藍牙通訊技術在城市軌道交通的應用

摘 要：隨著城市軌道交通系統的建設與發展，除了列車實時信號系統的運用，保障整個軌交系統正常、穩定地運營之外，越來越多的新型通訊技術被運用到城市軌道交通系統中，以便于更精準更便捷得為廣大乘客提供更好的出行服務，為軌交工作人員提供更佳的運營維護支持。本文著重介紹在軌交相關領域中藍牙技術的應用及其原理，拋磚引玉，以期挖掘新技術在軌道交通行業中更多的應用場景。

關鍵詞：軌道交通 藍牙通訊 應用

0引 言

隨著城市軌道交通領域信息化、互聯網化程度的越來越高，僅僅依靠原有系統本身的列車信號實時系統、車站基礎網絡系統等通訊手段已遠遠不能滿足信息安全、移動端化、以及面向出行乘客與工作人員的服務需求。多種其他的通訊技術被運用到軌道交通的體系中來，例如運營商4G網絡、WIFI通訊，RFID射頻通訊、藍牙通訊等。本文通過筆者的相關工作經驗，主要介紹藍牙通訊技術于城市軌道交通領域中，在站內定位導航、人員列車定位、二維碼過閘等領域的實際應用和基礎原理，為新技術在傳統行業的應用提供一些參考。

1站內定位導航

現今在軌道交通的站點中，由于商業化的發展策略以及多條線路之間相交的大型換乘站的出現（例如上海，各線路之間相交的換乘站很多，其中有很多站點已經是三線交會的換乘站），很多站點都具有站內地下空間面積大，結構復雜，入駐商戶眾多等特點。傳統的定位導航技術是基于手機的GPS通訊與運營商的基站通訊技術的，這些技術在軌交站點內，特別是地下站點內，由于信號的不穩定，無法精確到站點內部，進而無法提供站內導航。而室內藍牙beacon定位技術的出現，彌補了傳統定位導航技術在這些應用場景下的不足。

Beacon是蘋果公司開發的一種通過低功耗藍牙技術進行一個十分精確的微定位技術，它具有如下的一些特點：

單個藍牙Beacon設備成本低廉，而且功耗低，通常設備出廠的電池可以使用3-5年；

設備信號穩定且容易布設，一般更換電池也很容易；

通過合理的規劃和一定密度的布設能夠使定位精度達到2-3米；

當然它也存在一些缺點，主要在于大范圍布設需要比較多的節點，管理上會有不便，但是瑕不掩瑜，在軌道交通站點內定位導航場景下，有很廣泛的應用需求。

其主要定位原理是由Beacon設備發射藍牙信號，手機藍牙模塊接收信號。當用戶進入、退出或者在布設Beacon設備的區域內移動時，手機接收Beacon設備的廣播包，獲取設備信息和信號強度RSSI（可計算用戶與Beacon設備的距離）等數據。基于三角定位算法，再通過其他的一些輔助方法例如加權平均，時間加權，慣性導航，高斯濾波等算法等來計算出用戶的當前位置，如圖所示：

2人員列車定位

隨著移動互聯網化的趨勢，廣大乘客與工作人員對在列車上的定位有很強烈的需求。但是由于上一章節中提到的一些現實因素（如地下軌交站內基站信號的不穩定、GPS信號的缺失等），使用傳統的定位手段，手機端APP在軌道交通列車上往往獲取的定位位置會飄忽不定以及有明顯的延時現象，無法精準有效的進行定位。而使用藍牙通訊技術，采用在軌交列車中部署beacon信標，并結合列車的實時運營時刻表，列車信號系統等數據，可以使用戶在列車上也能取得精準的位置信息。 整個定位的基本過程和原理大致如下：

通過在車廂內布設藍牙beacon信標，將車廂號與藍牙信標的uuid，major，minor等數據進行綁定；

手機APP通過在列車上掃描周邊的藍牙beacon設備，獲取藍牙信標的相關數據，傳到定位服務接口后端；

后端通過藍牙信標的數據，獲取綁定的車廂號，通過車廂號獲取列車車組號信息；

通過列車實時運營時刻表相關數據，找到車組號對應列車當前在軌交線路上實際運行的列車車次號；

在列車實時運行信號系統中，根據列車車次號，定位到列車當前所處的軌道（Track）編號；

由于軌道所處的位置是固定的，由此可定位到當前列車所處的位置，完成整個定位過程。

在擁有人員在列車上的定位功能后，相關應用將可以為乘客和員工提供一系列的軌道出行服務，包括但不限于列車運行時軌跡跟蹤和導航。在未來對此定位服務做出一定的延伸擴展后，可為相關人員提供更精確、便捷的列車運行時數據。可以為廣大用戶提供出行前的提前出行規劃建議，出現中目的地改變或者突發事件導致相關的實時導航修正，出行后的歷史用戶出行數據分析研究等增值服務。

實際的列車運營過程中，其可能一會在地下，一會在地面或者高架軌道上運行。我們可以在不同的場景采用不同的通訊技術進行定位，或者統一各通訊技術采集到的數據，進行綜合運用，來實現準確的定位。例如GPS，基站、WIFI定位、藍牙定位等都可以納入綜合定位體系中統一綜合判斷與運用。

3二維碼過閘

二維碼（QR Code）是近幾年在移動設備上超流行的一種編碼方式。它是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息，能被光電掃描設備很容易識別出來，而且它可以攜帶足夠多的信息，所以在日常生活中得到了廣泛的應用。近幾年來，在交通領域內已有很多城市的公交車支持支付寶/微信的乘車碼，在軌道交通行業，也有越來越多的城市支持了多種的二維碼過閘方案。

不同與傳統單程票與交通卡的密鑰保障體系，二維碼具有非常便于復制的特性，因此二維碼支付的安全問題一直是重中之重。我們多多少少都曾經在媒體渠道中看到過微信或者支付寶的支付二維碼被不法分子截取盜用給用戶帶來經濟損失的新聞。央行前前后后也多次對二維碼支付的額度以及方式等做出了一系列的規范和限制。當前常見的二維碼技術方案大都是聯機交易方案，且由于聯機交易，整個交易過程大約需要1-2秒的時間。而我們的傳統軌交閘機則通常是離線交易，而且閘機的驗證時間控制在200毫秒以內。聯機交易的時效性在軌道交通高峰大客流的環境中是難以接受的，所以我們需要設計一種可脫機驗證并使用二維碼的方案。目前上海軌道交通采用的是藍牙回寫的方式來與閘機交互數據，確保一碼一用，防止二維碼被復制使用。整個方案的基本原理如下：

中心建立密鑰體系，閘機的PSAM中存儲相關密鑰；

手機APP生成二維碼時候要求與后端服務器聯機，服務端根據本次分散因子計算過程密鑰后應答給APP，該過程密鑰一定時間內有效，APP可使用此過程密鑰在此時間段內多次生成二維碼（二維碼加密且含有藍牙特征數據域和MAC驗證域）；

手機APP開啟藍牙外設模式，向周邊廣播特定廣播包內容，其中包含二維碼中的藍牙特征數據；

閘機掃描二維碼，解密驗證并識別出二維碼中的各項內容，掃描周邊的藍牙外設發出的廣播包，與二維碼中的藍牙特征數據匹配，連接對應的藍牙外設（即手機）；

閘機將交易的過程數據，例如站點信息，收費信息等內容加密后通過藍牙傳輸給手機；

手機端解密對應的數據內容，組成加密的應答返回給閘機；

閘機解密驗證手機端的應答并開閘。

通過此方案，哪怕使用相同的二維碼，但是沒有服務端的過程密鑰支持，手機端無法正確的開啟藍牙外設模式發送特定的廣播包，也就無法接收到閘機發送的交易過程數據，無法做出有效的應答。從技術原理上較好得防止了二維碼被人為惡意復制后的使用。藍牙通訊技術速度快，不僅連接速度快，而且短數據交互速度也很快，因此采用此方案，整個過閘驗證時間仍可控制在300-400毫秒之內，完全可以支持軌道交通高峰的大客流要求。

4結語

隨著時代的發展與技術的進步，未來的軌道交通系統必然將更加得信息化與移動互聯網化。同時各種創新通訊技術的應用將為廣大乘客帶來更為便捷的出行服務，為工作人員帶來更高效的運營維護手段。本文結合作者的實際工作經驗，介紹了藍牙通訊技術在軌道交通行業的三個具體的實際應用場景，重點詳細介紹了其基礎工作原理和系統基本流程。通過新型通訊技術在傳統軌道交通行業的運用，切實解決了該行業中的原來的一些特殊難點和痛點、滿足了用戶需求，實踐證明了其可行性、有效性以及安全性。以此拋磚引玉，希望在將來，有更多的新技術能在軌道交通行業中發現其獨特的應用場景，更好的服務廣大乘客和工作人員。

參考文獻：

[1]張克仁，汪萍，朱廣.基于藍牙通訊技術的遠程監測和故障診斷系統[J].安徽建筑工業學院學報（自然科學版），2010，18（05）：39-42.

[2]劉錦劍，羅紅霞，董偉亮.WAGO藍牙技術在舞臺機械設備中的應用[J].機電工程，2010，27（02）：79-82.

[3]朱江.互聯網+城市軌道交通自動售檢票系統應用分析[J].鐵路技術創新，2018（02）：6-9.

[4]楊靜. 智慧城市建設中的天津軌道交通——地鐵信息篇[A]. 中國城市科學研究會數字城市專業委員會.《智慧城市與軌道交通》2015年中國城市科學研究會數字城市專業委員會軌道交通學組年會論文集[C].中國城市科學研究會數字城市專業委員會：，2015：2.

作者簡介：

程浩 1984.6 民族 ：漢 性別：男 學歷 ：本科 所在單位：上海儀電物聯技術股份有限公司； 職稱：工程師 研究方向：通訊技術應用