基于超宽带技术的车站导流设备定位管理系统设计

窦元辰，王子腾，董守放，王爱丽

随着城市轨道交通线网规模的不断扩大，客流量与日俱增，车站承担着越来越大的客流压力，并存在潜在的安全隐患。为保障乘客出行安全、维护站内秩序，轨道交通车站采用部署铁马等导流设备来应对常态或突发大客流。目前导流设备的部署主要依赖于站务人员的工作经验，存在站务人员难以实时掌握导流设备位置、设备布局难以适应客流状态、设备存储与管理困难、站务人员工作繁重等问题。

导流设备的部署形式对乘客引导与疏散效果有着显著的影响，相关学者在导流设备对人员疏散的影响与作用机理方面进行了研究［1-4］，但尚未涉及设备自动化定位与管理。随着无线定位技术与信息化管理技术的快速发展与广泛应用［5-8］，引入高精度定位技术，对导流设备进行定位管理与应用分析，将成为未来具有发展前景的方向。

针对目前车站导流设备管理中存在的问题，采用超带宽技术研究设计了轨道交通车站导流设备定位管理系统，实现了车站导流设备的可视化管理，降低了站务人员的工作负荷，保证了轨道交通车站运营组织和应急管理的实时性与高效性。

1 超宽带技术

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据［9］，具有定位精度高、系统复杂度低、抗干扰能力强、传输速率高、发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感等优点，尤其适用于密集多径场所的位置测定等［10-12］。

采用UWB技术进行位置测定时，通常会在待定位环境中部署定位基站，为待定位人员佩戴或在设备上安装定位标签，通过定位标签和定位基站之间发送的UWB脉冲信号的强度、角度、到达时间等进行定位计算。定位算法包括基于接收信号强度（RSSI）、到达角度（AOA）、到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）的定位法和混合定位法等［13］。其中，基于到达角度和到达时间差的混合定位法的时间同步性要求低，定位精度高，被广泛应用于UWB室内定位场景中。因此，本文将采用UWB定位技术，基于AOA和TDOA混合定位法来实现铁马等导流设备的位置测定。

2 系统架构设计

2.1 总体架构

根据车站导流设备的部署管理需求，对基于超宽带技术的车站导流设备定位管理系统的架构进行设计，分为前端采集层、信息传输层和后端处理层3部分。系统总体架构见图1。

图1 系统总体架构

1）前端采集层。在车站导流设备部署区域和存放区域部署定位基站，在导流设备上安装定位标签，通过定位基站和定位标签之间的数据通信，实时获取标签位置信息，并传输到后端进行分析处理。主要设备包括定位基站和定位标签等。

2）信息传输层。前端获取到定位标签数据信息后，通过Wi-Fi或有线网络完成数据传输。主要设备包括交换机和路由器等。

3）后端处理层。对信息传输层的标签定位信息进行分析处理，确定导流设备实时位置和部署方式，实现导流设备状态实时显示、异常状态报警、数据存储和管理等功能，辅助车站客运组织调度。主要设备包括应用服务器、数据库服务器和用户终端设备等。

2.2 逻辑架构

系统逻辑架构由支撑层、采集层、传输层、解析层、数据层、应用层和交互层组成，见图2。

图2 系统逻辑架构

1）支撑层。主要包括定位基站、定位标签、应用服务器、数据库服务器、网络设备等系统运行所需的相关设施设备，为系统的建设和研究提供基础硬件环境支撑。

2）采集层。根据车站实际场景环境和导流设备部署监控需求，制定相应的部署策略，在车站站台、站厅、安检等导流设备部署区域，采用二维平面定位方式部署定位基站；在设备管理用房等存放区域，采用零维定位方式部署定位基站，采集导流设备上的定位标签信息，支撑导流设备的实时位置监测。

3）传输层。基于TCP/IP协议实现通信传输，采用POE交换机以有线网络模式或Wi-Fi无线通信的模式，将定位标签数据传输到解析层。

4）解析层。主要包括电子地图引擎、定位信息解析引擎、导流设备状态解析引擎，是实现导流设备定位计算的关键。电子地图引擎实现地理数据驱动和管理；定位信息解析引擎采用AOA与TDOA混合算法确定定位标签的空间坐标位置；导流设备状态解析引擎将定位标签坐标信息和导流设备部署方案进行对比分析，确定导流设备的摆放位置和摆放方向，为业务应用提供基础数据支撑。

5）数据层。对采集到的原始数据和解析后的不同类型数据进行清洗处理，构建不同类型的数据库，形成多种形式的数据报表，实现数据的添加、删除、修改和查询等功能。

6）应用层。根据车站导流设备监测和智能化管理需求，实现导流设备电子化标定、状态实时监测、安全状态分析、安全状态报警和智能化管理等功能。

7）交互层。采用电子地图、统计图表、报警窗口等不同展现形式，为站务人员提供导流设备实时状态、统计分析、异常情况和组织调度等信息，为车站设备管理和客运组织提供支持和帮助。

2.3 功能架构

系统的功能模块主要分为基础信息管理、导流设备状态检测、导流设备状态分析、应急联动管理和系统管理，功能架构见图3。

图3 系统功能架构

1）基础信息管理。可实现地图和导流设备信息的管理。其中，地图信息管理支持不同楼层地图的添加和删除，地图展现支持拖动、旋转、缩放等；导流设备信息管理支持导流设备ID编号、类别型号、监测类型、安装位置等基本信息的添加、删除、修改和查询等，且支持与定位标签的关联绑定。

2）导流设备状态监测。可实现导流设备实时定位和导流设备部署状态监测。在地图中实时展现导流设备的位置状态和部署方式，并提供导流设备的历史位置回放、位置信息查询和检索等功能。

3）导流设备状态分析。可实现导流设备安全状态分析和异常状态报警。支持导流设备实时状态与计划方案的对比分析，以及导流设备部署方式对车站客流状态的影响分析。当导流设备的实时位置与部署方式偏离了系统预设方案时，会以声音和文本提示框等多种形式进行报警提示。

4）应急联动管理。可实现视频监控联动，辅助客运组织调度。支持获取导流设备所在位置的周边场景和客流状态的实时视频图像信息，支持当前导流设备配置方案与现有客流需求的智能匹配，以及导流设备的动态调整方案推送。

5）系统管理。支持定位基站和定位标签等硬件的配置管理功能，实现用户管理、权限管理、日志管理、告警管理等系统软件管理功能。

3 设备部署设计

3.1 定位标签部署方案设计

车站导流设备主要分为固定导流设备、活动导流设备和半活动导流设备。固定导流设备主要部署于通道、售检票、站台换乘区域等，用于应对常态性的客流交织或缓解短时的客流冲击；活动导流设备部署于车站出入口、安检区等区域，用于突发大客流等应急场景下的客流限制疏导，以维持站内客流秩序，避免乘客拥挤踩踏等安全事故的发生；半活动导流设备部署通常与固定导流设备结合，通过推拉开闭的形式，组合成不同类型的限流方案，部署于站台、站厅、安检区、车站出入口等区域，用于日常情况下的客流限制与疏导，便于早晚高峰、平常时段及节假日的限流调整。

对于固定导流设备，应实时监测其部署方式，防止因人员冲击破坏导致设备部署异常。可在每一排导流设备两端和导流设备拐点安装定位标签，并根据导流设备摆放长度和宽度，适当增加定位标签的部署间隔。

对于活动导流设备，应实时监测其位置信息，便于快速确认其存放位置，并根据客流状态及时调整部署和摆放方式。可在每个导流设备两端安装定位标签，明确其存放区域或部署摆放方式。

对于半活动导流设备，应实时监测其位置信息，判断其开闭状态，明确当前导流设备限流方案是否与客流状态相匹配。可分别在半活动导流设备两端安装定位标签，并结合固定导流设备的位置和摆放方式，确定当前导流设备的限流部署方案。

3.2 定位基站部署方案设计

根据车站导流设备的部署监测需求和车站实际环境，可采用二维平面定位和零维定位相结合的基站部署方式。定位基站部署以站台、站厅、安检、闸机、通道等导流设备限流区域为重点，并覆盖设备管理用房或车站边角等铁马导流设备存放区域。定位基站部署间隔以50 m之内为最佳，可根据现场情况适当调整，理论上不超过100 m，可通过支架或吊杆进行固定安装。

对于站台、站厅、安检、闸机、通道等限流区域，需要监测导流设备的具体点位及摆放方向，从而明确导流设备的部署和限流方案。因此，应采用二维平面定位的方式，原则上部署4台及以上定位基站设备，并结合区域大小、区域形状和障碍物遮挡情况，适当增加或调整基站点位。

对于存放导流设备的设备管理用房等区域，只需明确导流设备是否存放于该区域，以便设备的管理和使用。因此，采用零维定位方式，并根据实际区域面积等情况，部署1台及以上定位基站设备。

4 结束语

导流设备在轨道交通车站运营工作中发挥着重要作用，本文结合其智能化定位管理需求，基于超宽带定位技术，设计了导流设备定位管理系统，提出了系统的总体架构、逻辑架构和功能架构，并设计了定位标签和定位基站的安装与部署方案。目前，该系统已初步完成软件开发和深圳北站试验环境下的设备部署，下一步将根据深圳北站的试验测试效果进一步完善各系统模块，为轨道交通客运组织和应急保障提供数据和技术支持。在后续的研究设计中，还可进一步接入客流信息、站务人员位置信息、其他设施设备状态信息等数据，将导流设备定位管理拓展为车站运营状态综合监测管理，实现“人-机-环”的协同管控，为客运组织方案的有效性检验与设备动态调配提供有效的技术手段，从而提升车站管理的信息化和智能化水平。