孫士振

中鐵通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100036

引言

隨著大數(shù)據(jù)、5G等新興信息技術(shù)的飛速發(fā)展，城市軌道交通也逐步邁向智能化時(shí)代，成為交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的強(qiáng)力推手。地鐵車站是城市軌道交通出行中最核心的公共區(qū)域，聚集了各類人員，擁有較大的影響面。但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信號(hào)卻不能覆蓋地下空間，無法提供基于定位的一系列服務(wù)。因此，有必要使用室內(nèi)定位技術(shù)作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充與增強(qiáng)，有效連通地鐵空間與室外空間，提供一體化的時(shí)空信息服務(wù)，為智慧軌道交通建設(shè)提供有效助力。

1 室內(nèi)定位需求分析

1.1 性能要求

①精度。不同的應(yīng)用對(duì)精度的要求不同，可能到1米甚至更低的精度。②覆蓋范圍。覆蓋范圍主要是指一個(gè)解決方案和技術(shù)可以提供滿足精度的覆蓋的范圍。不同的技術(shù)和應(yīng)用需求對(duì)覆蓋范圍的要求也不同。③可靠性。軌道交通車站環(huán)境動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)，系統(tǒng)的可靠性不應(yīng)受設(shè)施的動(dòng)態(tài)變化影響。④成本和復(fù)雜度。成本和復(fù)雜度指標(biāo)涵蓋兩個(gè)方面。一個(gè)是定位終端的成本，是不是可以不添加新的硬件而用已有的硬件終端[1]。另一方面是布局和維護(hù)的成本及其復(fù)雜度，包括布局與維護(hù)定位所需要的設(shè)施和采集相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。⑤功耗。功耗是定位設(shè)備的一個(gè)很重要的指標(biāo)，尤其對(duì)需要使用電池的移動(dòng)定位設(shè)備，功耗過大就限制了用戶的使用。因此要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的位置感知，必須降低因增加定位功能所增加的設(shè)備功耗。⑥可擴(kuò)展性?？蓴U(kuò)展性是指能擴(kuò)展到更大的覆蓋范圍和更多使用功能的能力，以及方便地移植到不同的環(huán)境和應(yīng)用的能力。⑦響應(yīng)時(shí)間。系統(tǒng)給出位置更新信息需要的時(shí)間。需求不同，所需要的時(shí)間不同，比如可移動(dòng)用戶和導(dǎo)航應(yīng)用需要更快的位置更新。

2.2 應(yīng)用需求

通過室內(nèi)定位技術(shù)，可支持如下應(yīng)用需求。

室內(nèi)導(dǎo)航：可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航，便于乘客尋找服務(wù)中心、衛(wèi)生間等公共設(shè)施，并與室外導(dǎo)航相結(jié)合提供指引乘客換乘出行服務(wù)?；谖恢眯畔ⅲ槍?duì)特定人員聯(lián)調(diào)監(jiān)控，可自動(dòng)調(diào)取該人員最近的攝像頭監(jiān)控。

公共安全、治安事件：發(fā)生火災(zāi)或其他緊急事件時(shí)，可以通過室內(nèi)定位在最短時(shí)間內(nèi)找到安全出口，救援人員也可以通過求救者提供的位置信息迅速找到求生者，使其盡快脫離險(xiǎn)境。車站、車廂發(fā)生治安事件后，可以通過報(bào)警者手機(jī)定位，與事發(fā)地最近的警務(wù)人員，以及車廂安保人員聯(lián)系，快速處置。

工作人員定位：可快速定位現(xiàn)場(chǎng)工作人員的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)及歷史移動(dòng)軌跡信息，實(shí)現(xiàn)異常事件的人員快速調(diào)度和應(yīng)急指揮，提高工作人員的效率及處理緊急事件的響應(yīng)速度。

設(shè)備狀態(tài)感知：在設(shè)備上加裝無線模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備定位，建立專業(yè)專用的無線傳輸通道，將設(shè)備的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳遞到單獨(dú)設(shè)置的地鐵設(shè)備綜合運(yùn)管中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)采集。

設(shè)備維修提效：一方面，故障設(shè)備位置不需要查閱圖紙確定位置，維修人員可以使用專用導(dǎo)航系統(tǒng)，快速定位；另一方面，維修人員可攜帶維修PDA，綜合運(yùn)管中心可以通過PDA定位維修人員位置，實(shí)現(xiàn)就近精準(zhǔn)派單，并將維修指南定向發(fā)送給維修人員。

周界防護(hù)：基于各區(qū)域不同的用途與準(zhǔn)入權(quán)限設(shè)置電子圍欄區(qū)域，并利用現(xiàn)場(chǎng)感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)異常闖入的快速識(shí)別報(bào)警。

定位尋人、尋物：走散、走失人員求助后，可以定位后與所在地點(diǎn)進(jìn)行廣播聯(lián)動(dòng)，與就近的站務(wù)、警務(wù)、志愿者聯(lián)系尋人。遺失手機(jī)、遺失包內(nèi)有手機(jī)，可以定位后與所在地點(diǎn)最近的站務(wù)、警務(wù)、志愿者聯(lián)系尋物。

醫(yī)療、殘障救助：車站、車廂有乘客突發(fā)疾病，可以定位后與事發(fā)地最近的急救志愿者，或者醫(yī)療機(jī)構(gòu)聯(lián)系，快速進(jìn)行救治。殘障人士乘坐地鐵，可以致電服務(wù)中心，根據(jù)殘障人士的定位信息，就近安排站務(wù)人員開啟無障礙通行設(shè)備，或者引導(dǎo)乘客通過直梯進(jìn)出車站。

3 主要技術(shù)方案

目前可以采用紅外線、超聲波、藍(lán)牙、Wi-Fi、超寬帶、5G NR等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

紅外線的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，定位精度相對(duì)較高，但是由于紅外線穿透性極差，只能視距傳播，當(dāng)標(biāo)識(shí)被遮擋時(shí)就無法正常工作，受燈光、煙霧等外在環(huán)境因素影響明顯。另外，紅外線的傳輸距離較短，在站內(nèi)布置設(shè)備時(shí)，無論哪種方式，在有遮擋的地方，甚至轉(zhuǎn)角處都需安裝接收端。因此使得布局復(fù)雜，成本提升，影像定位效果。

超聲波室內(nèi)定位技術(shù)整體精度達(dá)到了厘米級(jí)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，但是超聲波在空氣中的衰減較大，不適用于大型場(chǎng)合。

當(dāng)前比較流行的Wi-Fi定位是IEEE802.11的一種定位解決方案。目前，它應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)定位，成本較低，但Wi-Fi很容易受到其他信號(hào)干擾，從而影響定位精度，并不十分可靠，而且定位器的能耗較高。

對(duì)于輸電線路整個(gè)工程而言，存在著諸多因素會(huì)對(duì)其造成一定程度上的影響，例如基礎(chǔ)工程的造價(jià)、工程所消耗的工期以及工程所消耗的勞動(dòng)力等方面，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，一般情況下工程工期占到了大約一半左右，而費(fèi)用所占到的比例大致在兩成，也就是說，基礎(chǔ)施工質(zhì)量的好壞能夠?qū)旊娋€路運(yùn)行的安全性與有效性造成很大程度上的影響，因此做好基礎(chǔ)工程的有效控制十分重要。

藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于定位，與Wi-Fi有很多相似之處，主要應(yīng)用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫；同樣有定位誤差不穩(wěn)定，受噪聲信號(hào)干擾大的缺點(diǎn)。

超寬帶技術(shù)（UWB）是近年來新興一項(xiàng)全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信無線新技術(shù)。超寬帶的主要優(yōu)勢(shì)有，低功耗、對(duì)信道衰落（如多徑、非視距等信道）不敏感、抗干擾能力強(qiáng)、不會(huì)對(duì)同一環(huán)境下的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾、穿透性較強(qiáng)，具有很高的定位準(zhǔn)確度和定位精度。超寬帶定位系統(tǒng)與常用的 RFID、藍(lán)牙、Wi-Fi、 Zig Bee、GPS、4G等均不存在頻譜干擾，這使它與各種通信技術(shù)的混合使用成為可能。

5GNR定位是基于5G蜂窩的定位技術(shù)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)為終端提供無線通信功能的同時(shí)提供定位服務(wù)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下通訊和定位需求。5GNR基站結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬和多波束特性，可支持multi-RTT、AoA和OTDOA多種定位技術(shù)，不同算法實(shí)現(xiàn)的定位精度不同。通信與傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)相比，5G室內(nèi)定位具有用戶覆蓋度高、實(shí)時(shí)性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。NR R15階段暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)高精度定位，R16版本可初步滿足80%時(shí)間實(shí)現(xiàn)室內(nèi)3米的定位精度要求，而R17將在R16基礎(chǔ)上繼續(xù)演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位，可滿足0.2米以內(nèi)的絕對(duì)精度要求。

4 方案比選

表1 室內(nèi)定位對(duì)比

從智慧軌道交通室內(nèi)定位需求來看，以上幾種室內(nèi)定位精度都可滿足需求，但是從可靠性來看，WiFi、超寬帶及5G NR更符合智慧軌道交通應(yīng)用需求。超寬帶（UWB）無線定位技術(shù)功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低，尤其是能提供非常精確的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。并且，UWB定位系統(tǒng)提供的位置實(shí)時(shí)顯示、歷史軌跡回放、人員考勤、電子圍欄、智能巡檢等功能，可有效幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)員工或物質(zhì)的安全管理。

5 系統(tǒng)部署方案

5.1 系統(tǒng)功能[2-3]

5.1.1 位置地圖服務(wù)。可展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員的實(shí)時(shí)位置、信息，按需求查看具體人員位置?；谖恢眯畔ⅲ槍?duì)特定人員聯(lián)調(diào)監(jiān)控，可自動(dòng)調(diào)取該人員最近的攝像頭監(jiān)控。

5.1.2 歷史軌跡顯示?？苫胤拍扯螘r(shí)間內(nèi)人在某個(gè)區(qū)域內(nèi)的巡檢軌跡，支持自定義繪制區(qū)域進(jìn)行軌跡回放。支持自動(dòng)跳過無位置數(shù)據(jù)時(shí)間段，可手動(dòng)開啟，支持回訪速率調(diào)節(jié)。

5.1.3 電子圍欄報(bào)警。劃定禁入?yún)^(qū)域、授權(quán)區(qū)域等電子圍欄還原現(xiàn)場(chǎng)越界軌跡。非被授權(quán)人闖入?yún)^(qū)域，可即時(shí)通知相關(guān)人員進(jìn)行告警，自動(dòng)調(diào)取附近攝像頭監(jiān)控信息?？蓪?duì)圍欄進(jìn)行規(guī)制配置和啟用設(shè)置。

5.1.4 標(biāo)簽卡功能。任意標(biāo)簽的實(shí)時(shí)追蹤模式。標(biāo)簽人員卡的低電量自檢告警。標(biāo)簽人員卡的在線、休眠、離線三種狀態(tài)。突發(fā)情況一鍵報(bào)警上傳人員實(shí)時(shí)位置信息。

5.1.5 組織架構(gòu)管理。人員管理，可提供增刪改查人員信息。提供人員信息，篩選條件自定義功能。

5.1.6 高精度實(shí)時(shí)定位?？蓪?shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境2m以下定位精度。由于站內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，無法確保基站間通視，定位計(jì)算方法建議不依賴基站間時(shí)鐘同步。

5.1.7 巡檢功能。宜采用定位標(biāo)簽卡和智能終端二合一的方式；還應(yīng)提供智能終端軟件，具備拍照錄像及語音通話的功能。照片及錄像可自動(dòng)上傳至指定后臺(tái)并存儲(chǔ)；智能終端軟件可與后臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向?qū)χv通話，以便處理突發(fā)情況；后臺(tái)可向智能終端發(fā)送語音任務(wù)指令或調(diào)起其攝像頭進(jìn)行拍攝；智能終端軟件具備隨身應(yīng)急廣播功能。

5.1.8 擴(kuò)展能力。需支持其他業(yè)務(wù)部門2.4GHz/5.8GHz頻段的專用安卓設(shè)備通過授權(quán)的方式入網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)采集和回傳，通過開放二次接口的方式回傳調(diào)度中心。

5.2 系統(tǒng)構(gòu)成

在軌道交通中采用超寬帶無線定位、2.4GWi-Fi及5.8G Wi-Fi融合的通信技術(shù)系統(tǒng)，是由多基站的系統(tǒng)形成一個(gè)有線、無線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)基站覆蓋區(qū)根據(jù)地鐵運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行劃分，正常運(yùn)行時(shí)各基站由設(shè)置在控制中心的中心控制器控制，當(dāng)基站在與中心控制器通信中斷時(shí)，以單基站集群方式支持單基站系統(tǒng)的正常運(yùn)行[4]。車輛段獨(dú)立設(shè)置為一個(gè)基站覆蓋區(qū)。

鑒于部署環(huán)境限制，本系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)支持現(xiàn)場(chǎng)有線安裝、無線安裝和混合安裝。定位基站應(yīng)可支持全無線自組網(wǎng)方式部署。即各定位基站之間僅依靠無線信號(hào)進(jìn)行通信，無須有線連接。在此基礎(chǔ)上，為滿足視頻數(shù)據(jù)的回傳，該無線自組網(wǎng)絡(luò)在10跳后的帶寬應(yīng)不小于100Mbps。且自組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)因外部原因變更或斷電時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可在100秒內(nèi)自動(dòng)續(xù)接，保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸通路暢通。

在控制中心設(shè)置核心交換設(shè)備、無線定位服務(wù)器、接口服務(wù)器、管理工作站、維護(hù)終端、智能巡檢手持臺(tái)及控制中心樓層的室內(nèi)覆蓋設(shè)備等。無線定位系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋應(yīng)包含但不限于以下范圍：控制中心（含調(diào)度大廳、控制中心相關(guān)生產(chǎn)用房）[5]。同時(shí)在控制中心配置定位引擎軟件、系統(tǒng)管理軟件、接口軟件，這些軟件部署在控制中心系統(tǒng)服務(wù)器中。同時(shí)，在控制中心設(shè)置無線定位系統(tǒng)網(wǎng)管設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)無線定位設(shè)備的設(shè)置、監(jiān)測(cè)和記錄等管理。當(dāng)無線定位系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可準(zhǔn)確記錄故障時(shí)間和故障部位。

在車站設(shè)置一體化分站設(shè)備、車站交換機(jī)、人員標(biāo)簽、智能巡檢手持臺(tái)等。車站站臺(tái)每50m設(shè)置一套一體化分站設(shè)備進(jìn)行覆蓋，利用24芯光纜與車站機(jī)房?jī)?nèi)無線定位接入交換機(jī)連接。區(qū)間一體化分站設(shè)備設(shè)置在隧道壁上部區(qū)域每50m設(shè)置一處。無線定位系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋應(yīng)包含但不限于以下范圍：各車站的站臺(tái)、站廳、辦公區(qū)、設(shè)備房及車輛段各單體建筑，正線區(qū)間線路。

在車輛段運(yùn)用庫、檢修庫等單體內(nèi)每50m設(shè)置一套一體化分站設(shè)備進(jìn)行覆蓋，利用24芯光纜與車輛段機(jī)房?jī)?nèi)無線定位接入交換機(jī)連接。

為車站、車輛段及控制中心工作人員配備人員及現(xiàn)場(chǎng)施工人員標(biāo)簽、智能巡檢手持臺(tái)等。宜采用定位標(biāo)簽卡和智能終端二合一的方式；還應(yīng)提供智能終端軟件，具備拍照錄像及語音通話的功能。

通信傳輸系統(tǒng)為無線定位系統(tǒng)提供中心、車輛段、各車站之間的一個(gè)以太網(wǎng)通道。

系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)避免對(duì)軌道交通其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，如信號(hào)無線系統(tǒng)、專用無線通信、公安無線通信系統(tǒng)，以及移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G、3G、LTE）等。

6 結(jié)束語

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天，定位在各行各業(yè)有廣泛的需求，如汽車GPS定位系統(tǒng)、手機(jī)定位等。智能運(yùn)行、智能管理、智能維護(hù)、智能服務(wù)等均需要城市軌道交通定位系統(tǒng)提供高精度定位服務(wù)，為開展行車調(diào)度、維修安檢、資產(chǎn)管理、應(yīng)急指揮等工作提供基礎(chǔ)性保障。

城市軌道交通是典型的客戶集中度高、業(yè)務(wù)流量大場(chǎng)景，通過UWB精準(zhǔn)定位助力智慧城軌建設(shè)，有效促進(jìn)軌道交通數(shù)字化進(jìn)程，提升乘客出行體驗(yàn)及運(yùn)維效率。