智慧城軌車站室內(nèi)人員定位技術(shù)分析及應(yīng)用

張宏亮，楊雅鈞

（上海申電云數(shù)字科技有限公司 上海 200063）

0 引言

隨著城市軌道（簡(jiǎn)稱城軌）交通網(wǎng)絡(luò)的不斷織密，2020—2022 年中心城市城軌交通分擔(dān)率也在逐年提高，其中10 個(gè)城市的城軌交通客運(yùn)量占公共交通分擔(dān)比率超過(guò)了50%，上海分擔(dān)率最高達(dá)到70%［1］。 城軌交通車站作為市民出行的直接窗口及地鐵運(yùn)營(yíng)管理的基本單元，運(yùn)營(yíng)壓力、安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)與日俱增，因此車站運(yùn)營(yíng)管理精細(xì)化的需求也越來(lái)越迫切。 例如，城軌車站中日常運(yùn)營(yíng)、應(yīng)急事件演練及調(diào)度、設(shè)備日常維護(hù)、客流統(tǒng)計(jì)等應(yīng)用場(chǎng)景，相對(duì)于傳統(tǒng)的依靠值班員經(jīng)驗(yàn)，更需要準(zhǔn)確度更高的實(shí)時(shí)定位、精準(zhǔn)研判，來(lái)提升車站運(yùn)營(yíng)、應(yīng)急處理的效率。本文將結(jié)合城軌交通車站運(yùn)營(yíng)的需求，分析室內(nèi)多種藍(lán)牙定位技術(shù)，助力智慧城軌車站的建設(shè)。

1 城軌車站定位技術(shù)分析

地鐵車站大部分是地下構(gòu)筑物，為了解決地鐵車站內(nèi)無(wú)法基于GPS 定位導(dǎo)航的問(wèn)題，主要有以下幾種常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)，如Wi?Fi 定位、藍(lán)牙定位、Zigbee 定位、射頻技術(shù)定位、紅外定位以及超寬帶（ultra?wide band，UWB）定位。 綜合考慮到定位精度，設(shè)備成本、布線方式、實(shí)施維護(hù)更方便等需求，本文推薦城軌車站定位方案主要采用藍(lán)牙定位技術(shù)。 藍(lán)牙定位的優(yōu)勢(shì)在于定位精度高、體積小、功耗低、易部署，比較符合室內(nèi)定位的發(fā)展趨勢(shì)，而且藍(lán)牙技術(shù)定位成本低，更適合在實(shí)際定位中應(yīng)用［2］。

藍(lán)牙定位主流技術(shù)又細(xì)分為兩種，一種是通過(guò)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)指示（received signal strength indication，RSSI）估算的定位。 另一種是通過(guò)信號(hào)的角度估算的定位，包括藍(lán)牙到達(dá)角技術(shù)（angle of arrival，AoA）和出發(fā)角（angle of departure，AoD）技術(shù)，本文主要介紹AoA 方案。

藍(lán)牙Beacon 是一種通過(guò)藍(lán)牙低功耗廣播發(fā)射給周圍設(shè)備的信號(hào)，用于室內(nèi)位置跟蹤和定位。 當(dāng)進(jìn)入信標(biāo)信號(hào)覆蓋的范圍，終端設(shè)備測(cè)出其不同的RSSI 值，將接收到的RSSI 值通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)回傳推送給定位服務(wù)器計(jì)算。 但是信號(hào)強(qiáng)度容易受到天線方向、遮擋、電池電量等因素影響，容易漂移丟點(diǎn)，定位精度不如藍(lán)牙AoA 方案。

藍(lán)牙AoA［3］是一種通過(guò)利用藍(lán)牙信號(hào)到達(dá)的角度來(lái)計(jì)算設(shè)備位置的技術(shù)。 發(fā)射裝置（如標(biāo)簽、手持終端）使用單根天線發(fā)射信號(hào)，接收裝置（如固定定位器基站）有多根陣列天線，計(jì)算信號(hào)到達(dá)角度，從而確定位置。 這種方案具有較高的定位精度，但需要使用多根接收天線，因此硬件成本相對(duì)較高。

本文結(jié)合兩種定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出一種城軌車站藍(lán)牙室內(nèi)融合定位方案，技術(shù)上可以充分利用RSSI 信號(hào)強(qiáng)度和AoA 角度信息的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，輔助增強(qiáng)判斷，提高定位精度和穩(wěn)定性。 同時(shí)，藍(lán)牙Beacon 方案可廣泛用于城軌車站的簽到打卡、室內(nèi)導(dǎo)航以及精準(zhǔn)營(yíng)銷等多種應(yīng)用場(chǎng)景，藍(lán)牙AoA 方案可應(yīng)用于人員跟蹤定位、資產(chǎn)定位及客流斷面分析等場(chǎng)景中

2 城軌車站定位技術(shù)的應(yīng)用

2.1 藍(lán)牙定位系統(tǒng)應(yīng)用

2.1.1 車站定位應(yīng)用場(chǎng)景分析

基于藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)站內(nèi)人員定位、應(yīng)急事件演練及調(diào)度、維修人員設(shè)備維護(hù)、志愿者定位服務(wù)、乘客導(dǎo)航等應(yīng)用功能，具體如下。

（1）站內(nèi)人員定位服務(wù)：在車站日常運(yùn)營(yíng)工作中，需要按照既定的排班計(jì)劃、路線開(kāi)展巡檢和保潔工作。 因此需要對(duì)站內(nèi)值班人員、清潔人員移動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)跟蹤定位，可以判斷是否有漏檢等情況，最終自動(dòng)形成達(dá)標(biāo)率報(bào)表。同時(shí)，當(dāng)車站內(nèi)設(shè)備故障發(fā)生時(shí)，需要準(zhǔn)確規(guī)范的記錄故障或事件的發(fā)生地點(diǎn)信息。

（2）應(yīng)急事件演練及調(diào)度：當(dāng)應(yīng)急事件發(fā)生時(shí)，城軌車站需要全局視角來(lái)查看距應(yīng)急事件發(fā)生地點(diǎn)最近的人員，因此需要在集中指揮監(jiān)控中心大屏上，全方位監(jiān)控車站內(nèi)客流情況以及人員班組信息、到崗情況、實(shí)時(shí)位置分布等，清晰直觀地掌握現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置情況，快速做好布崗動(dòng)態(tài)調(diào)整和應(yīng)急調(diào)度。

（3）維修人員設(shè)備維護(hù)：在設(shè)備維護(hù)工作時(shí)，需要規(guī)范外單位人員到達(dá)指定地點(diǎn)，監(jiān)督作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，因此需要根據(jù)城軌車站內(nèi)定位進(jìn)行解鎖工單后，才能執(zhí)行維護(hù)維修，實(shí)現(xiàn)對(duì)維護(hù)維修工作的精細(xì)化管理。

（4）志愿者定位服務(wù)：一般志愿者是臨時(shí)的、非專業(yè)的，作為車站人力的補(bǔ)充，人員的到崗情況以及在崗時(shí)長(zhǎng)需要有效統(tǒng)計(jì)和監(jiān)控。

（5）乘客導(dǎo)航：在乘客的日常出行中，百度、高德等外部導(dǎo)航無(wú)法進(jìn)行站內(nèi)路徑導(dǎo)航，特別是換乘站、樞紐站，存在著換乘路徑長(zhǎng)或者單向換乘情況，一旦走錯(cuò)需繞行返行，且乘客問(wèn)詢工作量大，因此在車站需要為乘客提供地圖查看、導(dǎo)航服務(wù)，方便乘客的出行。

2.1.2 藍(lán)牙定位系統(tǒng)應(yīng)用

本文綜合考慮藍(lán)牙Beacon 和藍(lán)牙AoA 方案的優(yōu)勢(shì)，推薦在城軌車站不同的區(qū)域采用不同的定位技術(shù)，即在站臺(tái)層、站廳層、電梯、樓梯、部署藍(lán)牙Beacon 信標(biāo)和藍(lán)牙AoA 方案，在出入口通道、換乘通道部署藍(lán)牙AoA 基站，在設(shè)備區(qū)域采用藍(lán)牙Beacon 方案，形成融合室內(nèi)定位，滿足車站不同區(qū)域的定位應(yīng)用的需求，具體如表1 所示。

表1 藍(lán)牙融合定位系統(tǒng)應(yīng)用

2.2 藍(lán)牙定位系統(tǒng)實(shí)施方案

2.2.1 安裝原則

（1）藍(lán)牙信標(biāo)空曠區(qū)域?qū)嵤┰瓌t：藍(lán)牙信標(biāo)間距控制在6～8 m，高度在3 ～4 m，整個(gè)空間進(jìn)行網(wǎng)格狀分割實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)部署全覆蓋；

（2）藍(lán)牙信標(biāo)特殊區(qū)域?qū)嵤┰瓌t：現(xiàn)場(chǎng)有特殊障礙，如立柱等環(huán)境，依據(jù)需要增補(bǔ)藍(lán)牙信標(biāo)設(shè)備；

（3）藍(lán)牙AoA 基站實(shí)施原則：采用沿公共區(qū)域中線布置的方式，串接式／星型式以太網(wǎng)供電方式。

圖1 藍(lán)牙信標(biāo)安裝布局圖

2.2.2 部署方案

（1）站廳層：站廳層一般情況下遵循基本原則中的空曠區(qū)域和AoA 基站的實(shí)施原則，即6 ～8 m 間距，實(shí)施即可。

（2）站臺(tái)層：一般的標(biāo)準(zhǔn)車站站臺(tái)層兩側(cè)屏蔽門之間的寬度小于15 m，鋪設(shè)中一般原則為兩側(cè)上車點(diǎn)附近按照6～8 m 橫向部署藍(lán)牙信標(biāo)，中間空曠區(qū)域按照橫向6 ～8 m 進(jìn)行補(bǔ)充部分AoA 基站。

（3）特殊區(qū)域：對(duì)于特殊區(qū)域如進(jìn)出站閘機(jī)，垂直電梯、自動(dòng)扶梯、樓梯。 在閘機(jī)外及閘機(jī)內(nèi)一側(cè)2 ～3 m 處分別安裝一臺(tái)藍(lán)牙信標(biāo)，用于精確定位站內(nèi)站外。 對(duì)于垂直電梯，首先在電梯開(kāi)門處外靠一側(cè)1 ～2 m 遠(yuǎn)處安裝一臺(tái)藍(lán)牙信標(biāo)，其次在垂直電梯內(nèi)部安裝一臺(tái)藍(lán)牙信標(biāo)，有助于識(shí)別樓層切換的狀態(tài)；最后扶梯、樓梯等樓層切換設(shè)施，需要在上下兩層的樓扶梯處各安裝至少一臺(tái)藍(lán)牙信標(biāo)［4］。

（4）出入口通道、換乘通道：出入口通道、換乘通道一般寬度為8 m 以上，通道中線部署藍(lán)牙AoA 基站（詳見(jiàn)圖2 所示）。

圖2 電梯、樓梯藍(lán)牙信標(biāo)部署示例

3 藍(lán)牙定位系統(tǒng)整體架構(gòu)

藍(lán)牙定位系統(tǒng)架構(gòu)分為六層架構(gòu)，分別為展示層、應(yīng)用層，核心層、匯聚層、接入層和終端層，如圖3 所示。

圖3 藍(lán)牙定位系統(tǒng)方案架構(gòu)圖

（1）展示層：基于B／S 架構(gòu)，滿足多種可視化媒介載體方式進(jìn)行2D／3D 圖形化展示，包括車站集中指揮中心大屏、PC、APP、小程序等形式。

（2）應(yīng)用層：基于核心層定位服務(wù)，創(chuàng)新城軌車站定位應(yīng)用場(chǎng)景，如實(shí)時(shí)定位、軌跡查詢和回放、地圖服務(wù)、電子圍欄、站內(nèi)導(dǎo)航、客流統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)管理等功能；

（3）核心層：由定位解算引擎、路徑規(guī)劃、地圖引擎、數(shù)據(jù)庫(kù)等組成。 定位解算引擎包含兩大類解算服務(wù)，一類針對(duì)藍(lán)牙信標(biāo)覆蓋區(qū)域，定位解算引擎通過(guò)三個(gè)及以上已知位置信息的藍(lán)牙設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度，再通過(guò)其他的一些輔助方法比如加權(quán)平均算法、時(shí)間加權(quán)算法、慣性導(dǎo)航算法、卡爾曼濾波算法、高斯濾波算法［5］等來(lái)計(jì)算出當(dāng)前位置；另一類針對(duì)AoA 基站覆蓋區(qū)域，通過(guò)分析到達(dá)時(shí)間差，運(yùn)算出標(biāo)簽對(duì)定位基站的方位角與俯仰角，再配合信號(hào)強(qiáng)度估算，精確對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。 另外，對(duì)于AoA 基站和藍(lán)牙信標(biāo)結(jié)合區(qū)域，兩類定位解算引擎會(huì)同時(shí)工作，將解算的位置信息都推送給應(yīng)用層，如果應(yīng)用層接收到兩種模式的解算的位置信息，會(huì)優(yōu)先顯示AoA 的定位數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)，同時(shí)也會(huì)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度等計(jì)算信息，進(jìn)行兩種區(qū)域的判斷切換。

地圖引擎服務(wù)器用于為移動(dòng)終端提供地圖支撐和位置信息的服務(wù)器。 它采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)WGS－84 等，由專業(yè)人員使用CAD、ArcGIS 等軟件進(jìn)行前期制圖。 引擎將根據(jù)回傳的數(shù)據(jù)計(jì)算定位標(biāo)簽位置，并為位置應(yīng)用提供地圖支撐。

路徑規(guī)劃用于提供準(zhǔn)確的路徑規(guī)劃服務(wù)，算法能計(jì)算從出發(fā)地點(diǎn)到目標(biāo)位置的最短路徑，并支持這條路徑在電子地圖上用特定的顏色標(biāo)識(shí)出來(lái)。

（4）匯聚層：由POE（power over ethernet）交換機(jī)、路由器組成，作為AoA 基站的數(shù)據(jù)傳輸通道。

（5）接入層：包含AoA 基站和藍(lán)牙信標(biāo)。 AoA 基站的陣列天線在不同時(shí)間點(diǎn)采集到同一信號(hào)源發(fā)出的無(wú)線信號(hào)；藍(lán)牙信標(biāo)則不斷地廣播藍(lán)牙信號(hào)（包括定位標(biāo)簽的ID、信號(hào)強(qiáng)度、廣播功率等），以便終端設(shè)備檢測(cè)到藍(lán)牙信號(hào)。

（6）終端層：不僅包括移動(dòng)終端，如智能手機(jī)、手持PAD，還包括其他可穿戴設(shè)備，如手環(huán)、工牌等標(biāo)簽類終端。 這些設(shè)備可以作為安裝集成定位軟件開(kāi)發(fā)工具包（software development kit，SDK）的APP 或者微信小程序的載體，同時(shí)也支持精確的定位功能。

4 應(yīng)用效果分析

通過(guò)融合兩種藍(lán)牙技術(shù)，本文提出的定位技術(shù)提高了定位準(zhǔn)確率，滿足不同角色人員的使用習(xí)慣，減少投資成本，新增客流監(jiān)測(cè)手段，簡(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)過(guò)程：

（1）提高定位準(zhǔn)確率：相對(duì)于傳統(tǒng)的依賴單一藍(lán)牙信標(biāo)的定位，本文將兩種藍(lán)牙技術(shù)融合在一起，提高了定位的準(zhǔn)確度，從而提升車站的使用效率和用戶體驗(yàn)。

（2）豐富的終端定位：應(yīng)用層可以滿足移動(dòng)終端APP、小程序或者標(biāo)簽類工牌、手環(huán)的定位，滿足不同角色人員的使用習(xí)慣。

（3）減少投資成本：對(duì)車站應(yīng)用場(chǎng)景做了細(xì)分，有針對(duì)性地部署藍(lán)牙信標(biāo)以及藍(lán)牙AoA 基站，在保障用戶體驗(yàn)的同時(shí)，降低了施工難度，與全面采用藍(lán)牙AoA 基站部署方案相比，更能減少投資成本。 另外，一般車站具有運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，本方案利用該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為回傳網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步降低了投資成本，如按照LoRa 基站部署回傳網(wǎng)絡(luò)方案。

（4）新增客流監(jiān)測(cè)手段：藍(lán)牙AoA 基站可以獲得服務(wù)器范圍內(nèi)客流斷面數(shù)據(jù)，后臺(tái)服務(wù)可以估算客流實(shí)時(shí)人數(shù)、客流密度、進(jìn)出流速，提供數(shù)據(jù)分析依據(jù)，對(duì)既有客流感知數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，相互校驗(yàn)，形成更加立體、綜合的客流感知體系，以便及時(shí)預(yù)警，調(diào)整客流組織方案。

（5）設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單：在日常巡檢過(guò)程中，運(yùn)維人員手持終端，在藍(lán)牙信標(biāo)布設(shè)范圍內(nèi)進(jìn)行巡檢。 后臺(tái)程序通過(guò)判斷信源信標(biāo)的狀態(tài)值，判斷是否與系統(tǒng)記錄的信標(biāo)信息一致，由此判斷現(xiàn)場(chǎng)藍(lán)牙信標(biāo)是否處于正常工作狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步和業(yè)務(wù)的不斷更新，車站引入城軌車站藍(lán)牙室內(nèi)融合定位技術(shù)，減少了投資成本，同時(shí)提高了定位的精度，實(shí)現(xiàn)車站工作人員、乘客動(dòng)態(tài)感知，提升日常管理和應(yīng)急處理水平。 藍(lán)牙室內(nèi)融合定位技術(shù)將有效提高運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的效率，保障客流平穩(wěn)有序，最大程度地發(fā)揮作用，為智慧車站的建設(shè)注入強(qiáng)大動(dòng)力。