基于超寬帶技術的車站導流設備定位管理系統設計

竇元辰，王子騰，董守放，王愛麗

隨著城市軌道交通線網規模的不斷擴大，客流量與日俱增，車站承擔著越來越大的客流壓力，并存在潛在的安全隱患。為保障乘客出行安全、維護站內秩序，軌道交通車站采用部署鐵馬等導流設備來應對常態或突發大客流。目前導流設備的部署主要依賴于站務人員的工作經驗，存在站務人員難以實時掌握導流設備位置、設備布局難以適應客流狀態、設備存儲與管理困難、站務人員工作繁重等問題。

導流設備的部署形式對乘客引導與疏散效果有著顯著的影響，相關學者在導流設備對人員疏散的影響與作用機理方面進行了研究［1-4］，但尚未涉及設備自動化定位與管理。隨著無線定位技術與信息化管理技術的快速發展與廣泛應用［5-8］，引入高精度定位技術，對導流設備進行定位管理與應用分析，將成為未來具有發展前景的方向。

針對目前車站導流設備管理中存在的問題，采用超帶寬技術研究設計了軌道交通車站導流設備定位管理系統，實現了車站導流設備的可視化管理，降低了站務人員的工作負荷，保證了軌道交通車站運營組織和應急管理的實時性與高效性。

1 超寬帶技術

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據［9］，具有定位精度高、系統復雜度低、抗干擾能力強、傳輸速率高、發射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感等優點，尤其適用于密集多徑場所的位置測定等［10-12］。

采用UWB技術進行位置測定時，通常會在待定位環境中部署定位基站，為待定位人員佩戴或在設備上安裝定位標簽，通過定位標簽和定位基站之間發送的UWB脈沖信號的強度、角度、到達時間等進行定位計算。定位算法包括基于接收信號強度（RSSI）、到達角度（AOA）、到達時間（TOA）、到達時間差（TDOA）的定位法和混合定位法等［13］。其中，基于到達角度和到達時間差的混合定位法的時間同步性要求低，定位精度高，被廣泛應用于UWB室內定位場景中。因此，本文將采用UWB定位技術，基于AOA和TDOA混合定位法來實現鐵馬等導流設備的位置測定。

2 系統架構設計

2.1 總體架構

根據車站導流設備的部署管理需求，對基于超寬帶技術的車站導流設備定位管理系統的架構進行設計，分為前端采集層、信息傳輸層和后端處理層3部分。系統總體架構見圖1。

圖1 系統總體架構

1）前端采集層。在車站導流設備部署區域和存放區域部署定位基站，在導流設備上安裝定位標簽，通過定位基站和定位標簽之間的數據通信，實時獲取標簽位置信息，并傳輸到后端進行分析處理。主要設備包括定位基站和定位標簽等。

2）信息傳輸層。前端獲取到定位標簽數據信息后，通過Wi-Fi或有線網絡完成數據傳輸。主要設備包括交換機和路由器等。

3）后端處理層。對信息傳輸層的標簽定位信息進行分析處理，確定導流設備實時位置和部署方式，實現導流設備狀態實時顯示、異常狀態報警、數據存儲和管理等功能，輔助車站客運組織調度。主要設備包括應用服務器、數據庫服務器和用戶終端設備等。

2.2 邏輯架構

系統邏輯架構由支撐層、采集層、傳輸層、解析層、數據層、應用層和交互層組成，見圖2。

圖2 系統邏輯架構

1）支撐層。主要包括定位基站、定位標簽、應用服務器、數據庫服務器、網絡設備等系統運行所需的相關設施設備，為系統的建設和研究提供基礎硬件環境支撐。

2）采集層。根據車站實際場景環境和導流設備部署監控需求，制定相應的部署策略，在車站站臺、站廳、安檢等導流設備部署區域，采用二維平面定位方式部署定位基站；在設備管理用房等存放區域，采用零維定位方式部署定位基站，采集導流設備上的定位標簽信息，支撐導流設備的實時位置監測。

3）傳輸層。基于TCP/IP協議實現通信傳輸，采用POE交換機以有線網絡模式或Wi-Fi無線通信的模式，將定位標簽數據傳輸到解析層。

4）解析層。主要包括電子地圖引擎、定位信息解析引擎、導流設備狀態解析引擎，是實現導流設備定位計算的關鍵。電子地圖引擎實現地理數據驅動和管理；定位信息解析引擎采用AOA與TDOA混合算法確定定位標簽的空間坐標位置；導流設備狀態解析引擎將定位標簽坐標信息和導流設備部署方案進行對比分析，確定導流設備的擺放位置和擺放方向，為業務應用提供基礎數據支撐。

5）數據層。對采集到的原始數據和解析后的不同類型數據進行清洗處理，構建不同類型的數據庫，形成多種形式的數據報表，實現數據的添加、刪除、修改和查詢等功能。

6）應用層。根據車站導流設備監測和智能化管理需求，實現導流設備電子化標定、狀態實時監測、安全狀態分析、安全狀態報警和智能化管理等功能。

7）交互層。采用電子地圖、統計圖表、報警窗口等不同展現形式，為站務人員提供導流設備實時狀態、統計分析、異常情況和組織調度等信息，為車站設備管理和客運組織提供支持和幫助。

2.3 功能架構

系統的功能模塊主要分為基礎信息管理、導流設備狀態檢測、導流設備狀態分析、應急聯動管理和系統管理，功能架構見圖3。

圖3 系統功能架構

1）基礎信息管理?？蓪崿F地圖和導流設備信息的管理。其中，地圖信息管理支持不同樓層地圖的添加和刪除，地圖展現支持拖動、旋轉、縮放等；導流設備信息管理支持導流設備ID編號、類別型號、監測類型、安裝位置等基本信息的添加、刪除、修改和查詢等，且支持與定位標簽的關聯綁定。

2）導流設備狀態監測。可實現導流設備實時定位和導流設備部署狀態監測。在地圖中實時展現導流設備的位置狀態和部署方式，并提供導流設備的歷史位置回放、位置信息查詢和檢索等功能。

3）導流設備狀態分析。可實現導流設備安全狀態分析和異常狀態報警。支持導流設備實時狀態與計劃方案的對比分析，以及導流設備部署方式對車站客流狀態的影響分析。當導流設備的實時位置與部署方式偏離了系統預設方案時，會以聲音和文本提示框等多種形式進行報警提示。

4）應急聯動管理?？蓪崿F視頻監控聯動，輔助客運組織調度。支持獲取導流設備所在位置的周邊場景和客流狀態的實時視頻圖像信息，支持當前導流設備配置方案與現有客流需求的智能匹配，以及導流設備的動態調整方案推送。

5）系統管理。支持定位基站和定位標簽等硬件的配置管理功能，實現用戶管理、權限管理、日志管理、告警管理等系統軟件管理功能。

3 設備部署設計

3.1 定位標簽部署方案設計

車站導流設備主要分為固定導流設備、活動導流設備和半活動導流設備。固定導流設備主要部署于通道、售檢票、站臺換乘區域等，用于應對常態性的客流交織或緩解短時的客流沖擊；活動導流設備部署于車站出入口、安檢區等區域，用于突發大客流等應急場景下的客流限制疏導，以維持站內客流秩序，避免乘客擁擠踩踏等安全事故的發生；半活動導流設備部署通常與固定導流設備結合，通過推拉開閉的形式，組合成不同類型的限流方案，部署于站臺、站廳、安檢區、車站出入口等區域，用于日常情況下的客流限制與疏導，便于早晚高峰、平常時段及節假日的限流調整。

對于固定導流設備，應實時監測其部署方式，防止因人員沖擊破壞導致設備部署異常。可在每一排導流設備兩端和導流設備拐點安裝定位標簽，并根據導流設備擺放長度和寬度，適當增加定位標簽的部署間隔。

對于活動導流設備，應實時監測其位置信息，便于快速確認其存放位置，并根據客流狀態及時調整部署和擺放方式。可在每個導流設備兩端安裝定位標簽，明確其存放區域或部署擺放方式。

對于半活動導流設備，應實時監測其位置信息，判斷其開閉狀態，明確當前導流設備限流方案是否與客流狀態相匹配。可分別在半活動導流設備兩端安裝定位標簽，并結合固定導流設備的位置和擺放方式，確定當前導流設備的限流部署方案。

3.2 定位基站部署方案設計

根據車站導流設備的部署監測需求和車站實際環境，可采用二維平面定位和零維定位相結合的基站部署方式。定位基站部署以站臺、站廳、安檢、閘機、通道等導流設備限流區域為重點，并覆蓋設備管理用房或車站邊角等鐵馬導流設備存放區域。定位基站部署間隔以50 m之內為最佳，可根據現場情況適當調整，理論上不超過100 m，可通過支架或吊桿進行固定安裝。

對于站臺、站廳、安檢、閘機、通道等限流區域，需要監測導流設備的具體點位及擺放方向，從而明確導流設備的部署和限流方案。因此，應采用二維平面定位的方式，原則上部署4臺及以上定位基站設備，并結合區域大小、區域形狀和障礙物遮擋情況，適當增加或調整基站點位。

對于存放導流設備的設備管理用房等區域，只需明確導流設備是否存放于該區域，以便設備的管理和使用。因此，采用零維定位方式，并根據實際區域面積等情況，部署1臺及以上定位基站設備。

4 結束語

導流設備在軌道交通車站運營工作中發揮著重要作用，本文結合其智能化定位管理需求，基于超寬帶定位技術，設計了導流設備定位管理系統，提出了系統的總體架構、邏輯架構和功能架構，并設計了定位標簽和定位基站的安裝與部署方案。目前，該系統已初步完成軟件開發和深圳北站試驗環境下的設備部署，下一步將根據深圳北站的試驗測試效果進一步完善各系統模塊，為軌道交通客運組織和應急保障提供數據和技術支持。在后續的研究設計中，還可進一步接入客流信息、站務人員位置信息、其他設施設備狀態信息等數據，將導流設備定位管理拓展為車站運營狀態綜合監測管理，實現“人-機-環”的協同管控，為客運組織方案的有效性檢驗與設備動態調配提供有效的技術手段，從而提升車站管理的信息化和智能化水平。