UWB技術在展館智能語音導覽系統中的應用

貝正其 王帥貝思伽

關鍵詞 UWB技術 定位 展館導覽 語音導覽系統

1傳統語音導覽方式

人們在外出參觀、游覽的時候經常需要導游或者景點講解員給予現場引導和介紹，此時就需要用到語音導覽設備。市面上最常見的語音導覽設備有三種（圖1），即手提式小喇叭（最簡單的導覽設備）、頭套式麥克風（小型擴音器）和耳掛式無線收音器（常見于博物館、展覽館）。

在上述導覽設備中，無線導覽設備相對先進，它是由硬件設備和應用軟件組成的一個系統，可以實現后臺控制和調節，能夠同時播放多套信息、多種語言，參觀者也可以調節波段選擇收聽內容和調節音量。但是，該設備存在明顯的缺點：一是設備操作不便，特別是遇上老弱病殘等參觀者，或者語言不通的外國人，短時間內無法使每個人都學會該使用設備;二是設備收發管理不便，特別是在人流量大的地方，要做到及時發放、準確回收較為不易;三是設備容易丟失、損壞和出故障，而且需要定時進行充電和維護，檢測和判定設備的性能狀態較為困難。

2UWB技術的應用背景

位于寧波杭州灣新區的方太理想城總占地30 公頃、規劃建筑面積約60 萬平方米，是方太集團新建的研發、管理總部， 屬于浙江省“十三五”重點建設項目之一。方太企業展館位于理想城的中心位置，是展示方太企業歷史、文化、產品、技術、服務和對外交流的重要場合，預計年接待參觀人數20 萬人次。之前，方太集團的企業展館用的導覽設備是頭戴式麥克風和隨身攜帶的擴音器，總體音質差，且講解員使用不便。

如果在新建的企業展館中繼續采用傳統的導覽設備，勢必與方太集團的高端品牌和新建成的理想城品質不相匹配，也拉低了展館的檔次。在方太理想城建設階段，項目團隊針對展館的語音導覽系統設計進行了重點研究和攻關。經反復論證，項目團隊提出了應用UWB 定位技術與展館音視頻系統進行集成的思路，經幾番修改完善，形成了新的語音導覽系統方案。

新的語音導覽系統利用了移動講解專用技術和設備，它適合在大型室內場館使用。在同一場館的不同參觀區域，可同時接待不同批次的參觀團隊，由不同的講解員進行引導和講解，講解員不需要隨身攜帶擴音設備，用手持話筒或者耳麥即可發聲，語音可通過無線信號傳輸至后臺系統，并在所參觀區域的揚聲系統中進行擴聲，而且不同參觀區域之間的聲音互不干擾。揚聲系統的音質與小喇叭或者隨身攜帶的擴音器相比大幅提高，音響效果可以通過聲學環境和揚聲設備來保證，高品質的講解聲音可以大大提升宣傳作用和渲染功效。在邊走邊看邊聽中，參觀人群無須佩戴任何輔助設備即可清晰地聽到講解語音，良好的視覺和聲響環境還能給參觀者帶來愉悅感。

3UWB 技術簡介

UWB 即超寬帶（Ultra Wide Band）。UWB 技術誕生于1960 年，應用范圍一直局限于軍事、雷達定位及測距等方面，直到2002 年UWB 技術才獲得FCC 批準用于民用和商用通信領域。

3.1UWB 技術的原理

UWB 技術是一種低功耗的無線載波通信和感知技術，與常見的連續載波寬帶通信方式不同，它利用納秒級的非正弦波窄脈沖（占空比低）作為信息載體傳輸數據，通過對具有很陡上升和下降時間的沖擊脈沖進行直接調制，使數據傳輸速率具有MHz～GHz 量級的帶寬。換言之，其他無線通信技術都需要用載波實現信號傳輸，并利用各種編解碼、調制解調、信道利用等底層通信技術，達到功耗、通信距離、傳輸速率等參數指標之間的平衡，而且都是將數據調制加載至高頻的載波之上，才能實現數據的遠距離、高速傳輸。而UWB 技術則是直接通過信號脈沖實現信號傳輸，每個信號脈沖時間極短，只有納秒級，傳輸帶寬大幅提高。

UWB 技術實質上是以占空比很低的沖擊脈沖作為信息載體的無載波擴譜技術，包括通信連接和精準測距定位兩項功能，解決了困擾傳統無線通信技術多年的有關傳播方面的重大難題，具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、截獲困難、系統復雜度低、能實現厘米級定位精度等優點。UWB 技術不僅可以非常精確地進行位置跟蹤，還可以快速地進行數據傳輸。UWB 技術作為一項“古老” 的通信技術，具有定位精度高、安全性高、傳輸速度快、功耗低等優勢，在消費領域有著廣闊的應用場景。UWB 技術目前最優的應用環境是室內或者相對密閉的空間。

UWB 技術的主要指標如表1 所示。

3.2UWB 的定位模式

UWB 信號不同于傳統的窄帶信號，其在分離多徑信號以及穿透傳輸方面有著天然的優勢，擁有很強的環境適應能力，更適合作為通用性的室內定位技術。UWB 定位主要有TDOA （ 到達時間差TimeDifference Of Arrival ）和AOA（到達角度或稱為DOA估計）兩種模式，本項目采用TDOA 定位技術。

TDOA 原理：基站時間同步后，標簽將數據報文發送到基站，附近的所有定位基站都接收UWB 標簽的信號，但不發送任何信號。由于定位基站與定位標簽之間的間隔不同，因此脈沖信號在不同的時間到達每個定位基站。這些時間差乘以空間中的恒定光速得出UWB 定位標簽和UWB 定位基站之間的距離，并構成多延遲計算的基礎，以確定標記的X 軸、Y 軸、Z 軸的坐標。距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點就是信號標簽的位置（圖2）。

3.3UWB定位維度

根據不同的應用場景，UWB 定位技術可以實現零、一、二、三維定位：（1）零維定位，只需要判定目標是否進入該區域，即存在判斷; （2）一維定位，只需要定位目標在該區域的縱向相對位置，忽略該區域的橫向寬度;（3）二維定位，首先確定目標在空間的X 軸、Y 軸坐標，然后測量標簽離多個基站的距離，經計算后確定標簽的具體平面位置;（4）三維定位，同時可獲得X 軸、Y 軸、Z 軸坐標數據，即有高度數據。因講解員一般只在水平方向走動，不需要對目標標簽的高度進行定位，故本方案不需要高度數據（圖3）。gzslib202204021606

4語音導覽系統的工作原理

4.1系統的基本構架

本系統采用基于UWB 技術的TOA 定位算法，將時空維度大數據分析理念引入大型場館的位置管理中，通過在場館內布設合理數量的微基站，不間斷地采集講解人員佩戴的微標簽回傳的時空坐標數據，實時定位并極低延時地將其位置信息傳送至業務層，業務層獲得位置信號后，經過業務層分區解析進而發出實際控制指令，對特定的分區音響系統進行按區控制，實現每個獨立分區的單獨擴聲，擴聲的音源自動匹配為進入該區的講解員語音信號（圖4）。

4.2系統的功能流程

UWB 語音導覽系統的主要功能和工作流程如下：（1）系統利用TDOA 定位技術，獲得講解員（信號標簽）的位置數據;（2）系統后臺獲得位置數據后，利用軟件對位置數據進行計算、分析，綜合判定所在分區位置，進而發出控制指令，精確匹配語音音源與分區擴聲系統;（3）分區擴聲系統接收后臺指令，將選定的音源自動分配至相應分區，并控制揚聲器，僅在指定區域發聲，不對其他任何分區產生干擾。

5方太企業展館項目實踐

新建的方太理想城企業展館規模較大，建筑主體呈圓弧圍合形態，分上、下兩層，建筑面積超過17000平方米，分為企業館、功勛閣、黨建館、產品館、創新館、生活體驗館、休息區、演講交流區等多個展區空間（圖5）。參觀流線應可根據不同參觀團隊的需求進行靈活、機動安排。

5.1展館分區規劃

根據展館的功能定位、平面布局和參觀流線規劃，我們對語音導覽系統的硬件構架進行了相應的設計。整個展館分為18 個分區，其中一層4 個，二層14 個（含兩個參觀通道和一個專利墻隧道）。系統整體構架如圖6 所示。

5.2分區基站配置

確定基站數量時，根據目標定位的實際需要，不僅要考慮每個分區的平面形狀和面積大小，也需考慮相鄰分區之間的精確分隔，以防分區之間產生信號交叉、重疊而導致相互干擾。因此，采用三種分區定位方式，即零維定位、一維定位和二維定位，且不同分區所需配置的基站數量不等。經過綜合分析，每個功能分區分別配置1～7 個定位基站，合計55 個基站。其中，展館一層4 個分區共設置10 個基站點位;展館二層14 個分區共設置45 個基站點位。

5.3揚聲系統控制程序

本方案按四個團隊入館參觀、4 個講解員同時工作、18 個分區的廣播（揚聲器）系統同步待命的要求，設計語音傳輸、分區解析及控制設備的配置。

5.3.1基本控制程序

當講解員即將走近某個分區時，系統會根據接收到的標簽位置信號，經過自動解析、判斷后發出指令，開啟對應分區的功放擴聲裝置，并自動匹配該講解員的無線語音信號，僅將該講解員語音在該區域進行播放。同理，當講解員移動至相鄰分區時，系統會根據接收到的標簽位置信號，經過自動解析、判斷后發出指令，開啟相鄰分區的功放擴聲裝置，并自動匹配該講解員的無線語音信號在該區域進行播放，同時解除該講解員與前一個分區的匹配關系。當講解員離開展館后，系統發現終端（標簽）信號丟失，會自動解除該講解員與所有播放系統的匹配關系，不會在任何區域內出現其聲音。

5.3.2相鄰區間切換程序

當講解員在幾個相鄰區之間移動時，語音切換采用以下幾種方案。

（1）直接切換方式：在講解員（信號標簽）跨區的瞬間，啟動新到達區域的擴聲系統，同時立即關閉前一個區域的擴聲系統（使其無聲）。

（2）過渡切換方式：在講解員（信號標簽）跨區的瞬間，啟動新到達區域的擴聲系統，但不立即切斷原區域的擴聲系統，可設定一個短暫的延時后再關閉前一個區域的聲音。過渡時間的確定也有兩種方案，即根據講解員的行走速度來確定延時時間以及根據目標標簽距離分區邊界的位置偏移量（即依據X 軸或Y軸定位數據計算距離）來確定延時時間。

（3）漸變切換方式：在“過渡切換”方式的基礎上，實現擴聲音量的漸變柔和過渡，達到淡入淡出的效果。該過渡方案比較適合于層高較低的場館使用，對于空間層高較高的場合而言，在聲音轉換的初期并不會有明顯感覺，淡入淡出會使得切換效果變得遲鈍。

5.3.3多標簽同步順序

當多個講解員（即信號標簽）同時在不同分區講解時，系統會自動匹配每個講解員與所在分區的擴聲系統，彼此不會產生干擾和影響。當多個講解員先后進入同一個分區時，系統會根據標簽進入的先后順序，對最前端的信號源進行匹配處理，擴聲系統根據匹配指令進行播放，并依次進行切換。如此，可以保證同一分區內不會同時出現兩個聲源，避免產生干擾與混亂。

6結語