智能客运车站室内定位系统建设方案探讨

刘立海，邵艳明

近年来，全国铁路运营里程和客运车站数量不断增加，特别是高速铁路里程和高铁车站的增加，为大量旅客提供了运输服务，极大地方便了旅客出行。在当今高度信息化的潮流下，旅客智能出行的需求也更加强烈。客运车站是铁路运输服务提供方与旅客直接全面接触的媒介，高铁客运车站在智能化方面提出了新的需求［1］。

基于位置的服务（LBS），如定位和导航，是智能出行的基本需求。而全球导航卫星系统（GNSS）这一广泛应用的定位系统在高铁车站，特别是大型车站、地下车站，由于信号受阻挡的原因，无法正常提供服务。另外，随着智能建筑技术的广泛应用，高铁车站的智能应用需求也更加强烈，对建筑设施的监控和维护离不开定位技术，如果引入无人机、机器人等自动巡检或清扫等服务，更是离不开室内定位技术。

室内定位技术方案众多，例如，基于Wi-Fi、蓝牙、4G、5G 等的通用无线网络技术，利用手机等通用终端即可实现的方案；基于ZigBee、超宽带（UWB）、射频标签（RFID）等通用无线技术，需要专用终端实现的方案；基于地磁、压力传感器、LED、红外线、激光等特殊技术，主要应用于游泳池、工业生产和控制等特殊场合的定位系统，需要定制特殊系统才能实现的方案；惯性导航等基于运动及多源信息融合的定位技术［2-5］。由于高铁车站对室内定位需求和功能没有完全明确，且室内定位技术方案各有优缺点，高铁车站室内定位仅在少量车站进行了试点，还未普遍推广。

本文将分析客运车站的定位需求以及主流室内定位技术在高铁车站中的适应性，并结合高铁工程建设和维护特点，提出客运车站室内定位系统实现的建议方案及需要重点考虑的几个问题。

1 需求分析

客运车站的室内定位主要有3个方面的需求。

第一类需求是旅客定位。旅客作为客运车站服务的主要客户有定位和导航的需求。大型车站内有大量的旅客可能由于第一次到达该车站等原因，对车站的售票窗口、安检口、检票口、进站口、出入口、候车室、餐饮服务点、电梯、楼梯、地方公交驳接等位置不熟悉，虽然车站动、静态标识可以解决大部分问题，但如果能提供电子地图、定位以及连续位置导航服务，将极大地方便旅客出行和紧急疏散［6］。辅以静态标识，这种情况下的定位精度达到米级即可满足需求。基于增强现实（AR）或虚拟现实（VR）的交互式应用，对定位的精度要求比较高，需要达到分米、厘米级。

第二类需求是运维人员定位。客运运营管理部门对客运设施检查和工作人员管控的需求也日益增多，除了传统的门禁打卡控制外，还有运营维护人员的到岗检查、指定区域巡查、指定路径巡检和实时定位追踪等要求，以确保工作人员巡检到位，这些需求需要通过定位和连续轨迹记录实现。其定位精度需要根据具体管理要求确定，米级精度可以满足通常的管理需要；在难以区分的定位点，可通过人工在终端的电子地图上确认来解决。

第三类需求是机器定位。随着智能客运车站方案的全面实施，智能服务、智能监测、智能维护逐渐引入，例如巡游机器人为旅客提供问询服务，自动巡检机器人和无人机实现动态数据采集，扫地机器人进行室内保洁，移动机器人实现空气质量监测、高空抵近巡检或拍照等，可以降低工作人员负荷，并使建筑物或设备得到有效的管理和维护。这类需求的定位精度要求较高，需要达到分米、厘米级。

2 技术方案

根据车站定位需求，存在普通旅客、车站工作人员和专业维护机器人等用户。虽然基于通信运营商移动通信网络定位非常便捷，但是由于运营商网络在车站通常采用了室内分布式覆盖系统，小区范围比较大，在室内难以区分，若没有其他方式配合，定位精度非常有限。对于基于5G 的室内定位技术，需要手机芯片供应商开放芯片底层的物理层数据，才能够应用于高精度定位。由于UWB 技术的供应商少，可用终端少，独立建网成本高，因此，本文重点选择应用比较广泛的RFID、蓝牙、Wi-Fi 3 种定位技术进行比较。这3 种基于无线的室内定位技术的定位原理大致相同，细节上有些不同。RFID 方案分为无源和有源2 种方案，有源RFID 方案除了需要配置相适配的读卡器外，其他方面几乎与蓝牙方案相同，就不单独讨论。

2.1 无源RFID方案

无源RFID 方案比较简单，一般是在指定位置（信息点）埋设RFID 芯片，芯片中固定写入一些位置信息及附加信息，工作人员或其他人员持专用读卡器终端，直接接触或靠近信息点处的RFID 芯片来读取信息，再通过无线传输网络传送至管理终端，或通过离线方式由管理终端读取终端中存储的位置信息数据。该方案作为运维人员工作和巡视位置管理十分方便，优点是信息点无需供电，建设和维护流程简单，成本低，信息安全可靠。但不足之处是信息点本身是固定的，由于其无源特性，只能作为指定位置的打卡、到位检查等使用，无法连续定位，也不能提供导航功能；需要专用的读卡器，而且要主动寻找信息点，不适合旅客及维护机器人使用。

2.2 蓝牙方案

蓝牙方案的基本原理是测距交汇法。在需要定位的空间，根据定位需要埋设蓝牙信标，蓝牙信标不断地广播信号和数据包，蓝牙终端将接收到的信号强度指示（RSSI）值转换为对应距离［7］。由于蓝牙信标的坐标是已知的，可以通过蓝牙广播数值得到或向中心系统查询得到该坐标值，根据空间定位原理，通过不少于3 个信标就可以确定一个空间坐标。蓝牙定位原理示意见图1。

图1 蓝牙定位原理示意

通常无线信号强度衰减与距离存在对数关系，但是室内信号传播受建筑和流动人员影响很大，因此通过信号强度估算距离有时会出现较大的偏差，定位精度通常在米级。蓝牙5.1 标准中引入侧向定位技术［8］，即通过测量信号的到达角（AoA）和出发角（AoD）来帮助设备确定蓝牙信号的方向，实现更高精度的定位，个别情况下可达到厘米级。

蓝牙信标一般采用独立电池供电，通过低功耗技术可以实现快速部署。但由于传送距离有限，需要部署的数量多，因此更换电池等维护工作量较大。

2.3 Wi-Fi方案

Wi-Fi 方案也可以利用测距交汇法进行定位，在需要定位的室内空间布设Wi-Fi 的接入点（AP），原理与蓝牙方案基本相同。由于Wi-Fi 具有更高的传送速率和更远的传送距离，可以采集更多的信号进行处理和交互，因此有更多的定位方式可供选择，特征指纹匹配法就是其中一种常用的方式［9］。该方式是将位置信息与无线信号的强度或其他特征之间建立映射关系，需要对定位空间环境进行网格划分，针对每个网格采集无线信号，抽取特征向量，建立特征指纹库；定位应用时，提取每个位置的指纹特征测量值，与特征库进行比较，从而确定位置。其优点是不单纯通过接收信号的强弱来推算距离，而是利用了更多的接收信号的特性实现定位。然而，为了提高定位精度，需具备足够的特征区分，因此指纹特征的定义和抽取非常重要。初始时需要构建指纹数据库，定位时需要终端提取特征值，都需要进行大量的计算，而且需要后台定位服务中心系统参与比对，在用户量大时将对后台定位服务中心系统产生较大负荷。另外，当电波传播环境发生改变时，如增加的流动人员导致信号传播发生变化，会导致原有的指纹库失效。因此，特征指纹法适用于传播环境变化小的工业自动化环境下的定位应用，其应用还有待改进。最新的基于Wi-Fi的定位技术，可以通过调整无线信号的飞行时间（ToF）和到达角（AoA）改进定位精度，但是这些需要接入点和终端同时采用最新的Wi-Fi 模块。定位精度通常可以达到米级或更高。

Wi-Fi定位方案的优点是：一个天线可以覆盖较大的范围，如高大候车室的立体空间，同时还可以提供无线接入功能，为旅客、车站工作人员或机器人等提供无线数据传送服务。最大的不足是：由于需要布设电源线和网线，缆线布设工作量大，且由于某些区域布线路径受限导致施工困难。

3 方案建议

结合客运车站室内定位需求，从需求满足度、工程建设、维护、成本等方面比较上述3 种室内定位技术方案的优缺点，根据客运车站的实际情况，提出室内定位系统建设的实施建议。

从需求满足度的角度考虑：目前对于大型客运站来说，存在第一、二类需求，智能客运车站还有第三类需求，无源RFID 方案无法满足第一、三类需求，蓝牙和Wi-Fi 方案通常可以满足上述3 类需求，因此考虑到数据传送功能，采用Wi-Fi定位方案较好；对于小型车站，由于建筑结构简单，旅客定位和导航的必要性较小，对于可能存在的第二类定位和导航需求，采用3 种方案均可以，但如果考虑到第三类定位需求，需要采用蓝牙或Wi-Fi 方案，因此，为了满足上述3 种需求，综合考虑定位方案应以蓝牙和Wi-Fi方案为主。

从工程实施、维护的难度和成本考虑：蓝牙方案单点安装，自带电池，无需布线，实施简单、速度快、成本低，但是也存在单节点覆盖范围小、需要更换电池等不足；对于大型车站来说，存在节点数量多、后期维护检修工作量大等不足；因此，蓝牙方案适合于布线施工受限的已经建成车站。

Wi-Fi方案覆盖范围大，较蓝牙方案可以大幅减少节点数量，同时具备数据传送功能，还可以提供多种服务，网络化管理方便，设备维护管理自动化程度高；但是需要大量布线和供电，而且由于Wi-Fi的无线接入点一般比蓝牙模块体积大，安装时还需要考虑一定的空间；因此对于已经开通运营的既有车站，实施起来非常不方便。但是对于新建车站来说，比较容易实施；一是可以统一规划，在土建工程中预留安装位置和布线径路；二是可以与公网覆盖同步实施，节省建设成本。Wi-Fi方案建设成本比蓝牙方案略高，但考虑到具备数据传送功能，而且可与其他工程同步实施，增加的成本可以接受。在布设了Wi-Fi网络后，还可以提供一系列其他应用，如旅客流量监测、监测信息无线传送等。

通过上述对比，综合考虑推荐客运车站室内定位方案如下。

1）对于新建工程，采用Wi-Fi 方案。将车站Wi-Fi网络与运营商的公网、铁路专网的无线通信系统室内覆盖统一规划和设计，共享径路和供电点，统一布局，减少了工程冲突，还可以与这些无线通信系统覆盖工程同步施工、检查和维护，大大降低了工程建设、维护难度及成本。

2）对于既有车站，采用蓝牙方案。可以解决在运营车站中布设、安装馈线和天线困难，以及取电困难等问题。随着低功耗蓝牙技术的普及，更换电池问题可以得到缓解，3 年以上的更换周期应该是可以接受的。另外，在车站站房进行整体改造时，也可以同步实施Wi-Fi方案。

4 设计要点

4.1 应用系统方案选择

在进行室内定位系统设计时，一般需要开发后台定位服务中心系统、客户应用系统和电子地图等功能模块。后台定位服务中心系统提供定位基础数据存储、电子地图管理、定位设施和终端的配置及管理等功能；部分基于交互的定位系统还需要为终端定位、导航提供计算和数据分发服务。客户应用系统接收定位信号，识别和接收定位标签广播的信息，进行信号检测或运算，识别出必要的定位信息，自动进行定位、导航计算，或者发送给后台定位服务中心系统实现定位。客户应用包括与客运车站三类应用需求相对应的旅客定位应用、运维人员定位应用和机器人定位应用等。电子地图包含了站房的房屋结构形状、房屋布局、标识及其各设施的分布、坐标等信息的室内数字地图，它可以在站房全专业BIM设计基础上进行制作。

在旅客定位应用方面，需要考虑应用的便捷性。通常有2 种方案：一种是与百度地图等成熟的大众导航软件服务商合作，将具有车站室内各固定设施的数字地图、定位设施的定位数据等提供给公众导航软件服务商，在其系统中融合车站室内导航功能，这需要深度合作，数据格式修改、数据交换和测试工作量较大，但是无需旅客额外下载或安装新的应用，使用起来方便；另一种是铁路自建客户端供旅客下载，但是一站一导航APP 的模式需要旅客频繁更换或者下载多个APP，客户体验差。可以借用互联网应用等小程序功能，基于位置推送适合本站的室内定位小程序，这样可以逐站实现，但这种方式也需要与互联网运营商合作。

对于运维人员和机器人等定位应用，可以开发专用的导航系统，嵌入专用终端的运维软件和机器人的内置程序中。

4.2 终端选择

对于旅客定位，蓝牙和Wi-Fi网络通常是标准配置，个人手机终端是最简单的方案，使用起来非常方便。运维人员和机器人定位终端可结合工作终端或机器人进行定制开发。

4.3 无线覆盖方案

无论是蓝牙方案还是Wi-Fi方案，都要考虑足够的冗余覆盖，确保每个位置被3 个以上的蓝牙信标或Wi-Fi无线接入点覆盖，不能简单地按照普通的无线覆盖思路进行设计，而且要考虑合理的用户数量规划，防止出现网络拥塞。在室内环境下，基本以视距传播为主，可以结合BIM 技术或室内专用无线覆盖软件进行覆盖模拟，避免由于覆盖冗余不足而无法满足定位需求，若后期增加信息点，将影响统一规划设计。

5 结束语

在对比主流的客运车站室内定位方案的基础上，推荐新建及改建车站采用Wi-Fi方案，既有车站增加室内定位时选择蓝牙方案。在室内定位和导航中，可以采用多种定位方案融合（多源融合）技术或在软件中配合一些其他的辅助技术，如地图约束［10］、惯性导航技术等，进一步提高定位精度。随着5G 网络覆盖范围的扩大，在技术开放的前提下，可以充分利用手机终端芯片底层的物理层数据对定位服务进行二次开发，从而提高基于5G移动通信网络的定位精度，拓展5G网络的应用范围。