楊國(guó)元,張秋亮
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100081)
隨著定位導(dǎo)航功能在智能移動(dòng)終端的大量普及和基于位置服務(wù)(LBS,Location-Based Service)的蓬勃發(fā)展,人們?cè)谏?、工作中越?lái)越多地應(yīng)用位置服務(wù)?;疖囌咀鳛槭覂?nèi)環(huán)境,給旅客帶來(lái)舒適、干凈候車環(huán)境的同時(shí),由于車站本身面積大、服務(wù)設(shè)施多,站內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,對(duì)于旅客來(lái)說(shuō),要隨時(shí)并準(zhǔn)確找到站內(nèi)的某個(gè)位置,成為一件困難的事,因此在火車站內(nèi)研究低成本、高精度的站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng),解決旅客在站內(nèi)精確定位及導(dǎo)航、改善旅客的出行體驗(yàn)具有重要的意義。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛對(duì)室內(nèi)定位、導(dǎo)航技術(shù)展開了研究。Yang Chouchang[1]通過(guò)改進(jìn)的基于Wi-Fi的室內(nèi)定位算法,能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)精確定位。Yasir M[2]提出了基于可見光實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位,但需要對(duì)室內(nèi)燈具進(jìn)行改造。Faragher R[3]研究了低功耗藍(lán)牙定位技術(shù),提出了基于藍(lán)牙改進(jìn)的指紋定位算法,實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位。國(guó)內(nèi)學(xué)者分別從Wi-Fi定位[1]、Zigbee定位[2]、射頻識(shí)別(RFID,Radio Frequency Identification,)定位[3]、超寬帶(UWB,Ultra Wide Band)定位[4]、iBeacon定位[5]等領(lǐng)域展開了室內(nèi)定位、導(dǎo)航的研究。這些定位技術(shù)及方法中,只有iBeacon的定位成本低,旅客只需通過(guò)帶有藍(lán)牙功能的移動(dòng)終端即可實(shí)現(xiàn)定位,同時(shí)定位精度可以達(dá)到1 min以內(nèi)。而Wi-Fi定位精度至少在3 min以上,精度較低,其他定位技術(shù)都需要旅客單獨(dú)攜帶額外設(shè)備,不適宜應(yīng)用在車站站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中。因此選用iBeacon來(lái)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)定位導(dǎo)航是理想選擇。
iBeacon是一種基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)(BLE,Bluetooth Low Energy)的射頻技術(shù),通過(guò)使用BLE技術(shù)向周圍發(fā)送自己特有的ID,接收到該ID的應(yīng)用軟件會(huì)根據(jù)射頻場(chǎng)強(qiáng)隨距離衰減的模型計(jì)算距離?;谏漕l技術(shù)的室內(nèi)指紋匹配的定位過(guò)程分為兩個(gè)階段:離線訓(xùn)練階段和在線定位階段。
離線訓(xùn)練階段完成對(duì)定位區(qū)域內(nèi)不同位置處iBeacon射頻信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)采集,在采集過(guò)程中,定位設(shè)備是作為采集設(shè)備,iBeacon作為參考節(jié)點(diǎn),在不同的參考節(jié)點(diǎn)處測(cè)量自身與iBeacon的信號(hào)強(qiáng)度值并存儲(chǔ),形成指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。在線定位階段主要實(shí)現(xiàn)對(duì)待定位節(jié)點(diǎn)的定位。當(dāng)待定位設(shè)備進(jìn)入定位區(qū)域后會(huì)首先與iBeacon模塊完成藍(lán)牙連接,然后將測(cè)量的接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI,Received Signal Strength Indication)信息與離線階段的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配,完成定位。匹配定位過(guò)程中需要采用相應(yīng)的指紋匹配算法來(lái)提高定位精度。
指紋匹配的定位算法主要包括確定型和概率型兩種算法。
(1)確定型定位算法一般是將實(shí)時(shí)采集的RSSI與指紋庫(kù)進(jìn)行比較,選擇信號(hào)強(qiáng)度最近幾個(gè)點(diǎn)的質(zhì)心作為目標(biāo)的估計(jì)位置,因此確定型定位算法的計(jì)算量較少,但定位精確度較低。
(2)概率型定位算法一般是利用離線訓(xùn)練階段,在不同位置采集的RSSI構(gòu)建位置概率分布模型,在線定位階段根據(jù)定位目標(biāo)接收到的RSSI,利用貝葉斯公式計(jì)算目標(biāo)位置的后驗(yàn)概率,取后驗(yàn)概率最大的位置點(diǎn)作為定位目標(biāo)的估計(jì)位置。概率型定位算法定位精度較高,但計(jì)算較復(fù)雜。
本文設(shè)計(jì)的站內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)采用基于iBeacon射頻信號(hào)指紋匹配的加權(quán)定位算法。
對(duì)iBeacon來(lái)說(shuō),iBeacon的布設(shè)間距、周圍環(huán)境對(duì)RSSI值有較大影響,因此在定位區(qū)域不能依賴于定位設(shè)備接收到RSSI值進(jìn)行定位,還應(yīng)加入其它修正方法提高定位精度。
在一個(gè)定位區(qū)域內(nèi),存在m個(gè)iBeacon參考點(diǎn)(x1,y1),(x2,y2),…,(xm,ym),待定位設(shè)備O(x,y)進(jìn)入該定位區(qū)域后,測(cè)得O與m個(gè)參考點(diǎn)的RSSI分別為S1,S2,…,Sm,以遍歷的方式去匹配指紋庫(kù)中的各參考點(diǎn)相應(yīng)的指紋信息確定待定位設(shè)備的估計(jì)位置。為了提高定位精度,根據(jù)對(duì)數(shù)衰減模型[11],利用所測(cè)得的RSSI計(jì)算出O與每個(gè)參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離值di,將1/di作為每個(gè)參考點(diǎn)的權(quán)值,即每個(gè)參考點(diǎn)權(quán)值ωi為
待定位1設(shè)備O(x,y)的估計(jì)位置可由式(2)計(jì)算可得。
站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)采用基于SOA面向服務(wù)開放靈活的架構(gòu)體系[12],基于iBeacon指紋定位算法及室內(nèi)引導(dǎo)技術(shù),為旅客提供在站內(nèi)定位、引導(dǎo)、信息查詢等功能,滿足旅客在站內(nèi)對(duì)位置服務(wù)的需求。系統(tǒng)總體架構(gòu),如圖1所示 。
系統(tǒng)采用鐵路總公司、鐵路局兩級(jí)級(jí)部署服務(wù)器,鐵路總公司部署數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、運(yùn)維服務(wù)、接口服務(wù),鐵路局部署接口服務(wù)和運(yùn)維服務(wù),客運(yùn)站不部署服務(wù)器,只設(shè)立運(yùn)維終端。
2.1.1 鐵路總公司級(jí)
圖1 站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、延伸服務(wù)、運(yùn)維服務(wù)部署在鐵路總公司客服外網(wǎng)(簡(jiǎn)稱:客服外網(wǎng))。其中,數(shù)據(jù)服務(wù)包括:地圖數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),地圖數(shù)據(jù)主要是對(duì)各車站繪制的站內(nèi)地圖,業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為定位、導(dǎo)航過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。應(yīng)用服務(wù)包括:地圖應(yīng)用、導(dǎo)航應(yīng)用,地圖應(yīng)用為對(duì)外提供的地圖引擎服務(wù),導(dǎo)航應(yīng)用為對(duì)外提供的導(dǎo)航引擎服務(wù)??头饩W(wǎng)對(duì)外提供定位導(dǎo)航的應(yīng)用服務(wù),旅客通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入客服外網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)。
鐵路總公司鐵路綜合計(jì)算機(jī)網(wǎng)(簡(jiǎn)稱:鐵路計(jì)算機(jī)網(wǎng))部署接口服務(wù),用于接收由鐵路局推送到鐵路總公司的接口數(shù)據(jù)。
客服外網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信利用鐵路總公司既有的安全保障服務(wù)體系來(lái)實(shí)現(xiàn),即鐵路總公司負(fù)載均衡通過(guò)映射外網(wǎng)地址,經(jīng)過(guò)安全管理檢測(cè)和防火墻聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)??头饩W(wǎng)與鐵路計(jì)算機(jī)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信利用鐵路總公司既有的安全平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。
2.1.2 鐵路局級(jí)
鐵路計(jì)算機(jī)網(wǎng)部署接口服務(wù)器,用于接收客管系統(tǒng)、旅服系統(tǒng)以及其他路內(nèi)系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)。同時(shí)為車站運(yùn)維終端提供對(duì)地圖、藍(lán)牙數(shù)據(jù)的維護(hù)服務(wù)。
鐵路局接口服務(wù)器將接口數(shù)據(jù)通過(guò)鐵路綜合計(jì)算機(jī)網(wǎng)推送到鐵路總公司接口服務(wù)。
2.1.3 車站級(jí)
車站部署藍(lán)牙定位設(shè)備,旅客在車站內(nèi)通過(guò)移動(dòng)終端接入互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)。
車站工作人員通過(guò)鐵路綜合計(jì)算機(jī)網(wǎng)訪問(wèn)鐵路局的接口服務(wù),上報(bào)站內(nèi)地圖的變更信息。
站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用軟件邏輯架構(gòu),分為展現(xiàn)層、應(yīng)用層、接口層、基礎(chǔ)服務(wù)層、數(shù)據(jù)層5層,具體關(guān)系,如圖2所示。
圖2 站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖
(1)數(shù)據(jù)層
數(shù)據(jù)層由地圖數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)組成,其中,地圖數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)導(dǎo)航數(shù)據(jù)、二維站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)、三維站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)等其他服務(wù)信息組成,該數(shù)據(jù)屬于在線數(shù)據(jù),通過(guò)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用在線地圖服務(wù)完成,業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括候車信息、列車運(yùn)行信息、語(yǔ)音服務(wù)信息、商鋪信息等。
(2)基礎(chǔ)服務(wù)層
基礎(chǔ)服務(wù)層由基礎(chǔ)業(yè)務(wù)服務(wù)和地圖服務(wù)組成,基礎(chǔ)業(yè)務(wù)服務(wù)包括候車服務(wù)、接送站服務(wù)、語(yǔ)音通信服務(wù)、推送服務(wù)、以及列車時(shí)刻服務(wù)等服務(wù)。地圖服務(wù)主要是站內(nèi)外地圖服務(wù),包括站內(nèi)外定位服務(wù)、站內(nèi)地圖展示服務(wù)、站內(nèi)外導(dǎo)航接續(xù)服務(wù)、公交換乘服務(wù),提供具備高可靠性、強(qiáng)擴(kuò)展性、高伸縮性和開放的基礎(chǔ)服務(wù)。
(3)接口層
基于基礎(chǔ)層向應(yīng)用層提供接口功能,提供候車、接送站、語(yǔ)音通信、推送、正晚點(diǎn)、站內(nèi)外地圖等服務(wù)接口,這些接口的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)豐富了系統(tǒng)的功能,同時(shí)使得系統(tǒng)更容易擴(kuò)展。
(4)應(yīng)用層
根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求,建立面向旅客、客運(yùn)管理部門、站內(nèi)商鋪的應(yīng)用系統(tǒng),針對(duì)旅客用戶,開發(fā)專業(yè)的在線引導(dǎo)系統(tǒng)。
(5)展現(xiàn)層
展現(xiàn)層包括旅客手機(jī)、PAD等移動(dòng)設(shè)備,車站運(yùn)維、商鋪人員PC設(shè)備。
站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)采用三級(jí)組網(wǎng)方案,按照鐵路客運(yùn)業(yè)務(wù)管理模式,分為鐵路總公司級(jí)、鐵路局級(jí)、站段級(jí)。
系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,如圖3所示。
鐵路總公司客服外網(wǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、運(yùn)維服務(wù)器、接入交換機(jī)、核心交換機(jī)、負(fù)載均衡;鐵路總公司鐵路綜合計(jì)算機(jī)網(wǎng)設(shè)置核心交換機(jī)、接口服務(wù)器。在18個(gè)鐵路局集團(tuán)公司分別設(shè)置地圖運(yùn)維服務(wù)器、接口服務(wù)器、負(fù)載均衡、接入交換機(jī)、核心交換機(jī)、網(wǎng)閘、防火墻。車站不部署服務(wù)器,只有運(yùn)維終端。
圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
鐵路總公司客服外網(wǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)備份,以保證數(shù)據(jù)安全,防止數(shù)據(jù)遭到破壞后,無(wú)法恢復(fù)。由于鐵路總公司涉及全路地圖數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)的安全性要求較高,因此,每天完成一次完全數(shù)據(jù)備份。
旅客通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)鐵路總公司客服外網(wǎng)服務(wù)器。專業(yè)地圖運(yùn)維人員通過(guò)鐵路總公司客服外網(wǎng)訪問(wèn)運(yùn)維服務(wù)器。鐵路局級(jí)用戶在應(yīng)急情況下通過(guò)鐵路計(jì)算機(jī)網(wǎng)訪問(wèn)鐵路局地圖運(yùn)維服務(wù)器,以便應(yīng)急維護(hù)地圖數(shù)據(jù)??瓦\(yùn)站用戶通過(guò)鐵路計(jì)算機(jī)網(wǎng)訪問(wèn)鐵路地圖運(yùn)維服務(wù)器。
站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)主要為旅客提供位置信息服務(wù),為車站工作人員提供商業(yè)智能分析功能。
(1)站內(nèi)定位
客戶端向定位服務(wù)發(fā)送定位請(qǐng)求,定位服務(wù)會(huì)提供客戶端在地圖上的當(dāng)前位置。
(2)地圖展示
地圖展示為旅客提供車站室內(nèi)地圖的顯示,并以二維、三維地圖的方式展示站內(nèi)地圖效果,方便旅客全面、直觀地了解車站進(jìn)站口、出站口、候車室、檢票口、站臺(tái)、衛(wèi)生間等區(qū)域的實(shí)際位置以及站內(nèi)設(shè)備設(shè)施分布情況。
(3)路徑規(guī)劃功能
旅客向?qū)Ш较到y(tǒng)發(fā)送起始位置到目標(biāo)位置的路徑請(qǐng)求時(shí),導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)在地圖上規(guī)劃出從起始位置到目標(biāo)位置的最優(yōu)路徑,并提供路徑的距離以及所需時(shí)間。
(4)導(dǎo)航功能
通過(guò)站內(nèi)定位服務(wù)及路徑規(guī)劃,為旅客提供二維、三維、AR導(dǎo)航,實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等位置引導(dǎo),支持跨樓層導(dǎo)航,同時(shí)旅客在行走過(guò)程中導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)伴有語(yǔ)音、文字提醒。
(5)位置搜索
導(dǎo)航系統(tǒng)提供豐富的本地搜索功能,包括對(duì)候車室、檢票口、飲水處、餐飲、購(gòu)物等站內(nèi)設(shè)施及位置的分類搜索。
(6)站內(nèi)站外導(dǎo)航接續(xù)
站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)對(duì)接第三方地圖應(yīng)用系統(tǒng),旅客在站外,利用站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng),輸入車站內(nèi)興趣點(diǎn)(POI,point of interest)位置,在站外調(diào)用第三方地圖應(yīng)用系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)站外導(dǎo)航,到達(dá)車站后,自動(dòng)切換到站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航,根據(jù)旅客的導(dǎo)航需求,將旅客導(dǎo)航到站內(nèi)指定目的地。通過(guò)站內(nèi)外導(dǎo)航系統(tǒng)接駁,實(shí)現(xiàn)旅客全行程導(dǎo)航。
4.2.1 位置數(shù)據(jù)分析
通過(guò)對(duì)旅客訪問(wèn)站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的定位、導(dǎo)航數(shù)據(jù)展開大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析,以圖形化方式展示請(qǐng)求站內(nèi)路徑規(guī)劃、請(qǐng)求搜索站內(nèi)服務(wù)設(shè)施等信息的頻次,優(yōu)化站內(nèi)流線設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)配置站內(nèi)服務(wù)設(shè)施及服務(wù)資源。通過(guò)對(duì)餐飲、商鋪等的搜索導(dǎo)航以及旅客在此類店鋪的停留時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,建立用戶畫像,判斷旅客對(duì)餐飲、商品的需求,調(diào)整餐飲、商品的數(shù)量及品種,提高商鋪的精準(zhǔn)營(yíng)銷。
4.2.2 區(qū)域客流分析
通過(guò)在車站區(qū)域內(nèi)對(duì)旅客訪問(wèn)站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位,展開區(qū)域客流分析,以區(qū)域熱力圖的方式展示客流,以顏色表示人口密集程度,同時(shí)表示人口擁擠程度。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外室內(nèi)定位技術(shù)的研究,確定了在鐵路車站選用基于iBeacon定位技術(shù)構(gòu)建站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、邏輯架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),描述了系統(tǒng)的功能,提出了基于iBeacon的站內(nèi)指紋匹配定位算法,實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)精準(zhǔn)定位、導(dǎo)航、站內(nèi)位置信息搜索等功能,同時(shí)為鐵路車站工作人員提供了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的站內(nèi)商業(yè)分析功能。對(duì)提升旅客出行體驗(yàn),提高客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義。