邮轮舱内人员定位技术分析

张宝阳 谢宗佑 磨善鹏 王广 杨佳嘉

基金项目：工业和信息化部关键技术攻关工程（工信部装函[2019]331号）

第一作者简介：张宝阳（1982-），男，工程师。研究方向为智能制造、通信技术。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.043

摘  要：随着邮轮旅游业的快速发展和乘客需求的多样化，如何在邮轮的复杂生活空间中进行有效的路线導航、商品导购及火灾等突发事件发生时进行安全撤离，成为亟待解决的问题。此时需要实现对邮轮舱内人员的精确管理和定位。该文将对现有的几种主要的人员定位技术进行分析和比较，以期为船舱内部人员精确定位提供有益的参考。

关键词：邮轮；舱内人员；人员定位技术；导航；管理与定位

中图分类号：U673.4      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）15-0189-04

Abstract： With the rapid development of the cruise tourism industry and the diversification of passenger demands， effective route navigation within the complex living spaces of cruise ships， product shopping guidance， and safe evacuation in the event of emergencies such as fires have become pressing issues to be resolved. At this time， precise management and positioning of personnel within the cruise ship's cabins are required. This article will analyze and compare several existing main personnel positioning technologies， in hopes of providing useful references for the precise positioning of personnel inside the ship's cabins.

Keywords： cruise ship; cabin personnel; personnel positioning technology; navigation; management and positioning

邮轮旅游业作为全球旅游业的重要组成部分，近年来得到了快速发展[1]。其作为典型的大型生活空间，乘客需要在庞大且复杂的环境中找到自己的房间、餐厅、娱乐设施和购物场所等位置，这将降低乘客旅游的舒适度和体验感；同时在旅游过程中存在诸多安全隐患，如火灾、碰撞、迷路等问题，将对邮轮舱内人员的生命安全构成威胁[2]。因此，如何实现对邮轮舱内人员的精确管理和定位，提高邮轮舱内乘客的舒适便捷性和安全性，成为邮轮在设计时亟待解决的问题。

1  现阶段舱内人员定位技术分析

1.1  RFID定位技术

RFID（Radio Frequency Identification）是一项无线射频识别技术[3]，整套RFID系统由3部分组成：阅读器、电子标签、数据管理系统。标签进入读卡器后，接收读卡器发射的射频信号，并利用感应电流获得的能量发送存储在芯片中的产品信息（无源标签），或者标签主动发送特定频率的信号（有源标签）。在阅读器读取并解密信息后，将其发送到中央信息系统进行相关数据处理。在邮轮舱内人员定位系统中，RFID技术可以通过安装在邮轮舱内的读写器和贴在人员身上的电子标签，实现对邮轮舱内人员的定位和管理。RFID技术的优点是定位精度较高，且系统成本较低。

1.2  WLAN定位技术

WLAN（Wireless Local Area Network）是无线局域网技术[4]，通过在邮轮舱内部署多个接入点（AP），形成一个无线网络，可以实现对邮轮舱内人员的定位和管理。相较于RFID的区域定位（存在式定位），增加了对信号场强的测量，在辅助以传播模型、射频指纹等优化后，可实现3～10 m的定位精度。WLAN定位技术根据接收信号强弱的利用算法定位，如RSSI（Received Signal Strength Indication）或TOA（Time of Arrival）等。WLAN定位技术的优点是定位范围较大，且系统成本较低。

1.3  UWB定位技术

UWB（Ultra Wide Band）是一种高速无线通信技术[5]，其能够通过在船只内建立众多的基站，构建一个高速无线网络，从而能够进行船只内人员精确定位与控制，如图1所示。UWB不使用载波，采用较短能量脉冲序列，通过正交频分调制或直接排序把脉冲扩展到固定的频率范围。UWB使用的无线电带宽高达数吉赫，比带宽约为20 MHz的WLAN高出数百倍，且由于频谱的功率密度极小（2.4 GHz WLAN低于10 mW/MHz，UWB低于10 mW/MHz），其具有通常扩频通信的特点。UWB定位技术利用基于到达时间差的方式定位，如TDOA（Time Difference of Arrival）或FDOA（Frequency Difference of Arrival）等。UWB定位技术的优点是定位精度极高，且系统稳定性较好。

图1  UWB定位技术原理

1.4  指纹定位技术

指纹定位技术是一种基于无线信号的空间定位方法。其基本原理是利用无线信号在不同环境中的空间点位变动，然后将房间中特定位置的无线信号特征作为该位置的指纹，组成位置和指纹相互关联的云端数据库，从而通过指纹匹配实现用户位置计算。定位流程主要包括离线信号采集和在线位置定位2个阶段。在离线信号采集阶段，首先在定位区域内选取一些固定位置参考点，然后采集固定位置參考点可以收集与AP的MAC地址相对应的RSSI数据，对RSSI数据进行初步处理，然后通过固定位置参考点的坐标来收集AP的BSSID和相应RSSI数据以建立指纹数据库。在线站点定位阶段，在相同的室内环境中收集测试点的RSSI数据，形成在线空间点指纹。将采集的指纹与云端数据库中的指纹相对比，并使用既定的定位方法确定指纹的位置坐标。通过将在线读数与数据库中与读数对应的最近位置进行比较来估计UD的位置。对于任何位置，可能存在歧义点，导致独立定位场景中存在较高的估计误差。如图2所示。

图2  指纹定位算法原理图示

1.5  蓝牙（Bluetooth）定位技术

蓝牙定位技术是一种基于蓝牙无线通信技术的定位方法[6]。主流确定信号方向的技术为到达角（AOA）技术。AOA定位技术主要由发射端和接收端组成，发射端只有单个天线，接收端由多天线阵列组成。首先，发射端会通过一定频率的载波信号对一段CTE信号进行广播。然后，接收端的多天线阵列会在接收到信号后与发射端进行配对。接收端会控制自身的射频开关以切换不同的天线进行采样。由于接收端的各个天线单元的位置不同，它们接收到的信号会产生相位差异。最后利用采样数据中存在的相位差关系计算出接收信号的到达角，从而进行定位。若基站BS1和BS2将目标发射信号的输入角度识别为θ1和θ2，那么有公式（1）

利用2个或2个以上接收机提供的AOA测量值，按AOA定位法确定多条方位线的交点，即为目标的估计位置，如图3所示。通过求解上述非线性方程组可以得到目标的估计位置。一般来说，如果要计算被测物体的平面位置（即二维位置），那么需要测量2个角度和一个距离，同理，如果要计算被测物体的立体位置（即三维位置），那么需要测量3个角度和一个距离。基于角度测量的定位技术需要使用方向性天线，如智能天线阵列。

1.6  其他定位技术

1）惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System，简称惯导）是自主导航，即惯导可以不依靠外界因素而进行自主导航，因此其对金属船舱、人员走动、复杂的电磁环境等抗干扰能力极强。高精度的惯导可以在很长一段时间内保持亚米级甚至厘米级的误差，但高精度惯导成本高、体积大，并且在工作很长一段时间后需要进行校准等，这使得高精度惯导的应用范围受到约束。

2）声音定位（sound localization）是指利用环境中的声音确定声源方向和距离的技术。依据声源与拾音器之间声波传输的强度、到达时间、相位差等实现定位。可实现米级的定位精度，其优点是技术成熟、结构简单、造价低且具备不错的定位精度，主要的缺点是正常的音频易受干扰，而超声、次声对人身的损害待研究。

3）可见光室内定位技术基于可见光通信而研发，可见光通信系统可利用室内照明设备代替WLAN局域网基站发射信号，只要在室内灯光照到的地方，就可以实现高速无线数据通信，由于光谱远大于常见的5G、Wi-Fi等无线电频谱，意味着更大的带宽和更高的速度。由于不使用无线电波通信，对电磁信号敏感的场景可以自由使用该系统。基于光信号良好的路径特性，可见光室内定位技术可以实现厘米级的定位精度，其主要局限一是尚处于研制阶段，产业化尚不成熟，二是关灯后会丧失定位的功能。

图3  AOA定位技术原理

2  舱室内人员定位技术现阶段的不足及前景

2.1  舱室内人员定位技术存在的不足

通过对多种定位技术的分析，亦发现诸多不足。RFID定位技术在邮轮舱内使用时定位精度会受限，在定位时精度受到参考标签和超高频RFID读写器的位置和密度的影响。当需要满足相同的准确性要求时，读写器的布局较为复杂，数量很大，容易受到环境的影响，例如基于RSS的定位方法易受到RSS本身波动和环境的影响，难以进一步提高精度。WLAN定位技术依赖于无线网络的信号强度来进行定位，然而在实际应用中，无线网络的信号可能会受到各种因素的干扰，如其他无线设备的信号、建筑物结构等，这可能导致定位结果的准确性降低，同时数据传输速率相对较低，这在一定程度上限制了其在高速移动场景中的应用，并且功耗相对较高，这对于一些对功耗有严格要求的设备来说是一个不小的挑战。UWB定位技术的精度非常高，但是其覆盖范围相对较小，这意味着在大型空间内进行定位时，可能需要部署更多的设备，导致成本较高。高精度惯导技术由于其导航信息经过积分而产生，定位误差会随时间而增大，这就导致了长期的精度较差；对于初始位置的精度要求非常高，如果初始位置不准确，可能会导致后续的定位结果出现较大的偏差；对于环境的适应性不强，例如在强磁场或者强重力场的环境下，其定位结果可能会出现较大的偏差。指纹定位技术的精度受到很多因素的影响，包括环境温度、湿度、光照条件等，这些因素都可能影响指纹识别的准确性；数据传输速率相对较低，数据库采集工作量大，且在后期维护过程中，随着环境发生变化，需重新采集维护指纹数据库，指纹数据库的采集和维护是一项复杂且耗时的任务，需要大量的人力和物力投入。蓝牙定位技术需要布设大量蓝牙基站或网关，在拓扑合理、算法适当的情况下，需要平均20～30 m2每台的部署密度，对通信网络及设备供电等基础设施及工程安装、系统运维等要求较高。

2.2  舱室内人员定位技术的前景及发展趋势

首先，隨着科技的发展，定位技术将越来越精确。例如，UWB（超宽带）定位技术可以提供厘米级别的定位精度，这对于许多高精度要求的应用来说非常重要。这种高精度的定位技术不仅可以应用于工业生产、物流管理等领域，还可以应用于医疗、养老等民生领域，提高服务的效率和准确性。惯导定位技术随着微电子机械系统（MEMS，Micro Electro Mechanical System）技术的兴起和发展，使得INS导航设备的体积和成本得到有效降低，MEMS惯性传感器逐渐成为惯性技术的一个重要应用方面，此外，依靠MEMS惯性传感器可显著减少基站的布置情况，并且结合LoRa无线通信技术，在一定的船舱区域内，采用一个有线基站及多个无线基站的部署方式，可减少有线基站的配置情况，显著降低了定位导航服务成本，实现低成本的研发要求。由此，将前述技术与基于MEMS的惯导设备组合，有望构建体积小、成本低、精度高和抗干扰能力强的系统，能很好满足邮轮定位服务需求的组合导航系统。

其次，随着物联网和大数据技术的发展，实时定位将成为一种可能。这意味着可以实时地知道一个人的位置，这对于安全管理、应急响应等方面有着重要的意义。例如，在大型公共场所，实时定位技术可以帮助管理人员快速找到需要帮助的人；在灾害发生时，实时定位技术可以帮助救援人员快速找到被困的人员。

再次，随着人们对隐私保护意识的提高，未来的定位技术需要更加注重隐私保护。这将使得定位技术在提供方便的同时，也能充分尊重和保护用户的隐私权。

最后，未来的定位技术可能会更加集成化，也就是说，一个设备可以实现多种定位技术，以满足不同场景的需求。定位装置可以实现GPS定位，也可以实现Wi-Fi定位，还可以实现蓝牙定位，这样就能根据不同的场景选择最合适的定位方式。随着人工智能和机器学习技术的发展，未来的定位技术可能会提供更加个性化的服务。可以根据个人的习惯和偏好来提供更加精准的定位服务。比如某人有一定的行为模式，定位系统就可以预测出他在这个时间段将会去的地方，从而提供更加个性化的服务。

3  结束语

通过对现有几种主要的人员定位技术进行分析，可以看出每种技术都有其优缺点。在实际应用中，应根据邮轮舱内的具体环境和需求，选择合适的定位技术，以提高邮轮舱内人员的安全性和舒适便捷性。同时，随着物联网、大数据等技术的发展，未来邮轮舱内人员定位技术将更加智能化、精细化，为邮轮旅游业的未来发展提供更加有力的支持。

参考文献：

[1] 徐虹，杨红艳，韩林娟.中外邮轮旅游研究回顾与展望——基于研究对象演变的分析[J].旅游科学，2019，33（2）：1-18.

[2] 巩琦，王吉武，张英香，等.国外大型豪华邮轮建造中安全事故案例研究及启示[J].现代职业安全，2023（1）：55-58.

[3] 谢良波，李宇洋，王勇，等.基于自适应蝙蝠算法的室内RFID定位算法[J].通信学报，2022，43（8）：90-99.

[4] 黄辉.室内未知环境下人员定位技术研究[D].武汉：华中科技大学，2022.

[5] RIDOLFI M， KAYA A， BERKVENS R， et al. Self-calibration and collaborative localization for UWB positioning systems： A survey and future research directions[J]. ACM Computing Surveys （CSUR）， 2021，54（4）：1-27.

[6] PAU G， ARENA F， GEBREMARIAM Y E， et al. Bluetooth 5.1： An analysis of direction finding capability for high-precision location services[J]. Sensors， 2021，21（11）：3589.