智慧城轨车站室内人员定位技术分析及应用

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。