高鐵站內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)方案的研究

蔡宏宇

摘要：基于高鐵站內(nèi)場景的各種局限，廣泛對比目前常見的室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)缺點，并從經(jīng)濟性和實用性的角度提出適合高鐵站內(nèi)導(dǎo)航的技術(shù)方案，希望借此提升站內(nèi)旅客服務(wù)的整體水平。

關(guān)鍵字：WIFI；藍(lán)牙；定位導(dǎo)航

Abstract：Owing to the fact that there are many limitations in the railway station，advantages and disadvantages of indoor localization and navigation technology are widely compared in this article. A technical solution which aims at promoting the experience of passengers in railway station is proposed in term of economic and practical use.

keyword：WIFI Bluetooth localization and navigation technology

引言

近年來，隨著新一代動力和控制技術(shù)的應(yīng)用，高速鐵路成為中國陸路客運體系中最突出的增長點，截至2016年底，高鐵累計發(fā)送旅客已突破 50 億人次，并以年均30%以上的速度繼續(xù)增長。高速鐵路作為國家重要基礎(chǔ)設(shè)施和使用人數(shù)眾多的交通工具，車站內(nèi)部空間覆蓋面積廣、功能區(qū)域眾多、連接路徑復(fù)雜，導(dǎo)致旅客對于站內(nèi)定位和導(dǎo)航的需求日益增加，尤其是在站內(nèi)各個主要功能區(qū)域及其出、入口處（例如候車大廳、進(jìn)出站口、安檢區(qū)域等），最常見的做法是，通過移動終端的信號強度或應(yīng)用其掃碼功能，間接獲知其用戶在室內(nèi)的位置信息，從而幫用戶規(guī)劃去某處的最佳路徑。但是由于常用作定位的GPS和北斗等系統(tǒng)發(fā)射的信號功率弱、頻率高，其很難穿過屋頂，以至于在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下信號質(zhì)量不穩(wěn)定，其定位時間、定位精度都很難得到有效的控制。

針對上述問題，最近幾年，業(yè)內(nèi)發(fā)展出了一系列新的室內(nèi)技術(shù)以及室內(nèi)定位解決方案，例如A-GPS定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、紅外線技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、射頻識別技術(shù)、超寬帶技術(shù)、計算機視覺定位技術(shù)等等。但是火車站內(nèi)因歷史、經(jīng)濟性等方面的原因，并不是所有定位技術(shù)都適用，本論文將著重討論針對火車站使用場景下的室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)。

1常見室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)

目前室內(nèi)導(dǎo)航的主流技術(shù)包括藍(lán)牙導(dǎo)航和WIFI導(dǎo)航，最近這幾年涌現(xiàn)出了很多種室內(nèi)導(dǎo)航的新技術(shù)，包括超寬帶技術(shù)、地磁導(dǎo)航等等。

1.1 WIFI定位

WIFI定位與北斗、GPS、基站等定位方式相比，其主要優(yōu)勢在于較好的折中了室內(nèi)定位的精度和成本：WIFI熱點價格低、部署簡單，對于連通性的大型室內(nèi)空間，很容易通過增加WIFI熱點的數(shù)量來提高定位精度，且在復(fù)雜的室內(nèi)場景和熱點布局下，其繪圖精度一般可以滿足導(dǎo)航需求。

總體而言，WIFI定位比蜂窩網(wǎng)絡(luò)三角測量定位方法更精確。WIFI定位常用的算法分為兩種：

1、單點定位：根據(jù)WIFI的信號強度模型，計算目標(biāo)手機與鄰近WIFI接入點的信號強度測算出與之最近的接入點手機的距離；

2、三角定位或位置指紋定位：根據(jù)事先測量的空間信號強度圖，計算目標(biāo)手機與多個（一般3個或3個以上，狹長直線走廊處可為2個）接入點的信號強度特征，測算出手機的位置。

顯然，后者的理論定位精度更高。目前，WIFI定位廣泛應(yīng)用于大范圍低成本的室內(nèi)定位，在滿足定位需求的同時，還上網(wǎng)功能兼具（在大多數(shù)應(yīng)用場景中，上網(wǎng)的需求甚至超過室內(nèi)定位導(dǎo)航的需求）。但受制于信號強度，即使WIFI收發(fā)器安裝的位置足夠立項，基本也只能覆蓋相對較小面積的區(qū)域，而在室內(nèi)（尤其是WIFI的接入點與地面垂直距離較低時）有效距離甚至可能縮短30米以內(nèi)，更何況其他信號的干擾，也會導(dǎo)致精度的降低。此外，WIFI定位器的能耗也較高，因而往往需要采用外接供電的方式，隱性地增加了部署周期和成本。利用 WIFI 定位來覆蓋每十萬平米的面積，費用在數(shù)十萬元。

1.2 藍(lán)牙定位

與WIFI定位相比，近年來更多室內(nèi)場景采用了藍(lán)牙定位。藍(lán)牙定位屬于短距離、低功耗的無線定位技術(shù)。其核心算法原理與WIFI定位類似：都是通過單點定位或三角定位原理獲得用戶的位置信息，但兩者組網(wǎng)方式大不相同，而且其部署難易程度上，較WIFI定位有較大優(yōu)勢。

藍(lán)牙技術(shù)根據(jù)其技術(shù)特點，主要應(yīng)用于小范圍、較高精度的室內(nèi)定位，例如層高不太大的單層建筑內(nèi)部。藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)特別是低功耗藍(lán)牙定位技術(shù)使設(shè)備接入點可以不依賴于外部供電，使用內(nèi)置紐扣電池，相關(guān)硬件也易于集成在 PDA、PC以及手機中（目前大多數(shù)智能手機中已經(jīng)在出廠前集成了藍(lán)牙模塊），因此很容易推廣普及。理論上，當(dāng)布點間距7米時，可以達(dá)到3-5米的定位精度；定位精度隨著布點密度的增加，還可以進(jìn)一步提高。

藍(lán)牙定位技術(shù)的代表是 Nokia的 HAIP 的室內(nèi)精確定位解決方案。雖然在定位精度、供電等方面具有顯著優(yōu)勢，藍(lán)牙定位也有自身的缺陷，例如對于覆蓋相同的室內(nèi)面積，藍(lán)牙解決方案的價格比較昂貴，性價比較WIFI低，而且在復(fù)雜的空間環(huán)境中，藍(lán)牙系統(tǒng)由于功較小，因而穩(wěn)定性稍差，比WIFI定位更容易受其他信號干擾。但由于除了個別商場外，藍(lán)牙基站在絕大多數(shù)室內(nèi)公共環(huán)境不普及，導(dǎo)致其定位成本較高。

表1展示了目前室內(nèi)定位中部分主流方案的技術(shù)特點以及優(yōu)缺點對比。這里需要說明的是，從定位計算處理方式來說，上述定位方式還可以分為正向定位和反向定位。正向定位采用有源基站，采集區(qū)域內(nèi)移動設(shè)備信號，傳到后臺進(jìn)行分析，這種方式不需要打開手機應(yīng)用，更多應(yīng)用在人員密度等監(jiān)控系統(tǒng)；反向定位采用手機作為計算載體，獲取裝在固定位置的有源基站或者無源信號源的位置，這種方式更多應(yīng)用在手機導(dǎo)航上，這種應(yīng)用的局限性在于IOS系統(tǒng)限制了后臺應(yīng)用向外發(fā)送本機位置信息，而且對手機資源占用較大。

2火車站內(nèi)定位方案研究

上面僅對相關(guān)導(dǎo)航技術(shù)自身的原理和特點進(jìn)行了討論，我們還需要結(jié)合火車站本身的各種局限來選擇，尤其是需要參考高鐵車站現(xiàn)有資源配置（例如是否已經(jīng)部署用于提供無線上網(wǎng)服務(wù)的WIFI接收器，是否能提供外接供電接口等），以及站內(nèi)設(shè)施改動（例如地面是否允許埋入接收器，屋頂、廊柱是否可以安裝接收器掛架等）和項目經(jīng)費預(yù)算所能承受的極限程度，提供最終一組難易度不同的備選方案，以供用戶針對每個站點的不同情況，進(jìn)行合理的選擇。

2.1 暫無計劃部署WIFI或藍(lán)牙系統(tǒng)的車站

對于站內(nèi)尚未部署任何WIFI或藍(lán)牙系統(tǒng)，并且可預(yù)見的未來也沒有相關(guān)計劃的車站，如果仍然要快速推進(jìn)站內(nèi)定位、導(dǎo)航系統(tǒng)的部署和應(yīng)用，比較適合的方案是基于空間數(shù)據(jù)庫的掃描二維碼定位方法：

二維碼屬于一種低成本室內(nèi)定位導(dǎo)航方式，當(dāng)預(yù)算較低情況下，卻是一種不錯的選擇，它在很小的二維平面上通過黑白點陣信息來記錄符號信息，并且利用手機等移動終端自帶的拍攝、圖像識別功能將二維碼矩陣中的信息與空間數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存儲的位置信息一一對應(yīng)起來，其在實際應(yīng)用中能存儲較多信息，而且具有識別速度快不易損壞、成本低廉等優(yōu)點。

如上所述，精確地利用二維碼實現(xiàn)室內(nèi)定位導(dǎo)航，需要將二維碼對應(yīng)的點的屬性信息在空間數(shù)據(jù)庫中一一記錄下來，如該功能區(qū)及其內(nèi)含服務(wù)項目的名稱、進(jìn)出站口和安檢口編號及其與相鄰功能區(qū)的鄰接方式等等。

在實際使用中，用戶通過手機等移動終端掃描附近的二維碼，系統(tǒng)自動將該用戶的位置坐標(biāo)默認(rèn)為預(yù)先設(shè)置的二維碼所在位置的坐標(biāo)，該坐標(biāo)和用戶的目標(biāo)點位通過手機上傳至后臺系統(tǒng)，后臺記錄當(dāng)前點位后，根據(jù)最短路徑算法計算出起始點到終點的推薦路徑，或者當(dāng)數(shù)據(jù)庫中已有該兩點信息后，直接將路徑傳回移動設(shè)備，并在移動設(shè)備地圖上顯示系統(tǒng)推薦路徑，完成用戶導(dǎo)航功能。

與WIFI和藍(lán)牙等定位導(dǎo)航方式相比，此方法的缺點也是很明顯的，由于不能獲得用戶實時位置的更新信息，用戶不僅需要通過掃碼確定自己的始發(fā)點位置，途中如果對自己的行進(jìn)方向產(chǎn)生疑問，也只能通過不斷地掃碼，在當(dāng)前位置重新獲取新的導(dǎo)航路徑，或者僅在岔路等關(guān)鍵信息點位確認(rèn)自己是否仍然正確的走在去往終點路徑中，這樣不僅耗時，效果也不太理想。并掃碼確認(rèn)自己已經(jīng)到達(dá)目的地。

通過二維碼定位的基本原理可以看出，其優(yōu)勢主要在于綜合成本低、部署周期短、后期維護(hù)簡單等。尤其是在硬件后期維護(hù)方面，對二維碼標(biāo)識后期的拆除和更換非常簡單便捷其相關(guān)的整個過程幾乎僅涉及二維碼標(biāo)識的生成、坐標(biāo)點關(guān)聯(lián)和手動粘貼，因此幾乎可以視為零成本快速投入使用。

在室內(nèi)定位導(dǎo)航需求度高速增長，而配套的硬件設(shè)施部署不完善的今天，二維碼室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)不失為一種折衷的辦法來解決用戶“我在哪”的困擾問題，而且維護(hù)成本低，與將來技術(shù)升級，比如升級到藍(lán)牙定位完全不沖突，可以作為一種初期的定位技術(shù)簡單實現(xiàn)，而且此方法在幫助其他方法校正誤差或聯(lián)合使用等方面仍然能起到一定輔助的補充作用。

2.2 部分部署WIFI系統(tǒng)且無擴展計劃的車站

對于站內(nèi)部分區(qū)域已經(jīng)部署WIFI系統(tǒng)，但是在可預(yù)見的未來沒有進(jìn)一步擴展部署區(qū)域和增加部署密度計劃的車站，建議采用組合方式：在已經(jīng)部署WIFI熱點或能提供供電接口的區(qū)域（一般為候車大廳等區(qū)域）使用基于三角/三邊定位或位置指紋的WIFI定位導(dǎo)航；在其他缺乏配套硬件部署或部署成本過高區(qū)域使用基于二維碼的定位導(dǎo)航技術(shù)。需要注意的是，上述其他區(qū)域也包括通風(fēng)天井、通透式扶梯的上下兩端等雖然可能處于已經(jīng)部署WIFI熱點的區(qū)域的范圍，但是由于與上下不同樓層相鄰的縱向通透空間容易造成信號干擾，而難以直接部署WIFI熱點的特殊位置。

為了實現(xiàn)WIFI與二維碼定位導(dǎo)航方式的無縫對接，在已經(jīng)部署WIFI熱點的區(qū)域的點要素（例如區(qū)域名稱）和線要素（例如相鄰區(qū)域之間的連接關(guān)系）等信息，同樣也要被保存進(jìn)空間數(shù)據(jù)庫，只不過上述區(qū)域的重要設(shè)施上不再需要被貼上二維碼標(biāo)簽。而WIFI定位中在用戶手機屏幕的室內(nèi)地圖上對用戶位置的動態(tài)跟隨，需要預(yù)先設(shè)定一個邊界，當(dāng)計算出的用戶位置越過邊界時，地圖上將不再顯示用戶實時位置，只有當(dāng)用戶重新WIFI熱點范圍之外的二維碼區(qū)域掃描二維碼后，其手機地圖上的定位點直接跳到當(dāng)前二維碼所對應(yīng)的地理位置坐標(biāo)處。

2.3 部分部署WIFI系統(tǒng)且有擴展計劃的車站

對于站內(nèi)部分區(qū)域已經(jīng)部署WIFI系統(tǒng)，并且在可預(yù)見的未來有進(jìn)一步擴展部署區(qū)域和增加部署密度計劃的車站，除了上述兩種組合方式之外，因為提供WIFI上網(wǎng)服務(wù)和保證WIFI定位精度之間，對于相關(guān)熱點布局的要求有所差異，因此實際操作中還可能需要對現(xiàn)有WIFI布點進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整（一般是增加密度、擴展范圍等）。

2.4 部署密度已經(jīng)符合WIFI定位要求的車站

對于站內(nèi)絕大部分甚至全部區(qū)域已經(jīng)部署WIFI系統(tǒng)，并且部署密度已經(jīng)符合WIFI定位要求的車站，建議采用基于三角/三邊定位的定位導(dǎo)航方式，對定位精度要求較高的情況下可以進(jìn)一步升級為位置指紋方式。

如圖3所示，基于WIFI的室內(nèi)定位在硬件上主要由定位服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器（圖中被合并進(jìn)定位服務(wù)器中）、監(jiān)控電腦、交換機、定位AP等組成

3基于WIFI的定位具有如下優(yōu)勢：

（1）升級改造成本低，目前大部分室內(nèi)場景都已經(jīng)為上網(wǎng)部署了WIFI，在此基礎(chǔ)上改造使其滿足室內(nèi)定位要求，成本較低；

（2）受遮擋物影響較小不像藍(lán)牙信號對人體較大的吸收，而且有較多躲避遮擋物的方式；

（3）覆蓋面積廣。

當(dāng)前，絕大多數(shù)基于WIFI的定位系統(tǒng)都利用無線信號強度來測算，其算法分為兩大類：三角形定位算法和位置指紋識別（fingerprinting）算法。三角形算法根據(jù)WIFI設(shè)備的場強距離模型，通過計算目標(biāo)到至少三個已知坐標(biāo)點處的接收器之間信號的強度差異，以平面幾何方式計算出目標(biāo)的位置；而位置指紋識別則需要預(yù)先提取目標(biāo)位置的特征WIFI指紋信息與事先獲知的在空間各點處的信號特征做對比，確定最接近的特征點位，就認(rèn)為目標(biāo)在空間中處在該點坐標(biāo)處。