UWB技術(shù)在展館智能語(yǔ)音導(dǎo)覽系統(tǒng)中的應(yīng)用

貝正其 王帥貝思伽

關(guān)鍵詞 UWB技術(shù) 定位 展館導(dǎo)覽 語(yǔ)音導(dǎo)覽系統(tǒng)

1傳統(tǒng)語(yǔ)音導(dǎo)覽方式

人們?cè)谕獬鰠⒂^、游覽的時(shí)候經(jīng)常需要導(dǎo)游或者景點(diǎn)講解員給予現(xiàn)場(chǎng)引導(dǎo)和介紹，此時(shí)就需要用到語(yǔ)音導(dǎo)覽設(shè)備。市面上最常見(jiàn)的語(yǔ)音導(dǎo)覽設(shè)備有三種（圖1），即手提式小喇叭（最簡(jiǎn)單的導(dǎo)覽設(shè)備）、頭套式麥克風(fēng)（小型擴(kuò)音器）和耳掛式無(wú)線收音器（常見(jiàn)于博物館、展覽館）。

在上述導(dǎo)覽設(shè)備中，無(wú)線導(dǎo)覽設(shè)備相對(duì)先進(jìn)，它是由硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件組成的一個(gè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)后臺(tái)控制和調(diào)節(jié)，能夠同時(shí)播放多套信息、多種語(yǔ)言，參觀者也可以調(diào)節(jié)波段選擇收聽(tīng)內(nèi)容和調(diào)節(jié)音量。但是，該設(shè)備存在明顯的缺點(diǎn)：一是設(shè)備操作不便，特別是遇上老弱病殘等參觀者，或者語(yǔ)言不通的外國(guó)人，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法使每個(gè)人都學(xué)會(huì)該使用設(shè)備;二是設(shè)備收發(fā)管理不便，特別是在人流量大的地方，要做到及時(shí)發(fā)放、準(zhǔn)確回收較為不易;三是設(shè)備容易丟失、損壞和出故障，而且需要定時(shí)進(jìn)行充電和維護(hù)，檢測(cè)和判定設(shè)備的性能狀態(tài)較為困難。

2UWB技術(shù)的應(yīng)用背景

位于寧波杭州灣新區(qū)的方太理想城總占地30 公頃、規(guī)劃建筑面積約60 萬(wàn)平方米，是方太集團(tuán)新建的研發(fā)、管理總部， 屬于浙江省“十三五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。方太企業(yè)展館位于理想城的中心位置，是展示方太企業(yè)歷史、文化、產(chǎn)品、技術(shù)、服務(wù)和對(duì)外交流的重要場(chǎng)合，預(yù)計(jì)年接待參觀人數(shù)20 萬(wàn)人次。之前，方太集團(tuán)的企業(yè)展館用的導(dǎo)覽設(shè)備是頭戴式麥克風(fēng)和隨身攜帶的擴(kuò)音器，總體音質(zhì)差，且講解員使用不便。

如果在新建的企業(yè)展館中繼續(xù)采用傳統(tǒng)的導(dǎo)覽設(shè)備，勢(shì)必與方太集團(tuán)的高端品牌和新建成的理想城品質(zhì)不相匹配，也拉低了展館的檔次。在方太理想城建設(shè)階段，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)展館的語(yǔ)音導(dǎo)覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)研究和攻關(guān)。經(jīng)反復(fù)論證，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了應(yīng)用UWB 定位技術(shù)與展館音視頻系統(tǒng)進(jìn)行集成的思路，經(jīng)幾番修改完善，形成了新的語(yǔ)音導(dǎo)覽系統(tǒng)方案。

新的語(yǔ)音導(dǎo)覽系統(tǒng)利用了移動(dòng)講解專(zhuān)用技術(shù)和設(shè)備，它適合在大型室內(nèi)場(chǎng)館使用。在同一場(chǎng)館的不同參觀區(qū)域，可同時(shí)接待不同批次的參觀團(tuán)隊(duì)，由不同的講解員進(jìn)行引導(dǎo)和講解，講解員不需要隨身攜帶擴(kuò)音設(shè)備，用手持話筒或者耳麥即可發(fā)聲，語(yǔ)音可通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸至后臺(tái)系統(tǒng)，并在所參觀區(qū)域的揚(yáng)聲系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)聲，而且不同參觀區(qū)域之間的聲音互不干擾。揚(yáng)聲系統(tǒng)的音質(zhì)與小喇叭或者隨身攜帶的擴(kuò)音器相比大幅提高，音響效果可以通過(guò)聲學(xué)環(huán)境和揚(yáng)聲設(shè)備來(lái)保證，高品質(zhì)的講解聲音可以大大提升宣傳作用和渲染功效。在邊走邊看邊聽(tīng)中，參觀人群無(wú)須佩戴任何輔助設(shè)備即可清晰地聽(tīng)到講解語(yǔ)音，良好的視覺(jué)和聲響環(huán)境還能給參觀者帶來(lái)愉悅感。

3UWB 技術(shù)簡(jiǎn)介

UWB 即超寬帶（Ultra Wide Band）。UWB 技術(shù)誕生于1960 年，應(yīng)用范圍一直局限于軍事、雷達(dá)定位及測(cè)距等方面，直到2002 年UWB 技術(shù)才獲得FCC 批準(zhǔn)用于民用和商用通信領(lǐng)域。

3.1UWB 技術(shù)的原理

UWB 技術(shù)是一種低功耗的無(wú)線載波通信和感知技術(shù)，與常見(jiàn)的連續(xù)載波寬帶通信方式不同，它利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖（占空比低）作為信息載體傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖擊脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使數(shù)據(jù)傳輸速率具有MHz～GHz 量級(jí)的帶寬。換言之，其他無(wú)線通信技術(shù)都需要用載波實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，并利用各種編解碼、調(diào)制解調(diào)、信道利用等底層通信技術(shù)，達(dá)到功耗、通信距離、傳輸速率等參數(shù)指標(biāo)之間的平衡，而且都是將數(shù)據(jù)調(diào)制加載至高頻的載波之上，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、高速傳輸。而UWB 技術(shù)則是直接通過(guò)信號(hào)脈沖實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，每個(gè)信號(hào)脈沖時(shí)間極短，只有納秒級(jí)，傳輸帶寬大幅提高。

UWB 技術(shù)實(shí)質(zhì)上是以占空比很低的沖擊脈沖作為信息載體的無(wú)載波擴(kuò)譜技術(shù)，包括通信連接和精準(zhǔn)測(cè)距定位兩項(xiàng)功能，解決了困擾傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、截獲困難、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度等優(yōu)點(diǎn)。UWB 技術(shù)不僅可以非常精確地進(jìn)行位置跟蹤，還可以快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。UWB 技術(shù)作為一項(xiàng)“古老” 的通信技術(shù)，具有定位精度高、安全性高、傳輸速度快、功耗低等優(yōu)勢(shì)，在消費(fèi)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。UWB 技術(shù)目前最優(yōu)的應(yīng)用環(huán)境是室內(nèi)或者相對(duì)密閉的空間。

UWB 技術(shù)的主要指標(biāo)如表1 所示。

3.2UWB 的定位模式

UWB 信號(hào)不同于傳統(tǒng)的窄帶信號(hào)，其在分離多徑信號(hào)以及穿透?jìng)鬏敺矫嬗兄烊坏膬?yōu)勢(shì)，擁有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，更適合作為通用性的室內(nèi)定位技術(shù)。UWB 定位主要有TDOA （ 到達(dá)時(shí)間差TimeDifference Of Arrival ）和AOA（到達(dá)角度或稱(chēng)為DOA估計(jì)）兩種模式，本項(xiàng)目采用TDOA 定位技術(shù)。

TDOA 原理：基站時(shí)間同步后，標(biāo)簽將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到基站，附近的所有定位基站都接收UWB 標(biāo)簽的信號(hào)，但不發(fā)送任何信號(hào)。由于定位基站與定位標(biāo)簽之間的間隔不同，因此脈沖信號(hào)在不同的時(shí)間到達(dá)每個(gè)定位基站。這些時(shí)間差乘以空間中的恒定光速得出UWB 定位標(biāo)簽和UWB 定位基站之間的距離，并構(gòu)成多延遲計(jì)算的基礎(chǔ)，以確定標(biāo)記的X 軸、Y 軸、Z 軸的坐標(biāo)。距離差為長(zhǎng)軸的雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)就是信號(hào)標(biāo)簽的位置（圖2）。

3.3UWB定位維度

根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，UWB 定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)零、一、二、三維定位：（1）零維定位，只需要判定目標(biāo)是否進(jìn)入該區(qū)域，即存在判斷; （2）一維定位，只需要定位目標(biāo)在該區(qū)域的縱向相對(duì)位置，忽略該區(qū)域的橫向?qū)挾?（3）二維定位，首先確定目標(biāo)在空間的X 軸、Y 軸坐標(biāo)，然后測(cè)量標(biāo)簽離多個(gè)基站的距離，經(jīng)計(jì)算后確定標(biāo)簽的具體平面位置;（4）三維定位，同時(shí)可獲得X 軸、Y 軸、Z 軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即有高度數(shù)據(jù)。因講解員一般只在水平方向走動(dòng)，不需要對(duì)目標(biāo)標(biāo)簽的高度進(jìn)行定位，故本方案不需要高度數(shù)據(jù)（圖3）。gzslib202204021606

4語(yǔ)音導(dǎo)覽系統(tǒng)的工作原理

4.1系統(tǒng)的基本構(gòu)架

本系統(tǒng)采用基于UWB 技術(shù)的TOA 定位算法，將時(shí)空維度大數(shù)據(jù)分析理念引入大型場(chǎng)館的位置管理中，通過(guò)在場(chǎng)館內(nèi)布設(shè)合理數(shù)量的微基站，不間斷地采集講解人員佩戴的微標(biāo)簽回傳的時(shí)空坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)定位并極低延時(shí)地將其位置信息傳送至業(yè)務(wù)層，業(yè)務(wù)層獲得位置信號(hào)后，經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)層分區(qū)解析進(jìn)而發(fā)出實(shí)際控制指令，對(duì)特定的分區(qū)音響系統(tǒng)進(jìn)行按區(qū)控制，實(shí)現(xiàn)每個(gè)獨(dú)立分區(qū)的單獨(dú)擴(kuò)聲，擴(kuò)聲的音源自動(dòng)匹配為進(jìn)入該區(qū)的講解員語(yǔ)音信號(hào)（圖4）。

4.2系統(tǒng)的功能流程

UWB 語(yǔ)音導(dǎo)覽系統(tǒng)的主要功能和工作流程如下：（1）系統(tǒng)利用TDOA 定位技術(shù)，獲得講解員（信號(hào)標(biāo)簽）的位置數(shù)據(jù);（2）系統(tǒng)后臺(tái)獲得位置數(shù)據(jù)后，利用軟件對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，綜合判定所在分區(qū)位置，進(jìn)而發(fā)出控制指令，精確匹配語(yǔ)音音源與分區(qū)擴(kuò)聲系統(tǒng);（3）分區(qū)擴(kuò)聲系統(tǒng)接收后臺(tái)指令，將選定的音源自動(dòng)分配至相應(yīng)分區(qū)，并控制揚(yáng)聲器，僅在指定區(qū)域發(fā)聲，不對(duì)其他任何分區(qū)產(chǎn)生干擾。

5方太企業(yè)展館項(xiàng)目實(shí)踐

新建的方太理想城企業(yè)展館規(guī)模較大，建筑主體呈圓弧圍合形態(tài)，分上、下兩層，建筑面積超過(guò)17000平方米，分為企業(yè)館、功勛閣、黨建館、產(chǎn)品館、創(chuàng)新館、生活體驗(yàn)館、休息區(qū)、演講交流區(qū)等多個(gè)展區(qū)空間（圖5）。參觀流線應(yīng)可根據(jù)不同參觀團(tuán)隊(duì)的需求進(jìn)行靈活、機(jī)動(dòng)安排。

5.1展館分區(qū)規(guī)劃

根據(jù)展館的功能定位、平面布局和參觀流線規(guī)劃，我們對(duì)語(yǔ)音導(dǎo)覽系統(tǒng)的硬件構(gòu)架進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。整個(gè)展館分為18 個(gè)分區(qū)，其中一層4 個(gè)，二層14 個(gè)（含兩個(gè)參觀通道和一個(gè)專(zhuān)利墻隧道）。系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖6 所示。

5.2分區(qū)基站配置

確定基站數(shù)量時(shí)，根據(jù)目標(biāo)定位的實(shí)際需要，不僅要考慮每個(gè)分區(qū)的平面形狀和面積大小，也需考慮相鄰分區(qū)之間的精確分隔，以防分區(qū)之間產(chǎn)生信號(hào)交叉、重疊而導(dǎo)致相互干擾。因此，采用三種分區(qū)定位方式，即零維定位、一維定位和二維定位，且不同分區(qū)所需配置的基站數(shù)量不等。經(jīng)過(guò)綜合分析，每個(gè)功能分區(qū)分別配置1～7 個(gè)定位基站，合計(jì)55 個(gè)基站。其中，展館一層4 個(gè)分區(qū)共設(shè)置10 個(gè)基站點(diǎn)位;展館二層14 個(gè)分區(qū)共設(shè)置45 個(gè)基站點(diǎn)位。

5.3揚(yáng)聲系統(tǒng)控制程序

本方案按四個(gè)團(tuán)隊(duì)入館參觀、4 個(gè)講解員同時(shí)工作、18 個(gè)分區(qū)的廣播（揚(yáng)聲器）系統(tǒng)同步待命的要求，設(shè)計(jì)語(yǔ)音傳輸、分區(qū)解析及控制設(shè)備的配置。

5.3.1基本控制程序

當(dāng)講解員即將走近某個(gè)分區(qū)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)接收到的標(biāo)簽位置信號(hào)，經(jīng)過(guò)自動(dòng)解析、判斷后發(fā)出指令，開(kāi)啟對(duì)應(yīng)分區(qū)的功放擴(kuò)聲裝置，并自動(dòng)匹配該講解員的無(wú)線語(yǔ)音信號(hào)，僅將該講解員語(yǔ)音在該區(qū)域進(jìn)行播放。同理，當(dāng)講解員移動(dòng)至相鄰分區(qū)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)接收到的標(biāo)簽位置信號(hào)，經(jīng)過(guò)自動(dòng)解析、判斷后發(fā)出指令，開(kāi)啟相鄰分區(qū)的功放擴(kuò)聲裝置，并自動(dòng)匹配該講解員的無(wú)線語(yǔ)音信號(hào)在該區(qū)域進(jìn)行播放，同時(shí)解除該講解員與前一個(gè)分區(qū)的匹配關(guān)系。當(dāng)講解員離開(kāi)展館后，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)終端（標(biāo)簽）信號(hào)丟失，會(huì)自動(dòng)解除該講解員與所有播放系統(tǒng)的匹配關(guān)系，不會(huì)在任何區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)其聲音。

5.3.2相鄰區(qū)間切換程序

當(dāng)講解員在幾個(gè)相鄰區(qū)之間移動(dòng)時(shí)，語(yǔ)音切換采用以下幾種方案。

（1）直接切換方式：在講解員（信號(hào)標(biāo)簽）跨區(qū)的瞬間，啟動(dòng)新到達(dá)區(qū)域的擴(kuò)聲系統(tǒng)，同時(shí)立即關(guān)閉前一個(gè)區(qū)域的擴(kuò)聲系統(tǒng)（使其無(wú)聲）。

（2）過(guò)渡切換方式：在講解員（信號(hào)標(biāo)簽）跨區(qū)的瞬間，啟動(dòng)新到達(dá)區(qū)域的擴(kuò)聲系統(tǒng)，但不立即切斷原區(qū)域的擴(kuò)聲系統(tǒng)，可設(shè)定一個(gè)短暫的延時(shí)后再關(guān)閉前一個(gè)區(qū)域的聲音。過(guò)渡時(shí)間的確定也有兩種方案，即根據(jù)講解員的行走速度來(lái)確定延時(shí)時(shí)間以及根據(jù)目標(biāo)標(biāo)簽距離分區(qū)邊界的位置偏移量（即依據(jù)X 軸或Y軸定位數(shù)據(jù)計(jì)算距離）來(lái)確定延時(shí)時(shí)間。

（3）漸變切換方式：在“過(guò)渡切換”方式的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)聲音量的漸變?nèi)岷瓦^(guò)渡，達(dá)到淡入淡出的效果。該過(guò)渡方案比較適合于層高較低的場(chǎng)館使用，對(duì)于空間層高較高的場(chǎng)合而言，在聲音轉(zhuǎn)換的初期并不會(huì)有明顯感覺(jué)，淡入淡出會(huì)使得切換效果變得遲鈍。

5.3.3多標(biāo)簽同步順序

當(dāng)多個(gè)講解員（即信號(hào)標(biāo)簽）同時(shí)在不同分區(qū)講解時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配每個(gè)講解員與所在分區(qū)的擴(kuò)聲系統(tǒng)，彼此不會(huì)產(chǎn)生干擾和影響。當(dāng)多個(gè)講解員先后進(jìn)入同一個(gè)分區(qū)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)標(biāo)簽進(jìn)入的先后順序，對(duì)最前端的信號(hào)源進(jìn)行匹配處理，擴(kuò)聲系統(tǒng)根據(jù)匹配指令進(jìn)行播放，并依次進(jìn)行切換。如此，可以保證同一分區(qū)內(nèi)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)聲源，避免產(chǎn)生干擾與混亂。

6結(jié)語(yǔ)