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    鐵路綜合交通樞紐智能室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)研究

    2025-08-18 00:00:00謝聯(lián)蓮孫偉光趙晟
    現(xiàn)代信息科技 2025年12期
    關(guān)鍵詞:樞紐乘客鐵路

    中圖分類號:TN92;TP39 文獻標識碼:A文章編號:2096-4706(2025)12-0021-06

    Research on Intelligent Indoor Positioning and Navigation System for Railway Integrated Transportation Hub

    XIE Lianlian', SUN Weiguang2, ZHAO Sheng (1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd., Chengdu 61oo31, China; 2.China Railway Electrification Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing 10oo36,China)

    Abstract: In response to the characteristics of complex floor structure,dense personnel and large scale of railway integratedtransportationubsandteirdemandforindoorintellgentnavigation,anintelligentidoorpositioningandnavigation systembasedonBluetoth isproposed.ThesystemusesapositioningalgorithmcombiningRSSIalgorithmandAOAalgorithm tooptimize thelayoutofBluetothbeaconsintestation.During navigatio,tepassnger's mobilephonecomes withBluetooth toestablish aconnection withthestation Bluetoth beacon,andthepassenger enters the destination through thenavigation applet.The systemcalculates thenavigationroute,andthenconverts theroute intoarealscene mapand pushesitto pasengers. Theintellgetidoorositionngoftailayintegatedtrasportationhubisalized,ichisoveintfopassgersto achieve the indoor real-scene intelligent navigation.

    Keywords: Bluetooth; intelligent navigation; indoor positioning; railway integrated transportation hub

    0 引言

    隨著我國鐵路的快速發(fā)展,以鐵路客站為核心,集干線鐵路、城際鐵路、市域鐵路、城市軌道交通、公共汽車、出租車以及私家車等多種交通模式于一體的綜合交通樞紐應(yīng)運而生。作為城市交通體系的關(guān)鍵一環(huán),鐵路綜合交通樞紐的運營效能與服務(wù)品質(zhì),對城市的經(jīng)濟發(fā)展脈絡(luò)及居民的出行體驗有著直接影響。智能室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)作為提升交通樞紐智能化水平的關(guān)鍵技術(shù)之一,近年來廣受關(guān)注。目前,室外定位技術(shù)主要借助全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS),包括美國GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯、中國北斗等,利用衛(wèi)星和移動對象之間的直接通信,為用戶提供高精度的位置信息。而在大型鐵路綜合交通樞紐室內(nèi)場景中,由于其樓層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員密集、規(guī)模宏大,受建筑物遮擋和多徑效應(yīng)影響,衛(wèi)星信號衰減過快,定位精度急劇下降,衛(wèi)星定位無法滿足室內(nèi)定位需求。

    本文旨在探討鐵路綜合交通樞紐智能室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場景及其對提升交通樞紐運營效率的作用。同時提出一種鐵路綜合交通樞紐智能室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng),為乘客提供實時、準確的室內(nèi)位置信息,幫助乘客快速找到目的地,減少在復(fù)雜交通樞紐內(nèi)迷路和等待的時間。

    1 室內(nèi)定位技術(shù)現(xiàn)狀

    自20世紀90年代起,研究人員嘗試采用無線定位方法滿足室內(nèi)導(dǎo)航定位需求,目前成熟的室內(nèi)定位技術(shù)包括UWB、WLAN、RFID、藍牙、超聲波、ZigBee、紅外線等無線定位技術(shù)。超寬帶(UltraWideBand,UWB)技術(shù)是一種利用持續(xù)時間極短(納秒級)的非正弦波形脈沖來傳輸數(shù)據(jù)的無載波通信方式[1-2]。憑借出色的穿透性能,UWB技術(shù)能夠有效解決復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的定位難題。依據(jù)不同的技術(shù)手段或算法,其精度可保持在 0.1~0.5m ,因此超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)適用于多個領(lǐng)域的室內(nèi)精確定位和導(dǎo)航,涵蓋人和大型物品,如貴重物品倉儲、礦井人員定位、機器人運動跟蹤、汽車地庫停車等場景。不過,被定位的人或物品需要攜帶專用的定位標簽,網(wǎng)絡(luò)部署較為復(fù)雜,成本也相對較高。

    無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)具備在多樣應(yīng)用場景中執(zhí)行大規(guī)模、復(fù)雜定位、監(jiān)控及追蹤任務(wù)的能力。Wi-Fi已廣泛普及,可直接利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),無須額外鋪設(shè)專用定位設(shè)備,有效降低硬件鋪設(shè)成本。因此,Wi-Fi定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍復(fù)雜區(qū)域的定位,且易于在現(xiàn)有無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上搭建。不過,其定位信號易受環(huán)境噪聲干擾,對環(huán)境變化敏感,致使定位精度有限。此外,Wi-Fi定位還存在能耗較高的問題。

    RFID(射頻識別)定位技術(shù)利用射頻信號進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù),以實現(xiàn)識別和定位的目的[]。RFID定位范圍較小,且不具備通信能力,需借助其他技術(shù)輔助,因而難以整合到其他系統(tǒng)中。此外,待定位物體的坐標精度取決于已知坐標參考標簽的布置密度,且布設(shè)讀卡器和天線需要豐富的工程實踐經(jīng)驗,實施難度較大。

    ZigBee是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4。其部署簡便且成本較低,但ZigBee的信號傳輸極易受多徑效應(yīng)和移動因素影響。此外,其定位精度高度依賴信道物理條件、信號源密度、環(huán)境因素及算法準確性,這使得定位軟件開發(fā)成本偏高,在降本增效方面仍有較大提升空間。

    紅外定位技術(shù)采用波長在770納米至1毫米的紅外電磁波信號實現(xiàn)定位。盡管紅外線在室內(nèi)定位中精度較高,但因其無法穿透障礙物,傳播僅限于視線范圍,極大限制了該技術(shù)在室內(nèi)定位中的應(yīng)用。此外,紅外線易受熒光燈或其他室內(nèi)光源干擾,導(dǎo)致定位準確性受限[5]。

    藍牙室內(nèi)定位技術(shù)的核心原理是基于路徑損耗模型,通過測量藍牙信號接收強度,結(jié)合經(jīng)驗公式計算藍牙發(fā)射器與接收器之間的距離,再利用三角定位原理確定室內(nèi)位置[。該技術(shù)的主要優(yōu)勢在于設(shè)備小型化、具備短距離通信能力且功耗低,同時基于信號強度指示的定位方式無須視線連接[7]。由于當前藍牙智能終端在市場上廣泛普及,利用其自帶藍牙功能就能輕松實現(xiàn)定位,無須額外采購設(shè)備,有效降低了成本。然而,因該技術(shù)依靠信號強度估算距離,測量精度存在一定局限性,且在復(fù)雜空間環(huán)境中,藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性欠佳。

    通過對現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)的綜合研究與對比分析,匯總出各種技術(shù)的優(yōu)缺點,如表1所示。

    表1目前常見的室內(nèi)定位技術(shù)優(yōu)缺點比較

    在鐵路綜合交通樞紐中,室內(nèi)定位系統(tǒng)主要用于幫助乘客尋找店鋪、停車場、出入口等,定位精度達到米級即可,多種定位技術(shù)均可滿足這一需求。然而,UWB、RFID、ZigBee技術(shù)需要人員佩戴特定定位標簽,或?qū)撕炁c其他設(shè)備結(jié)合才能實現(xiàn)人員定位;紅外線定位受視距限制,不適用于多樓層、多遮擋的室內(nèi)環(huán)境;WLAN的定位終端雖可為手機,但其抗干擾能力較弱,在人流量大、使用人數(shù)眾多時,系統(tǒng)穩(wěn)定性欠佳。藍牙定位系統(tǒng)則可直接使用手機作為定位終端,由于所有手機均配備藍牙模塊,無須額外終端設(shè)備即可實現(xiàn)定位,且能通過手機顯示定位導(dǎo)航,極大方便了乘客使用。因此,綜合考慮定位精度、安裝要求、手持終端要求等因素,本文采用藍牙技術(shù)實現(xiàn)鐵路綜合交通樞紐的室內(nèi)導(dǎo)航。

    2鐵路綜合交通樞紐定位算法

    藍牙定位技術(shù)通常采用接收信號強度法(Received Signal Strength Indication,RSSI)原理實現(xiàn)定位[8。該方法基于接收到的信號功率 Pr ,結(jié)合信號傳播損耗模型,推算發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離d。同樣地,可測得待定位終端到三個不共線的藍牙信標的距離。由于這些信標的坐標已知,因而能夠采用三角定位法求解待定位終端的坐標。基于RSSI的算法一般運用三角測量,如圖1所示,其中O點代表信號強度檢測點,即待定位終端;A、B、C、D點為信號發(fā)射點,也就是藍牙信標。檢測點會選取三個信號強度較強的參考節(jié)點,借助三角定位技術(shù)確定自身位置坐標。

    圖1RSSI定位示意圖

    但在鐵路綜合交通樞紐這類環(huán)境復(fù)雜、障礙物多的室內(nèi)環(huán)境中,無線信號在傳輸過程中會因障礙物產(chǎn)生多徑效應(yīng)、衰減、散射等現(xiàn)象,這會大大影響基于RSSI算法的定位精度[。

    信號到達角度(AngleofArrival,AOA)定位技術(shù)基于如下原理:基站配備的接收天線能夠測量信號的入射角度。待定位終端發(fā)射無線信號至基站,基站天線通過測量這些信號與基站之間的夾角,再運用幾何數(shù)學(xué)方法計算出待定位終端的坐標[10]。為實現(xiàn)平面坐標定位,至少需要測量待定位終端與兩個或更多基站之間的到達角度AOA。在圖2中, 代表待定位終端的坐標, 則分別代表兩個基站的坐標。每個基站與待定位終端之間角度方向所形成直線的交點,即為待定位終端的準確位置。

    圖2A0A定位原理圖

    目前,行業(yè)內(nèi)的藍牙AOA定位方案雖可實現(xiàn)0.1米的定位精度,但需要在室內(nèi)設(shè)置多個基站或使用天線陣列,這增加了硬件設(shè)備的部署成本與復(fù)雜度。

    因此,綜合考慮系統(tǒng)硬件復(fù)雜度、系統(tǒng)投資及定位精度要求,本文的定位算法采用RSSI算法與AOA算法相結(jié)合的方式,既能減少基站布置,又能利用信號強度和角度信息進行定位計算,從而提高定位的準確性和可靠性。

    3鐵路樞紐智能室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)

    本文針對鐵路綜合交通樞紐,提出一種基于藍牙的智能室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用乘客手機自帶的藍牙功能與車站內(nèi)藍牙信標節(jié)點進行交互實現(xiàn)定位,為乘客和工作人員在停車場、出租車站、公交車站、城市通廊、換乘通道等室內(nèi)區(qū)域提供位置服務(wù)。

    3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)由藍牙信標節(jié)點、互動屏、定位導(dǎo)航服務(wù)器、高精地圖、高清VR全景圖、定位算法、路徑規(guī)劃算法、手機小程序、后臺管理服務(wù)軟件等部分組成,如圖3所示。

    圖3室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)圖

    3.2 室內(nèi)導(dǎo)航流程

    系統(tǒng)實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的流程為:首先,乘客需完成手機登錄授權(quán),允許定位系統(tǒng)獲取手機藍牙信號,隨后經(jīng)藍牙信標及服務(wù)器處理,依據(jù)乘客定位信息與目的地,完成室內(nèi)導(dǎo)航。具體步驟如下:

    1)登錄。采用微信授權(quán)登錄方式,每個用戶登錄后生成唯一令牌,用于后續(xù)所有服務(wù)的認證。

    2)建立長鏈接。由于實時定位需將實時采集的藍牙、指南針、陀螺儀等數(shù)據(jù)傳送至定位算法進行計算,此過程涉及大量數(shù)據(jù)傳輸且對實時性要求高,因此使用WebSocket建立長鏈接。

    3)定位數(shù)據(jù)收集。收集藍牙信標的藍牙信號數(shù)據(jù)、指南針的方位信息和陀螺儀數(shù)據(jù),每隔一秒將收集到的數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器。

    4)定位。定位算法獲取藍牙、指南針、陀螺儀等數(shù)據(jù)后,計算出當前位置,并返回給前端。

    5)導(dǎo)航。用戶選定導(dǎo)航地點后,將信息發(fā)送給服務(wù)器。導(dǎo)航服務(wù)器根據(jù)定位結(jié)果,先把兩個定位坐標轉(zhuǎn)換為標注地圖所生成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的兩個節(jié)點,再利用最短路徑算法,搜索圖中兩個節(jié)點的最短距離,最后返回給前端進行顯示。

    6)店鋪及其他服務(wù)。系統(tǒng)提供店鋪列表、搜索及店鋪推薦服務(wù)。室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

    圖4導(dǎo)航數(shù)據(jù)流程圖

    3.3 系統(tǒng)功能

    3.3.1 手機定位服務(wù)

    支持多傳感器融合定位算法,可在小程序平臺上實現(xiàn)精準室內(nèi)定位,手機小程序架構(gòu)如圖5所示。

    圖5手機小程序架構(gòu)

    3.3.2 信息發(fā)布

    支持樞紐綜合信息發(fā)布,能夠與一體化公眾信息發(fā)布系統(tǒng)對接,同步發(fā)布樞紐相關(guān)信息(如乘車須知、天氣情況、地鐵運行首末班信息、疫情須知等)。

    3.3.3 導(dǎo)覽服務(wù)

    導(dǎo)覽服務(wù)主要包括:

    1)展示智慧樞紐所有服務(wù)設(shè)施列表(如洗手間、服務(wù)臺、網(wǎng)約車點、出租車點、公交站點等)。2)支持按樓層、服務(wù)設(shè)施、業(yè)態(tài)、店鋪名字等首字母分類篩選查看,并羅列展現(xiàn)結(jié)果。3)支持查看所選店鋪的具體信息,包括名字、LOGO、類別、營業(yè)時間、位置、電話、簡介等。

    3.3.4 搜索服務(wù)

    搜索服務(wù)主要包括:

    1)支持手動輸入搜索。支持通過首字母、全稱(包含模糊搜索)對服務(wù)設(shè)施、店鋪等進行搜索,并將查詢結(jié)果羅列展示。2)支持設(shè)施快捷搜索。在搜索頁展示高頻使用設(shè)施的快捷入口,點擊即可獲取導(dǎo)航信息。3)支持推薦店鋪快捷搜索。搜索頁展示推薦店鋪列表,點擊可進入店鋪詳情頁查看詳細信息。

    3.3.5 語音搜索服務(wù)

    支持人機語音查詢交互,實現(xiàn)對設(shè)施、店鋪、愛心服務(wù)、發(fā)布信息等內(nèi)容的語音搜索及展示;支持在查詢目的地后,通過語音確認是否開啟導(dǎo)航服務(wù)。

    3.3.6 VR實景導(dǎo)航

    支持場內(nèi)一體化導(dǎo)航服務(wù),涵蓋尋服務(wù)設(shè)施、尋服務(wù)、尋店、尋車等多個模塊。

    通過VR實景展示路線,支持 360° 實景室內(nèi)地圖。在用戶查找路線時,提供二維地圖與VR實景地圖兩種展示方式,提升路線展示的直觀性。

    支持在3D/2D地圖上展現(xiàn)導(dǎo)航路徑及對應(yīng)POI信息;地圖可按縮放層級顯示相關(guān)信息,并支持放大、縮小等交互操作。

    3.3.7智能導(dǎo)航路線規(guī)劃

    結(jié)合樞紐實際路線方向限制、開門狀態(tài)等因素,合理分析路徑引導(dǎo)方案,通過路徑規(guī)劃算法引導(dǎo)正確路徑。

    接入樞紐排隊長度狀態(tài)監(jiān)測、擁堵狀態(tài)監(jiān)測等數(shù)據(jù)并進行分析,利用路徑規(guī)劃算法引導(dǎo)疏導(dǎo),生成最佳路徑方案。

    3.3.8 乘車目的地引導(dǎo)

    支持乘車信息查詢,自動生成目的地導(dǎo)航路徑,并同步顯示車輛到站提醒、排隊情況、檢票情況等綜合信息。

    3.3.9 愛心服務(wù)

    智能交互機支持愛心服務(wù)功能,可實現(xiàn)站內(nèi)愛心服務(wù)呼叫(如遺失物品查找、重點旅客預(yù)約、建議反饋、投訴處理、客服電話查詢等)。

    3.3.10 個性化服務(wù)

    系統(tǒng)配備互動大屏,該大屏由人臉攝像機、互動 觸摸屏、主控板組成。場內(nèi)互動大屏通過路由器/交 換機連接到云服務(wù)器,大屏架構(gòu)如圖6所示。

    圖6大屏服務(wù)架構(gòu)

    通過大屏上的人臉攝像頭,可對使用者自動建檔,并分析其性別、年齡信息。系統(tǒng)將用戶人臉與車牌、導(dǎo)航店鋪等操作信息綁定,實現(xiàn)場內(nèi)“一臉通”。如此一來,用戶只需刷臉,即可實現(xiàn)店鋪斷點導(dǎo)航、人臉反向?qū)ぼ嚨裙δ堋4送?,結(jié)合客流系統(tǒng),系統(tǒng)能夠分析顧客的興趣偏好,在大屏上預(yù)留推薦位,進行千人千面的個性化推薦,從而實現(xiàn)個性化服務(wù)。

    3.3.11空車位引導(dǎo)及尋車服務(wù)

    通過自動分配空車位或手動選定車位的方式確定目標停車位,以VR實景與2D路線相結(jié)合的交互方式實現(xiàn)精準導(dǎo)航;支持通過人臉識別或輸入車牌號進行車輛位置查詢與導(dǎo)航信息查看,采用2D地圖與實景地圖融合的方式向用戶展示導(dǎo)航軌跡,在導(dǎo)航過程中,實景地圖部分會跟隨用戶移動同步進行點位漫游。

    4重慶東站智能室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)

    重慶東站是重慶樞紐四大主要客站之一,引入了重慶樞紐東環(huán)線、渝湘高鐵、渝貴高鐵、渝萬高鐵、渝昆高鐵、渝懷線等多條鐵路線路,以及6號線、8號線、27號線、24號線4條軌道線路。該綜合交通樞紐總建筑面積56.5萬平方米,社會車輛停車庫面積14萬平方米,建筑共七層,地上五層,地下兩層。樞紐功能豐富,涵蓋公交、長途客運、出租、社會車輛、網(wǎng)約車、共享汽車、軌道交通、市政配套服務(wù)設(shè)施、換乘大廳、城市通廊及配套商業(yè)等。其中,樞紐負一樓及負二樓主要為軌道交通站臺、換乘通道及部分設(shè)備用房;樞紐一層是軌道交通站廳層,站廳兩側(cè)設(shè)有社會車輛停車庫及少量商業(yè);樞紐二層以鐵路出站廳為中心,兩側(cè)分別布置公交分配廳、出租車站、網(wǎng)約車車庫、共享汽車車庫等;樞紐三層以鐵路快速進站廳為中心,兩側(cè)分別設(shè)置公交車站、長途車站、社會車輛停車庫、行包通道等;樞紐四層為鐵路站臺;樞紐五層主要是鐵路高架候車廳。

    重慶東站占地面積廣闊,停車場、店鋪分布錯綜復(fù)雜。為保障乘客在站內(nèi)順利出行,一套完善的室內(nèi)定位導(dǎo)航方案顯得尤為必要。

    重慶東站智能室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

    圖7重慶東站智能室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

    重慶東站定位系統(tǒng)設(shè)備布置如下:

    1)根據(jù)重慶東站站房面積及導(dǎo)航精度要求,按照每8米的間距布設(shè)一個藍牙信標,全站共布設(shè)3296個藍牙信標,用于采集全樞紐的定位坐標。2)為實現(xiàn)地圖實景導(dǎo)航,系統(tǒng)利用VR機器人對樞紐進行實景掃描,掃描后的地圖存儲至服務(wù)器,使藍牙信標返回的坐標位置與地圖對應(yīng)。3)定位系統(tǒng)服務(wù)器,包括定位導(dǎo)航服務(wù)器、業(yè)務(wù)部署服務(wù)器等,均布置在車站中心云平臺上。4)互動大屏設(shè)置在樞紐各扶梯口,互動信息通過路由器傳輸回服務(wù)器。

    當乘客到達重慶東站并進行室內(nèi)導(dǎo)航時,首先登錄小程序,給予系統(tǒng)手機授權(quán)。隨后,系統(tǒng)通過乘客的手機藍牙獲取其位置坐標信息。乘客在導(dǎo)航小程序中輸入目的地后,系統(tǒng)計算該目的地的坐標位置,后臺導(dǎo)航算法據(jù)此規(guī)劃出導(dǎo)航線路。最后,系統(tǒng)將線路轉(zhuǎn)換為實景導(dǎo)航地圖并推送給乘客,乘客依照小程序顯示的導(dǎo)航地圖即可抵達目的地。

    通過重慶東站導(dǎo)航小程序,乘客能夠快速獲取室內(nèi)導(dǎo)航實景線路,依據(jù)線路直達目的地,節(jié)省問路與繞路時間,有效提升通行效率,改善乘車體驗。

    5結(jié)論

    隨著站城一體化與智慧城市的發(fā)展建設(shè),鐵路綜合交通樞紐將日益增多。在此背景下,樞紐對室內(nèi)智能導(dǎo)航定位的需求愈發(fā)迫切,這不僅有助于提升樞紐智能化水平,還能改善乘客出行體驗。本文剖析了現(xiàn)有定位技術(shù)的特點,結(jié)合鐵路綜合交通樞紐的實際需求,提出了基于藍牙的智能室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過乘客手機藍牙獲取其位置信息,依據(jù)乘客輸入的目的地確定坐標位置,進而計算出導(dǎo)航線路,并將線路轉(zhuǎn)化為實景導(dǎo)航地圖推送給乘客,實現(xiàn)鐵路綜合交通樞紐的智能室內(nèi)定位,方便乘客快速找到停車場、店鋪、出入口等場所。

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    作者簡介:謝聯(lián)蓮(1992一),女,漢族,重慶人,工程師,碩士,研究方向:鐵路通信。

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