秦 杰，戚文彬，楊燕明，孫 權(quán)，曾望年，楊 陽(yáng)，朱 濤

（1.中國(guó)銀聯(lián)博士后科研工作站，上海 201201；2.復(fù)旦大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200433；3.中國(guó)銀聯(lián)股份有限公司，上海 201201）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，城市客運(yùn)量呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)。地鐵因其低碳便捷的特點(diǎn)，為人們的生活出行和通勤提供了重要保障。以往人們乘坐地鐵出行時(shí)需要購(gòu)買(mǎi)地鐵票或儲(chǔ)值卡，將卡片放在閘機(jī)指定感應(yīng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)進(jìn)站，在出站時(shí)需要回收地鐵票或刷卡確認(rèn)，運(yùn)營(yíng)平臺(tái)通過(guò)進(jìn)出站點(diǎn)的相關(guān)信息完成儲(chǔ)值卡計(jì)費(fèi)扣款。然而此種方式下會(huì)存在高峰時(shí)間段乘客等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和排隊(duì)購(gòu)票容易造成滯留等問(wèn)題。近年來(lái)，在“互聯(lián)網(wǎng)+”推動(dòng)下，以二維碼支付[1]、云購(gòu)票[2]和NFC（近距離無(wú)線(xiàn)通信）支付[3]為代表的移動(dòng)支付方式應(yīng)運(yùn)而生，切實(shí)緩解了排隊(duì)購(gòu)票和充值圈存過(guò)程效率低下的問(wèn)題。但是無(wú)論二維碼支付還是NFC支付，仍存在以下問(wèn)題：（1）乘客進(jìn)出站時(shí)需要提前打開(kāi)二維碼，并將移動(dòng)設(shè)備放置在指定感應(yīng)位置，因此過(guò)閘效率相對(duì)較低；（2）在人流量較大的地鐵環(huán)境下，以NFC支付為代表的接觸類(lèi)支付方式，無(wú)法嚴(yán)格滿(mǎn)足疫情防控的要求；（3）二維碼支付和NFC支付均無(wú)法實(shí)現(xiàn)乘客通行意圖的智能感知，不能進(jìn)一步提升乘客的支付體驗(yàn)。

萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代背景下，金融科技領(lǐng)域推陳出新，無(wú)感支付成為各金融支付機(jī)構(gòu)和互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)競(jìng)相角逐的新藍(lán)海。其中，基于UWB（超寬帶）技術(shù)的地鐵無(wú)感支付具有良好的應(yīng)用前景。與RFID[4]、Bluetooth[5]和WiFi[6]等傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，UWB通過(guò)發(fā)送納秒級(jí)的窄脈沖信號(hào)完成數(shù)據(jù)傳輸，具有定位精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低、穿透力強(qiáng)和安全性高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。UWB定位算法大多基于到達(dá)時(shí)間的TOA和TDOA方法，利用時(shí)間參數(shù)計(jì)算得到信號(hào)傳輸距離（或距離差），構(gòu)建位置信息的方程組進(jìn)而得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，在室內(nèi)定位跟蹤方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

本文利用UWB室內(nèi)實(shí)時(shí)精確定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種地鐵無(wú)感支付系統(tǒng)。通過(guò)在地鐵閘機(jī)上部署的UWB定位基站，獲取乘客UWB設(shè)備的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)并完成乘客通行意圖的智能感知，實(shí)現(xiàn)了乘客進(jìn)出地鐵站的無(wú)感支付，能夠有效提高地鐵過(guò)閘的通行效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，基于UWB技術(shù)的地鐵無(wú)感支付系統(tǒng)主要由4部分組成，包括UWB設(shè)備、收款終端（地鐵閘機(jī)）、地鐵后臺(tái)系統(tǒng)和支付平臺(tái)。其中，UWB設(shè)備包括手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、智能手環(huán)和智能手表等移動(dòng)設(shè)備或標(biāo)簽。

圖1 UWB地鐵無(wú)感支付系統(tǒng)架構(gòu)

收款終端由安裝UWB定位基站和紅外對(duì)管的地鐵閘機(jī)組成。每個(gè)閘機(jī)通道出口位置布置4個(gè)不處于同一平面上的定位基站，紅外對(duì)管安裝在閘機(jī)的進(jìn)口和出口兩個(gè)位置，當(dāng)乘客到達(dá)進(jìn)站閘機(jī)的紅外感應(yīng)位置后觸發(fā)基站定位功能，對(duì)乘客UWB設(shè)備進(jìn)行搜索并完成相應(yīng)的通信連接。結(jié)合TOA算法[9-10]，即可獲得乘客攜帶的UWB設(shè)備的三維坐標(biāo)定位，并據(jù)此準(zhǔn)確判斷是否打開(kāi)閘門(mén)。乘客通過(guò)閘門(mén)后記錄進(jìn)站站點(diǎn)，待乘客出站時(shí)記錄出站站點(diǎn)，并向地鐵后臺(tái)系統(tǒng)發(fā)送扣款請(qǐng)求。地鐵后臺(tái)系統(tǒng)將扣款請(qǐng)求傳遞給支付平臺(tái)，隨后支付平臺(tái)將支付結(jié)果返回到地鐵后臺(tái)系統(tǒng)，同時(shí)將支付的結(jié)果通知給乘客UWB設(shè)備。最終將支付結(jié)果傳遞給地鐵閘機(jī)，支付成功后出站閘機(jī)門(mén)打開(kāi)。

2 通行方案設(shè)計(jì)

在基于UWB技術(shù)的地鐵閘機(jī)通行方案中，核心要點(diǎn)在于如何有效識(shí)別乘客的通行意圖，包括乘客進(jìn)出站確認(rèn)和智能感知。其中智能感知包括：進(jìn)出站人員感知、進(jìn)出站方向感知和進(jìn)出站閘機(jī)感知。

2.1 進(jìn)出站確認(rèn)

如圖2所示，以進(jìn)站為例，進(jìn)出口兩對(duì)紅外對(duì)管之間的距離為S，閘機(jī)間通道寬度為D，參考坐標(biāo)原點(diǎn)o（0，0，0）位于閘機(jī)出口位置。當(dāng)乘客攜帶UWB標(biāo)簽設(shè)備經(jīng)過(guò)進(jìn)站閘機(jī)時(shí)，閘機(jī)進(jìn)口處的紅外線(xiàn)被遮擋。此時(shí)，閘機(jī)定位基站被觸發(fā)并與乘客的UWB設(shè)備建立連接，完成進(jìn)站乘客的身份驗(yàn)證。依據(jù)定位基站接收到信號(hào)的時(shí)間等信息可以計(jì)算出乘客的當(dāng)前位置坐標(biāo)P（x0，y0，z0）。若0.5S

圖2 基于UWB的地鐵進(jìn)站驗(yàn)證

2.2 智能感知

2.2.1 進(jìn)出站人員感知

當(dāng)沒(méi)有攜帶UWB標(biāo)簽設(shè)備的乘客經(jīng)過(guò)進(jìn)站閘機(jī)或者出站閘機(jī)的紅外對(duì)管時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)判定閘機(jī)門(mén)打開(kāi)。以圖3（a）乘客進(jìn)站為例，經(jīng)過(guò)進(jìn)站閘機(jī)紅外對(duì)管的前方乘客沒(méi)有攜帶UWB標(biāo)簽設(shè)備，其后方乘客攜帶UWB標(biāo)簽設(shè)備，紅外線(xiàn)被前方乘客遮擋后，閘機(jī)UWB定位基站會(huì)與后方乘客的設(shè)備標(biāo)簽建立連接。依據(jù)后方乘客的定位信息x0>S，可以識(shí)別出當(dāng)前進(jìn)站乘客沒(méi)有攜帶UWB標(biāo)簽設(shè)備，閘機(jī)門(mén)不會(huì)打開(kāi)。

2.2.2 進(jìn)出站方向感知

當(dāng)攜帶UWB標(biāo)簽設(shè)備的乘客逆向通過(guò)進(jìn)站閘機(jī)或出站閘機(jī)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)判定閘機(jī)門(mén)打開(kāi)。以圖3（b）乘客在站內(nèi)試圖通過(guò)進(jìn)站閘機(jī)完成出站為例，站內(nèi)一側(cè)紅外線(xiàn)被站內(nèi)的乘客遮擋后，UWB定位基站會(huì)與乘客的設(shè)備標(biāo)簽建立連接。依據(jù)乘客的定位信息x0<0.5S，可以識(shí)別出當(dāng)前乘客出站閘機(jī)選擇錯(cuò)誤，閘機(jī)門(mén)不會(huì)打開(kāi)。

2.2.3 進(jìn)出站閘機(jī)感知

當(dāng)攜帶UWB標(biāo)簽設(shè)備的乘客正常通過(guò)進(jìn)站閘機(jī)或出站閘機(jī)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)誤開(kāi)臨近的閘機(jī)門(mén)。以圖3（c）乘客甲通過(guò)進(jìn)站閘機(jī)1而沒(méi)有攜帶UWB標(biāo)簽設(shè)備的乘客乙試圖通過(guò)進(jìn)站閘機(jī)2為例，站外一側(cè)紅外線(xiàn)被進(jìn)站的乘客甲和乙遮擋后，兩個(gè)進(jìn)站閘機(jī)的UWB定位基站會(huì)與乘客甲的設(shè)備標(biāo)簽建立連接。對(duì)于進(jìn)站閘機(jī)1，乘客甲定位信息滿(mǎn)足0.5S

圖3 基于UWB技術(shù)的感知功能

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于UWB技術(shù)構(gòu)建了一種地鐵交通場(chǎng)景下的無(wú)感支付系統(tǒng)，明確了系統(tǒng)的主要組成部分，給出了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯。通過(guò)對(duì)通行方案的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)乘客通行意圖的快速有效識(shí)別，切實(shí)提高地鐵過(guò)閘通行效率。隨著各大廠商紛紛加速UWB技術(shù)在各類(lèi)智能移動(dòng)設(shè)備的布局，UWB技術(shù)將成為服務(wù)地鐵“智慧出行”變革的重要支撐，本文研究對(duì)加快金融服務(wù)能力外延至交通出行場(chǎng)景具有重要意義。