IP組播方式通過1路光纖進行傳輸?shù)囊曨l信號進行解碼分配成2路HDMI音視頻信號進行輸出。

圖7 PIS音視頻編解碼模塊Fig.7 Audio-video frequency coding and decoding moduel of PIS system

接收器支持功能包括如下。

1）標準OPS接口，即插即用。

2）雙路單纖單模全雙工接收和發(fā)送。

3）可級聯(lián)構(gòu)成環(huán)路冗余系統(tǒng)。

4）與HDMI光發(fā)送卡配合使用，構(gòu)成無縫切換冗余系統(tǒng)。

5）支持UTP協(xié)議，可組網(wǎng)傳輸。

6）傳輸距離可達20 km。

7）接收，轉(zhuǎn)發(fā)并解碼音視頻信號與RS-232控制信號的混編數(shù)據(jù)。

8）支持視頻圖像分辨率高達1 920×1 080 p。

9）內(nèi)部看門狗，實時檢測接收數(shù)據(jù)流。

10）可帶電熱插拔，即插即用。

11）收發(fā)狀態(tài),光路狀態(tài)燈指示，故障檢測輕松、快捷。

12）可定制開機畫面。

13）工業(yè)標準，支持7×24 h連續(xù)工作。

3.3.2 光纖入屏

采取目前市場上已成熟運用案例的OPS光纖入屏技術(shù)，可大大減少故障節(jié)點，提高系統(tǒng)可靠性。如圖8所示。

光纖入屏優(yōu)勢如下。

1) 省去接收設(shè)備，減少故障點。

2) OPS無需外部供電。

3) 布線簡單，光纖入屏。

圖8 光纖入屏接入拓撲圖Fig.8 Topological graph of optical fibers connected to display screens

4) 支持光纖級聯(lián)。

5) 支持控制信號監(jiān)控。

3.3.3 優(yōu)化后的車站PIS網(wǎng)絡(luò)拓撲

采用全光網(wǎng)絡(luò)，可選用增加1臺備用播控器，實現(xiàn)1+1雙機熱備。如圖9所示。

圖9 雙機熱備PIS網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.9 Network topological graph of dual hot-standby PIS system

4 結(jié)語

隨著我國城市軌道交通的日益發(fā)展，PIS的構(gòu)建也被納入重點研究范圍。PIS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)備冗余設(shè)計，可靠性，可用性，可維護性和安全性愈來愈多的成為各地軌道交通運營和建設(shè)公司關(guān)心的課題。利用現(xiàn)有的軟硬件設(shè)備，不增加額外投資的雙機熱備方案不失為一個創(chuàng)新技術(shù)，雖然在上海地鐵5號線有了小范圍應(yīng)用，還需要軌道交通通信專業(yè)設(shè)計院，軌道公司技術(shù)研究人員根據(jù)各地情況進行具體專題研究后進行推廣。