復(fù)雜多點進出型地下道路車輛定位與導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用測試研究

周以恒，孫培翔，張海城，游克思

[1.伊利諾伊大學(xué)厄巴納- 香檳分校，美國，香檳市IL 61820；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 概 述

隨著城市的發(fā)展，人口加速聚集，土地資源緊缺，交通擁堵問題突出。鑒于高架道路系統(tǒng)存在著噪聲大、尾氣污染、割裂地塊等問題，未來地下道路在解決城市交通擁堵、釋放城市發(fā)展空間、打造城市立體交通網(wǎng)絡(luò)方面將發(fā)揮越來越重要的作用，建設(shè)規(guī)模及數(shù)量將越來越多。

傳統(tǒng)的單點進出型地下道路逐步向著多點進出、系統(tǒng)性、長大化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。日益復(fù)雜的地下交通組織形態(tài)給駕駛?cè)藢ぢ穾硇碌奶魬?zhàn)：

（1）地下環(huán)境內(nèi)GNSS 信號缺失，無法實現(xiàn)地上地下的一體化銜接。

傳統(tǒng)導(dǎo)航依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）以實現(xiàn)定位。GNSS 衛(wèi)星信號使用的頻段為微波頻段，其繞射和穿透能力弱，不能穿透較厚的山體或混凝土結(jié)構(gòu)體，導(dǎo)致駕駛員無法在地下環(huán)境中獲得準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航信息。

（2）指路標(biāo)志布置受限，難以建立高效、清晰的標(biāo)志系統(tǒng)[1]。

地下道路內(nèi)部缺乏參照物，駕駛?cè)藢Τ鋈肟诘淖R別主要依賴交通標(biāo)志系統(tǒng)。由于空間不足、側(cè)墻遮擋以及光線不足等，當(dāng)前地下交通標(biāo)志尺寸與版面布置受限、引導(dǎo)標(biāo)志的可識別性存在一定問題。另外，設(shè)計隨意性導(dǎo)致當(dāng)前城市地下道路的交通標(biāo)志在外觀、版面、色彩等方面五花八門，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)志設(shè)置效果差、指路功能不足[2]。

本研究針對上述不足，研發(fā)了以普通手機終端為基礎(chǔ)的地上地下一體化定位導(dǎo)航解決方案。開發(fā)了適用于復(fù)雜地下環(huán)境的射頻矩陣基站、定位與導(dǎo)航引擎；結(jié)合通用智能手機終端，實現(xiàn)了具有低延時、高精度和高可靠性的地下車行定位導(dǎo)航服務(wù)。同時，以蘇州星港街隧道、蘇州中心地下環(huán)路、地下車庫為對象，開展了測試研究，對系統(tǒng)功能進行了驗證。結(jié)果表明該系統(tǒng)定位精度、時延、可靠性均滿足地下車行定位導(dǎo)航要求，具有一定普適性及較高的推廣應(yīng)用價值。

地下道路對車輛定位的需求主要集中在實時定位、預(yù)告引導(dǎo)、停車誘導(dǎo)、智能輔助駕駛等方面。不同需求列表見表1。

表1 地下道路環(huán)境定位需求表

（1）實時定位

便于駕駛?cè)四軌蚣皶r獲取當(dāng)前所處位置，結(jié)合地下道路的總體走向以及出入口分布狀況，進行駕駛路徑規(guī)劃和導(dǎo)航，增強駕駛?cè)嗽诘叵颅h(huán)境的尋路能力。

（2）預(yù)告引導(dǎo)

通過定位導(dǎo)航服務(wù)，在分合流段、出入口等復(fù)雜路段，可有助于及時引導(dǎo)車輛分流，提高行車安全；在地下道路彎道、事故段等風(fēng)險路段能起到交通狀況預(yù)警作用，避免追尾等事故發(fā)生。

（3）停車誘導(dǎo)

地下車庫聯(lián)絡(luò)道通常連接較多地塊車庫，交通組織復(fù)雜。通過融合車輛的實時位置與停車場空位信息，可以幫助車主在最短的時間找到車位，并提供最佳路徑規(guī)劃和引導(dǎo)，避免迷路繞路[3]。

（4）智能輔助駕駛

隧道、地下車庫等復(fù)雜地下空間是智能網(wǎng)聯(lián)車、智能輔助駕駛車輛的重要應(yīng)用環(huán)境。未來支持mm 級或cm 級的地下高精度定位技術(shù)，可以有效應(yīng)用于車輛碰撞預(yù)警、信息預(yù)告、無人車路徑規(guī)劃等應(yīng)用場景。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于GNSS 信號在地下環(huán)境下的嚴(yán)重衰減和多徑效應(yīng)，通用的定位技術(shù)（GPS、BDS 等）在室內(nèi)或遮擋嚴(yán)重的密集環(huán)境中難以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，這使得室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展備受關(guān)注。目前，全面支持智能手機的定位技術(shù)主要有以下幾種[4]：

（1）WiFi 指紋

由于WiFi 在家庭、旅館、咖啡館、機場、商場等各類大型或小型建筑物內(nèi)的高度普及，利用WiFi 指紋定位無需額外部署硬件設(shè)備，對于解決室內(nèi)定位的問題，有成本低、可行性強的特點。WiFi 指紋定位系統(tǒng)將待檢測的室內(nèi)區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，收集每個網(wǎng)格內(nèi)的Wi-Fi 信號強度信息來建立指紋庫。提供定位服務(wù)時，根據(jù)移動端的實時信號強度，與已輸入WiFi 指紋數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)格信息相比對，來匹配測算位置信息，其準(zhǔn)確性取決于已輸入數(shù)據(jù)庫的附近訪問點的數(shù)量。

（2）藍牙信標(biāo)

藍牙定位通過在區(qū)域內(nèi)大規(guī)模鋪設(shè)藍牙信標(biāo)，可采用鄰近探測法、幾何定位法等實現(xiàn)終端的位置計算?？苫谄胀ㄊ謾C終端，具有低功耗、低成本的特點，其定位精度取決于藍牙信標(biāo)的部署的密度。

（3）地磁

地磁技術(shù)的運用始于對特定室內(nèi)場所地磁數(shù)據(jù)的采集。定位時，通過手機端普遍集成的地磁傳感器去收集室內(nèi)的磁場數(shù)據(jù)，辨認(rèn)室內(nèi)環(huán)境里不同位置的磁場特征，從而匹配用戶在空間中的相對位置。

（4）慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航基于已知的初始位置和姿態(tài)，測量載體在慣性坐標(biāo)系的加速度和角度，將它們在時間上連續(xù)積分，并且變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，推算出載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、航向和位置等信息。需要利用終端慣性傳感器采集的運動數(shù)據(jù)，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息[6]。

（5）蜂窩定位技術(shù)

運營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、覆蓋廣，為蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行定位應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)[7]。蜂窩定位包含以下幾種主要方法，基站估算定位方法、時間測量定位方法、角度測量定位方法。未來，隨著基于5G 的TDOA、AoA 等技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，蜂窩定位技術(shù)的精度有望進一步提高。

本研究對于實現(xiàn)地下道路的車行定位導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)定了兩個前提條件：一是適合普通車輛，無需安裝額外車載設(shè)備，基于現(xiàn)有的導(dǎo)航軟件。二是滿足地下道路車輛的不同速度的運動狀態(tài)定位和導(dǎo)航精度要求一般范圍在20～100 km/h。

當(dāng)以上幾種室內(nèi)定位方案應(yīng)用于地下道路等地下車載導(dǎo)航定位場景時，均存在局限性。WiFi 的場景感知能力受IOS、Android 等智能系統(tǒng)限制，難以滿足車載導(dǎo)航所需要的低延遲、高精度、高可用場景需求。藍牙信標(biāo)對安裝密度要求高，信號穩(wěn)定性差，定位更新率慢、精度較低，且常采用電池供電，基本每1～2 a 所有設(shè)備都需要更換一次。地磁定位存在靜態(tài)情況下初定位難，且精度容易受金屬和電子等物件的干擾，無法應(yīng)用于停車場及地下定位導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航由于導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差，定位精度對慣性傳感器依賴程度較高。蜂窩定位技術(shù)對于基站部署密度依賴性較高，目前隧道內(nèi)主流的泄露電纜布設(shè)方式難以滿足高速車行環(huán)境下定位精度的要求，且基于5G 的定位技術(shù)等其他技術(shù)目前尚不成熟。此外，視覺、偽衛(wèi)星等室內(nèi)定位方法由于無法滿足以上兩大需求，均不適用于地下車行的定位導(dǎo)航。

3 地下道路定位與導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)方案研究

3.1 總體方案

本方案通過在隧道內(nèi)安裝射頻矩陣基站來提供定位信號，結(jié)合集成了地下定位導(dǎo)航引擎的大眾導(dǎo)航應(yīng)用APP，通過普通手機終端及藍牙通訊，實現(xiàn)了地下道路環(huán)境中精準(zhǔn)定位導(dǎo)航服務(wù)?；倔w積小，不影響地下道路日常運行、對駕駛?cè)艘曈X無干擾、后期維護便捷。

車輛駛?cè)氲叵碌缆泛?，手機捕獲到射頻信號，APP 自動判斷進入地下環(huán)境，將定位信號從衛(wèi)星信號切換至射頻信號。駕駛員的智能手機終端通過計算與多個藍牙射頻矩陣基站的距離信息，實現(xiàn)自身位置運算、路線規(guī)劃、行車導(dǎo)航等應(yīng)用。同時，射頻矩陣基站通過WiFi 或4G 信號與基站管理云服務(wù)平臺連接，上傳基站狀態(tài)信息及車流信息等數(shù)據(jù)，為地下道路管理方提供設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)數(shù)據(jù)和其他應(yīng)用支撐數(shù)據(jù)，如圖1。

圖1 總體方案示意圖

3.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)通過安裝射頻矩陣基站，利用藍牙信號提供定位導(dǎo)航服務(wù)，支持大眾手機和低成本藍牙發(fā)射器。導(dǎo)航精度優(yōu)于GPS/BDS，延時小于1 s，支持時速20～100 km/h。在大型地下空間內(nèi)，安裝多個陣列基站可覆蓋更大范圍、提供更高精度的位置信息。單基站安裝的高度超過15 m 時，有效覆蓋半徑超過20 m。同時，低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy, BLE）微基站理論上無并發(fā)用戶數(shù)量限制。

本技術(shù)適用于長大隧道、地下環(huán)路、地下停車場等場景，提供地上地下無縫銜接的行車導(dǎo)航和路線規(guī)劃服務(wù)。配套的管理平臺可實現(xiàn)特種車輛監(jiān)管、實時報警、智能運維、車流監(jiān)控等管理功能。

4 應(yīng)用測試研究

4.1 測試范圍

測試范圍如圖2 所示，為星港街隧道、蘇州中心地下環(huán)路北環(huán)、蘇州中心部分地下車庫，全長約2 500 m。測試路線自星港街隧道北洞口經(jīng)由蘇州中心分流點至蘇州中心北區(qū)地下環(huán)路，而后沿著北環(huán)地下道路從星港街隧道駛出。斷面布置見圖3。

圖2 蘇州中心示范點范圍

圖3 星港街隧道橫斷面布置圖

4.2 測試目標(biāo)

以星港街隧道、蘇州中心地下環(huán)路及北區(qū)車庫作為示范，在不干擾地下道路運營的基礎(chǔ)上，布設(shè)安裝定位基站，通過系統(tǒng)集成，打通與通用導(dǎo)航APP 的聯(lián)系，實現(xiàn)地上地下無縫銜接、地下車輛從高速隧道至低速車庫全過程定位與導(dǎo)航驗證。測試實施過程如圖4 所示。

圖4 測試實施示意圖

4.3 測試方案

射頻矩陣基站點位布置原則：一是最大范圍程度考慮信號覆蓋；二是滿足隧道、地下環(huán)路、地下車庫運行速度范圍內(nèi)，定位精度、信號連續(xù)性、穩(wěn)定性要求；三是對正常行車無干擾；四是便于養(yǎng)護和維護等。

在星港街隧道、蘇州中心地下環(huán)路，沿兩側(cè)間隔20 m，離地3.4 m，共布設(shè)射頻定位基站225 個；蘇州中心北側(cè)地下車庫布設(shè)定位基站40 處，定位基站周圍無明顯遮擋物。平面布置示意見圖5，點位布置原則區(qū)域見表2。

表2 點位布置原則區(qū)域

圖5 平面布置圖

4.4 評價指標(biāo)測定與分析

為進一步定量評估定位的精度和適用性，本文選取了定位精度作為標(biāo)準(zhǔn)來評估可行性。定位精度是評價室內(nèi)定位技術(shù)性能最重要的指標(biāo)，是指定位系統(tǒng)計算得到的終端位置信息與其真實位置之間的接近程度，通常用兩者之間的歐式距離表征，測試區(qū)域?qū)Ш绞痉兑妶D6。

圖6 測試區(qū)域?qū)Ш绞痉?/p>

分別從隧內(nèi)至室內(nèi)、室外至室外、室內(nèi)至室外、室外至室內(nèi)四種不同行駛狀況，開展了測試定位精度分析，定位導(dǎo)航測試航跡如圖7 所示，定位結(jié)果與參考航跡一致性較高。

圖7 定位導(dǎo)航測試軌跡

同時按不同設(shè)計速度分別開展了定位精度的測評，在測試過程中采用車速進行驗證，在20～80 km/h速度，手機導(dǎo)航功能均反應(yīng)靈敏，定位平均誤差可以達到m 級（見表3），滿足車行定位和導(dǎo)航精度要求。

表3 定位誤差統(tǒng)計

在設(shè)計運行速度區(qū)間內(nèi)，不同定位場景下，定位精度均可達m 級，定位時延小于1 s。本試點項目按20～40 m 間距安裝定位基站，定位信號全面覆蓋測試示范區(qū)域。車輛由地上駛?cè)氲叵颅h(huán)境過程中，導(dǎo)航APP 自動接收射頻矩陣信號，無縫銜接地上導(dǎo)航，定位坐標(biāo)未出現(xiàn)飄移、延遲等情況（見圖8、圖9、圖10）。

圖8 星港街隧道北洞口導(dǎo)航效果示意圖

圖9 星港街隧道、地下環(huán)路分流點導(dǎo)航示意圖

圖10 蘇州中心地下車庫導(dǎo)航示意圖

5 結(jié) 論

（1）通過客觀比較國內(nèi)外現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)，分析不同方案在地下路網(wǎng)中的適用性與局限性，本文提出了無需安裝額外車載設(shè)備和適應(yīng)高速運動狀態(tài)的兩大目標(biāo)。綜合考慮多點進出型地下道路尋路問題，制定了以大眾導(dǎo)航App 為基礎(chǔ)，基于射頻矩陣基站的地上地下一體化定位導(dǎo)航解決方案。

（2）射頻矩陣基站的安裝過程快速便捷，便于養(yǎng)護，不影響地下道路日常運行；點位設(shè)置隱蔽，對正常行車視線無干擾；20～40 m 的布置間距可以滿足信號穩(wěn)定、無覆蓋盲區(qū)要求，實現(xiàn)設(shè)計運行速度區(qū)間內(nèi)的穩(wěn)定、連續(xù)導(dǎo)航。

（3）基于RSSI 測距的射頻矩陣基站定位導(dǎo)航解決方案，由移動客戶端計算并確定位置信息，最大程度上保障了用戶的信息安全；精度優(yōu)于室外GPS/BDS導(dǎo)航，延遲小于1 s。在20～100 km/h 速度區(qū)間內(nèi)，行駛車速和手機性能均不影響定位導(dǎo)航的靈敏度及準(zhǔn)確率。

（4）理論分析及實際測試結(jié)果表明：本方案對于實現(xiàn)地上地下一體化車行導(dǎo)航切實可行，后續(xù)擬進一步開展不同點位間距下定位性能及多手段融合定位的相關(guān)研究，以期進一步提高該地下車行定位導(dǎo)航解決方案的經(jīng)濟性、可靠性、先進性。