蓝牙通讯技术在城市轨道交通的应用

摘 要：随着城市轨道交通系统的建设与发展，除了列车实时信号系统的运用，保障整个轨交系统正常、稳定地运营之外，越来越多的新型通讯技术被运用到城市轨道交通系统中，以便于更精准更便捷得为广大乘客提供更好的出行服务，为轨交工作人员提供更佳的运营维护支持。本文着重介绍在轨交相关领域中蓝牙技术的应用及其原理，抛砖引玉，以期挖掘新技术在轨道交通行业中更多的应用场景。

关键词：轨道交通 蓝牙通讯 应用

0引 言

随着城市轨道交通领域信息化、互联网化程度的越来越高，仅仅依靠原有系统本身的列车信号实时系统、车站基础网络系统等通讯手段已远远不能满足信息安全、移动端化、以及面向出行乘客与工作人员的服务需求。多种其他的通讯技术被运用到轨道交通的体系中来，例如运营商4G网络、WIFI通讯，RFID射频通讯、蓝牙通讯等。本文通过笔者的相关工作经验，主要介绍蓝牙通讯技术于城市轨道交通领域中，在站内定位导航、人员列车定位、二维码过闸等领域的实际应用和基础原理，为新技术在传统行业的应用提供一些参考。

1站内定位导航

现今在轨道交通的站点中，由于商业化的发展策略以及多条线路之间相交的大型换乘站的出现（例如上海，各线路之间相交的换乘站很多，其中有很多站点已经是三线交会的换乘站），很多站点都具有站内地下空间面积大，结构复杂，入驻商户众多等特点。传统的定位导航技术是基于手机的GPS通讯与运营商的基站通讯技术的，这些技术在轨交站点内，特别是地下站点内，由于信号的不稳定，无法精确到站点内部，进而无法提供站内导航。而室内蓝牙beacon定位技术的出现，弥补了传统定位导航技术在这些应用场景下的不足。

Beacon是苹果公司开发的一种通过低功耗蓝牙技术进行一个十分精确的微定位技术，它具有如下的一些特点：

单个蓝牙Beacon设备成本低廉，而且功耗低，通常设备出厂的电池可以使用3-5年；

设备信号稳定且容易布设，一般更换电池也很容易；

通过合理的规划和一定密度的布设能够使定位精度达到2-3米；

当然它也存在一些缺点，主要在于大范围布设需要比较多的节点，管理上会有不便，但是瑕不掩瑜，在轨道交通站点内定位导航场景下，有很广泛的应用需求。

其主要定位原理是由Beacon设备发射蓝牙信号，手机蓝牙模块接收信号。当用户进入、退出或者在布设Beacon设备的区域内移动时，手机接收Beacon设备的广播包，获取设备信息和信号强度RSSI（可计算用户与Beacon设备的距离）等数据。基于三角定位算法，再通过其他的一些辅助方法例如加权平均，时间加权，惯性导航，高斯滤波等算法等来计算出用户的当前位置，如图所示：

2人员列车定位

随着移动互联网化的趋势，广大乘客与工作人员对在列车上的定位有很强烈的需求。但是由于上一章节中提到的一些现实因素（如地下轨交站内基站信号的不稳定、GPS信号的缺失等），使用传统的定位手段，手机端APP在轨道交通列车上往往获取的定位位置会飘忽不定以及有明顯的延时现象，无法精准有效的进行定位。而使用蓝牙通讯技术，采用在轨交列车中部署beacon信标，并结合列车的实时运营时刻表，列车信号系统等数据，可以使用户在列车上也能取得精准的位置信息。 整个定位的基本过程和原理大致如下：

通过在车厢内布设蓝牙beacon信标，将车厢号与蓝牙信标的uuid，major，minor等数据进行绑定；

手机APP通过在列车上扫描周边的蓝牙beacon设备，获取蓝牙信标的相关数据，传到定位服务接口后端；

后端通过蓝牙信标的数据，获取绑定的车厢号，通过车厢号获取列车车组号信息；

通过列车实时运营时刻表相关数据，找到车组号对应列车当前在轨交线路上实际运行的列车车次号；

在列车实时运行信号系统中，根据列车车次号，定位到列车当前所处的轨道（Track）编号；

由于轨道所处的位置是固定的，由此可定位到当前列车所处的位置，完成整个定位过程。

在拥有人员在列车上的定位功能后，相关应用将可以为乘客和员工提供一系列的轨道出行服务，包括但不限于列车运行时轨迹跟踪和导航。在未来对此定位服务做出一定的延伸扩展后，可为相关人员提供更精确、便捷的列车运行时数据。可以为广大用户提供出行前的提前出行规划建议，出现中目的地改变或者突发事件导致相关的实时导航修正，出行后的历史用户出行数据分析研究等增值服务。

实际的列车运营过程中，其可能一会在地下，一会在地面或者高架轨道上运行。我们可以在不同的场景采用不同的通讯技术进行定位，或者统一各通讯技术采集到的数据，进行综合运用，来实现准确的定位。例如GPS，基站、WIFI定位、蓝牙定位等都可以纳入综合定位体系中统一综合判断与运用。

3二维码过闸

二维码（QR Code）是近几年在移动设备上超流行的一种编码方式。它是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息，能被光电扫描设备很容易识别出来，而且它可以携带足够多的信息，所以在日常生活中得到了广泛的应用。近几年来，在交通领域内已有很多城市的公交车支持支付宝/微信的乘车码，在轨道交通行业，也有越来越多的城市支持了多种的二维码过闸方案。

不同与传统单程票与交通卡的密钥保障体系，二维码具有非常便于复制的特性，因此二维码支付的安全问题一直是重中之重。我们多多少少都曾经在媒体渠道中看到过微信或者支付宝的支付二维码被不法分子截取盗用给用户带来经济损失的新闻。央行前前后后也多次对二维码支付的额度以及方式等做出了一系列的规范和限制。当前常见的二维码技术方案大都是联机交易方案，且由于联机交易，整个交易过程大约需要1-2秒的时间。而我们的传统轨交闸机则通常是离线交易，而且闸机的验证时间控制在200毫秒以内。联机交易的时效性在轨道交通高峰大客流的环境中是难以接受的，所以我们需要设计一种可脱机验证并使用二维码的方案。目前上海轨道交通采用的是蓝牙回写的方式来与闸机交互数据，确保一码一用，防止二维码被复制使用。整个方案的基本原理如下：

中心建立密钥体系，闸机的PSAM中存储相关密钥；

手机APP生成二维码时候要求与后端服务器联机，服务端根据本次分散因子计算过程密钥后应答给APP，该过程密钥一定时间内有效，APP可使用此过程密钥在此时间段内多次生成二维码（二维码加密且含有蓝牙特征数据域和MAC验证域）；

手机APP开启蓝牙外设模式，向周边广播特定广播包内容，其中包含二维码中的蓝牙特征数据；

闸机扫描二维码，解密验证并识别出二维码中的各项内容，扫描周边的蓝牙外设发出的广播包，与二维码中的蓝牙特征数据匹配，连接对应的蓝牙外设（即手机）；

闸机将交易的过程数据，例如站点信息，收费信息等内容加密后通过蓝牙传输给手机；

手机端解密对应的数据内容，组成加密的应答返回给闸机；

闸机解密验证手机端的应答并开闸。

通过此方案，哪怕使用相同的二维码，但是没有服务端的过程密钥支持，手机端无法正确的开启蓝牙外设模式发送特定的广播包，也就無法接收到闸机发送的交易过程数据，无法做出有效的应答。从技术原理上较好得防止了二维码被人为恶意复制后的使用。蓝牙通讯技术速度快，不仅连接速度快，而且短数据交互速度也很快，因此采用此方案，整个过闸验证时间仍可控制在300-400毫秒之内，完全可以支持轨道交通高峰的大客流要求。

4结语

随着时代的发展与技术的进步，未来的轨道交通系统必然将更加得信息化与移动互联网化。同时各种创新通讯技术的应用将为广大乘客带来更为便捷的出行服务，为工作人员带来更高效的运营维护手段。本文结合作者的实际工作经验，介绍了蓝牙通讯技术在轨道交通行业的三个具体的实际应用场景，重点详细介绍了其基础工作原理和系统基本流程。通过新型通讯技术在传统轨道交通行业的运用，切实解决了该行业中的原来的一些特殊难点和痛点、满足了用户需求，实践证明了其可行性、有效性以及安全性。以此抛砖引玉，希望在将来，有更多的新技术能在轨道交通行业中发现其独特的应用场景，更好的服务广大乘客和工作人员。

参考文献：

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作者简介：

程浩 1984.6 民族 ：汉 性别：男 学历 ：本科 所在单位：上海仪电物联技术股份有限公司； 职称：工程师 研究方向：通讯技术应用