智慧城軌車站室內人員定位技術分析及應用

張宏亮，楊雅鈞

（上海申電云數字科技有限公司 上海 200063）

0 引言

隨著城市軌道（簡稱城軌）交通網絡的不斷織密，2020—2022 年中心城市城軌交通分擔率也在逐年提高，其中10 個城市的城軌交通客運量占公共交通分擔比率超過了50%，上海分擔率最高達到70%［1］。 城軌交通車站作為市民出行的直接窗口及地鐵運營管理的基本單元，運營壓力、安全隱患和風險與日俱增，因此車站運營管理精細化的需求也越來越迫切。 例如，城軌車站中日常運營、應急事件演練及調度、設備日常維護、客流統計等應用場景，相對于傳統的依靠值班員經驗，更需要準確度更高的實時定位、精準研判，來提升車站運營、應急處理的效率。本文將結合城軌交通車站運營的需求，分析室內多種藍牙定位技術，助力智慧城軌車站的建設。

1 城軌車站定位技術分析

地鐵車站大部分是地下構筑物，為了解決地鐵車站內無法基于GPS 定位導航的問題，主要有以下幾種常見的室內定位技術，如Wi?Fi 定位、藍牙定位、Zigbee 定位、射頻技術定位、紅外定位以及超寬帶（ultra?wide band，UWB）定位。 綜合考慮到定位精度，設備成本、布線方式、實施維護更方便等需求，本文推薦城軌車站定位方案主要采用藍牙定位技術。 藍牙定位的優勢在于定位精度高、體積小、功耗低、易部署，比較符合室內定位的發展趨勢，而且藍牙技術定位成本低，更適合在實際定位中應用［2］。

藍牙定位主流技術又細分為兩種，一種是通過信號場強指示（received signal strength indication，RSSI）估算的定位。 另一種是通過信號的角度估算的定位，包括藍牙到達角技術（angle of arrival，AoA）和出發角（angle of departure，AoD）技術，本文主要介紹AoA 方案。

藍牙Beacon 是一種通過藍牙低功耗廣播發射給周圍設備的信號，用于室內位置跟蹤和定位。 當進入信標信號覆蓋的范圍，終端設備測出其不同的RSSI 值，將接收到的RSSI 值通過運營商網絡回傳推送給定位服務器計算。 但是信號強度容易受到天線方向、遮擋、電池電量等因素影響，容易漂移丟點，定位精度不如藍牙AoA 方案。

藍牙AoA［3］是一種通過利用藍牙信號到達的角度來計算設備位置的技術。 發射裝置（如標簽、手持終端）使用單根天線發射信號，接收裝置（如固定定位器基站）有多根陣列天線，計算信號到達角度，從而確定位置。 這種方案具有較高的定位精度，但需要使用多根接收天線，因此硬件成本相對較高。

本文結合兩種定位技術的優勢，提出一種城軌車站藍牙室內融合定位方案，技術上可以充分利用RSSI 信號強度和AoA 角度信息的互補優勢，輔助增強判斷，提高定位精度和穩定性。 同時，藍牙Beacon 方案可廣泛用于城軌車站的簽到打卡、室內導航以及精準營銷等多種應用場景，藍牙AoA 方案可應用于人員跟蹤定位、資產定位及客流斷面分析等場景中

2 城軌車站定位技術的應用

2.1 藍牙定位系統應用

2.1.1 車站定位應用場景分析

基于藍牙室內定位技術，可以實現站內人員定位、應急事件演練及調度、維修人員設備維護、志愿者定位服務、乘客導航等應用功能，具體如下。

（1）站內人員定位服務：在車站日常運營工作中，需要按照既定的排班計劃、路線開展巡檢和保潔工作。 因此需要對站內值班人員、清潔人員移動軌跡實時跟蹤定位，可以判斷是否有漏檢等情況，最終自動形成達標率報表。同時，當車站內設備故障發生時，需要準確規范的記錄故障或事件的發生地點信息。

（2）應急事件演練及調度：當應急事件發生時，城軌車站需要全局視角來查看距應急事件發生地點最近的人員，因此需要在集中指揮監控中心大屏上，全方位監控車站內客流情況以及人員班組信息、到崗情況、實時位置分布等，清晰直觀地掌握現場應急處置情況，快速做好布崗動態調整和應急調度。

（3）維修人員設備維護：在設備維護工作時，需要規范外單位人員到達指定地點，監督作業時長，因此需要根據城軌車站內定位進行解鎖工單后，才能執行維護維修，實現對維護維修工作的精細化管理。

（4）志愿者定位服務：一般志愿者是臨時的、非專業的，作為車站人力的補充，人員的到崗情況以及在崗時長需要有效統計和監控。

（5）乘客導航：在乘客的日常出行中，百度、高德等外部導航無法進行站內路徑導航，特別是換乘站、樞紐站，存在著換乘路徑長或者單向換乘情況，一旦走錯需繞行返行，且乘客問詢工作量大，因此在車站需要為乘客提供地圖查看、導航服務，方便乘客的出行。

2.1.2 藍牙定位系統應用

本文綜合考慮藍牙Beacon 和藍牙AoA 方案的優勢，推薦在城軌車站不同的區域采用不同的定位技術，即在站臺層、站廳層、電梯、樓梯、部署藍牙Beacon 信標和藍牙AoA 方案，在出入口通道、換乘通道部署藍牙AoA 基站，在設備區域采用藍牙Beacon 方案，形成融合室內定位，滿足車站不同區域的定位應用的需求，具體如表1 所示。

表1 藍牙融合定位系統應用

2.2 藍牙定位系統實施方案

2.2.1 安裝原則

（1）藍牙信標空曠區域實施原則：藍牙信標間距控制在6～8 m，高度在3 ～4 m，整個空間進行網格狀分割實現交錯部署全覆蓋；

（2）藍牙信標特殊區域實施原則：現場有特殊障礙，如立柱等環境，依據需要增補藍牙信標設備；

（3）藍牙AoA 基站實施原則：采用沿公共區域中線布置的方式，串接式／星型式以太網供電方式。

圖1 藍牙信標安裝布局圖

2.2.2 部署方案

（1）站廳層：站廳層一般情況下遵循基本原則中的空曠區域和AoA 基站的實施原則，即6 ～8 m 間距，實施即可。

（2）站臺層：一般的標準車站站臺層兩側屏蔽門之間的寬度小于15 m，鋪設中一般原則為兩側上車點附近按照6～8 m 橫向部署藍牙信標，中間空曠區域按照橫向6 ～8 m 進行補充部分AoA 基站。

（3）特殊區域：對于特殊區域如進出站閘機，垂直電梯、自動扶梯、樓梯。 在閘機外及閘機內一側2 ～3 m 處分別安裝一臺藍牙信標，用于精確定位站內站外。 對于垂直電梯，首先在電梯開門處外靠一側1 ～2 m 遠處安裝一臺藍牙信標，其次在垂直電梯內部安裝一臺藍牙信標，有助于識別樓層切換的狀態；最后扶梯、樓梯等樓層切換設施，需要在上下兩層的樓扶梯處各安裝至少一臺藍牙信標［4］。

（4）出入口通道、換乘通道：出入口通道、換乘通道一般寬度為8 m 以上，通道中線部署藍牙AoA 基站（詳見圖2 所示）。

圖2 電梯、樓梯藍牙信標部署示例

3 藍牙定位系統整體架構

藍牙定位系統架構分為六層架構，分別為展示層、應用層，核心層、匯聚層、接入層和終端層，如圖3 所示。

圖3 藍牙定位系統方案架構圖

（1）展示層：基于B／S 架構，滿足多種可視化媒介載體方式進行2D／3D 圖形化展示，包括車站集中指揮中心大屏、PC、APP、小程序等形式。

（2）應用層：基于核心層定位服務，創新城軌車站定位應用場景，如實時定位、軌跡查詢和回放、地圖服務、電子圍欄、站內導航、客流統計、系統管理等功能；

（3）核心層：由定位解算引擎、路徑規劃、地圖引擎、數據庫等組成。 定位解算引擎包含兩大類解算服務，一類針對藍牙信標覆蓋區域，定位解算引擎通過三個及以上已知位置信息的藍牙設備的信號強度，再通過其他的一些輔助方法比如加權平均算法、時間加權算法、慣性導航算法、卡爾曼濾波算法、高斯濾波算法［5］等來計算出當前位置；另一類針對AoA 基站覆蓋區域，通過分析到達時間差，運算出標簽對定位基站的方位角與俯仰角，再配合信號強度估算，精確對目標進行定位。 另外，對于AoA 基站和藍牙信標結合區域，兩類定位解算引擎會同時工作，將解算的位置信息都推送給應用層，如果應用層接收到兩種模式的解算的位置信息，會優先顯示AoA 的定位數據和位置數據，同時也會根據信號強度等計算信息，進行兩種區域的判斷切換。

地圖引擎服務器用于為移動終端提供地圖支撐和位置信息的服務器。 它采用國際通用標準坐標系統WGS－84 等，由專業人員使用CAD、ArcGIS 等軟件進行前期制圖。 引擎將根據回傳的數據計算定位標簽位置，并為位置應用提供地圖支撐。

路徑規劃用于提供準確的路徑規劃服務，算法能計算從出發地點到目標位置的最短路徑，并支持這條路徑在電子地圖上用特定的顏色標識出來。

（4）匯聚層：由POE（power over ethernet）交換機、路由器組成，作為AoA 基站的數據傳輸通道。

（5）接入層：包含AoA 基站和藍牙信標。 AoA 基站的陣列天線在不同時間點采集到同一信號源發出的無線信號；藍牙信標則不斷地廣播藍牙信號（包括定位標簽的ID、信號強度、廣播功率等），以便終端設備檢測到藍牙信號。

（6）終端層：不僅包括移動終端，如智能手機、手持PAD，還包括其他可穿戴設備，如手環、工牌等標簽類終端。 這些設備可以作為安裝集成定位軟件開發工具包（software development kit，SDK）的APP 或者微信小程序的載體，同時也支持精確的定位功能。

4 應用效果分析

通過融合兩種藍牙技術，本文提出的定位技術提高了定位準確率，滿足不同角色人員的使用習慣，減少投資成本，新增客流監測手段，簡化設備維護過程：

（1）提高定位準確率：相對于傳統的依賴單一藍牙信標的定位，本文將兩種藍牙技術融合在一起，提高了定位的準確度，從而提升車站的使用效率和用戶體驗。

（2）豐富的終端定位：應用層可以滿足移動終端APP、小程序或者標簽類工牌、手環的定位，滿足不同角色人員的使用習慣。

（3）減少投資成本：對車站應用場景做了細分，有針對性地部署藍牙信標以及藍牙AoA 基站，在保障用戶體驗的同時，降低了施工難度，與全面采用藍牙AoA 基站部署方案相比，更能減少投資成本。 另外，一般車站具有運營商無線網絡，本方案利用該無線網絡作為回傳網絡，進一步降低了投資成本，如按照LoRa 基站部署回傳網絡方案。

（4）新增客流監測手段：藍牙AoA 基站可以獲得服務器范圍內客流斷面數據，后臺服務可以估算客流實時人數、客流密度、進出流速，提供數據分析依據，對既有客流感知數據進行補充和完善，相互校驗，形成更加立體、綜合的客流感知體系，以便及時預警，調整客流組織方案。

（5）設備維護簡單：在日常巡檢過程中，運維人員手持終端，在藍牙信標布設范圍內進行巡檢。 后臺程序通過判斷信源信標的狀態值，判斷是否與系統記錄的信標信息一致，由此判斷現場藍牙信標是否處于正常工作狀態。

5 結語

隨著技術的進步和業務的不斷更新，車站引入城軌車站藍牙室內融合定位技術，減少了投資成本，同時提高了定位的精度，實現車站工作人員、乘客動態感知，提升日常管理和應急處理水平。 藍牙室內融合定位技術將有效提高運營和維護的效率，保障客流平穩有序，最大程度地發揮作用，為智慧車站的建設注入強大動力。