智能客運車站室內定位系統建設方案探討

劉立海，邵艷明

近年來，全國鐵路運營里程和客運車站數量不斷增加，特別是高速鐵路里程和高鐵車站的增加，為大量旅客提供了運輸服務，極大地方便了旅客出行。在當今高度信息化的潮流下，旅客智能出行的需求也更加強烈。客運車站是鐵路運輸服務提供方與旅客直接全面接觸的媒介，高鐵客運車站在智能化方面提出了新的需求［1］。

基于位置的服務（LBS），如定位和導航，是智能出行的基本需求。而全球導航衛星系統（GNSS）這一廣泛應用的定位系統在高鐵車站，特別是大型車站、地下車站，由于信號受阻擋的原因，無法正常提供服務。另外，隨著智能建筑技術的廣泛應用，高鐵車站的智能應用需求也更加強烈，對建筑設施的監控和維護離不開定位技術，如果引入無人機、機器人等自動巡檢或清掃等服務，更是離不開室內定位技術。

室內定位技術方案眾多，例如，基于Wi-Fi、藍牙、4G、5G 等的通用無線網絡技術，利用手機等通用終端即可實現的方案；基于ZigBee、超寬帶（UWB）、射頻標簽（RFID）等通用無線技術，需要專用終端實現的方案；基于地磁、壓力傳感器、LED、紅外線、激光等特殊技術，主要應用于游泳池、工業生產和控制等特殊場合的定位系統，需要定制特殊系統才能實現的方案；慣性導航等基于運動及多源信息融合的定位技術［2-5］。由于高鐵車站對室內定位需求和功能沒有完全明確，且室內定位技術方案各有優缺點，高鐵車站室內定位僅在少量車站進行了試點，還未普遍推廣。

本文將分析客運車站的定位需求以及主流室內定位技術在高鐵車站中的適應性，并結合高鐵工程建設和維護特點，提出客運車站室內定位系統實現的建議方案及需要重點考慮的幾個問題。

1 需求分析

客運車站的室內定位主要有3個方面的需求。

第一類需求是旅客定位。旅客作為客運車站服務的主要客戶有定位和導航的需求。大型車站內有大量的旅客可能由于第一次到達該車站等原因，對車站的售票窗口、安檢口、檢票口、進站口、出入口、候車室、餐飲服務點、電梯、樓梯、地方公交駁接等位置不熟悉，雖然車站動、靜態標識可以解決大部分問題，但如果能提供電子地圖、定位以及連續位置導航服務，將極大地方便旅客出行和緊急疏散［6］。輔以靜態標識，這種情況下的定位精度達到米級即可滿足需求。基于增強現實（AR）或虛擬現實（VR）的交互式應用，對定位的精度要求比較高，需要達到分米、厘米級。

第二類需求是運維人員定位。客運運營管理部門對客運設施檢查和工作人員管控的需求也日益增多，除了傳統的門禁打卡控制外，還有運營維護人員的到崗檢查、指定區域巡查、指定路徑巡檢和實時定位追蹤等要求，以確保工作人員巡檢到位，這些需求需要通過定位和連續軌跡記錄實現。其定位精度需要根據具體管理要求確定，米級精度可以滿足通常的管理需要；在難以區分的定位點，可通過人工在終端的電子地圖上確認來解決。

第三類需求是機器定位。隨著智能客運車站方案的全面實施，智能服務、智能監測、智能維護逐漸引入，例如巡游機器人為旅客提供問詢服務，自動巡檢機器人和無人機實現動態數據采集，掃地機器人進行室內保潔，移動機器人實現空氣質量監測、高空抵近巡檢或拍照等，可以降低工作人員負荷，并使建筑物或設備得到有效的管理和維護。這類需求的定位精度要求較高，需要達到分米、厘米級。

2 技術方案

根據車站定位需求，存在普通旅客、車站工作人員和專業維護機器人等用戶。雖然基于通信運營商移動通信網絡定位非常便捷，但是由于運營商網絡在車站通常采用了室內分布式覆蓋系統，小區范圍比較大，在室內難以區分，若沒有其他方式配合，定位精度非常有限。對于基于5G 的室內定位技術，需要手機芯片供應商開放芯片底層的物理層數據，才能夠應用于高精度定位。由于UWB 技術的供應商少，可用終端少，獨立建網成本高，因此，本文重點選擇應用比較廣泛的RFID、藍牙、Wi-Fi 3 種定位技術進行比較。這3 種基于無線的室內定位技術的定位原理大致相同，細節上有些不同。RFID 方案分為無源和有源2 種方案，有源RFID 方案除了需要配置相適配的讀卡器外，其他方面幾乎與藍牙方案相同，就不單獨討論。

2.1 無源RFID方案

無源RFID 方案比較簡單，一般是在指定位置（信息點）埋設RFID 芯片，芯片中固定寫入一些位置信息及附加信息，工作人員或其他人員持專用讀卡器終端，直接接觸或靠近信息點處的RFID 芯片來讀取信息，再通過無線傳輸網絡傳送至管理終端，或通過離線方式由管理終端讀取終端中存儲的位置信息數據。該方案作為運維人員工作和巡視位置管理十分方便，優點是信息點無需供電，建設和維護流程簡單，成本低，信息安全可靠。但不足之處是信息點本身是固定的，由于其無源特性，只能作為指定位置的打卡、到位檢查等使用，無法連續定位，也不能提供導航功能；需要專用的讀卡器，而且要主動尋找信息點，不適合旅客及維護機器人使用。

2.2 藍牙方案

藍牙方案的基本原理是測距交匯法。在需要定位的空間，根據定位需要埋設藍牙信標，藍牙信標不斷地廣播信號和數據包，藍牙終端將接收到的信號強度指示（RSSI）值轉換為對應距離［7］。由于藍牙信標的坐標是已知的，可以通過藍牙廣播數值得到或向中心系統查詢得到該坐標值，根據空間定位原理，通過不少于3 個信標就可以確定一個空間坐標。藍牙定位原理示意見圖1。

圖1 藍牙定位原理示意

通常無線信號強度衰減與距離存在對數關系，但是室內信號傳播受建筑和流動人員影響很大，因此通過信號強度估算距離有時會出現較大的偏差，定位精度通常在米級。藍牙5.1 標準中引入側向定位技術［8］，即通過測量信號的到達角（AoA）和出發角（AoD）來幫助設備確定藍牙信號的方向，實現更高精度的定位，個別情況下可達到厘米級。

藍牙信標一般采用獨立電池供電，通過低功耗技術可以實現快速部署。但由于傳送距離有限，需要部署的數量多，因此更換電池等維護工作量較大。

2.3 Wi-Fi方案

Wi-Fi 方案也可以利用測距交匯法進行定位，在需要定位的室內空間布設Wi-Fi 的接入點（AP），原理與藍牙方案基本相同。由于Wi-Fi 具有更高的傳送速率和更遠的傳送距離，可以采集更多的信號進行處理和交互，因此有更多的定位方式可供選擇，特征指紋匹配法就是其中一種常用的方式［9］。該方式是將位置信息與無線信號的強度或其他特征之間建立映射關系，需要對定位空間環境進行網格劃分，針對每個網格采集無線信號，抽取特征向量，建立特征指紋庫；定位應用時，提取每個位置的指紋特征測量值，與特征庫進行比較，從而確定位置。其優點是不單純通過接收信號的強弱來推算距離，而是利用了更多的接收信號的特性實現定位。然而，為了提高定位精度，需具備足夠的特征區分，因此指紋特征的定義和抽取非常重要。初始時需要構建指紋數據庫，定位時需要終端提取特征值，都需要進行大量的計算，而且需要后臺定位服務中心系統參與比對，在用戶量大時將對后臺定位服務中心系統產生較大負荷。另外，當電波傳播環境發生改變時，如增加的流動人員導致信號傳播發生變化，會導致原有的指紋庫失效。因此，特征指紋法適用于傳播環境變化小的工業自動化環境下的定位應用，其應用還有待改進。最新的基于Wi-Fi的定位技術，可以通過調整無線信號的飛行時間（ToF）和到達角（AoA）改進定位精度，但是這些需要接入點和終端同時采用最新的Wi-Fi 模塊。定位精度通常可以達到米級或更高。

Wi-Fi定位方案的優點是：一個天線可以覆蓋較大的范圍，如高大候車室的立體空間，同時還可以提供無線接入功能，為旅客、車站工作人員或機器人等提供無線數據傳送服務。最大的不足是：由于需要布設電源線和網線，纜線布設工作量大，且由于某些區域布線路徑受限導致施工困難。

3 方案建議

結合客運車站室內定位需求，從需求滿足度、工程建設、維護、成本等方面比較上述3 種室內定位技術方案的優缺點，根據客運車站的實際情況，提出室內定位系統建設的實施建議。

從需求滿足度的角度考慮：目前對于大型客運站來說，存在第一、二類需求，智能客運車站還有第三類需求，無源RFID 方案無法滿足第一、三類需求，藍牙和Wi-Fi 方案通常可以滿足上述3 類需求，因此考慮到數據傳送功能，采用Wi-Fi定位方案較好；對于小型車站，由于建筑結構簡單，旅客定位和導航的必要性較小，對于可能存在的第二類定位和導航需求，采用3 種方案均可以，但如果考慮到第三類定位需求，需要采用藍牙或Wi-Fi 方案，因此，為了滿足上述3 種需求，綜合考慮定位方案應以藍牙和Wi-Fi方案為主。

從工程實施、維護的難度和成本考慮：藍牙方案單點安裝，自帶電池，無需布線，實施簡單、速度快、成本低，但是也存在單節點覆蓋范圍小、需要更換電池等不足；對于大型車站來說，存在節點數量多、后期維護檢修工作量大等不足；因此，藍牙方案適合于布線施工受限的已經建成車站。

Wi-Fi方案覆蓋范圍大，較藍牙方案可以大幅減少節點數量，同時具備數據傳送功能，還可以提供多種服務，網絡化管理方便，設備維護管理自動化程度高；但是需要大量布線和供電，而且由于Wi-Fi的無線接入點一般比藍牙模塊體積大，安裝時還需要考慮一定的空間；因此對于已經開通運營的既有車站，實施起來非常不方便。但是對于新建車站來說，比較容易實施；一是可以統一規劃，在土建工程中預留安裝位置和布線徑路；二是可以與公網覆蓋同步實施，節省建設成本。Wi-Fi方案建設成本比藍牙方案略高，但考慮到具備數據傳送功能，而且可與其他工程同步實施，增加的成本可以接受。在布設了Wi-Fi網絡后，還可以提供一系列其他應用，如旅客流量監測、監測信息無線傳送等。

通過上述對比，綜合考慮推薦客運車站室內定位方案如下。

1）對于新建工程，采用Wi-Fi 方案。將車站Wi-Fi網絡與運營商的公網、鐵路專網的無線通信系統室內覆蓋統一規劃和設計，共享徑路和供電點，統一布局，減少了工程沖突，還可以與這些無線通信系統覆蓋工程同步施工、檢查和維護，大大降低了工程建設、維護難度及成本。

2）對于既有車站，采用藍牙方案。可以解決在運營車站中布設、安裝饋線和天線困難，以及取電困難等問題。隨著低功耗藍牙技術的普及，更換電池問題可以得到緩解，3 年以上的更換周期應該是可以接受的。另外，在車站站房進行整體改造時，也可以同步實施Wi-Fi方案。

4 設計要點

4.1 應用系統方案選擇

在進行室內定位系統設計時，一般需要開發后臺定位服務中心系統、客戶應用系統和電子地圖等功能模塊。后臺定位服務中心系統提供定位基礎數據存儲、電子地圖管理、定位設施和終端的配置及管理等功能；部分基于交互的定位系統還需要為終端定位、導航提供計算和數據分發服務。客戶應用系統接收定位信號，識別和接收定位標簽廣播的信息，進行信號檢測或運算，識別出必要的定位信息，自動進行定位、導航計算，或者發送給后臺定位服務中心系統實現定位。客戶應用包括與客運車站三類應用需求相對應的旅客定位應用、運維人員定位應用和機器人定位應用等。電子地圖包含了站房的房屋結構形狀、房屋布局、標識及其各設施的分布、坐標等信息的室內數字地圖，它可以在站房全專業BIM設計基礎上進行制作。

在旅客定位應用方面，需要考慮應用的便捷性。通常有2 種方案：一種是與百度地圖等成熟的大眾導航軟件服務商合作，將具有車站室內各固定設施的數字地圖、定位設施的定位數據等提供給公眾導航軟件服務商，在其系統中融合車站室內導航功能，這需要深度合作，數據格式修改、數據交換和測試工作量較大，但是無需旅客額外下載或安裝新的應用，使用起來方便；另一種是鐵路自建客戶端供旅客下載，但是一站一導航APP 的模式需要旅客頻繁更換或者下載多個APP，客戶體驗差。可以借用互聯網應用等小程序功能，基于位置推送適合本站的室內定位小程序，這樣可以逐站實現，但這種方式也需要與互聯網運營商合作。

對于運維人員和機器人等定位應用，可以開發專用的導航系統，嵌入專用終端的運維軟件和機器人的內置程序中。

4.2 終端選擇

對于旅客定位，藍牙和Wi-Fi網絡通常是標準配置，個人手機終端是最簡單的方案，使用起來非常方便。運維人員和機器人定位終端可結合工作終端或機器人進行定制開發。

4.3 無線覆蓋方案

無論是藍牙方案還是Wi-Fi方案，都要考慮足夠的冗余覆蓋，確保每個位置被3 個以上的藍牙信標或Wi-Fi無線接入點覆蓋，不能簡單地按照普通的無線覆蓋思路進行設計，而且要考慮合理的用戶數量規劃，防止出現網絡擁塞。在室內環境下，基本以視距傳播為主，可以結合BIM 技術或室內專用無線覆蓋軟件進行覆蓋模擬，避免由于覆蓋冗余不足而無法滿足定位需求，若后期增加信息點，將影響統一規劃設計。

5 結束語

在對比主流的客運車站室內定位方案的基礎上，推薦新建及改建車站采用Wi-Fi方案，既有車站增加室內定位時選擇藍牙方案。在室內定位和導航中，可以采用多種定位方案融合（多源融合）技術或在軟件中配合一些其他的輔助技術，如地圖約束［10］、慣性導航技術等，進一步提高定位精度。隨著5G 網絡覆蓋范圍的擴大，在技術開放的前提下，可以充分利用手機終端芯片底層的物理層數據對定位服務進行二次開發，從而提高基于5G移動通信網絡的定位精度，拓展5G網絡的應用范圍。