智慧城轨车站室内人员定位技术分析及应用

2024-02-03 08:52张宏亮杨雅钧
信息记录材料 2024年1期
关键词:信标城轨客流

张宏亮,杨雅钧

(上海申电云数字科技有限公司 上海 200063)

0 引言

随着城市轨道(简称城轨)交通网络的不断织密,2020—2022 年中心城市城轨交通分担率也在逐年提高,其中10 个城市的城轨交通客运量占公共交通分担比率超过了50%,上海分担率最高达到70%[1]。 城轨交通车站作为市民出行的直接窗口及地铁运营管理的基本单元,运营压力、安全隐患和风险与日俱增,因此车站运营管理精细化的需求也越来越迫切。 例如,城轨车站中日常运营、应急事件演练及调度、设备日常维护、客流统计等应用场景,相对于传统的依靠值班员经验,更需要准确度更高的实时定位、精准研判,来提升车站运营、应急处理的效率。本文将结合城轨交通车站运营的需求,分析室内多种蓝牙定位技术,助力智慧城轨车站的建设。

1 城轨车站定位技术分析

地铁车站大部分是地下构筑物,为了解决地铁车站内无法基于GPS 定位导航的问题,主要有以下几种常见的室内定位技术,如Wi⁃Fi 定位、蓝牙定位、Zigbee 定位、射频技术定位、红外定位以及超宽带(ultra⁃wide band,UWB)定位。 综合考虑到定位精度,设备成本、布线方式、实施维护更方便等需求,本文推荐城轨车站定位方案主要采用蓝牙定位技术。 蓝牙定位的优势在于定位精度高、体积小、功耗低、易部署,比较符合室内定位的发展趋势,而且蓝牙技术定位成本低,更适合在实际定位中应用[2]。

蓝牙定位主流技术又细分为两种,一种是通过信号场强指示(received signal strength indication,RSSI)估算的定位。 另一种是通过信号的角度估算的定位,包括蓝牙到达角技术(angle of arrival,AoA)和出发角(angle of departure,AoD)技术,本文主要介绍AoA 方案。

蓝牙Beacon 是一种通过蓝牙低功耗广播发射给周围设备的信号,用于室内位置跟踪和定位。 当进入信标信号覆盖的范围,终端设备测出其不同的RSSI 值,将接收到的RSSI 值通过运营商网络回传推送给定位服务器计算。 但是信号强度容易受到天线方向、遮挡、电池电量等因素影响,容易漂移丢点,定位精度不如蓝牙AoA 方案。

蓝牙AoA[3]是一种通过利用蓝牙信号到达的角度来计算设备位置的技术。 发射装置(如标签、手持终端)使用单根天线发射信号,接收装置(如固定定位器基站)有多根阵列天线,计算信号到达角度,从而确定位置。 这种方案具有较高的定位精度,但需要使用多根接收天线,因此硬件成本相对较高。

本文结合两种定位技术的优势,提出一种城轨车站蓝牙室内融合定位方案,技术上可以充分利用RSSI 信号强度和AoA 角度信息的互补优势,辅助增强判断,提高定位精度和稳定性。 同时,蓝牙Beacon 方案可广泛用于城轨车站的签到打卡、室内导航以及精准营销等多种应用场景,蓝牙AoA 方案可应用于人员跟踪定位、资产定位及客流断面分析等场景中

2 城轨车站定位技术的应用

2.1 蓝牙定位系统应用

2.1.1 车站定位应用场景分析

基于蓝牙室内定位技术,可以实现站内人员定位、应急事件演练及调度、维修人员设备维护、志愿者定位服务、乘客导航等应用功能,具体如下。

(1)站内人员定位服务:在车站日常运营工作中,需要按照既定的排班计划、路线开展巡检和保洁工作。 因此需要对站内值班人员、清洁人员移动轨迹实时跟踪定位,可以判断是否有漏检等情况,最终自动形成达标率报表。同时,当车站内设备故障发生时,需要准确规范的记录故障或事件的发生地点信息。

(2)应急事件演练及调度:当应急事件发生时,城轨车站需要全局视角来查看距应急事件发生地点最近的人员,因此需要在集中指挥监控中心大屏上,全方位监控车站内客流情况以及人员班组信息、到岗情况、实时位置分布等,清晰直观地掌握现场应急处置情况,快速做好布岗动态调整和应急调度。

(3)维修人员设备维护:在设备维护工作时,需要规范外单位人员到达指定地点,监督作业时长,因此需要根据城轨车站内定位进行解锁工单后,才能执行维护维修,实现对维护维修工作的精细化管理。

(4)志愿者定位服务:一般志愿者是临时的、非专业的,作为车站人力的补充,人员的到岗情况以及在岗时长需要有效统计和监控。

(5)乘客导航:在乘客的日常出行中,百度、高德等外部导航无法进行站内路径导航,特别是换乘站、枢纽站,存在着换乘路径长或者单向换乘情况,一旦走错需绕行返行,且乘客问询工作量大,因此在车站需要为乘客提供地图查看、导航服务,方便乘客的出行。

2.1.2 蓝牙定位系统应用

本文综合考虑蓝牙Beacon 和蓝牙AoA 方案的优势,推荐在城轨车站不同的区域采用不同的定位技术,即在站台层、站厅层、电梯、楼梯、部署蓝牙Beacon 信标和蓝牙AoA 方案,在出入口通道、换乘通道部署蓝牙AoA 基站,在设备区域采用蓝牙Beacon 方案,形成融合室内定位,满足车站不同区域的定位应用的需求,具体如表1 所示。

表1 蓝牙融合定位系统应用

2.2 蓝牙定位系统实施方案

2.2.1 安装原则

(1)蓝牙信标空旷区域实施原则:蓝牙信标间距控制在6~8 m,高度在3 ~4 m,整个空间进行网格状分割实现交错部署全覆盖;

(2)蓝牙信标特殊区域实施原则:现场有特殊障碍,如立柱等环境,依据需要增补蓝牙信标设备;

(3)蓝牙AoA 基站实施原则:采用沿公共区域中线布置的方式,串接式/星型式以太网供电方式。

图1 蓝牙信标安装布局图

2.2.2 部署方案

(1)站厅层:站厅层一般情况下遵循基本原则中的空旷区域和AoA 基站的实施原则,即6 ~8 m 间距,实施即可。

(2)站台层:一般的标准车站站台层两侧屏蔽门之间的宽度小于15 m,铺设中一般原则为两侧上车点附近按照6~8 m 横向部署蓝牙信标,中间空旷区域按照横向6 ~8 m 进行补充部分AoA 基站。

(3)特殊区域:对于特殊区域如进出站闸机,垂直电梯、自动扶梯、楼梯。 在闸机外及闸机内一侧2 ~3 m 处分别安装一台蓝牙信标,用于精确定位站内站外。 对于垂直电梯,首先在电梯开门处外靠一侧1 ~2 m 远处安装一台蓝牙信标,其次在垂直电梯内部安装一台蓝牙信标,有助于识别楼层切换的状态;最后扶梯、楼梯等楼层切换设施,需要在上下两层的楼扶梯处各安装至少一台蓝牙信标[4]。

(4)出入口通道、换乘通道:出入口通道、换乘通道一般宽度为8 m 以上,通道中线部署蓝牙AoA 基站(详见图2 所示)。

图2 电梯、楼梯蓝牙信标部署示例

3 蓝牙定位系统整体架构

蓝牙定位系统架构分为六层架构,分别为展示层、应用层,核心层、汇聚层、接入层和终端层,如图3 所示。

图3 蓝牙定位系统方案架构图

(1)展示层:基于B/S 架构,满足多种可视化媒介载体方式进行2D/3D 图形化展示,包括车站集中指挥中心大屏、PC、APP、小程序等形式。

(2)应用层:基于核心层定位服务,创新城轨车站定位应用场景,如实时定位、轨迹查询和回放、地图服务、电子围栏、站内导航、客流统计、系统管理等功能;

(3)核心层:由定位解算引擎、路径规划、地图引擎、数据库等组成。 定位解算引擎包含两大类解算服务,一类针对蓝牙信标覆盖区域,定位解算引擎通过三个及以上已知位置信息的蓝牙设备的信号强度,再通过其他的一些辅助方法比如加权平均算法、时间加权算法、惯性导航算法、卡尔曼滤波算法、高斯滤波算法[5]等来计算出当前位置;另一类针对AoA 基站覆盖区域,通过分析到达时间差,运算出标签对定位基站的方位角与俯仰角,再配合信号强度估算,精确对目标进行定位。 另外,对于AoA 基站和蓝牙信标结合区域,两类定位解算引擎会同时工作,将解算的位置信息都推送给应用层,如果应用层接收到两种模式的解算的位置信息,会优先显示AoA 的定位数据和位置数据,同时也会根据信号强度等计算信息,进行两种区域的判断切换。

地图引擎服务器用于为移动终端提供地图支撑和位置信息的服务器。 它采用国际通用标准坐标系统WGS-84 等,由专业人员使用CAD、ArcGIS 等软件进行前期制图。 引擎将根据回传的数据计算定位标签位置,并为位置应用提供地图支撑。

路径规划用于提供准确的路径规划服务,算法能计算从出发地点到目标位置的最短路径,并支持这条路径在电子地图上用特定的颜色标识出来。

(4)汇聚层:由POE(power over ethernet)交换机、路由器组成,作为AoA 基站的数据传输通道。

(5)接入层:包含AoA 基站和蓝牙信标。 AoA 基站的阵列天线在不同时间点采集到同一信号源发出的无线信号;蓝牙信标则不断地广播蓝牙信号(包括定位标签的ID、信号强度、广播功率等),以便终端设备检测到蓝牙信号。

(6)终端层:不仅包括移动终端,如智能手机、手持PAD,还包括其他可穿戴设备,如手环、工牌等标签类终端。 这些设备可以作为安装集成定位软件开发工具包(software development kit,SDK)的APP 或者微信小程序的载体,同时也支持精确的定位功能。

4 应用效果分析

通过融合两种蓝牙技术,本文提出的定位技术提高了定位准确率,满足不同角色人员的使用习惯,减少投资成本,新增客流监测手段,简化设备维护过程:

(1)提高定位准确率:相对于传统的依赖单一蓝牙信标的定位,本文将两种蓝牙技术融合在一起,提高了定位的准确度,从而提升车站的使用效率和用户体验。

(2)丰富的终端定位:应用层可以满足移动终端APP、小程序或者标签类工牌、手环的定位,满足不同角色人员的使用习惯。

(3)减少投资成本:对车站应用场景做了细分,有针对性地部署蓝牙信标以及蓝牙AoA 基站,在保障用户体验的同时,降低了施工难度,与全面采用蓝牙AoA 基站部署方案相比,更能减少投资成本。 另外,一般车站具有运营商无线网络,本方案利用该无线网络作为回传网络,进一步降低了投资成本,如按照LoRa 基站部署回传网络方案。

(4)新增客流监测手段:蓝牙AoA 基站可以获得服务器范围内客流断面数据,后台服务可以估算客流实时人数、客流密度、进出流速,提供数据分析依据,对既有客流感知数据进行补充和完善,相互校验,形成更加立体、综合的客流感知体系,以便及时预警,调整客流组织方案。

(5)设备维护简单:在日常巡检过程中,运维人员手持终端,在蓝牙信标布设范围内进行巡检。 后台程序通过判断信源信标的状态值,判断是否与系统记录的信标信息一致,由此判断现场蓝牙信标是否处于正常工作状态。

5 结语

随着技术的进步和业务的不断更新,车站引入城轨车站蓝牙室内融合定位技术,减少了投资成本,同时提高了定位的精度,实现车站工作人员、乘客动态感知,提升日常管理和应急处理水平。 蓝牙室内融合定位技术将有效提高运营和维护的效率,保障客流平稳有序,最大程度地发挥作用,为智慧车站的建设注入强大动力。

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