高鐵站內定位導航技術方案的研究

蔡宏宇

摘要：基于高鐵站內場景的各種局限，廣泛對比目前常見的室內定位導航技術的優缺點，并從經濟性和實用性的角度提出適合高鐵站內導航的技術方案，希望借此提升站內旅客服務的整體水平。

關鍵字：WIFI；藍牙；定位導航

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的應用，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，高鐵累計發送旅客已突破 50 億人次，并以年均30%以上的速度繼續增長。高速鐵路作為國家重要基礎設施和使用人數眾多的交通工具，車站內部空間覆蓋面積廣、功能區域眾多、連接路徑復雜，導致旅客對于站內定位和導航的需求日益增加，尤其是在站內各個主要功能區域及其出、入口處（例如候車大廳、進出站口、安檢區域等），最常見的做法是，通過移動終端的信號強度或應用其掃碼功能，間接獲知其用戶在室內的位置信息，從而幫用戶規劃去某處的最佳路徑。但是由于常用作定位的GPS和北斗等系統發射的信號功率弱、頻率高，其很難穿過屋頂，以至于在復雜室內環境下信號質量不穩定，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，業內發展出了一系列新的室內技術以及室內定位解決方案，例如A-GPS定位技術、超聲波定位技術、紅外線技術、藍牙定位技術、射頻識別技術、超寬帶技術、計算機視覺定位技術等等。但是火車站內因歷史、經濟性等方面的原因，并不是所有定位技術都適用，本論文將著重討論針對火車站使用場景下的室內導航定位技術。

1常見室內導航技術

目前室內導航的主流技術包括藍牙導航和WIFI導航，最近這幾年涌現出了很多種室內導航的新技術，包括超寬帶技術、地磁導航等等。

1.1 WIFI定位

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

總體而言，WIFI定位比蜂窩網絡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WIFI的信號強度模型，計算目標手機與鄰近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：根據事先測量的空間信號強度圖，計算目標手機與多個（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定位廣泛應用于大范圍低成本的室內定位，在滿足定位需求的同時，還上網功能兼具（在大多數應用場景中，上網的需求甚至超過室內定位導航的需求）。但受制于信號強度，即使WIFI收發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域，而在室內（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，更何況其他信號的干擾，也會導致精度的降低。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，費用在數十萬元。

1.2 藍牙定位

與WIFI定位相比，近年來更多室內場景采用了藍牙定位。藍牙定位屬于短距離、低功耗的無線定位技術。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，但兩者組網方式大不相同，而且其部署難易程度上，較WIFI定位有較大優勢。

藍牙技術根據其技術特點，主要應用于小范圍、較高精度的室內定位，例如層高不太大的單層建筑內部。藍牙室內定位技術特別是低功耗藍牙定位技術使設備接入點可以不依賴于外部供電，使用內置紐扣電池，相關硬件也易于集成在 PDA、PC以及手機中（目前大多數智能手機中已經在出廠前集成了藍牙模塊），因此很容易推廣普及。理論上，當布點間距7米時，可以達到3-5米的定位精度；定位精度隨著布點密度的增加，還可以進一步提高。

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

表1展示了目前室內定位中部分主流方案的技術特點以及優缺點對比。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，采集區域內移動設備信號，傳到后臺進行分析，這種方式不需要打開手機應用，更多應用在人員密度等監控系統；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，這種方式更多應用在手機導航上，這種應用的局限性在于IOS系統限制了后臺應用向外發送本機位置信息，而且對手機資源占用較大。

2火車站內定位方案研究

上面僅對相關導航技術自身的原理和特點進行了討論，我們還需要結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有資源配置（例如是否已經部署用于提供無線上網服務的WIFI接收器，是否能提供外接供電接口等），以及站內設施改動（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）和項目經費預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，進行合理的選擇。

2.1 暫無計劃部署WIFI或藍牙系統的車站

對于站內尚未部署任何WIFI或藍牙系統，并且可預見的未來也沒有相關計劃的車站，如果仍然要快速推進站內定位、導航系統的部署和應用，比較適合的方案是基于空間數據庫的掃描二維碼定位方法：

二維碼屬于一種低成本室內定位導航方式，當預算較低情況下，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據庫中預先存儲的位置信息一一對應起來，其在實際應用中能存儲較多信息，而且具有識別速度快不易損壞、成本低廉等優點。

如上所述，精確地利用二維碼實現室內定位導航，需要將二維碼對應的點的屬性信息在空間數據庫中一一記錄下來，如該功能區及其內含服務項目的名稱、進出站口和安檢口編號及其與相鄰功能區的鄰接方式等等。

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，系統自動將該用戶的位置坐標默認為預先設置的二維碼所在位置的坐標，該坐標和用戶的目標點位通過手機上傳至后臺系統，后臺記錄當前點位后，根據最短路徑算法計算出起始點到終點的推薦路徑，或者當數據庫中已有該兩點信息后，直接將路徑傳回移動設備，并在移動設備地圖上顯示系統推薦路徑，完成用戶導航功能。

與WIFI和藍牙等定位導航方式相比，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點位置，途中如果對自己的行進方向產生疑問，也只能通過不斷地掃碼，在當前位置重新獲取新的導航路徑，或者僅在岔路等關鍵信息點位確認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。并掃碼確認自己已經到達目的地。

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

在室內定位導航需求度高速增長，而配套的硬件設施部署不完善的今天，二維碼室內導航技術不失為一種折衷的辦法來解決用戶“我在哪”的困擾問題，而且維護成本低，與將來技術升級，比如升級到藍牙定位完全不沖突，可以作為一種初期的定位技術簡單實現，而且此方法在幫助其他方法校正誤差或聯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系統且無擴展計劃的車站

對于站內部分區域已經部署WIFI系統，但是在可預見的未來沒有進一步擴展部署區域和增加部署密度計劃的車站，建議采用組合方式：在已經部署WIFI熱點或能提供供電接口的區域（一般為候車大廳等區域）使用基于三角/三邊定位或位置指紋的WIFI定位導航；在其他缺乏配套硬件部署或部署成本過高區域使用基于二維碼的定位導航技術。需要注意的是，上述其他區域也包括通風天井、通透式扶梯的上下兩端等雖然可能處于已經部署WIFI熱點的區域的范圍，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WIFI與二維碼定位導航方式的無縫對接，在已經部署WIFI熱點的區域的點要素（例如區域名稱）和線要素（例如相鄰區域之間的連接關系）等信息，同樣也要被保存進空間數據庫，只不過上述區域的重要設施上不再需要被貼上二維碼標簽。而WIFI定位中在用戶手機屏幕的室內地圖上對用戶位置的動態跟隨，需要預先設定一個邊界，當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，只有當用戶重新WIFI熱點范圍之外的二維碼區域掃描二維碼后，其手機地圖上的定位點直接跳到當前二維碼所對應的地理位置坐標處。

2.3 部分部署WIFI系統且有擴展計劃的車站

對于站內部分區域已經部署WIFI系統，并且在可預見的未來有進一步擴展部署區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上網服務和保證WIFI定位精度之間，對于相關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有WIFI布點進行適當的調整（一般是增加密度、擴展范圍等）。

2.4 部署密度已經符合WIFI定位要求的車站

對于站內絕大部分甚至全部區域已經部署WIFI系統，并且部署密度已經符合WIFI定位要求的車站，建議采用基于三角/三邊定位的定位導航方式，對定位精度要求較高的情況下可以進一步升級為位置指紋方式。

如圖3所示，基于WIFI的室內定位在硬件上主要由定位服務器、數據服務器（圖中被合并進定位服務器中）、監控電腦、交換機、定位AP等組成

3基于WIFI的定位具有如下優勢：

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

（2）受遮擋物影響較小不像藍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。

當前，絕大多數基于WIFI的定位系統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WIFI設備的場強距離模型，通過計算目標到至少三個已知坐標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的位置；而位置指紋識別則需要預先提取目標位置的特征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，就認為目標在空間中處在該點坐標處。