郵輪艙內(nèi)人員定位技術(shù)分析

張寶陽 謝宗佑 磨善鵬 王廣 楊佳嘉

基金項目：工業(yè)和信息化部關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工程（工信部裝函[2019]331號）

第一作者簡介：張寶陽（1982-），男，工程師。研究方向為智能制造、通信技術(shù)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.043

摘? 要：隨著郵輪旅游業(yè)的快速發(fā)展和乘客需求的多樣化，如何在郵輪的復(fù)雜生活空間中進行有效的路線導(dǎo)航、商品導(dǎo)購及火災(zāi)等突發(fā)事件發(fā)生時進行安全撤離，成為亟待解決的問題。此時需要實現(xiàn)對郵輪艙內(nèi)人員的精確管理和定位。該文將對現(xiàn)有的幾種主要的人員定位技術(shù)進行分析和比較，以期為船艙內(nèi)部人員精確定位提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：郵輪；艙內(nèi)人員；人員定位技術(shù)；導(dǎo)航；管理與定位

中圖分類號：U673.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0189-04

Abstract： With the rapid development of the cruise tourism industry and the diversification of passenger demands， effective route navigation within the complex living spaces of cruise ships， product shopping guidance， and safe evacuation in the event of emergencies such as fires have become pressing issues to be resolved. At this time， precise management and positioning of personnel within the cruise ship's cabins are required. This article will analyze and compare several existing main personnel positioning technologies， in hopes of providing useful references for the precise positioning of personnel inside the ship's cabins.

Keywords： cruise ship; cabin personnel; personnel positioning technology; navigation; management and positioning

郵輪旅游業(yè)作為全球旅游業(yè)的重要組成部分，近年來得到了快速發(fā)展[1]。其作為典型的大型生活空間，乘客需要在龐大且復(fù)雜的環(huán)境中找到自己的房間、餐廳、娛樂設(shè)施和購物場所等位置，這將降低乘客旅游的舒適度和體驗感；同時在旅游過程中存在諸多安全隱患，如火災(zāi)、碰撞、迷路等問題，將對郵輪艙內(nèi)人員的生命安全構(gòu)成威脅[2]。因此，如何實現(xiàn)對郵輪艙內(nèi)人員的精確管理和定位，提高郵輪艙內(nèi)乘客的舒適便捷性和安全性，成為郵輪在設(shè)計時亟待解決的問題。

1? 現(xiàn)階段艙內(nèi)人員定位技術(shù)分析

1.1? RFID定位技術(shù)

RFID（Radio Frequency Identification）是一項無線射頻識別技術(shù)[3]，整套RFID系統(tǒng)由3部分組成：閱讀器、電子標簽、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。標簽進入讀卡器后，接收讀卡器發(fā)射的射頻信號，并利用感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（無源標簽），或者標簽主動發(fā)送特定頻率的信號（有源標簽）。在閱讀器讀取并解密信息后，將其發(fā)送到中央信息系統(tǒng)進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。在郵輪艙內(nèi)人員定位系統(tǒng)中，RFID技術(shù)可以通過安裝在郵輪艙內(nèi)的讀寫器和貼在人員身上的電子標簽，實現(xiàn)對郵輪艙內(nèi)人員的定位和管理。RFID技術(shù)的優(yōu)點是定位精度較高，且系統(tǒng)成本較低。

1.2? WLAN定位技術(shù)

WLAN（Wireless Local Area Network）是無線局域網(wǎng)技術(shù)[4]，通過在郵輪艙內(nèi)部署多個接入點（AP），形成一個無線網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)對郵輪艙內(nèi)人員的定位和管理。相較于RFID的區(qū)域定位（存在式定位），增加了對信號場強的測量，在輔助以傳播模型、射頻指紋等優(yōu)化后，可實現(xiàn)3～10 m的定位精度。WLAN定位技術(shù)根據(jù)接收信號強弱的利用算法定位，如RSSI（Received Signal Strength Indication）或TOA（Time of Arrival）等。WLAN定位技術(shù)的優(yōu)點是定位范圍較大，且系統(tǒng)成本較低。

1.3? UWB定位技術(shù)

UWB（Ultra Wide Band）是一種高速無線通信技術(shù)[5]，其能夠通過在船只內(nèi)建立眾多的基站，構(gòu)建一個高速無線網(wǎng)絡(luò)，從而能夠進行船只內(nèi)人員精確定位與控制，如圖1所示。UWB不使用載波，采用較短能量脈沖序列，通過正交頻分調(diào)制或直接排序把脈沖擴展到固定的頻率范圍。UWB使用的無線電帶寬高達數(shù)吉赫，比帶寬約為20 MHz的WLAN高出數(shù)百倍，且由于頻譜的功率密度極小（2.4 GHz WLAN低于10 mW/MHz，UWB低于10 mW/MHz），其具有通常擴頻通信的特點。UWB定位技術(shù)利用基于到達時間差的方式定位，如TDOA（Time Difference of Arrival）或FDOA（Frequency Difference of Arrival）等。UWB定位技術(shù)的優(yōu)點是定位精度極高，且系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

圖1? UWB定位技術(shù)原理

1.4? 指紋定位技術(shù)

指紋定位技術(shù)是一種基于無線信號的空間定位方法。其基本原理是利用無線信號在不同環(huán)境中的空間點位變動，然后將房間中特定位置的無線信號特征作為該位置的指紋，組成位置和指紋相互關(guān)聯(lián)的云端數(shù)據(jù)庫，從而通過指紋匹配實現(xiàn)用戶位置計算。定位流程主要包括離線信號采集和在線位置定位2個階段。在離線信號采集階段，首先在定位區(qū)域內(nèi)選取一些固定位置參考點，然后采集固定位置參考點可以收集與AP的MAC地址相對應(yīng)的RSSI數(shù)據(jù)，對RSSI數(shù)據(jù)進行初步處理，然后通過固定位置參考點的坐標來收集AP的BSSID和相應(yīng)RSSI數(shù)據(jù)以建立指紋數(shù)據(jù)庫。在線站點定位階段，在相同的室內(nèi)環(huán)境中收集測試點的RSSI數(shù)據(jù)，形成在線空間點指紋。將采集的指紋與云端數(shù)據(jù)庫中的指紋相對比，并使用既定的定位方法確定指紋的位置坐標。通過將在線讀數(shù)與數(shù)據(jù)庫中與讀數(shù)對應(yīng)的最近位置進行比較來估計UD的位置。對于任何位置，可能存在歧義點，導(dǎo)致獨立定位場景中存在較高的估計誤差。如圖2所示。

圖2? 指紋定位算法原理圖示

1.5? 藍牙（Bluetooth）定位技術(shù)

藍牙定位技術(shù)是一種基于藍牙無線通信技術(shù)的定位方法[6]。主流確定信號方向的技術(shù)為到達角（AOA）技術(shù)。AOA定位技術(shù)主要由發(fā)射端和接收端組成，發(fā)射端只有單個天線，接收端由多天線陣列組成。首先，發(fā)射端會通過一定頻率的載波信號對一段CTE信號進行廣播。然后，接收端的多天線陣列會在接收到信號后與發(fā)射端進行配對。接收端會控制自身的射頻開關(guān)以切換不同的天線進行采樣。由于接收端的各個天線單元的位置不同，它們接收到的信號會產(chǎn)生相位差異。最后利用采樣數(shù)據(jù)中存在的相位差關(guān)系計算出接收信號的到達角，從而進行定位。若基站BS1和BS2將目標發(fā)射信號的輸入角度識別為θ1和θ2，那么有公式（1）

利用2個或2個以上接收機提供的AOA測量值，按AOA定位法確定多條方位線的交點，即為目標的估計位置，如圖3所示。通過求解上述非線性方程組可以得到目標的估計位置。一般來說，如果要計算被測物體的平面位置（即二維位置），那么需要測量2個角度和一個距離，同理，如果要計算被測物體的立體位置（即三維位置），那么需要測量3個角度和一個距離。基于角度測量的定位技術(shù)需要使用方向性天線，如智能天線陣列。

1.6? 其他定位技術(shù)

1）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，Inertial Navigation System，簡稱慣導(dǎo)）是自主導(dǎo)航，即慣導(dǎo)可以不依靠外界因素而進行自主導(dǎo)航，因此其對金屬船艙、人員走動、復(fù)雜的電磁環(huán)境等抗干擾能力極強。高精度的慣導(dǎo)可以在很長一段時間內(nèi)保持亞米級甚至厘米級的誤差，但高精度慣導(dǎo)成本高、體積大，并且在工作很長一段時間后需要進行校準等，這使得高精度慣導(dǎo)的應(yīng)用范圍受到約束。

2）聲音定位（sound localization）是指利用環(huán)境中的聲音確定聲源方向和距離的技術(shù)。依據(jù)聲源與拾音器之間聲波傳輸?shù)膹姸?、到達時間、相位差等實現(xiàn)定位。可實現(xiàn)米級的定位精度，其優(yōu)點是技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、造價低且具備不錯的定位精度，主要的缺點是正常的音頻易受干擾，而超聲、次聲對人身的損害待研究。

3）可見光室內(nèi)定位技術(shù)基于可見光通信而研發(fā)，可見光通信系統(tǒng)可利用室內(nèi)照明設(shè)備代替WLAN局域網(wǎng)基站發(fā)射信號，只要在室內(nèi)燈光照到的地方，就可以實現(xiàn)高速無線數(shù)據(jù)通信，由于光譜遠大于常見的5G、Wi-Fi等無線電頻譜，意味著更大的帶寬和更高的速度。由于不使用無線電波通信，對電磁信號敏感的場景可以自由使用該系統(tǒng)?；诠庑盘柫己玫穆窂教匦裕梢姽馐覂?nèi)定位技術(shù)可以實現(xiàn)厘米級的定位精度，其主要局限一是尚處于研制階段，產(chǎn)業(yè)化尚不成熟，二是關(guān)燈后會喪失定位的功能。

圖3? AOA定位技術(shù)原理

2? 艙室內(nèi)人員定位技術(shù)現(xiàn)階段的不足及前景

2.1? 艙室內(nèi)人員定位技術(shù)存在的不足

通過對多種定位技術(shù)的分析，亦發(fā)現(xiàn)諸多不足。RFID定位技術(shù)在郵輪艙內(nèi)使用時定位精度會受限，在定位時精度受到參考標簽和超高頻RFID讀寫器的位置和密度的影響。當需要滿足相同的準確性要求時，讀寫器的布局較為復(fù)雜，數(shù)量很大，容易受到環(huán)境的影響，例如基于RSS的定位方法易受到RSS本身波動和環(huán)境的影響，難以進一步提高精度。WLAN定位技術(shù)依賴于無線網(wǎng)絡(luò)的信號強度來進行定位，然而在實際應(yīng)用中，無線網(wǎng)絡(luò)的信號可能會受到各種因素的干擾，如其他無線設(shè)備的信號、建筑物結(jié)構(gòu)等，這可能導(dǎo)致定位結(jié)果的準確性降低，同時數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，這在一定程度上限制了其在高速移動場景中的應(yīng)用，并且功耗相對較高，這對于一些對功耗有嚴格要求的設(shè)備來說是一個不小的挑戰(zhàn)。UWB定位技術(shù)的精度非常高，但是其覆蓋范圍相對較小，這意味著在大型空間內(nèi)進行定位時，可能需要部署更多的設(shè)備，導(dǎo)致成本較高。高精度慣導(dǎo)技術(shù)由于其導(dǎo)航信息經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差會隨時間而增大，這就導(dǎo)致了長期的精度較差；對于初始位置的精度要求非常高，如果初始位置不準確，可能會導(dǎo)致后續(xù)的定位結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差；對于環(huán)境的適應(yīng)性不強，例如在強磁場或者強重力場的環(huán)境下，其定位結(jié)果可能會出現(xiàn)較大的偏差。指紋定位技術(shù)的精度受到很多因素的影響，包括環(huán)境溫度、濕度、光照條件等，這些因素都可能影響指紋識別的準確性；數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，數(shù)據(jù)庫采集工作量大，且在后期維護過程中，隨著環(huán)境發(fā)生變化，需重新采集維護指紋數(shù)據(jù)庫，指紋數(shù)據(jù)庫的采集和維護是一項復(fù)雜且耗時的任務(wù)，需要大量的人力和物力投入。藍牙定位技術(shù)需要布設(shè)大量藍牙基站或網(wǎng)關(guān)，在拓撲合理、算法適當?shù)那闆r下，需要平均20～30 m2每臺的部署密度，對通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備供電等基礎(chǔ)設(shè)施及工程安裝、系統(tǒng)運維等要求較高。

2.2? 艙室內(nèi)人員定位技術(shù)的前景及發(fā)展趨勢

首先，隨著科技的發(fā)展，定位技術(shù)將越來越精確。例如，UWB（超寬帶）定位技術(shù)可以提供厘米級別的定位精度，這對于許多高精度要求的應(yīng)用來說非常重要。這種高精度的定位技術(shù)不僅可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、物流管理等領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于醫(yī)療、養(yǎng)老等民生領(lǐng)域，提高服務(wù)的效率和準確性。慣導(dǎo)定位技術(shù)隨著微電子機械系統(tǒng)（MEMS，Micro Electro Mechanical System）技術(shù)的興起和發(fā)展，使得INS導(dǎo)航設(shè)備的體積和成本得到有效降低，MEMS慣性傳感器逐漸成為慣性技術(shù)的一個重要應(yīng)用方面，此外，依靠MEMS慣性傳感器可顯著減少基站的布置情況，并且結(jié)合LoRa無線通信技術(shù)，在一定的船艙區(qū)域內(nèi)，采用一個有線基站及多個無線基站的部署方式，可減少有線基站的配置情況，顯著降低了定位導(dǎo)航服務(wù)成本，實現(xiàn)低成本的研發(fā)要求。由此，將前述技術(shù)與基于MEMS的慣導(dǎo)設(shè)備組合，有望構(gòu)建體積小、成本低、精度高和抗干擾能力強的系統(tǒng)，能很好滿足郵輪定位服務(wù)需求的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

其次，隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，實時定位將成為一種可能。這意味著可以實時地知道一個人的位置，這對于安全管理、應(yīng)急響應(yīng)等方面有著重要的意義。例如，在大型公共場所，實時定位技術(shù)可以幫助管理人員快速找到需要幫助的人；在災(zāi)害發(fā)生時，實時定位技術(shù)可以幫助救援人員快速找到被困的人員。

再次，隨著人們對隱私保護意識的提高，未來的定位技術(shù)需要更加注重隱私保護。這將使得定位技術(shù)在提供方便的同時，也能充分尊重和保護用戶的隱私權(quán)。

最后，未來的定位技術(shù)可能會更加集成化，也就是說，一個設(shè)備可以實現(xiàn)多種定位技術(shù)，以滿足不同場景的需求。定位裝置可以實現(xiàn)GPS定位，也可以實現(xiàn)Wi-Fi定位，還可以實現(xiàn)藍牙定位，這樣就能根據(jù)不同的場景選擇最合適的定位方式。隨著人工智能和機器學習技術(shù)的發(fā)展，未來的定位技術(shù)可能會提供更加個性化的服務(wù)?？梢愿鶕?jù)個人的習慣和偏好來提供更加精準的定位服務(wù)。比如某人有一定的行為模式，定位系統(tǒng)就可以預(yù)測出他在這個時間段將會去的地方，從而提供更加個性化的服務(wù)。

3? 結(jié)束語

通過對現(xiàn)有幾種主要的人員定位技術(shù)進行分析，可以看出每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)郵輪艙內(nèi)的具體環(huán)境和需求，選擇合適的定位技術(shù)，以提高郵輪艙內(nèi)人員的安全性和舒適便捷性。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，未來郵輪艙內(nèi)人員定位技術(shù)將更加智能化、精細化，為郵輪旅游業(yè)的未來發(fā)展提供更加有力的支持。

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