何斌 王菲 王志鵬

同濟(jì)大學(xué)

由于墻體、屋頂?shù)鹊恼趽酰珿PS全球定位系統(tǒng)無(wú)法覆蓋室內(nèi)范圍[1]。因此，室內(nèi)定位技術(shù)在20世紀(jì)90年代應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展與革新，涌現(xiàn)出幾大主流的室內(nèi)定位技術(shù)，如WiFi定位、藍(lán)牙定位、ZigBee定位、紅外定位、UWB超寬帶定位等[2]。其中，UWB超寬帶定位技術(shù)憑借高精度、低延時(shí)、高傳輸速率的顯著優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)室內(nèi)定位技術(shù)的熱點(diǎn)[3]。

總結(jié)UWB定位技術(shù)的功能應(yīng)用，主要分為五個(gè)方面：實(shí)時(shí)定位、電子圍欄、導(dǎo)航服務(wù)、熱點(diǎn)分析、行為預(yù)測(cè)。

1 UWB定位系統(tǒng)組成

UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)由定位基站、定位標(biāo)簽、同步控制器、解算引擎（服務(wù)器）四部分構(gòu)成。

如圖1所示，由4臺(tái)及以上的基站組成正多邊形網(wǎng)絡(luò)，為保證基站的時(shí)間同步，基站之間通過(guò)光纖或者超六類(lèi)網(wǎng)線(xiàn)互相串接至同步控制器。定位標(biāo)簽按照特定頻率向各臺(tái)基站發(fā)送窄脈沖信號(hào)，不斷和位置已知的基站進(jìn)行距離測(cè)量。當(dāng)用于行人定位時(shí)，信號(hào)頻率一般設(shè)置在10～50Hz。用光纖或者網(wǎng)線(xiàn)串接在一起的所有基站稱(chēng)為一組，每一組選出一個(gè)基站作為協(xié)調(diào)器，用于匯總該組所有基站的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至同步控制器。同步控制器通過(guò)路由器將數(shù)據(jù)傳至解算引擎中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和實(shí)時(shí)解算。最終將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，或在上位機(jī)界面進(jìn)行可視化。

2 UWB定位方法及求解算法

本文中的UWB系統(tǒng)采用TDOA算法。TDOA算法的chan[4-6]求解過(guò)程如下。

目標(biāo)標(biāo)簽的位置用（x，y）表示，假設(shè)定位基站的坐標(biāo)已確定，基站Ti的二維坐標(biāo)用（xi，yi）表示，ri表示基站Ti到目標(biāo)標(biāo)簽的距離，i=1，2，3，4……。

我們令：

將其寫(xiě)成矩陣形式：

我們令：

即有：

考慮到存在噪聲影響，結(jié)果會(huì)存在誤差，誤差向量為：

Chan算法利用加權(quán)最小二乘法WLS求解，當(dāng)基站與目標(biāo)標(biāo)簽距離較近時(shí)：

當(dāng)基站與目標(biāo)標(biāo)簽距離較遠(yuǎn)時(shí)：

1 UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)圖

2 不同數(shù)量基站定位誤差折線(xiàn)圖

3 狹長(zhǎng)型基站分布定位圖

4 正方形基站分布定位圖

5 數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 chan算法仿真結(jié)果與分析

利用MATLAB對(duì)chan算法進(jìn)行仿真，求解目標(biāo)的二維坐標(biāo)（x，y），坐標(biāo)單位為米。引入滿(mǎn)足高斯分布的噪聲，分析不同數(shù)量的基站、基站分布位置、不同定位區(qū)域?qū)Χㄎ痪鹊挠绊憽?/p>

3.1 基站數(shù)量對(duì)定位精度的影響

設(shè)3臺(tái)基站的坐標(biāo)分別是（0，0）（17，10）（0，20）；設(shè)4臺(tái)基站的坐標(biāo)分別是（0，0）（20，0）（20，20）（0，20）；設(shè)5臺(tái)基站的坐標(biāo)分別是（0，0）（20，0）（20，20）（0，20）（10，0）時(shí)；設(shè)6臺(tái)的基站坐標(biāo)分別是（0，0）（20，0）（20，20）（0，20）（10，0）（10，20）。

選取三個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，分別是包絡(luò)線(xiàn)范圍內(nèi)的點(diǎn)A（5，5），包絡(luò)線(xiàn)邊緣的點(diǎn)B（0.2，2），包絡(luò)線(xiàn)范圍外的點(diǎn)C（0，22），在基站數(shù)量為3臺(tái)、4臺(tái)、5臺(tái)、6臺(tái)的情況下各進(jìn)行100次仿真運(yùn)算，取誤差平均值。

不同數(shù)量基站定位誤差折線(xiàn)圖如圖2所示。點(diǎn)A在3臺(tái)、4臺(tái)、5臺(tái)、6臺(tái)基站中的定位誤差分別為1 433、44.12、19.37、18.21cm；點(diǎn)B在3臺(tái)、4臺(tái)、5臺(tái)、6臺(tái)基站中的定位誤差分別為732、94.01、78.59、59.60cm；點(diǎn)C在3臺(tái)、4臺(tái)、5臺(tái)、6臺(tái)基站中的定位誤差分別為2 744、104.79、91.53、81.38cm。當(dāng)基站數(shù)量為3臺(tái)時(shí)，定位誤差高達(dá)米級(jí)；基站數(shù)目為4臺(tái)時(shí)，精度降至厘米級(jí)。因此布設(shè)基站的數(shù)目至少為4臺(tái)，且布設(shè)的基站數(shù)量越多，定位誤差越小。

3.2 基站分布位置對(duì)定位精度的影響

當(dāng)6臺(tái)基站坐標(biāo)分別為（0，0）（20，0）（20，2,）（0，2）（10，0）（10，2），呈狹長(zhǎng)型分布時(shí)（圖3），包絡(luò)線(xiàn)范圍內(nèi)點(diǎn)（5，1.5）的定位誤差為54.07cm，包絡(luò)線(xiàn)邊緣的點(diǎn)（0，0.5）的定位誤差為280.37cm，包絡(luò)線(xiàn)范圍外的點(diǎn)（0，5）的定位誤差為173.04cm。與6臺(tái)基站呈正方形分布（圖4）相比，精度明顯下降。因此，布設(shè)基站時(shí)應(yīng)盡量按正多邊形部署，避免狹長(zhǎng)型分布。

3.3 不同定位區(qū)域?qū)Χㄎ痪鹊挠绊?/h3>

研究基站包絡(luò)線(xiàn)內(nèi)、包絡(luò)線(xiàn)邊緣、包絡(luò)線(xiàn)外的定位精度差異。取三組定位點(diǎn)，y軸坐標(biāo)分別為5、10、15m，x軸坐標(biāo)在1～19m之間間隔0.1m取點(diǎn)，每組181個(gè)點(diǎn)。不同定位區(qū)域定位誤差如表1所示。包絡(luò)線(xiàn)內(nèi)、包絡(luò)線(xiàn)邊緣、包絡(luò)線(xiàn)外的定位誤差分別為20.83、27.12、54.02cm。由此可以推斷出，在基站包絡(luò)線(xiàn)內(nèi)定位精度較高，在包絡(luò)線(xiàn)邊緣以及包絡(luò)線(xiàn)外定位精度則大幅度降低。因此，在定位過(guò)程中需注意避免定位目標(biāo)超出基站包絡(luò)線(xiàn)范圍。

4 基于UWB定位系統(tǒng)的建筑數(shù)字孿生應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)是CPS系統(tǒng)的核心技術(shù)，已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。數(shù)字孿生是指在數(shù)字虛擬空間中構(gòu)建的虛擬事物，與物理實(shí)體空間的真實(shí)物體對(duì)應(yīng)在幾何、物理、行為和規(guī)則等方面都相同的虛實(shí)映射關(guān)系[7]。數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程[8]。數(shù)字孿生系統(tǒng)通過(guò)孿生大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)（圖5），包括物理空間、數(shù)字空間和服務(wù)系統(tǒng)。

表1 不同定位區(qū)域定位誤差對(duì)比表

6 Unity 虛擬展廳

7 展廳數(shù)字孿生系統(tǒng)

8 參觀軌跡圖

9 參觀時(shí)間表

我們利用Unity三維顯示引擎搭建了一個(gè)展廳的數(shù)字孿生系統(tǒng)（圖6），完成了展廳在幾何、物理、行為、規(guī)則四個(gè)方面從物理世界到虛擬世界的映射。同時(shí)結(jié)合UWB定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位、熱點(diǎn)分析、行人軌跡追蹤的功能。

4.1 實(shí)時(shí)定位

在展廳中，實(shí)時(shí)定位是關(guān)注參觀人員或者重要物資和設(shè)備的當(dāng)前位置。為定位目標(biāo)佩戴定位標(biāo)簽，并按前文中所述要求設(shè)置基站的數(shù)量和位置，定位可覆蓋展廳全部區(qū)域，精度達(dá)厘米級(jí)別，刷新率約為1s，可以解決視覺(jué)定位等方法的定位缺陷。在展廳的數(shù)字孿生系統(tǒng)中（圖7），我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議獲取UWB定位系統(tǒng)解算的位置坐標(biāo)以及無(wú)重復(fù)的標(biāo)簽ID號(hào)，在上位機(jī)界面中三維可視化參展人員的動(dòng)態(tài)位置，能夠?yàn)楣芾砣藛T直觀地顯示人員位置信息和宏觀分布狀況，為展廳管理提供新思路。

4.2 熱點(diǎn)分析

熱點(diǎn)分析主要是對(duì)展廳當(dāng)前參觀總?cè)藬?shù)、每個(gè)展臺(tái)的當(dāng)前駐留人數(shù)、當(dāng)前參觀人數(shù)最多的展臺(tái)號(hào)、駐留時(shí)間等進(jìn)行分析。計(jì)算在定位范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量，即為參觀總?cè)藬?shù)；設(shè)定一定距離閾值，判斷人員是否在某個(gè)展臺(tái)的距離范圍內(nèi)，計(jì)算每個(gè)展臺(tái)前的參觀人數(shù)；判斷當(dāng)前參觀人數(shù)最多的展臺(tái)號(hào)，即為熱點(diǎn)展臺(tái)。

同時(shí)可以進(jìn)一步分析當(dāng)前展廳參觀總?cè)藬?shù)和特定區(qū)域人員密度，限制參展人數(shù)，防止展廳過(guò)于擁擠造成安全事故，重點(diǎn)關(guān)注人員密度較大的區(qū)域，實(shí)時(shí)把控展廳安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)熱點(diǎn)統(tǒng)計(jì)合理安排展臺(tái)位置，分散參觀人員，營(yíng)造更加舒適的參展氛圍。根據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得參觀人員駐留時(shí)間最短的展臺(tái)，改善其展示內(nèi)容，優(yōu)化展品質(zhì)量。

4.3 行人軌跡

行人軌跡的功能主要關(guān)注參觀者的參觀軌跡以及駐留時(shí)間（圖8，9）。我們?yōu)槊恳晃粎⒂^人員分發(fā)定位標(biāo)簽，從進(jìn)入展廳后開(kāi)始記錄，直至離開(kāi)展廳歸還標(biāo)簽結(jié)束記錄，描繪參觀者的歷史軌跡圖。根據(jù)標(biāo)簽ID號(hào)查詢(xún)歷史定位數(shù)據(jù)，最后利用Python畫(huà)出參觀軌跡圖，同時(shí)利用定位數(shù)據(jù)中的時(shí)間戳計(jì)算參觀者在每個(gè)展臺(tái)前的駐留時(shí)間。

利用機(jī)器學(xué)習(xí)等算法可以做進(jìn)一步的行為預(yù)測(cè)，如預(yù)測(cè)參觀人員的下一步動(dòng)作和下一處參觀位置、預(yù)測(cè)展廳下一時(shí)刻的人員密度分布、預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的熱點(diǎn)展臺(tái)號(hào)等，為照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的智慧節(jié)能控制提供分析基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種UWB室內(nèi)定位技術(shù)與數(shù)字孿生的結(jié)合方法，但是數(shù)字孿生在建筑中的應(yīng)用可貫穿于建筑的整個(gè)生命周期，從設(shè)計(jì)階段到建造階段到運(yùn)維階段，能夠簡(jiǎn)化管理流程、降低管理復(fù)雜度。在未來(lái)，UWB技術(shù)勢(shì)必會(huì)朝著低成本、低復(fù)雜度、更高精度的方向發(fā)展，而UWB定位技術(shù)與深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生技術(shù)更高程度的融合，可根據(jù)主人的行為習(xí)慣、個(gè)人喜好等對(duì)家電產(chǎn)品進(jìn)行智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)更加智慧的家居場(chǎng)景，徹底變革現(xiàn)有的生活模式。