基于寬帶無線通信的車地廣播系統(tǒng)技術(shù)方案研究

葛淑云，尹林杰，郭 戈，申鈺蓉

（1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，北京 100166；2. 西咸新區(qū)軌道交通投資建設(shè)有限公司，西安 710086）

1 概述

城市軌道交通廣播系統(tǒng)在地鐵行車組織、客運(yùn)服務(wù)、防災(zāi)救險(xiǎn)、設(shè)備維護(hù)等方面具有十分重要的作用。城市軌道交通廣播系統(tǒng)主要由地面廣播系統(tǒng)和車載廣播系統(tǒng)組成，地面廣播系統(tǒng)由中心廣播系統(tǒng)和車站廣播系統(tǒng)組成，地面廣播系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟。受車地?zé)o線通信系統(tǒng)帶寬的限制，基于窄帶無線通信系統(tǒng)的車地廣播系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)語音廣播內(nèi)容傳輸，功能簡單。同時(shí)，列車乘客報(bào)警器一般只能進(jìn)行語音報(bào)警，無法實(shí)現(xiàn)可視化的音視頻報(bào)警，而且乘客僅能向列車司機(jī)報(bào)警，無法向控制中心報(bào)警。

隨著無線寬帶通信技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，在地面與列車之間構(gòu)建寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)成為可能，在滿足城市軌道交通廣播業(yè)務(wù)基本需求的同時(shí)，可開展更多車地廣播系統(tǒng)功能的研究。同時(shí)，無人駕駛已成為城市軌道交通發(fā)展的必然趨勢，對廣播系統(tǒng)功能提出更高的要求，此情況下由控制中心對車載廣播進(jìn)行管理和控制是十分必要的。

2 車地廣播系統(tǒng)技術(shù)方案

車地廣播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制中心對列車的人工廣播、TTS（文本轉(zhuǎn)語音）廣播、應(yīng)急廣播及中心與乘客緊急可視對講等功能。車地廣播系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 車地廣播系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Composition diagram of train-ground broadcasting system

2.1 中心廣播系統(tǒng)

在控制中心設(shè)置廣播/TTS 服務(wù)器、廣播控制終端、廣播控制盒及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)中心對列車實(shí)時(shí)人工廣播、預(yù)錄制廣播、TTS 廣播及應(yīng)急廣播等功能，并可根據(jù)設(shè)定的優(yōu)先級進(jìn)行播放，語音清晰流暢。

廣播/TTS 服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)廣播節(jié)目編輯及分發(fā)、日志記錄及查詢等功能，可將文本轉(zhuǎn)語音，并下發(fā)至列車進(jìn)行廣播；可實(shí)現(xiàn)廣播音頻流的推送、拉取、轉(zhuǎn)發(fā)，具有流媒體傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，可接入TCC（路網(wǎng)指揮中心）對列車廣播；可實(shí)現(xiàn)乘客對講視頻存儲功能。

廣播/乘客對講終端可編輯、分發(fā)廣播節(jié)目和語音庫，啟動廣播節(jié)目，管理乘客求助呼叫；可監(jiān)控廣播系統(tǒng)和設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備離線或故障時(shí)，可進(jìn)行報(bào)警，通知維護(hù)人員對設(shè)備進(jìn)行維修；同時(shí)，通過廣播/乘客對講終端可實(shí)現(xiàn)控制中心與列車乘客可視對講及掛斷、顯示報(bào)警列車號和車廂報(bào)警器號等功能，當(dāng)報(bào)警求助的乘客較多時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)排隊(duì)等待，并在地面廣播終端上顯示排隊(duì)情況；可設(shè)置列車、TCC、OCC 等多個(gè)接報(bào)地點(diǎn)的優(yōu)先級。

廣播控制盒可實(shí)現(xiàn)人工廣播、監(jiān)聽等功能。

2.2 車載廣播系統(tǒng)

在列車設(shè)置廣播主機(jī)、客室分機(jī)、廣播控制盒、乘客報(bào)警器及揚(yáng)聲器等設(shè)備，通過車地寬帶無線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與控制中心廣播系統(tǒng)的連接，接收控制中心發(fā)送的廣播信息，實(shí)現(xiàn)乘客與控制中心的可視對講。

廣播主機(jī)設(shè)置在司機(jī)室或者車頭車尾的弱電設(shè)備機(jī)柜中，廣播主機(jī)作為車載廣播系統(tǒng)的核心設(shè)備，管理客室分機(jī)、廣播控制盒、乘客報(bào)警器等廣播設(shè)備；客室分機(jī)負(fù)責(zé)接收廣播主機(jī)、廣播控制盒的音頻，進(jìn)行音頻解碼，驅(qū)動車廂揚(yáng)聲器工作。

車載廣播系統(tǒng)在乘客語音報(bào)警器的基礎(chǔ)上，增加視頻功能，實(shí)現(xiàn)乘客與司機(jī)、乘客與控制中心乘客調(diào)度的可視化報(bào)警。當(dāng)列車乘客報(bào)警器被觸發(fā)后，司機(jī)室、控制中心可根據(jù)設(shè)定優(yōu)先級分別收到報(bào)警提示。例如首選司機(jī)接聽乘客報(bào)警，若10 s 后司機(jī)仍無應(yīng)答，自動轉(zhuǎn)至控制中心調(diào)度人員接聽；司機(jī)或控制中心調(diào)度人員與乘客對講時(shí)，攝像頭能捕捉乘客圖像，實(shí)時(shí)同步清晰地在廣播/乘客對講終端上播放；當(dāng)多個(gè)乘客呼叫中心時(shí)，廣播/乘客對講終端可以顯示全部呼叫，中心人員可選擇任意一個(gè)接通，其余未被接聽的呼叫保留請求。

2.3 寬帶無線通信系統(tǒng)

當(dāng)控制中心對列車進(jìn)行廣播時(shí)，傳送的是語音業(yè)務(wù)，各種語音編碼對無線帶寬的需求不同，每路最大為64 kbit/s；當(dāng)乘客對控制中心緊急可視報(bào)警時(shí)，由于傳送列車對控制中心的上行高清視頻業(yè)務(wù)，視頻帶寬每路不少于2 Mbit/s。因此車地廣播系統(tǒng)對寬帶無線通信系統(tǒng)的帶寬需求為每列車上行不少于2 Mbit/s，下行不少于64 kbit/s。當(dāng)控制中心有2 個(gè)乘客調(diào)度員時(shí)，可以同時(shí)接收2 個(gè)乘客緊急可視對講，若乘客緊急可視報(bào)警發(fā)生在同一無線小區(qū)的兩列車時(shí)，帶寬需求則加倍。

現(xiàn)階段城市軌道交通可采用的寬帶無線通信系統(tǒng)技術(shù)主要有LTE-M、WIFI 技術(shù)、EUHT 技術(shù)、5G 技術(shù)。LTE-M 在1.8 GHz 頻段下使用15 MHz頻寬，測試的小區(qū)邊緣帶寬為上行8 Mbit/s，下行邊緣帶寬為9 Mbit/s。EUHT 在5.8 GHz 80 MHz的頻寬下，測試的小區(qū)邊緣帶寬為上行63 Mbit/s，下行邊緣帶寬為106 Mbit/s。隨著LTE-M、EUHT 等技術(shù)在城市軌道交通的應(yīng)用，通過寬帶無線通信系統(tǒng)承載單向可視對講也成為趨勢。在寬帶無線通信系統(tǒng)綜合承載信號系統(tǒng)、PIS 系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)業(yè)務(wù)時(shí)，建議對車地廣播系統(tǒng)設(shè)置較高的優(yōu)先級，以保證廣播業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

2.4 廣播優(yōu)先級

軌道交通廣播播報(bào)應(yīng)具有優(yōu)先級功能，作為廣播分區(qū)沖突時(shí)的判斷依據(jù)。當(dāng)不同優(yōu)先級的終端對相同區(qū)域進(jìn)行廣播操作時(shí)，高優(yōu)先級廣播可覆蓋低優(yōu)先級廣播，低優(yōu)先級廣播在高優(yōu)先級廣播占用時(shí)操作無效。

《北京市軌道交通廣播系統(tǒng)（PA）應(yīng)用規(guī)范》規(guī)定，線路控制中心廣播系統(tǒng)同線路備用控制中心廣播系統(tǒng)優(yōu)先級一致。在線路控制中心失效，備用控制中心啟用降級廣播模式后，備用控制中心實(shí)時(shí)錄制素材播報(bào)的優(yōu)先級等同于線路控制中心TTS 素材播報(bào)的優(yōu)先級。TCC-PA 可對同一線路正線運(yùn)營列車下發(fā)1 路廣播音頻流。若與其他信源有沖突，由該線路中心層廣播系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)先級判斷，確保對同一線路正線運(yùn)營列車僅下發(fā)1 路廣播音頻流。具體優(yōu)先級規(guī)定如下：

1）防災(zāi)廣播：列車級廣播>中心級廣播>路網(wǎng)級廣播；

2）業(yè)務(wù)廣播：中心級（行車調(diào)度員）>列車級廣播>中心級廣播（其他崗位）>路網(wǎng)級廣播；

3）背景廣播：列車級廣播>中心級廣播>路網(wǎng)級廣播。

3 車地廣播系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

車地廣播系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)組播、音頻編碼、視頻編碼、流媒體傳輸及TTS 等關(guān)鍵技術(shù)入手，對中心廣播系統(tǒng)、車載廣播系統(tǒng)進(jìn)行研制，實(shí)現(xiàn)基于寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，中心與列車之間廣播、可視對講等業(yè)務(wù)信息的傳輸。

3.1 網(wǎng)絡(luò)組播

在網(wǎng)絡(luò)中，主要有單播、廣播、組播3 種發(fā)送報(bào)文的方式。單播方式適合用戶較少的網(wǎng)絡(luò)，而廣播方式適合用戶稠密的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中需求某信息的用戶量不確定時(shí)，單播和廣播方式效率很低。因此，IP 組播技術(shù)逐漸發(fā)展起來。組播路由協(xié)議常用的有PIM-DM 和PIM-SM 技術(shù)；組播模型根據(jù)對組播源處理方式不同可分為ASM（Any-Source Multicast）、SFM（Source-Filtered Multicast）及SSM（Source-Specif ic Multicast）。

結(jié)合城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與實(shí)際業(yè)務(wù)功能考慮，車地廣播系統(tǒng)采用組播模式，組播協(xié)議采用PIM 組播協(xié)議的SM 稀疏模式，組播模型采用SSM 模型；該組播模式可以向特定的組播組發(fā)送組播數(shù)據(jù)流，比單播數(shù)據(jù)效率高，比廣播數(shù)據(jù)節(jié)約帶寬，比較適合城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)通信。

3.2 音頻編碼

音頻編碼主要是完成對聲音信息的壓縮，常用的音頻編碼格式有PCM（Pulse Code Modulated Audio）、MP3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）、WMA(Windows Media Audio)及AMR（Adaptive Multi-Rate）等。

在列車實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，對列車廣播質(zhì)量要求較高，而廣播音頻從地面廣播設(shè)備到列車廣播設(shè)備需要經(jīng)過寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此音頻必須高度保真。PCM 音頻數(shù)據(jù)是未經(jīng)壓縮的音頻采樣數(shù)據(jù)裸流，它是由模擬信號經(jīng)過采樣、量化、編碼轉(zhuǎn)換成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，能做到最大程度的無限接近絕對保真。因此，建議地面廣播系統(tǒng)到車載廣播系統(tǒng)的音頻編碼采用PCM 音頻編碼技術(shù)。

3.3 視頻編碼

視頻編碼主要是完成對圖像信息的壓縮，通過特定的壓縮技術(shù)，將某個(gè)視頻格式的文件轉(zhuǎn)換成另外一種視頻格式文件，常用的視頻編碼格式有H.26X 系列和MPEG 系列等。

在列車實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)有乘客通過可視對講器報(bào)警時(shí)，視頻傳輸數(shù)據(jù)量較大，因此在傳輸過程中必須壓縮碼流。相對于其他視頻編碼格式而言，H.264/H.265 具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264 壓縮比是MPEG-2 的2 倍以上。H.264/H.265 壓縮技術(shù)能夠大大節(jié)省列車司機(jī)或中心調(diào)度員的下載時(shí)間，在有高壓縮比同時(shí)具有高質(zhì)量、流暢的圖像；此外，H.264/H.265 壓縮的視頻數(shù)據(jù)較小，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中所需要的帶寬更少，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

由于H.264/H.265 具有高壓縮比、圖像高質(zhì)量、占用帶寬較少等優(yōu)點(diǎn)，因此，建議地面廣播系統(tǒng)到車載廣播系統(tǒng)的視頻編碼采用H.264/H.265 視頻編碼技術(shù)。

3.4 流媒體傳輸

流媒體技術(shù)具備邊傳邊播的特點(diǎn)，該技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)最大好處是用戶無需花費(fèi)很長時(shí)間將多媒體數(shù)據(jù)全部下載到本地后才能播放，以節(jié)省下載時(shí)間和存儲空間，有效地減少延時(shí)。常用的流媒體協(xié)議有RTSP、HTTP 及RTMP 等。

地面廣播系統(tǒng)與車載廣播系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，產(chǎn)生的音視頻流需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，便需要流媒體傳輸協(xié)議。RTSP 是一種基于文本的應(yīng)用層協(xié)議，在語法及一些消息參數(shù)等方面與HTTP 協(xié)議類似，它是TCP/IP 協(xié)議體系中的一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，該協(xié)議定義了一對多應(yīng)用程序如何有效地通過IP 網(wǎng)絡(luò)傳送多媒體數(shù)據(jù)。RTSP 在體系結(jié)構(gòu)上位于RTP 和RTCP 之上，使用TCP 或UDP 完成數(shù)據(jù)傳輸。對于其他流媒體傳輸協(xié)議而言，RTSP 實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議具有可擴(kuò)展性、易解析、獨(dú)立傳輸、多服務(wù)器支持及HTTP 友好等優(yōu)點(diǎn)，因此建議地面廣播系統(tǒng)到車載廣播系統(tǒng)的流媒體傳輸采用RTSP 實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議。

3.5 TTS技術(shù)

TTS 技術(shù)，即語音合成技術(shù)，通常又稱為文語轉(zhuǎn)換技術(shù)（Text To Speech，TTS），是一種將任意的輸入文本轉(zhuǎn)換成相應(yīng)語音的技術(shù)，是人機(jī)語音交互應(yīng)用中不可或缺的技術(shù)模塊之一。

語音合成系統(tǒng)通常包含前端和后端兩個(gè)模塊。前端模塊主要是對輸入文本進(jìn)行分析，提取后端模塊所需要的語言學(xué)信息。后端模塊根據(jù)前端分析結(jié)果，通過一定的方法生成語音波形。后端模塊一般由基于統(tǒng)計(jì)參數(shù)建模的語音合成，即參數(shù)合成（Statistical Parameter Speech Synthesis，SPSS），基于單元選擇和波形拼接的語音合成，拼接合成，兩條技術(shù)主線組成。語音合成系統(tǒng)基本框架如圖2 所示。

圖2 語音合成系統(tǒng)基本框架Fig.2 Basic framework of speech synthesis system

參數(shù)合成是在訓(xùn)練階段對語音聲學(xué)特征、時(shí)長信息進(jìn)行相關(guān)建模，在合成階段通過時(shí)長、聲學(xué)模型預(yù)測聲學(xué)相關(guān)的特征參數(shù)，并對這些特征參數(shù)做后處理，最后通過聲碼器恢復(fù)語音波形。拼接合成的訓(xùn)練階段與參數(shù)合成基本相同，在合成階段通過統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算來指導(dǎo)單元選擇，采用動態(tài)規(guī)劃算法選出最優(yōu)單元序列，再對選出的單元進(jìn)行能量規(guī)整和波形拼接。拼接合成直接使用真實(shí)語音片段，可以最大限度保留語音音質(zhì)，缺點(diǎn)是需要的音庫一般較大，而且無法保證領(lǐng)域外文本的合成效果。

本方案選用科大訊飛的離線語音合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)TTS 廣播應(yīng)用，該技術(shù)具備參數(shù)合成、拼接合成等語音合成技術(shù)，有眾多極具特色的發(fā)音人（語音庫），合成音在音色、自然度等方面的表現(xiàn)均接近甚至超過了人聲。

4 結(jié)束語

按照以上組網(wǎng)方案搭建車地廣播系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)中心對列車廣播、與乘客對講等業(yè)務(wù)功能?；趯拵o線通信系統(tǒng)的車地廣播系統(tǒng)，在滿足城市軌道交通運(yùn)營廣播業(yè)務(wù)基本需求的基礎(chǔ)上，為乘客提供了更有效的安全保障，為運(yùn)營人員提供了更全面的維護(hù)方式。此外，本方案已在首都機(jī)場線進(jìn)行了工程實(shí)踐且效果良好，為EUHT 等寬帶無線通信系統(tǒng)承載車地廣播系統(tǒng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用提供技術(shù)支持及參考，為未來列車無人駕駛模式的車地廣播系統(tǒng)提供研究基礎(chǔ)，引領(lǐng)城市軌道交通車地廣播系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)入新階段。