智慧軌道交通室內定位淺析

孫士振

中鐵通信信號勘測設計院有限公司 北京 100036

引言

隨著大數據、5G等新興信息技術的飛速發展，城市軌道交通也逐步邁向智能化時代，成為交通強國建設的強力推手。地鐵車站是城市軌道交通出行中最核心的公共區域，聚集了各類人員，擁有較大的影響面。但衛星導航系統的導航信號卻不能覆蓋地下空間，無法提供基于定位的一系列服務。因此，有必要使用室內定位技術作為衛星導航系統的補充與增強，有效連通地鐵空間與室外空間，提供一體化的時空信息服務，為智慧軌道交通建設提供有效助力。

1 室內定位需求分析

1.1 性能要求

①精度。不同的應用對精度的要求不同，可能到1米甚至更低的精度。②覆蓋范圍。覆蓋范圍主要是指一個解決方案和技術可以提供滿足精度的覆蓋的范圍。不同的技術和應用需求對覆蓋范圍的要求也不同。③可靠性。軌道交通車站環境動態性很強，系統的可靠性不應受設施的動態變化影響。④成本和復雜度。成本和復雜度指標涵蓋兩個方面。一個是定位終端的成本，是不是可以不添加新的硬件而用已有的硬件終端[1]。另一方面是布局和維護的成本及其復雜度，包括布局與維護定位所需要的設施和采集相關的數據庫。⑤功耗。功耗是定位設備的一個很重要的指標，尤其對需要使用電池的移動定位設備，功耗過大就限制了用戶的使用。因此要實現實時的位置感知，必須降低因增加定位功能所增加的設備功耗。⑥可擴展性。可擴展性是指能擴展到更大的覆蓋范圍和更多使用功能的能力，以及方便地移植到不同的環境和應用的能力。⑦響應時間。系統給出位置更新信息需要的時間。需求不同，所需要的時間不同，比如可移動用戶和導航應用需要更快的位置更新。

2.2 應用需求

通過室內定位技術，可支持如下應用需求。

室內導航：可實現室內導航，便于乘客尋找服務中心、衛生間等公共設施，并與室外導航相結合提供指引乘客換乘出行服務。基于位置信息，針對特定人員聯調監控，可自動調取該人員最近的攝像頭監控。

公共安全、治安事件：發生火災或其他緊急事件時，可以通過室內定位在最短時間內找到安全出口，救援人員也可以通過求救者提供的位置信息迅速找到求生者，使其盡快脫離險境。車站、車廂發生治安事件后，可以通過報警者手機定位，與事發地最近的警務人員，以及車廂安保人員聯系，快速處置。

工作人員定位：可快速定位現場工作人員的實時位置數據及歷史移動軌跡信息，實現異常事件的人員快速調度和應急指揮，提高工作人員的效率及處理緊急事件的響應速度。

設備狀態感知：在設備上加裝無線模塊，實現設備定位，建立專業專用的無線傳輸通道，將設備的狀態信息實時傳遞到單獨設置的地鐵設備綜合運管中心，實現設備狀態實時采集。

設備維修提效：一方面，故障設備位置不需要查閱圖紙確定位置，維修人員可以使用專用導航系統，快速定位；另一方面，維修人員可攜帶維修PDA，綜合運管中心可以通過PDA定位維修人員位置，實現就近精準派單，并將維修指南定向發送給維修人員。

周界防護：基于各區域不同的用途與準入權限設置電子圍欄區域，并利用現場感知設備實現異常闖入的快速識別報警。

定位尋人、尋物：走散、走失人員求助后，可以定位后與所在地點進行廣播聯動，與就近的站務、警務、志愿者聯系尋人。遺失手機、遺失包內有手機，可以定位后與所在地點最近的站務、警務、志愿者聯系尋物。

醫療、殘障救助：車站、車廂有乘客突發疾病，可以定位后與事發地最近的急救志愿者，或者醫療機構聯系，快速進行救治。殘障人士乘坐地鐵，可以致電服務中心，根據殘障人士的定位信息，就近安排站務人員開啟無障礙通行設備，或者引導乘客通過直梯進出車站。

3 主要技術方案

目前可以采用紅外線、超聲波、藍牙、Wi-Fi、超寬帶、5G NR等技術來實現室內定位。

紅外線的技術已經非常成熟，定位精度相對較高，但是由于紅外線穿透性極差，只能視距傳播，當標識被遮擋時就無法正常工作，受燈光、煙霧等外在環境因素影響明顯。另外，紅外線的傳輸距離較短，在站內布置設備時，無論哪種方式，在有遮擋的地方，甚至轉角處都需安裝接收端。因此使得布局復雜，成本提升，影像定位效果。

超聲波室內定位技術整體精度達到了厘米級，系統組成結構也相對簡單，但是超聲波在空氣中的衰減較大，不適用于大型場合。

當前比較流行的Wi-Fi定位是IEEE802.11的一種定位解決方案。目前，它應用于小范圍的室內定位，成本較低，但Wi-Fi很容易受到其他信號干擾，從而影響定位精度，并不十分可靠，而且定位器的能耗較高。

對于輸電線路整個工程而言，存在著諸多因素會對其造成一定程度上的影響，例如基礎工程的造價、工程所消耗的工期以及工程所消耗的勞動力等方面，根據相關統計顯示，一般情況下工程工期占到了大約一半左右，而費用所占到的比例大致在兩成，也就是說，基礎施工質量的好壞能夠對輸電線路運行的安全性與有效性造成很大程度上的影響，因此做好基礎工程的有效控制十分重要。

藍牙技術應用于定位，與Wi-Fi有很多相似之處，主要應用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫；同樣有定位誤差不穩定，受噪聲信號干擾大的缺點。

超寬帶技術（UWB）是近年來新興一項全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信無線新技術。超寬帶的主要優勢有，低功耗、對信道衰落（如多徑、非視距等信道）不敏感、抗干擾能力強、不會對同一環境下的其他設備產生干擾、穿透性較強，具有很高的定位準確度和定位精度。超寬帶定位系統與常用的 RFID、藍牙、Wi-Fi、 Zig Bee、GPS、4G等均不存在頻譜干擾，這使它與各種通信技術的混合使用成為可能。

5GNR定位是基于5G蜂窩的定位技術，蜂窩網絡為終端提供無線通信功能的同時提供定位服務，滿足不同應用場景下通訊和定位需求。5GNR基站結合5G網絡大帶寬和多波束特性，可支持multi-RTT、AoA和OTDOA多種定位技術，不同算法實現的定位精度不同。通信與傳統的室內定位技術相比，5G室內定位具有用戶覆蓋度高、實時性高、成本低的優點。NR R15階段暫時無法實現高精度定位，R16版本可初步滿足80%時間實現室內3米的定位精度要求，而R17將在R16基礎上繼續演進，實現亞米級定位，可滿足0.2米以內的絕對精度要求。

4 方案比選

表1 室內定位對比

從智慧軌道交通室內定位需求來看，以上幾種室內定位精度都可滿足需求，但是從可靠性來看，WiFi、超寬帶及5G NR更符合智慧軌道交通應用需求。超寬帶（UWB）無線定位技術功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低，尤其是能提供非常精確的定位精度等優點。并且，UWB定位系統提供的位置實時顯示、歷史軌跡回放、人員考勤、電子圍欄、智能巡檢等功能，可有效幫助企業實現員工或物質的安全管理。

5 系統部署方案

5.1 系統功能[2-3]

5.1.1 位置地圖服務。可展現現場人員的實時位置、信息，按需求查看具體人員位置。基于位置信息，針對特定人員聯調監控，可自動調取該人員最近的攝像頭監控。

5.1.2 歷史軌跡顯示。可回放某段時間內人在某個區域內的巡檢軌跡，支持自定義繪制區域進行軌跡回放。支持自動跳過無位置數據時間段，可手動開啟，支持回訪速率調節。

5.1.3 電子圍欄報警。劃定禁入區域、授權區域等電子圍欄還原現場越界軌跡。非被授權人闖入區域，可即時通知相關人員進行告警，自動調取附近攝像頭監控信息。可對圍欄進行規制配置和啟用設置。

5.1.4 標簽卡功能。任意標簽的實時追蹤模式。標簽人員卡的低電量自檢告警。標簽人員卡的在線、休眠、離線三種狀態。突發情況一鍵報警上傳人員實時位置信息。

5.1.5 組織架構管理。人員管理，可提供增刪改查人員信息。提供人員信息，篩選條件自定義功能。

5.1.6 高精度實時定位。可實現在復雜環境2m以下定位精度。由于站內環境復雜，無法確保基站間通視，定位計算方法建議不依賴基站間時鐘同步。

5.1.7 巡檢功能。宜采用定位標簽卡和智能終端二合一的方式；還應提供智能終端軟件，具備拍照錄像及語音通話的功能。照片及錄像可自動上傳至指定后臺并存儲；智能終端軟件可與后臺進行實時雙向對講通話，以便處理突發情況；后臺可向智能終端發送語音任務指令或調起其攝像頭進行拍攝；智能終端軟件具備隨身應急廣播功能。

5.1.8 擴展能力。需支持其他業務部門2.4GHz/5.8GHz頻段的專用安卓設備通過授權的方式入網使用，實現業務采集和回傳，通過開放二次接口的方式回傳調度中心。

5.2 系統構成

在軌道交通中采用超寬帶無線定位、2.4GWi-Fi及5.8G Wi-Fi融合的通信技術系統，是由多基站的系統形成一個有線、無線相結合的網絡，每個基站覆蓋區根據地鐵運行特點進行劃分，正常運行時各基站由設置在控制中心的中心控制器控制，當基站在與中心控制器通信中斷時，以單基站集群方式支持單基站系統的正常運行[4]。車輛段獨立設置為一個基站覆蓋區。

鑒于部署環境限制，本系統應同時支持現場有線安裝、無線安裝和混合安裝。定位基站應可支持全無線自組網方式部署。即各定位基站之間僅依靠無線信號進行通信，無須有線連接。在此基礎上，為滿足視頻數據的回傳，該無線自組網絡在10跳后的帶寬應不小于100Mbps。且自組網絡節點因外部原因變更或斷電時，其他節點可在100秒內自動續接，保持數據傳輸通路暢通。

在控制中心設置核心交換設備、無線定位服務器、接口服務器、管理工作站、維護終端、智能巡檢手持臺及控制中心樓層的室內覆蓋設備等。無線定位系統場強覆蓋應包含但不限于以下范圍：控制中心（含調度大廳、控制中心相關生產用房）[5]。同時在控制中心配置定位引擎軟件、系統管理軟件、接口軟件，這些軟件部署在控制中心系統服務器中。同時，在控制中心設置無線定位系統網管設備，實現對全網無線定位設備的設置、監測和記錄等管理。當無線定位系統出現故障時，可準確記錄故障時間和故障部位。

在車站設置一體化分站設備、車站交換機、人員標簽、智能巡檢手持臺等。車站站臺每50m設置一套一體化分站設備進行覆蓋，利用24芯光纜與車站機房內無線定位接入交換機連接。區間一體化分站設備設置在隧道壁上部區域每50m設置一處。無線定位系統場強覆蓋應包含但不限于以下范圍：各車站的站臺、站廳、辦公區、設備房及車輛段各單體建筑，正線區間線路。

在車輛段運用庫、檢修庫等單體內每50m設置一套一體化分站設備進行覆蓋，利用24芯光纜與車輛段機房內無線定位接入交換機連接。

為車站、車輛段及控制中心工作人員配備人員及現場施工人員標簽、智能巡檢手持臺等。宜采用定位標簽卡和智能終端二合一的方式；還應提供智能終端軟件，具備拍照錄像及語音通話的功能。

通信傳輸系統為無線定位系統提供中心、車輛段、各車站之間的一個以太網通道。

系統設備應避免對軌道交通其他系統產生干擾，如信號無線系統、專用無線通信、公安無線通信系統，以及移動通信系統（2G、3G、LTE）等。

6 結束語

在移動互聯網高速發展的今天，定位在各行各業有廣泛的需求，如汽車GPS定位系統、手機定位等。智能運行、智能管理、智能維護、智能服務等均需要城市軌道交通定位系統提供高精度定位服務，為開展行車調度、維修安檢、資產管理、應急指揮等工作提供基礎性保障。

城市軌道交通是典型的客戶集中度高、業務流量大場景，通過UWB精準定位助力智慧城軌建設，有效促進軌道交通數字化進程，提升乘客出行體驗及運維效率。