基于超寬帶技術的車站導流設備定位管理系統(tǒng)設計

竇元辰，王子騰，董守放，王愛麗

隨著城市軌道交通線網規(guī)模的不斷擴大，客流量與日俱增，車站承擔著越來越大的客流壓力，并存在潛在的安全隱患。為保障乘客出行安全、維護站內秩序，軌道交通車站采用部署鐵馬等導流設備來應對常態(tài)或突發(fā)大客流。目前導流設備的部署主要依賴于站務人員的工作經驗，存在站務人員難以實時掌握導流設備位置、設備布局難以適應客流狀態(tài)、設備存儲與管理困難、站務人員工作繁重等問題。

導流設備的部署形式對乘客引導與疏散效果有著顯著的影響，相關學者在導流設備對人員疏散的影響與作用機理方面進行了研究［1-4］，但尚未涉及設備自動化定位與管理。隨著無線定位技術與信息化管理技術的快速發(fā)展與廣泛應用［5-8］，引入高精度定位技術，對導流設備進行定位管理與應用分析，將成為未來具有發(fā)展前景的方向。

針對目前車站導流設備管理中存在的問題，采用超帶寬技術研究設計了軌道交通車站導流設備定位管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了車站導流設備的可視化管理，降低了站務人員的工作負荷，保證了軌道交通車站運營組織和應急管理的實時性與高效性。

1 超寬帶技術

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)［9］，具有定位精度高、系統(tǒng)復雜度低、抗干擾能力強、傳輸速率高、發(fā)射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感等優(yōu)點，尤其適用于密集多徑場所的位置測定等［10-12］。

采用UWB技術進行位置測定時，通常會在待定位環(huán)境中部署定位基站，為待定位人員佩戴或在設備上安裝定位標簽，通過定位標簽和定位基站之間發(fā)送的UWB脈沖信號的強度、角度、到達時間等進行定位計算。定位算法包括基于接收信號強度（RSSI）、到達角度（AOA）、到達時間（TOA）、到達時間差（TDOA）的定位法和混合定位法等［13］。其中，基于到達角度和到達時間差的混合定位法的時間同步性要求低，定位精度高，被廣泛應用于UWB室內定位場景中。因此，本文將采用UWB定位技術，基于AOA和TDOA混合定位法來實現(xiàn)鐵馬等導流設備的位置測定。

2 系統(tǒng)架構設計

2.1 總體架構

根據(jù)車站導流設備的部署管理需求，對基于超寬帶技術的車站導流設備定位管理系統(tǒng)的架構進行設計，分為前端采集層、信息傳輸層和后端處理層3部分。系統(tǒng)總體架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構

1）前端采集層。在車站導流設備部署區(qū)域和存放區(qū)域部署定位基站，在導流設備上安裝定位標簽，通過定位基站和定位標簽之間的數(shù)據(jù)通信，實時獲取標簽位置信息，并傳輸?shù)胶蠖诉M行分析處理。主要設備包括定位基站和定位標簽等。

2）信息傳輸層。前端獲取到定位標簽數(shù)據(jù)信息后，通過Wi-Fi或有線網絡完成數(shù)據(jù)傳輸。主要設備包括交換機和路由器等。

3）后端處理層。對信息傳輸層的標簽定位信息進行分析處理，確定導流設備實時位置和部署方式，實現(xiàn)導流設備狀態(tài)實時顯示、異常狀態(tài)報警、數(shù)據(jù)存儲和管理等功能，輔助車站客運組織調度。主要設備包括應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和用戶終端設備等。

2.2 邏輯架構

系統(tǒng)邏輯架構由支撐層、采集層、傳輸層、解析層、數(shù)據(jù)層、應用層和交互層組成，見圖2。

圖2 系統(tǒng)邏輯架構

1）支撐層。主要包括定位基站、定位標簽、應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、網絡設備等系統(tǒng)運行所需的相關設施設備，為系統(tǒng)的建設和研究提供基礎硬件環(huán)境支撐。

2）采集層。根據(jù)車站實際場景環(huán)境和導流設備部署監(jiān)控需求，制定相應的部署策略，在車站站臺、站廳、安檢等導流設備部署區(qū)域，采用二維平面定位方式部署定位基站；在設備管理用房等存放區(qū)域，采用零維定位方式部署定位基站，采集導流設備上的定位標簽信息，支撐導流設備的實時位置監(jiān)測。

3）傳輸層?；赥CP/IP協(xié)議實現(xiàn)通信傳輸，采用POE交換機以有線網絡模式或Wi-Fi無線通信的模式，將定位標簽數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇馕鰧印?/p>

4）解析層。主要包括電子地圖引擎、定位信息解析引擎、導流設備狀態(tài)解析引擎，是實現(xiàn)導流設備定位計算的關鍵。電子地圖引擎實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)驅動和管理；定位信息解析引擎采用AOA與TDOA混合算法確定定位標簽的空間坐標位置；導流設備狀態(tài)解析引擎將定位標簽坐標信息和導流設備部署方案進行對比分析，確定導流設備的擺放位置和擺放方向，為業(yè)務應用提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

5）數(shù)據(jù)層。對采集到的原始數(shù)據(jù)和解析后的不同類型數(shù)據(jù)進行清洗處理，構建不同類型的數(shù)據(jù)庫，形成多種形式的數(shù)據(jù)報表，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改和查詢等功能。

6）應用層。根據(jù)車站導流設備監(jiān)測和智能化管理需求，實現(xiàn)導流設備電子化標定、狀態(tài)實時監(jiān)測、安全狀態(tài)分析、安全狀態(tài)報警和智能化管理等功能。

7）交互層。采用電子地圖、統(tǒng)計圖表、報警窗口等不同展現(xiàn)形式，為站務人員提供導流設備實時狀態(tài)、統(tǒng)計分析、異常情況和組織調度等信息，為車站設備管理和客運組織提供支持和幫助。

2.3 功能架構

系統(tǒng)的功能模塊主要分為基礎信息管理、導流設備狀態(tài)檢測、導流設備狀態(tài)分析、應急聯(lián)動管理和系統(tǒng)管理，功能架構見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能架構

1）基礎信息管理?？蓪崿F(xiàn)地圖和導流設備信息的管理。其中，地圖信息管理支持不同樓層地圖的添加和刪除，地圖展現(xiàn)支持拖動、旋轉、縮放等；導流設備信息管理支持導流設備ID編號、類別型號、監(jiān)測類型、安裝位置等基本信息的添加、刪除、修改和查詢等，且支持與定位標簽的關聯(lián)綁定。

2）導流設備狀態(tài)監(jiān)測。可實現(xiàn)導流設備實時定位和導流設備部署狀態(tài)監(jiān)測。在地圖中實時展現(xiàn)導流設備的位置狀態(tài)和部署方式，并提供導流設備的歷史位置回放、位置信息查詢和檢索等功能。

3）導流設備狀態(tài)分析?？蓪崿F(xiàn)導流設備安全狀態(tài)分析和異常狀態(tài)報警。支持導流設備實時狀態(tài)與計劃方案的對比分析，以及導流設備部署方式對車站客流狀態(tài)的影響分析。當導流設備的實時位置與部署方式偏離了系統(tǒng)預設方案時，會以聲音和文本提示框等多種形式進行報警提示。

4）應急聯(lián)動管理?？蓪崿F(xiàn)視頻監(jiān)控聯(lián)動，輔助客運組織調度。支持獲取導流設備所在位置的周邊場景和客流狀態(tài)的實時視頻圖像信息，支持當前導流設備配置方案與現(xiàn)有客流需求的智能匹配，以及導流設備的動態(tài)調整方案推送。

5）系統(tǒng)管理。支持定位基站和定位標簽等硬件的配置管理功能，實現(xiàn)用戶管理、權限管理、日志管理、告警管理等系統(tǒng)軟件管理功能。

3 設備部署設計

3.1 定位標簽部署方案設計

車站導流設備主要分為固定導流設備、活動導流設備和半活動導流設備。固定導流設備主要部署于通道、售檢票、站臺換乘區(qū)域等，用于應對常態(tài)性的客流交織或緩解短時的客流沖擊；活動導流設備部署于車站出入口、安檢區(qū)等區(qū)域，用于突發(fā)大客流等應急場景下的客流限制疏導，以維持站內客流秩序，避免乘客擁擠踩踏等安全事故的發(fā)生；半活動導流設備部署通常與固定導流設備結合，通過推拉開閉的形式，組合成不同類型的限流方案，部署于站臺、站廳、安檢區(qū)、車站出入口等區(qū)域，用于日常情況下的客流限制與疏導，便于早晚高峰、平常時段及節(jié)假日的限流調整。

對于固定導流設備，應實時監(jiān)測其部署方式，防止因人員沖擊破壞導致設備部署異常?？稍诿恳慌艑Я髟O備兩端和導流設備拐點安裝定位標簽，并根據(jù)導流設備擺放長度和寬度，適當增加定位標簽的部署間隔。

對于活動導流設備，應實時監(jiān)測其位置信息，便于快速確認其存放位置，并根據(jù)客流狀態(tài)及時調整部署和擺放方式。可在每個導流設備兩端安裝定位標簽，明確其存放區(qū)域或部署擺放方式。

對于半活動導流設備，應實時監(jiān)測其位置信息，判斷其開閉狀態(tài)，明確當前導流設備限流方案是否與客流狀態(tài)相匹配?？煞謩e在半活動導流設備兩端安裝定位標簽，并結合固定導流設備的位置和擺放方式，確定當前導流設備的限流部署方案。

3.2 定位基站部署方案設計

根據(jù)車站導流設備的部署監(jiān)測需求和車站實際環(huán)境，可采用二維平面定位和零維定位相結合的基站部署方式。定位基站部署以站臺、站廳、安檢、閘機、通道等導流設備限流區(qū)域為重點，并覆蓋設備管理用房或車站邊角等鐵馬導流設備存放區(qū)域。定位基站部署間隔以50 m之內為最佳，可根據(jù)現(xiàn)場情況適當調整，理論上不超過100 m，可通過支架或吊桿進行固定安裝。

對于站臺、站廳、安檢、閘機、通道等限流區(qū)域，需要監(jiān)測導流設備的具體點位及擺放方向，從而明確導流設備的部署和限流方案。因此，應采用二維平面定位的方式，原則上部署4臺及以上定位基站設備，并結合區(qū)域大小、區(qū)域形狀和障礙物遮擋情況，適當增加或調整基站點位。

對于存放導流設備的設備管理用房等區(qū)域，只需明確導流設備是否存放于該區(qū)域，以便設備的管理和使用。因此，采用零維定位方式，并根據(jù)實際區(qū)域面積等情況，部署1臺及以上定位基站設備。

4 結束語

導流設備在軌道交通車站運營工作中發(fā)揮著重要作用，本文結合其智能化定位管理需求，基于超寬帶定位技術，設計了導流設備定位管理系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)的總體架構、邏輯架構和功能架構，并設計了定位標簽和定位基站的安裝與部署方案。目前，該系統(tǒng)已初步完成軟件開發(fā)和深圳北站試驗環(huán)境下的設備部署，下一步將根據(jù)深圳北站的試驗測試效果進一步完善各系統(tǒng)模塊，為軌道交通客運組織和應急保障提供數(shù)據(jù)和技術支持。在后續(xù)的研究設計中，還可進一步接入客流信息、站務人員位置信息、其他設施設備狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)，將導流設備定位管理拓展為車站運營狀態(tài)綜合監(jiān)測管理，實現(xiàn)“人-機-環(huán)”的協(xié)同管控，為客運組織方案的有效性檢驗與設備動態(tài)調配提供有效的技術手段，從而提升車站管理的信息化和智能化水平。