郵輪艙內人員定位技術分析

張寶陽 謝宗佑 磨善鵬 王廣 楊佳嘉

基金項目：工業和信息化部關鍵技術攻關工程（工信部裝函[2019]331號）

第一作者簡介：張寶陽（1982-），男，工程師。研究方向為智能制造、通信技術。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.043

摘? 要：隨著郵輪旅游業的快速發展和乘客需求的多樣化，如何在郵輪的復雜生活空間中進行有效的路線導航、商品導購及火災等突發事件發生時進行安全撤離，成為亟待解決的問題。此時需要實現對郵輪艙內人員的精確管理和定位。該文將對現有的幾種主要的人員定位技術進行分析和比較，以期為船艙內部人員精確定位提供有益的參考。

關鍵詞：郵輪；艙內人員；人員定位技術；導航；管理與定位

中圖分類號：U673.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0189-04

Abstract： With the rapid development of the cruise tourism industry and the diversification of passenger demands， effective route navigation within the complex living spaces of cruise ships， product shopping guidance， and safe evacuation in the event of emergencies such as fires have become pressing issues to be resolved. At this time， precise management and positioning of personnel within the cruise ship's cabins are required. This article will analyze and compare several existing main personnel positioning technologies， in hopes of providing useful references for the precise positioning of personnel inside the ship's cabins.

Keywords： cruise ship; cabin personnel; personnel positioning technology; navigation; management and positioning

郵輪旅游業作為全球旅游業的重要組成部分，近年來得到了快速發展[1]。其作為典型的大型生活空間，乘客需要在龐大且復雜的環境中找到自己的房間、餐廳、娛樂設施和購物場所等位置，這將降低乘客旅游的舒適度和體驗感；同時在旅游過程中存在諸多安全隱患，如火災、碰撞、迷路等問題，將對郵輪艙內人員的生命安全構成威脅[2]。因此，如何實現對郵輪艙內人員的精確管理和定位，提高郵輪艙內乘客的舒適便捷性和安全性，成為郵輪在設計時亟待解決的問題。

1? 現階段艙內人員定位技術分析

1.1? RFID定位技術

RFID（Radio Frequency Identification）是一項無線射頻識別技術[3]，整套RFID系統由3部分組成：閱讀器、電子標簽、數據管理系統。標簽進入讀卡器后，接收讀卡器發射的射頻信號，并利用感應電流獲得的能量發送存儲在芯片中的產品信息（無源標簽），或者標簽主動發送特定頻率的信號（有源標簽）。在閱讀器讀取并解密信息后，將其發送到中央信息系統進行相關數據處理。在郵輪艙內人員定位系統中，RFID技術可以通過安裝在郵輪艙內的讀寫器和貼在人員身上的電子標簽，實現對郵輪艙內人員的定位和管理。RFID技術的優點是定位精度較高，且系統成本較低。

1.2? WLAN定位技術

WLAN（Wireless Local Area Network）是無線局域網技術[4]，通過在郵輪艙內部署多個接入點（AP），形成一個無線網絡，可以實現對郵輪艙內人員的定位和管理。相較于RFID的區域定位（存在式定位），增加了對信號場強的測量，在輔助以傳播模型、射頻指紋等優化后，可實現3～10 m的定位精度。WLAN定位技術根據接收信號強弱的利用算法定位，如RSSI（Received Signal Strength Indication）或TOA（Time of Arrival）等。WLAN定位技術的優點是定位范圍較大，且系統成本較低。

1.3? UWB定位技術

UWB（Ultra Wide Band）是一種高速無線通信技術[5]，其能夠通過在船只內建立眾多的基站，構建一個高速無線網絡，從而能夠進行船只內人員精確定位與控制，如圖1所示。UWB不使用載波，采用較短能量脈沖序列，通過正交頻分調制或直接排序把脈沖擴展到固定的頻率范圍。UWB使用的無線電帶寬高達數吉赫，比帶寬約為20 MHz的WLAN高出數百倍，且由于頻譜的功率密度極小（2.4 GHz WLAN低于10 mW/MHz，UWB低于10 mW/MHz），其具有通常擴頻通信的特點。UWB定位技術利用基于到達時間差的方式定位，如TDOA（Time Difference of Arrival）或FDOA（Frequency Difference of Arrival）等。UWB定位技術的優點是定位精度極高，且系統穩定性較好。

圖1? UWB定位技術原理

1.4? 指紋定位技術

指紋定位技術是一種基于無線信號的空間定位方法。其基本原理是利用無線信號在不同環境中的空間點位變動，然后將房間中特定位置的無線信號特征作為該位置的指紋，組成位置和指紋相互關聯的云端數據庫，從而通過指紋匹配實現用戶位置計算。定位流程主要包括離線信號采集和在線位置定位2個階段。在離線信號采集階段，首先在定位區域內選取一些固定位置參考點，然后采集固定位置參考點可以收集與AP的MAC地址相對應的RSSI數據，對RSSI數據進行初步處理，然后通過固定位置參考點的坐標來收集AP的BSSID和相應RSSI數據以建立指紋數據庫。在線站點定位階段，在相同的室內環境中收集測試點的RSSI數據，形成在線空間點指紋。將采集的指紋與云端數據庫中的指紋相對比，并使用既定的定位方法確定指紋的位置坐標。通過將在線讀數與數據庫中與讀數對應的最近位置進行比較來估計UD的位置。對于任何位置，可能存在歧義點，導致獨立定位場景中存在較高的估計誤差。如圖2所示。

圖2? 指紋定位算法原理圖示

1.5? 藍牙（Bluetooth）定位技術

藍牙定位技術是一種基于藍牙無線通信技術的定位方法[6]。主流確定信號方向的技術為到達角（AOA）技術。AOA定位技術主要由發射端和接收端組成，發射端只有單個天線，接收端由多天線陣列組成。首先，發射端會通過一定頻率的載波信號對一段CTE信號進行廣播。然后，接收端的多天線陣列會在接收到信號后與發射端進行配對。接收端會控制自身的射頻開關以切換不同的天線進行采樣。由于接收端的各個天線單元的位置不同，它們接收到的信號會產生相位差異。最后利用采樣數據中存在的相位差關系計算出接收信號的到達角，從而進行定位。若基站BS1和BS2將目標發射信號的輸入角度識別為θ1和θ2，那么有公式（1）

利用2個或2個以上接收機提供的AOA測量值，按AOA定位法確定多條方位線的交點，即為目標的估計位置，如圖3所示。通過求解上述非線性方程組可以得到目標的估計位置。一般來說，如果要計算被測物體的平面位置（即二維位置），那么需要測量2個角度和一個距離，同理，如果要計算被測物體的立體位置（即三維位置），那么需要測量3個角度和一個距離。基于角度測量的定位技術需要使用方向性天線，如智能天線陣列。

1.6? 其他定位技術

1）慣性導航系統（INS，Inertial Navigation System，簡稱慣導）是自主導航，即慣導可以不依靠外界因素而進行自主導航，因此其對金屬船艙、人員走動、復雜的電磁環境等抗干擾能力極強。高精度的慣導可以在很長一段時間內保持亞米級甚至厘米級的誤差，但高精度慣導成本高、體積大，并且在工作很長一段時間后需要進行校準等，這使得高精度慣導的應用范圍受到約束。

2）聲音定位（sound localization）是指利用環境中的聲音確定聲源方向和距離的技術。依據聲源與拾音器之間聲波傳輸的強度、到達時間、相位差等實現定位。可實現米級的定位精度，其優點是技術成熟、結構簡單、造價低且具備不錯的定位精度，主要的缺點是正常的音頻易受干擾，而超聲、次聲對人身的損害待研究。

3）可見光室內定位技術基于可見光通信而研發，可見光通信系統可利用室內照明設備代替WLAN局域網基站發射信號，只要在室內燈光照到的地方，就可以實現高速無線數據通信，由于光譜遠大于常見的5G、Wi-Fi等無線電頻譜，意味著更大的帶寬和更高的速度。由于不使用無線電波通信，對電磁信號敏感的場景可以自由使用該系統。基于光信號良好的路徑特性，可見光室內定位技術可以實現厘米級的定位精度，其主要局限一是尚處于研制階段，產業化尚不成熟，二是關燈后會喪失定位的功能。

圖3? AOA定位技術原理

2? 艙室內人員定位技術現階段的不足及前景

2.1? 艙室內人員定位技術存在的不足

通過對多種定位技術的分析，亦發現諸多不足。RFID定位技術在郵輪艙內使用時定位精度會受限，在定位時精度受到參考標簽和超高頻RFID讀寫器的位置和密度的影響。當需要滿足相同的準確性要求時，讀寫器的布局較為復雜，數量很大，容易受到環境的影響，例如基于RSS的定位方法易受到RSS本身波動和環境的影響，難以進一步提高精度。WLAN定位技術依賴于無線網絡的信號強度來進行定位，然而在實際應用中，無線網絡的信號可能會受到各種因素的干擾，如其他無線設備的信號、建筑物結構等，這可能導致定位結果的準確性降低，同時數據傳輸速率相對較低，這在一定程度上限制了其在高速移動場景中的應用，并且功耗相對較高，這對于一些對功耗有嚴格要求的設備來說是一個不小的挑戰。UWB定位技術的精度非常高，但是其覆蓋范圍相對較小，這意味著在大型空間內進行定位時，可能需要部署更多的設備，導致成本較高。高精度慣導技術由于其導航信息經過積分而產生，定位誤差會隨時間而增大，這就導致了長期的精度較差；對于初始位置的精度要求非常高，如果初始位置不準確，可能會導致后續的定位結果出現較大的偏差；對于環境的適應性不強，例如在強磁場或者強重力場的環境下，其定位結果可能會出現較大的偏差。指紋定位技術的精度受到很多因素的影響，包括環境溫度、濕度、光照條件等，這些因素都可能影響指紋識別的準確性；數據傳輸速率相對較低，數據庫采集工作量大，且在后期維護過程中，隨著環境發生變化，需重新采集維護指紋數據庫，指紋數據庫的采集和維護是一項復雜且耗時的任務，需要大量的人力和物力投入。藍牙定位技術需要布設大量藍牙基站或網關，在拓撲合理、算法適當的情況下，需要平均20～30 m2每臺的部署密度，對通信網絡及設備供電等基礎設施及工程安裝、系統運維等要求較高。

2.2? 艙室內人員定位技術的前景及發展趨勢

首先，隨著科技的發展，定位技術將越來越精確。例如，UWB（超寬帶）定位技術可以提供厘米級別的定位精度，這對于許多高精度要求的應用來說非常重要。這種高精度的定位技術不僅可以應用于工業生產、物流管理等領域，還可以應用于醫療、養老等民生領域，提高服務的效率和準確性。慣導定位技術隨著微電子機械系統（MEMS，Micro Electro Mechanical System）技術的興起和發展，使得INS導航設備的體積和成本得到有效降低，MEMS慣性傳感器逐漸成為慣性技術的一個重要應用方面，此外，依靠MEMS慣性傳感器可顯著減少基站的布置情況，并且結合LoRa無線通信技術，在一定的船艙區域內，采用一個有線基站及多個無線基站的部署方式，可減少有線基站的配置情況，顯著降低了定位導航服務成本，實現低成本的研發要求。由此，將前述技術與基于MEMS的慣導設備組合，有望構建體積小、成本低、精度高和抗干擾能力強的系統，能很好滿足郵輪定位服務需求的組合導航系統。

其次，隨著物聯網和大數據技術的發展，實時定位將成為一種可能。這意味著可以實時地知道一個人的位置，這對于安全管理、應急響應等方面有著重要的意義。例如，在大型公共場所，實時定位技術可以幫助管理人員快速找到需要幫助的人；在災害發生時，實時定位技術可以幫助救援人員快速找到被困的人員。

再次，隨著人們對隱私保護意識的提高，未來的定位技術需要更加注重隱私保護。這將使得定位技術在提供方便的同時，也能充分尊重和保護用戶的隱私權。

最后，未來的定位技術可能會更加集成化，也就是說，一個設備可以實現多種定位技術，以滿足不同場景的需求。定位裝置可以實現GPS定位，也可以實現Wi-Fi定位，還可以實現藍牙定位，這樣就能根據不同的場景選擇最合適的定位方式。隨著人工智能和機器學習技術的發展，未來的定位技術可能會提供更加個性化的服務。可以根據個人的習慣和偏好來提供更加精準的定位服務。比如某人有一定的行為模式，定位系統就可以預測出他在這個時間段將會去的地方，從而提供更加個性化的服務。

3? 結束語

通過對現有幾種主要的人員定位技術進行分析，可以看出每種技術都有其優缺點。在實際應用中，應根據郵輪艙內的具體環境和需求，選擇合適的定位技術，以提高郵輪艙內人員的安全性和舒適便捷性。同時，隨著物聯網、大數據等技術的發展，未來郵輪艙內人員定位技術將更加智能化、精細化，為郵輪旅游業的未來發展提供更加有力的支持。

參考文獻：

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[3] 謝良波，李宇洋，王勇，等.基于自適應蝙蝠算法的室內RFID定位算法[J].通信學報，2022，43（8）：90-99.

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[6] PAU G， ARENA F， GEBREMARIAM Y E， et al. Bluetooth 5.1： An analysis of direction finding capability for high-precision location services[J]. Sensors， 2021，21（11）：3589.