基于軌道交通的室內(nèi)定位系統(tǒng)

李 飛，孫永全，鄧國華

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．成都地鐵運(yùn)營有限公司，成都 610081)

車站信息化建設(shè)不僅對車站管理和效益產(chǎn)生明顯影響，而且對整個(gè)軌道交通運(yùn)輸業(yè)的更高層次發(fā)展都至關(guān)重要。從成都地鐵2010年第一條線開通到2017年底首條環(huán)線投入運(yùn)營，呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展態(tài)勢，但是隨著線網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大以及大型換乘車站數(shù)量的增加，高峰時(shí)段客流陡升常常造成嚴(yán)重的擁擠情況。為彌補(bǔ)人員經(jīng)驗(yàn)的局限性并使管理者在宏觀上對車站立體空間的客流情況有更直觀地掌控，推動(dòng)車站信息化建設(shè)成為了順應(yīng)發(fā)展的首要目標(biāo)。

在AFC自動(dòng)票務(wù)系統(tǒng)，CCTV視頻監(jiān)控等現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷追求技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)完善，加入三維場景展示、人員定位和應(yīng)急指揮等信息化功能，從而提升車站管理水平，提高人員工作效率，減少人為失誤，保障地鐵高效運(yùn)營，提升地鐵服務(wù)水平。

在軌道交通的發(fā)展過程中，軌道交通的工作人員、管理人員以及軌道交通的切身受益者都更為迫切的需要一種可以實(shí)時(shí)保護(hù)他們安全的事物出現(xiàn)，同時(shí)他們對更加便捷、3D的定位服務(wù)也有更大需求。此外，在無線終端設(shè)備應(yīng)用和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展與結(jié)合的今天，不僅僅是軌道交通而且還包括其他的各種行業(yè)，身處其中的人員對定位服務(wù)的需求也是越發(fā)的迫切，尤其是在大型的室內(nèi)場景的三維定位。之所以對這種環(huán)境有較為迫切的需求是因?yàn)檫@類環(huán)境通常比較復(fù)雜，不像在室外沒有太多的遮擋物，可以依靠衛(wèi)星直接對地面進(jìn)行信號輻射，從而直接進(jìn)行比較精確的定位；在室內(nèi)傳統(tǒng)的兩種主流定位技術(shù)GPS定位和蜂窩無線定位都不能很好的滿足用戶定位需求。特別是令人熟知的GPS定位，由于其系統(tǒng)的自身技術(shù)特點(diǎn)使其很容易受到以建筑物為主的外界因素的嚴(yán)重干擾，信號會出現(xiàn)嚴(yán)重衰減，產(chǎn)生多徑效應(yīng)，甚至?xí)霈F(xiàn)無法收到信號的情況，這就導(dǎo)致了其無法滿足室內(nèi)精確定位的需求。

三維定位中三維建模是不可或缺的一部分。在國外，三維建模已經(jīng)發(fā)展了幾十年，國內(nèi)自20世紀(jì)80年代末開始引入三維建模思想，已經(jīng)發(fā)展很長時(shí)間。三維建模技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，但是并非成熟的三維建模技術(shù)就認(rèn)為其過程很簡單，特別是對特定建筑的三維建模，需要考慮的因素非常復(fù)雜。主要是每一個(gè)物體都需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)的建筑進(jìn)行量身定制，不能采用現(xiàn)有素材。而在一個(gè)建筑物中需要建模的物體非常繁多，這些都會給實(shí)體建筑的建模帶來不同程度的難度。

為了讓室內(nèi)3D定位更好的服務(wù)于軌道交通，就必須將其與其他的系統(tǒng)功能相結(jié)合。在軌道交通已經(jīng)成為出行不可或缺的交通工具的今天，軌道交通的管理人員更加需要可以正確且及時(shí)顯示當(dāng)前客流的事物，最好還能夠?qū)⒊Ｓ玫膽?yīng)急指揮方式嵌入其中，以便在遇到緊急情況時(shí)可以及時(shí)的做出反應(yīng)，同時(shí)能給出一個(gè)建議的指揮方案。

1 定位技術(shù)

信號到達(dá)時(shí)間差(TDOA)是基于到達(dá)時(shí)間的改進(jìn)。首先需要設(shè)置3個(gè)及其以上的信號接收點(diǎn)，即信號接收基站。同時(shí)還需要被定位人員攜帶定位設(shè)備，并能收發(fā)定位信息。由此計(jì)算信號接收站所收到信號的時(shí)間差即可計(jì)算被定位人員的坐標(biāo)。此方法的優(yōu)勢在于無需考慮攜帶設(shè)備與接收站之間的時(shí)間是否同步。同時(shí)服務(wù)器得到這些接收站的信號后，將其配對按照雙曲線交點(diǎn)模型擬合計(jì)算出其具體坐標(biāo)位置。

1）TOA

到達(dá)時(shí)間（TOA）算法的基本原理是分別檢測出待定位目標(biāo)與信號接收點(diǎn)的距離，然后根據(jù)3圓相交于一點(diǎn)的原理得到目標(biāo)物體的位置。如圖1所示。

圖1 TOA原理圖Fig.1 Schematic diagram of TOA

對于每個(gè)信號接收基站的位置與待定位目標(biāo)的位置 之間滿足以下關(guān)系：

其中，Ri表示(Xi，Yi)與(x，y)的直線距離。

為了實(shí)現(xiàn)對待測目標(biāo)精確的定位，在無其他先驗(yàn)知識下，需要信號接收基站的數(shù)量至少為3個(gè)。以3個(gè)探測器A、B、C的位置坐標(biāo)為圓心，它們分別與待定位目標(biāo)之間的距離為半徑畫圓，在無其他干擾的情況下，待測目標(biāo)必然在3個(gè)圓的交點(diǎn)上。由此可列出方程組：

求解出(x，y)，就可以得到待定位目標(biāo)的位置。

TOA定位的優(yōu)勢是能極大發(fā)揮出UWB技術(shù)的特點(diǎn)：帶寬高、時(shí)間辨識度高，由此得到的定位系統(tǒng)具有很高精度的定位準(zhǔn)確度。但這是在理想狀態(tài)下的情況，實(shí)際中要想得到這樣的高精度，必須使各個(gè)信號接收站和被定位設(shè)備的時(shí)鐘嚴(yán)格同步，但是這在具有網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的不同設(shè)備間是完全無法實(shí)現(xiàn)的。也就使得此方法的精度會因?yàn)榻邮照竞捅欢ㄎ辉O(shè)備的時(shí)鐘關(guān)系出現(xiàn)不同程度的無法修正的誤差。之所以說這個(gè)誤差是無法修正的，是因?yàn)樵谕ㄟ^系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)后，即使達(dá)到了較好的效果，一旦任何設(shè)備掉電重啟，或者網(wǎng)絡(luò)延時(shí)波動(dòng)發(fā)生變化，就會導(dǎo)致前面的修正參數(shù)發(fā)生改變，而這個(gè)改變是沒有規(guī)律可循的。

為了解決這個(gè)問題，衍生出TOA的改進(jìn)算法TDOA。此方法無需接收站和被定位設(shè)備嚴(yán)格的時(shí)鐘一致，只需信號接收站同步即可。

2）TDOA

TDOA通常有兩種計(jì)算方法：一是采用異步TOA求差得到TDOA；二是將接收站信息通過服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，并結(jié)合基站參數(shù)運(yùn)算處理。兩種方法中后者計(jì)算量較大，會給服務(wù)器造成很大壓力，故通常采用前者。前者方法在求差的過程中就消除了時(shí)鐘不同步造成的誤差。

項(xiàng)目采用這樣一種具有共同參考時(shí)鐘的測距估計(jì)技術(shù)，即TDOA技術(shù)。因?yàn)樗峭ㄟ^找出多條雙曲線交點(diǎn)的方法來確認(rèn)目標(biāo)坐標(biāo)，所以也稱其為雙曲線定位技術(shù)。假如有3個(gè)基站作為信號接收站在接收信號，將其組成兩組，并分別令其為雙曲線的兩個(gè)焦點(diǎn)作出雙曲線，兩對雙曲線的焦點(diǎn)即為被定位設(shè)備的位置。定位示意如圖2所示。

圖2 TDOA原理圖Fig.2 Schematic diagram of TDOA

假設(shè)進(jìn)行定位的是BS1、BS2和BS3，其 中 目標(biāo)和各基站之間的距離是r1、r2和r3。則目標(biāo)到BS1和BS2之間的距離差r21=r2-r1，依據(jù)數(shù)學(xué)原理，目標(biāo)必然位于以BS1、BS2為焦點(diǎn)、以r21為焦距的雙曲線上；同理，由BS1、BS3和距離差r31=r3-r1，可知定位目標(biāo)同樣位于以BS1、BS3為焦點(diǎn)、以r31為焦距的雙曲線對上。

由此可列出如下方程組：

式中，(x，y)為被定為設(shè)備坐標(biāo)，(Xi，Yi)為所有信號接收站坐標(biāo)，r1為采用TOA計(jì)算得到的被定位設(shè)備與信號接收基站的距離。其解(x，y)為被定為設(shè)備坐標(biāo)。

在圖2的原理圖中能得到：在兩組雙曲線中有概率存在兩個(gè)交點(diǎn)，當(dāng)雙曲線的數(shù)量增多時(shí)這種情況會更加明顯，此時(shí)就需要結(jié)合實(shí)際情況中增加其他判定條件來去除解組中的非真實(shí)解坐標(biāo)。

對于三維場景的定位，需要用到較多的接收點(diǎn)，原理與二維的幾乎相同。設(shè)目標(biāo)位置為(x，y，z)，(Xi，Yi，Zi)(i=1，2，…n)為接收點(diǎn)位置坐標(biāo)，可以將公式推廣為：

此定位技術(shù)在不同的通信技術(shù)下可以實(shí)現(xiàn)不同精度的變化，主要是由于不同通信方式的自身傳播距離、直線性以及多徑效應(yīng)狀況的不同引起的。

2 UWB應(yīng)用于定位

UWB技術(shù)是超帶寬技術(shù)，也可稱為脈沖無線電，它的通信頻率很高，頻帶為3.1～10.6 GHz，脈沖帶寬大于500 MHz。在數(shù)據(jù)通信方面可以實(shí)現(xiàn)無載波通信，主要是由于UWB的脈沖寬度很窄，其產(chǎn)生和消失時(shí)間僅為數(shù)百微秒至數(shù)納秒以下，而在1 ns的時(shí)間里光也只能傳播約30 cm的距離。

UWB使用在室內(nèi)定位方面主要體現(xiàn)出來的優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：1）低功耗：UWB標(biāo)準(zhǔn)化芯片的低功耗特點(diǎn)使得被定位設(shè)備和定位基站都可以在較低功耗下運(yùn)行；2）信道穩(wěn)定性好：遇到信號多徑傳輸?shù)臓顩r可以采取脈沖信號進(jìn)行區(qū)分，在不可見場景中只要信號可以到達(dá)，也不影響定位效果；3）抗干擾：由于其信號的特殊性，一般的電子信號無法對其造成干擾。同時(shí)具有很好的穿透性，通常可穿透一道24 cm的磚墻。這些優(yōu)勢使其具有很高的定位準(zhǔn)確度和定位精度，經(jīng)過大量的試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號接收基站的數(shù)量為4時(shí)，就可以達(dá)到0.5 m的檢測準(zhǔn)確度，甚至在較理想環(huán)境中可以達(dá)到0.3 m的定位精度。

3 三維建模

3D建模屬于應(yīng)用層的系統(tǒng)應(yīng)用軟件部分，采用專業(yè)建模軟件Revit、3DsMax與瀏覽器WebGL的3D繪圖協(xié)議混同組合的方式進(jìn)行三維建模，并使用Three.js引擎進(jìn)行動(dòng)態(tài)渲染與動(dòng)畫演示，實(shí)現(xiàn)三維場景展示。

WebGL是一種3D繪圖協(xié)議，也是一種網(wǎng)頁3D技術(shù)，此技術(shù)無需在瀏覽器安裝插件，只需要使用此技術(shù)，在網(wǎng)頁端編寫前端代碼即可實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁上顯示3D模型。同時(shí)此技術(shù)還可以調(diào)用Canvas進(jìn)行場景的3D渲染，并且還能調(diào)用計(jì)算機(jī)顯卡的運(yùn)算能力，減少計(jì)算機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)，也使得三維模型可以更加流暢的在網(wǎng)頁上運(yùn)行。如果在軟件中嵌入瀏覽器內(nèi)核，還可以實(shí)現(xiàn)跨平臺顯示，使得在各種操作系統(tǒng)（PC端的Windows和Linux的各種版本、移動(dòng)端安卓和蘋果系統(tǒng)的各個(gè)版本）之間都能隨意使用。

在實(shí)際的三維建模場景搭建中，可以采用專業(yè)建模軟件Revit、3DsMax與瀏覽器WebGL的3D繪圖協(xié)議混同組合的方式。根據(jù)三維場景實(shí)際需求，對于組成三維場景的建筑模型、設(shè)備模型、人物模型等，可以直接全部用WebGL編寫代碼的方式實(shí)現(xiàn)，也可以采取部分模型用Revit或3Ds Max軟件建模后導(dǎo)出Obj格式模型文件，再通過WebGL代碼導(dǎo)入到三維場景中的方式。

一個(gè)完整的三維場景由以下幾個(gè)部分組成。

渲染器：三維引擎的核心部分，是高級全局照明渲染插件。

場景：系統(tǒng)展示三維模型的一個(gè)可視化空間，用于容納所有的三維模型。

照相機(jī)：系統(tǒng)的視覺感應(yīng)器官，用于將三維模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為可視化模型。

光源：物體需要在光照條件下才能可見；否則將無法看到所建的物體模型。

物體：需要要表現(xiàn)的內(nèi)容，會有形狀和材質(zhì)屬性。

4 系統(tǒng)框架

基于室內(nèi)定位的軌道交通三維應(yīng)急指揮系統(tǒng)主要是由感知層、傳輸層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成，如圖3所示。

圖3 整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall architecture

應(yīng)用層包括了系統(tǒng)應(yīng)用軟件和應(yīng)用層對外接口軟件，系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要實(shí)現(xiàn)3D模型的展示及其3D定位數(shù)據(jù)的圖形化顯示。而應(yīng)用層的對外接口主要是向其他系統(tǒng)提供其需要的數(shù)據(jù)，方便與用戶原有的其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。

服務(wù)層由定位引擎軟件、3D模型、系統(tǒng)管理軟件組成，這些軟件和算法部署在系統(tǒng)服務(wù)層服務(wù)器。定位引擎軟件實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的解算，得到定位標(biāo)簽的坐標(biāo)；定位系統(tǒng)管理軟件實(shí)現(xiàn)定位網(wǎng)、通信網(wǎng)、無線傳輸網(wǎng)的管理及維護(hù)功能，并作為應(yīng)用層到感知層的數(shù)據(jù)交換橋梁；3D模型為系統(tǒng)提供良好的三維模型，方便定位數(shù)據(jù)在三維空間中進(jìn)行顯示。

傳輸層分為無線傳輸網(wǎng)和有線傳輸網(wǎng)，無線傳輸網(wǎng)通過Wi-Fi信道為定位基站提供數(shù)據(jù)傳輸鏈路，有線傳輸網(wǎng)通過有線以太網(wǎng)方式為定位基站提供數(shù)據(jù)傳輸鏈路，并且有線傳輸網(wǎng)還為無線傳輸網(wǎng)提供數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

感知層包括定位基站、通信基站、通信定位基站以及定位標(biāo)簽。主要是用于獲取系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括定位數(shù)據(jù)和人流數(shù)據(jù)。為系統(tǒng)的其他層級進(jìn)一步運(yùn)算以及顯示提供強(qiáng)有力的支持。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)結(jié)合UWB技術(shù)、TDOA技術(shù)、三維建模技術(shù)將軌道交通站點(diǎn)的人員狀況、站內(nèi)場景狀況以可視化的方式展現(xiàn)出來，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合軌道交通的特點(diǎn)進(jìn)行一系列的應(yīng)用測試，并在測試過程中取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。