高铁站内定位导航技术方案的研究

蔡宏宇

摘要：基于高铁站内场景的各种局限，广泛对比目前常见的室内定位导航技术的优缺点，并从经济性和实用性的角度提出适合高铁站内导航的技术方案，希望借此提升站内旅客服务的整体水平。

关键字：WIFI；蓝牙；定位导航

Abstract：Owing to the fact that there are many limitations in the railway station，advantages and disadvantages of indoor localization and navigation technology are widely compared in this article. A technical solution which aims at promoting the experience of passengers in railway station is proposed in term of economic and practical use.

keyword：WIFI Bluetooth localization and navigation technology

引言

近年来，随着新一代动力和控制技術的应用，高速铁路成为中国陆路客运体系中最突出的增长点，截至2016年底，高铁累计发送旅客已突破 50 亿人次，并以年均30%以上的速度继续增长。高速铁路作为国家重要基础设施和使用人数众多的交通工具，车站内部空间覆盖面积广、功能区域众多、连接路径复杂，导致旅客对于站内定位和导航的需求日益增加，尤其是在站内各个主要功能区域及其出、入口处（例如候车大厅、进出站口、安检区域等），最常见的做法是，通过移动终端的信号强度或应用其扫码功能，间接获知其用户在室内的位置信息，从而帮用户规划去某处的最佳路径。但是由于常用作定位的GPS和北斗等系统发射的信号功率弱、频率高，其很难穿过屋顶，以至于在复杂室内环境下信号质量不稳定，其定位时间、定位精度都很难得到有效的控制。

针对上述问题，最近几年，业内发展出了一系列新的室内技术以及室内定位解决方案，例如A-GPS定位技术、超声波定位技术、红外线技术、蓝牙定位技术、射频识别技术、超宽带技术、计算机视觉定位技术等等。但是火车站内因历史、经济性等方面的原因，并不是所有定位技术都适用，本论文将着重讨论针对火车站使用场景下的室内导航定位技术。

1常见室内导航技术

目前室内导航的主流技术包括蓝牙导航和WIFI导航，最近这几年涌现出了很多种室内导航的新技术，包括超宽带技术、地磁导航等等。

1.1 WIFI定位

WIFI定位与北斗、GPS、基站等定位方式相比，其主要优势在于较好的折中了室内定位的精度和成本：WIFI热点价格低、部署简单，对于连通性的大型室内空间，很容易通过增加WIFI热点的数量来提高定位精度，且在复杂的室内场景和热点布局下，其绘图精度一般可以满足导航需求。

总体而言，WIFI定位比蜂窝网络三角测量定位方法更精确。WIFI定位常用的算法分为两种：

1、单点定位：根据WIFI的信号强度模型，计算目标手机与邻近WIFI接入点的信号强度测算出与之最近的接入点手机的距离；

2、三角定位或位置指纹定位：根据事先测量的空间信号强度图，计算目标手机与多个（一般3个或3个以上，狭长直线走廊处可为2个）接入点的信号强度特征，测算出手机的位置。

显然，后者的理论定位精度更高。目前，WIFI定位广泛应用于大范围低成本的室内定位，在满足定位需求的同时，还上网功能兼具（在大多数应用场景中，上网的需求甚至超过室内定位导航的需求）。但受制于信号强度，即使WIFI收发器安装的位置足够立项，基本也只能覆盖相对较小面积的区域，而在室内（尤其是WIFI的接入点与地面垂直距离较低时）有效距离甚至可能缩短30米以内，更何况其他信号的干扰，也会导致精度的降低。此外，WIFI定位器的能耗也较高，因而往往需要采用外接供电的方式，隐性地增加了部署周期和成本。利用 WIFI 定位来覆盖每十万平米的面积，费用在数十万元。

1.2 蓝牙定位

与WIFI定位相比，近年来更多室内场景采用了蓝牙定位。蓝牙定位属于短距离、低功耗的无线定位技术。其核心算法原理与WIFI定位类似：都是通过单点定位或三角定位原理获得用户的位置信息，但两者组网方式大不相同，而且其部署难易程度上，较WIFI定位有较大优势。

蓝牙技术根据其技术特点，主要应用于小范围、较高精度的室内定位，例如层高不太大的单层建筑内部。蓝牙室内定位技术特别是低功耗蓝牙定位技术使设备接入点可以不依赖于外部供电，使用内置纽扣电池，相关硬件也易于集成在 PDA、PC以及手机中（目前大多数智能手机中已经在出厂前集成了蓝牙模块），因此很容易推广普及。理论上，当布点间距7米时，可以达到3-5米的定位精度；定位精度随着布点密度的增加，还可以进一步提高。

蓝牙定位技术的代表是 Nokia的 HAIP 的室内精确定位解决方案。虽然在定位精度、供电等方面具有显著优势，蓝牙定位也有自身的缺陷，例如对于覆盖相同的室内面积，蓝牙解决方案的价格比较昂贵，性价比较WIFI低，而且在复杂的空间环境中，蓝牙系统由于功较小，因而稳定性稍差，比WIFI定位更容易受其他信号干扰。但由于除了个别商场外，蓝牙基站在绝大多数室内公共环境不普及，导致其定位成本较高。

表1展示了目前室内定位中部分主流方案的技术特点以及优缺点对比。这里需要说明的是，从定位计算处理方式来说，上述定位方式还可以分为正向定位和反向定位。正向定位采用有源基站，采集区域内移动设备信号，传到后台进行分析，这种方式不需要打开手机应用，更多应用在人员密度等监控系统；反向定位采用手机作为计算载体，获取装在固定位置的有源基站或者无源信号源的位置，这种方式更多应用在手机导航上，这种应用的局限性在于IOS系统限制了后台应用向外发送本机位置信息，而且对手机资源占用较大。

2火车站内定位方案研究

上面仅对相关导航技术自身的原理和特点进行了讨论，我们还需要结合火车站本身的各种局限来选择，尤其是需要参考高铁车站现有资源配置（例如是否已经部署用于提供无线上网服务的WIFI接收器，是否能提供外接供电接口等），以及站内设施改动（例如地面是否允许埋入接收器，屋顶、廊柱是否可以安装接收器挂架等）和项目经费预算所能承受的极限程度，提供最终一组难易度不同的备选方案，以供用户针对每个站点的不同情况，进行合理的选择。

2.1 暂无计划部署WIFI或蓝牙系统的车站

对于站内尚未部署任何WIFI或蓝牙系统，并且可预见的未来也没有相关计划的车站，如果仍然要快速推进站内定位、导航系统的部署和应用，比较适合的方案是基于空间数据库的扫描二维码定位方法：

二维码属于一种低成本室内定位导航方式，当预算较低情况下，却是一种不错的选择，它在很小的二维平面上通过黑白点阵信息来记录符号信息，并且利用手机等移动终端自带的拍摄、图像识别功能将二维码矩阵中的信息与空间数据库中预先存储的位置信息一一对应起来，其在实际应用中能存储较多信息，而且具有识别速度快不易损坏、成本低廉等优点。

如上所述，精确地利用二维码实现室内定位导航，需要将二维码对应的点的属性信息在空间数据库中一一记录下来，如该功能区及其内含服务项目的名称、进出站口和安检口编号及其与相邻功能区的邻接方式等等。

在实际使用中，用户通过手机等移动终端扫描附近的二维码，系统自动将该用户的位置坐标默认为预先设置的二维码所在位置的坐标，该坐标和用户的目标点位通过手机上传至后台系统，后台记录当前点位后，根据最短路径算法计算出起始点到终点的推荐路径，或者当数据库中已有该两点信息后，直接将路径传回移动设备，并在移动设备地图上显示系统推荐路径，完成用户导航功能。

与WIFI和蓝牙等定位导航方式相比，此方法的缺点也是很明显的，由于不能获得用户实时位置的更新信息，用户不仅需要通过扫码确定自己的始发点位置，途中如果对自己的行进方向产生疑问，也只能通过不断地扫码，在当前位置重新获取新的导航路径，或者仅在岔路等关键信息点位确认自己是否仍然正确的走在去往终点路径中，这样不仅耗时，效果也不太理想。并扫码确认自己已经到达目的地。

通过二维码定位的基本原理可以看出，其优势主要在于综合成本低、部署周期短、后期维护简单等。尤其是在硬件后期维护方面，对二维码标识后期的拆除和更换非常简单便捷其相关的整个过程几乎仅涉及二维码标识的生成、坐标点关联和手动粘贴，因此几乎可以视为零成本快速投入使用。

在室内定位导航需求度高速增长，而配套的硬件设施部署不完善的今天，二维码室内导航技术不失为一种折衷的办法来解决用户“我在哪”的困扰问题，而且维护成本低，与将来技术升级，比如升级到蓝牙定位完全不冲突，可以作为一种初期的定位技术简单实现，而且此方法在帮助其他方法校正误差或联合使用等方面仍然能起到一定辅助的补充作用。

2.2 部分部署WIFI系统且无扩展计划的车站

對于站内部分区域已经部署WIFI系统，但是在可预见的未来没有进一步扩展部署区域和增加部署密度计划的车站，建议采用组合方式：在已经部署WIFI热点或能提供供电接口的区域（一般为候车大厅等区域）使用基于三角/三边定位或位置指纹的WIFI定位导航；在其他缺乏配套硬件部署或部署成本过高区域使用基于二维码的定位导航技术。需要注意的是，上述其他区域也包括通风天井、通透式扶梯的上下两端等虽然可能处于已经部署WIFI热点的区域的范围，但是由于与上下不同楼层相邻的纵向通透空间容易造成信号干扰，而难以直接部署WIFI热点的特殊位置。

为了实现WIFI与二维码定位导航方式的无缝对接，在已经部署WIFI热点的区域的点要素（例如区域名称）和线要素（例如相邻区域之间的连接关系）等信息，同样也要被保存进空间数据库，只不过上述区域的重要设施上不再需要被贴上二维码标签。而WIFI定位中在用户手机屏幕的室内地图上对用户位置的动态跟随，需要预先设定一个边界，当计算出的用户位置越过边界时，地图上将不再显示用户实时位置，只有当用户重新WIFI热点范围之外的二维码区域扫描二维码后，其手机地图上的定位点直接跳到当前二维码所对应的地理位置坐标处。

2.3 部分部署WIFI系统且有扩展计划的车站

对于站内部分区域已经部署WIFI系统，并且在可预见的未来有进一步扩展部署区域和增加部署密度计划的车站，除了上述两种组合方式之外，因为提供WIFI上网服务和保证WIFI定位精度之间，对于相关热点布局的要求有所差异，因此实际操作中还可能需要对现有WIFI布点进行适当的调整（一般是增加密度、扩展范围等）。

2.4 部署密度已经符合WIFI定位要求的车站

对于站内绝大部分甚至全部区域已经部署WIFI系统，并且部署密度已经符合WIFI定位要求的车站，建议采用基于三角/三边定位的定位导航方式，对定位精度要求较高的情况下可以进一步升级为位置指纹方式。

如图3所示，基于WIFI的室内定位在硬件上主要由定位服务器、数据服务器（图中被合并进定位服务器中）、监控电脑、交换机、定位AP等组成

3基于WIFI的定位具有如下优势：

（1）升级改造成本低，目前大部分室内场景都已经为上网部署了WIFI，在此基础上改造使其满足室内定位要求，成本较低；

（2）受遮挡物影响较小不像蓝牙信号对人体较大的吸收，而且有较多躲避遮挡物的方式；

（3）覆盖面积广。

当前，绝大多数基于WIFI的定位系统都利用无线信号强度来测算，其算法分为两大类：三角形定位算法和位置指纹识别（fingerprinting）算法。三角形算法根据WIFI设备的场强距离模型，通过计算目标到至少三个已知坐标点处的接收器之间信号的强度差异，以平面几何方式计算出目标的位置；而位置指纹识别则需要预先提取目标位置的特征WIFI指纹信息与事先获知的在空间各点处的信号特征做对比，确定最接近的特征点位，就认为目标在空间中处在该点坐标处。