基于藍(lán)牙技術(shù)的城市軌道交通室內(nèi)定位導(dǎo)航及應(yīng)用

張立東 孫 煜 萬明俊

(1. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上海； 2. 上海詢諾通信科技發(fā)展有限公司，200063，上海//第一作者，高級(jí)工程師)

目前，城市軌道交通乘客對(duì)地下空間的導(dǎo)航需求日益增長。然而，地下空間環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的室外定位技術(shù)如GPS(全球定位系統(tǒng))、北斗定位、GPRS/CDMA(通用分組無線服務(wù)/碼分多址通信)定位等在地下車站難以適用，導(dǎo)致地下空間的定位導(dǎo)航成為城市定位導(dǎo)航服務(wù)的盲區(qū)。

為推動(dòng)上海城市公共交通現(xiàn)代化進(jìn)程，滿足人們對(duì)城市軌道交通地下空間的定位導(dǎo)航服務(wù)，本文以信息技術(shù)為支撐，借助物聯(lián)網(wǎng)，選擇室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜的城市軌道交通車站作為試點(diǎn)，部署藍(lán)牙設(shè)備，建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)的城市軌道交通室內(nèi)定位系統(tǒng)[1]，從而為乘客出行提供便利的乘坐體驗(yàn)，提升運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。

1 城市軌道交通室內(nèi)定位方案

1.1 室內(nèi)定位技術(shù)

目前，成熟的室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)有Wi-Fi定位、藍(lán)牙定位、地磁定位和超寬帶定位等。本文從定位精度、使用場(chǎng)景、工程量等方面對(duì)這四種定位技術(shù)予以分析。

(1) Wi-Fi定位技術(shù)的覆蓋范圍較大，但對(duì)于城市軌道交通環(huán)境而言，Wi-Fi定位的每一個(gè)AP(無線接入點(diǎn))都需要獨(dú)立供電，工程量較大，且在類似車站的狹小空間里定位精度不夠理想。

(2) 藍(lán)牙定位技術(shù)目前較為廣泛地應(yīng)用于移動(dòng)終端，采用無源的低功耗藍(lán)牙信標(biāo)，部署成本較低，效率高，適用于各類地下環(huán)境。其在商用領(lǐng)域較為成熟，應(yīng)用于大型商場(chǎng)、停車場(chǎng)等室內(nèi)場(chǎng)景[2]。

(3) 地磁定位技術(shù)是一種新興技術(shù)，通過捕捉“室內(nèi)地磁場(chǎng)”的規(guī)律來實(shí)現(xiàn)定位。通過手機(jī)端普遍集成的地磁傳感器收集室內(nèi)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，辨認(rèn)室內(nèi)環(huán)境里不同位置的磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度差異，從而匹配自己在空間中的相對(duì)位置。然而，該技術(shù)僅適用于相對(duì)電磁環(huán)境固定的室內(nèi)環(huán)境。對(duì)于城市軌道交通車站，列車的不斷進(jìn)出會(huì)造成室內(nèi)地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化。

(4) 超寬帶定位系統(tǒng)包括UWB(超寬帶)接收器、參考UWB標(biāo)簽及主動(dòng)UWB標(biāo)簽。定位過程中，由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號(hào)，然后過濾電磁波傳輸過程中的各種噪聲干擾，得到有效信息的信號(hào)，再通過中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位計(jì)算分析。該技術(shù)需要極其精確的定位需求，因此應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境居多。

結(jié)合城市軌道交通的空間環(huán)境以及所面向的用戶群體，從定位精度的需求、經(jīng)濟(jì)性、工程量等方面分析，采用低功耗藍(lán)牙定位的技術(shù)更符合城市軌道交通室內(nèi)定位導(dǎo)航應(yīng)用的目標(biāo)。四種定位技術(shù)的比選如表1所示。

表1 四種定位技術(shù)比選

1.2 基于藍(lán)牙的室內(nèi)定位

基于藍(lán)牙的室內(nèi)定位原理是：應(yīng)用RSSI(接收的信號(hào)強(qiáng)度指示)的室內(nèi)定位技術(shù)計(jì)算當(dāng)前所在位置，再通過卡爾曼濾波過濾，利用三點(diǎn)定位計(jì)算獲取當(dāng)前精確位置，在導(dǎo)航過程中通過慣性導(dǎo)航技術(shù)確保導(dǎo)航順暢。

1.2.1 基于接近度分類的RSSI指紋定位

基于接近度分類的RSSI指紋定位技術(shù)[3]是一種應(yīng)用范圍廣泛的室內(nèi)定位方法，是非參數(shù)化的。非參數(shù)化定位的原理是為環(huán)境生成坐標(biāo)信息。因此，基于RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)的定位精度相對(duì)較高。

基于RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)操作流程一般分為：① 將室內(nèi)環(huán)境劃分為X×Y的網(wǎng)格狀；② 測(cè)量節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，并做記錄；③ 以接近度作為指紋庫分類特征(如圖1所示)，分為接近(1 m以內(nèi))、附近(1～5 m)、遠(yuǎn)(超過5 m)。

1.2.2 基于藍(lán)牙的三點(diǎn)定位算法

由于藍(lán)牙的低功耗特性，藍(lán)牙iBeacon的理想定位工作距離一般在8 m以內(nèi)。根據(jù)基于藍(lán)牙的三點(diǎn)定位算法原理，當(dāng)目標(biāo)位置被3個(gè)以上iBeacon覆蓋,可以達(dá)到最好的定位效果。所以，基本的原則就是利用iBeacon將空間按適當(dāng)距離分割成小空間，如圖2所示。

圖1 RSSI指紋定位技術(shù)的接近度分類

a) 三點(diǎn)定位原理

b) 室內(nèi)定位場(chǎng)景示意

1.2.3 卡爾曼濾波

在導(dǎo)航過程中，需要實(shí)時(shí)變動(dòng)表示當(dāng)前位置的標(biāo)識(shí)符，如果根據(jù)人員行動(dòng)后獲取新的位置信息進(jìn)行導(dǎo)航界面調(diào)整，則會(huì)因?yàn)闀r(shí)刻都在計(jì)算當(dāng)前位置而給系統(tǒng)帶來大量計(jì)算壓力，顯示中也會(huì)有卡頓、不流暢的感覺。為了避免這種問題，在導(dǎo)航過程中，確認(rèn)精準(zhǔn)的位置信息后，采用卡爾曼濾波處理，在導(dǎo)航界面中勻速移動(dòng)表示當(dāng)前位置的標(biāo)識(shí)符[4]。

在定位導(dǎo)航系統(tǒng)中，獲取位置信息的時(shí)間間隔為1 s?？柭鼮V波通過這1 s的位置信息和上1 s的預(yù)測(cè)位置信息，以及這兩個(gè)位置的信息偏差，計(jì)算最有可能的誤差，預(yù)測(cè)下1 s的位置信息；在此刻之后的1 s內(nèi)，導(dǎo)航系統(tǒng)將在當(dāng)前位置和下1 s的預(yù)測(cè)位置之間勻速移動(dòng)表示當(dāng)前位置的標(biāo)識(shí)符。

1.2.4 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(見圖3)是利用智能終端里的陀螺儀、三軸加速度傳感器及電子羅盤(磁力計(jì))等獲取行進(jìn)過程中的各類信息，然后根據(jù)獲取的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，配合陀螺儀和三軸加速度傳感器測(cè)量移動(dòng)的角度和加速度，計(jì)算下一刻的位置，并通過電子地圖顯示。

圖3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航在定位導(dǎo)航移動(dòng)應(yīng)用的過程中起到輔助作用，避免了在信標(biāo)的盲區(qū)或者信號(hào)干擾強(qiáng)的地方出現(xiàn)的獲取當(dāng)前位置延遲或者位置出現(xiàn)偏差的情況[5]。

1.3 基于藍(lán)牙的定位系統(tǒng)

一般室內(nèi)環(huán)境下，iBeacon間距控制在5～8 m，對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行網(wǎng)格狀分割實(shí)現(xiàn)全覆蓋；特殊空曠地區(qū)，選擇按照邊沿施工圖向內(nèi)覆蓋。由于城市軌道交通地下車站內(nèi)布局相對(duì)復(fù)雜，立柱較多，需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)每一個(gè)車站的站廳、站臺(tái)及管理區(qū)域等進(jìn)行踏勘，并對(duì)特殊區(qū)域予以部署。

1.3.1 站廳層藍(lán)牙部署

站廳層的藍(lán)牙一般遵循基本規(guī)則在空曠區(qū)域?qū)嵤┎渴稹?duì)于重要節(jié)點(diǎn)，如進(jìn)出站閘機(jī)處，可在閘機(jī)外及閘機(jī)內(nèi)一側(cè)2～3 m處分別部署一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，用于站內(nèi)站外的精確定位。一般車站站廳層的藍(lán)牙部署如圖4所示。

1.3.2 站臺(tái)層藍(lán)牙部署

同一天，附近阿林頓鎮(zhèn)上，27歲的郵遞員亞當(dāng)·詹諾斯也向急救中心打來了求助電話，說自己十分痛苦。當(dāng)急救人員趕到時(shí)，發(fā)現(xiàn)亞當(dāng)躺在地板上，呼吸困難。雖然他們將他送到最近的醫(yī)院搶救，但為時(shí)已晚，醫(yī)生宣布亞當(dāng)死于心臟病。

站臺(tái)層同站廳層相比結(jié)構(gòu)更加簡單，可將兩側(cè)候車區(qū)視為走廊區(qū)域，樓梯之間的休息區(qū)視為空曠區(qū)域，其藍(lán)牙的部署遵照基本規(guī)則即可。一般車站站臺(tái)層的藍(lán)牙部署如圖5所示。

圖4 一般車站站廳區(qū)域藍(lán)牙部署

圖5 一般車站站臺(tái)區(qū)域藍(lán)牙部署

1.3.3 電梯處藍(lán)牙部署

對(duì)于單個(gè)電梯，在其轎廂門外靠一側(cè)1～2 m遠(yuǎn)處安裝一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，在電梯內(nèi)部安裝一個(gè)藍(lán)牙，有助于識(shí)別樓層切換的狀態(tài)；對(duì)于自動(dòng)扶梯、樓梯等設(shè)施，需要在扶梯口、樓梯口旁安裝至少一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備(如圖6所示)。

2 實(shí)施方法和結(jié)果分析

2.1 設(shè)備選型

選擇的藍(lán)牙設(shè)備的參數(shù)如表2所示。

2.2 圖紙核對(duì)

定位導(dǎo)航功能的呈現(xiàn)需要精準(zhǔn)的地圖進(jìn)行支撐，而制作精準(zhǔn)的地圖則需要準(zhǔn)確、完善的現(xiàn)場(chǎng)資料。因此，在部署定位設(shè)備之前需要勘探現(xiàn)場(chǎng)。勘探現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)詳細(xì)考察平面結(jié)構(gòu)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)情況有無差異，同時(shí)需對(duì)層高、遮蔽、吊頂及行進(jìn)方向等情況進(jìn)行調(diào)研記錄，以形成一套完善的制圖資料。

2.3 藍(lán)牙點(diǎn)位布局

在已經(jīng)制作好的地圖上，參考勘探現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片或施工圖紙，按照常規(guī)藍(lán)牙部署實(shí)施原則，進(jìn)行藍(lán)牙點(diǎn)位布局設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)好的硬件點(diǎn)位進(jìn)行編號(hào)。

a) 垂直電梯

表2 試驗(yàn)藍(lán)牙設(shè)備參數(shù)

因圖紙視角的局限性，無法完整獲取現(xiàn)場(chǎng)布局及裝修信息，故設(shè)計(jì)圖紙僅作為實(shí)施參考，在正式實(shí)施的過程中，可能因特殊情況進(jìn)行點(diǎn)位的調(diào)整。

2.4 實(shí)施環(huán)境

根據(jù)藍(lán)牙信標(biāo)的特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)情況，可在地面或立柱或吊頂上安裝藍(lán)牙信標(biāo)。

(1) 安裝在地面時(shí)，藍(lán)牙信號(hào)有干擾，需在地面打孔，安裝完畢后需對(duì)地面進(jìn)行修繕，且后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)較為麻煩。

(2) 安裝在立柱上時(shí)，藍(lán)牙信標(biāo)暴露在外，可能會(huì)導(dǎo)致乘客誤拿，影響導(dǎo)航準(zhǔn)確性。

(3) 部署在吊頂上時(shí)，藍(lán)牙信號(hào)正常覆蓋，部署過程難度一般，運(yùn)維難度一般，且由于在隱蔽角落，不影響現(xiàn)有裝飾。

因此，較為可行的方案是將藍(lán)牙信標(biāo)安裝在吊頂上。但城市軌道交通各車站布局不盡相同，部分車站情況復(fù)雜，存在特殊情況(如吊頂過高、封閉吊頂、柵格吊頂?shù)?，所以藍(lán)牙信標(biāo)的安裝點(diǎn)可能會(huì)進(jìn)行調(diào)整。

2.4.1 吊頂過高

上海軌道交通人民廣場(chǎng)站站廳層為典型的吊頂過高情況，其站廳層三角區(qū)域周邊存在挑高層，層高在8 m左右(見圖7)。而藍(lán)牙覆蓋最佳距離推薦在8 m以內(nèi)，因此，將藍(lán)牙信標(biāo)部署在吊頂顯然不合適，施工難度也較大。對(duì)于此類局部出現(xiàn)大面積吊頂較高的情況，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將藍(lán)牙信標(biāo)固定在承重柱或周邊墻面高5 m處。

圖7 人民廣場(chǎng)大三角換乘區(qū)域

2.4.2 封閉吊頂

在藍(lán)牙信標(biāo)部署過程中，部分車站存在封閉吊頂裝修風(fēng)格。對(duì)于此類環(huán)境，可在吊頂下方通過3M強(qiáng)力膠加螺絲固定藍(lán)牙信標(biāo)(見圖8)，以保證設(shè)備的安全性與可靠性。

圖8 封閉吊頂部署

2.4.3 柵格吊頂

在一般的城市軌道交通車站中，有大量區(qū)域是柵格型吊頂，存在間隙。對(duì)于此類吊頂環(huán)境，可在柵格底部通過3M強(qiáng)力膠加塑料扎帶固定藍(lán)牙信標(biāo)，如圖9所示。

圖9 柵格吊頂部署

2.5 實(shí)施過程中遇到的問題及解決方案

2.5.1 點(diǎn)位漂移

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)手持移動(dòng)終端靜止不動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)顯示的當(dāng)前位置圖標(biāo)卻在地圖上跳動(dòng)，即通常所說的信號(hào)漂移現(xiàn)象。由于藍(lán)牙信標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度是周期性變化的，因此計(jì)算獲取的位置信息是有變化的，這導(dǎo)致了點(diǎn)位漂移。為此，在定位算法中增加了慣導(dǎo)優(yōu)化定位算法，并對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行多次計(jì)算，判斷目標(biāo)是否移動(dòng)，解決了終端設(shè)備靜止而系統(tǒng)當(dāng)前位置標(biāo)識(shí)漂移的現(xiàn)象。

2.5.2 安卓機(jī)型適配

在實(shí)地測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，不同的安卓機(jī)型在導(dǎo)航中效果有差異。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)這種差異是因各安卓機(jī)型的陀螺儀傳感器等相關(guān)設(shè)備的參數(shù)不同而引起的。為此，對(duì)市場(chǎng)上主流的安卓機(jī)型做兼容性適配，以最大程度緩解該問題。

2.5.3 藍(lán)牙部署位置調(diào)整

在實(shí)地測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，部分位置定位會(huì)出現(xiàn)諸如漂移、實(shí)時(shí)反應(yīng)慢，以及在乘坐自動(dòng)扶梯或走樓梯換層后地圖切換不及時(shí)等問題。這是由于藍(lán)牙信號(hào)被立柱等障礙物干擾而引起的。通過調(diào)整部分在立柱等障礙物附近的藍(lán)牙設(shè)備的部署位置，并在樓梯、電梯及自動(dòng)扶梯附近增加藍(lán)牙設(shè)備，此問題即可解決。

2.5.4 精度調(diào)優(yōu)

在實(shí)地測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，定位精度比理論值要差。在真實(shí)環(huán)境中，手持移動(dòng)終端移動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)定位偏差嚴(yán)重的情況。通過研究，在定位算法中加入了卡爾曼濾波等優(yōu)化算法，排除了無效點(diǎn)位的干擾，提高了定位精度。

2.5.5 穿墻

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試導(dǎo)航過程中，故意貼墻(或隔離帶)行走，行進(jìn)一段時(shí)間后脫離規(guī)劃路線，移動(dòng)軌跡穿過障礙物，這時(shí)設(shè)備上標(biāo)識(shí)當(dāng)前位置的點(diǎn)位會(huì)出現(xiàn)在墻(隔離帶)的另一側(cè)，即穿墻現(xiàn)象。通過在系統(tǒng)中增加路徑吸附功能，解決了穿墻問題。

2.6 實(shí)施效果

根據(jù)本文的研究方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。圖10所示為上海軌道交通世紀(jì)大道站室內(nèi)導(dǎo)航效果圖。乘客進(jìn)入車站區(qū)域后，打開應(yīng)用，即可打開車站地圖，并顯示當(dāng)前位置；選擇目的地(衛(wèi)生間)進(jìn)行導(dǎo)航(模擬在2號(hào)口進(jìn)入車站后)；根據(jù)系統(tǒng)提示選擇，進(jìn)行導(dǎo)航模擬，查找目的地(衛(wèi)生間)。

3 結(jié) 語

室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)完善了導(dǎo)航精準(zhǔn)化。隨著藍(lán)牙技術(shù)日益成熟，一些大型企業(yè)推出了各自基于藍(lán)牙設(shè)備的室內(nèi)定位解決方案。本文針對(duì)復(fù)雜的多線路車站室內(nèi)導(dǎo)航需求，進(jìn)行藍(lán)牙定位導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)。經(jīng)實(shí)際使用，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、導(dǎo)航，滿足為乘客提供目的地指引的室內(nèi)定位導(dǎo)航需求。