基于軌道交通的室內定位系統

李 飛，孫永全，鄧國華

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．成都地鐵運營有限公司，成都 610081)

車站信息化建設不僅對車站管理和效益產生明顯影響，而且對整個軌道交通運輸業的更高層次發展都至關重要。從成都地鐵2010年第一條線開通到2017年底首條環線投入運營，呈現出蓬勃的發展態勢，但是隨著線網規模的擴大以及大型換乘車站數量的增加，高峰時段客流陡升常常造成嚴重的擁擠情況。為彌補人員經驗的局限性并使管理者在宏觀上對車站立體空間的客流情況有更直觀地掌控，推動車站信息化建設成為了順應發展的首要目標。

在AFC自動票務系統，CCTV視頻監控等現有技術的基礎上，不斷追求技術創新和系統完善，加入三維場景展示、人員定位和應急指揮等信息化功能，從而提升車站管理水平，提高人員工作效率，減少人為失誤，保障地鐵高效運營，提升地鐵服務水平。

在軌道交通的發展過程中，軌道交通的工作人員、管理人員以及軌道交通的切身受益者都更為迫切的需要一種可以實時保護他們安全的事物出現，同時他們對更加便捷、3D的定位服務也有更大需求。此外，在無線終端設備應用和無線傳感器網絡的不斷發展與結合的今天，不僅僅是軌道交通而且還包括其他的各種行業，身處其中的人員對定位服務的需求也是越發的迫切，尤其是在大型的室內場景的三維定位。之所以對這種環境有較為迫切的需求是因為這類環境通常比較復雜，不像在室外沒有太多的遮擋物，可以依靠衛星直接對地面進行信號輻射，從而直接進行比較精確的定位；在室內傳統的兩種主流定位技術GPS定位和蜂窩無線定位都不能很好的滿足用戶定位需求。特別是令人熟知的GPS定位，由于其系統的自身技術特點使其很容易受到以建筑物為主的外界因素的嚴重干擾，信號會出現嚴重衰減，產生多徑效應，甚至會出現無法收到信號的情況，這就導致了其無法滿足室內精確定位的需求。

三維定位中三維建模是不可或缺的一部分。在國外，三維建模已經發展了幾十年，國內自20世紀80年代末開始引入三維建模思想，已經發展很長時間。三維建模技術雖然已經非常成熟，但是并非成熟的三維建模技術就認為其過程很簡單，特別是對特定建筑的三維建模，需要考慮的因素非常復雜。主要是每一個物體都需要根據現實的建筑進行量身定制，不能采用現有素材。而在一個建筑物中需要建模的物體非常繁多，這些都會給實體建筑的建模帶來不同程度的難度。

為了讓室內3D定位更好的服務于軌道交通，就必須將其與其他的系統功能相結合。在軌道交通已經成為出行不可或缺的交通工具的今天，軌道交通的管理人員更加需要可以正確且及時顯示當前客流的事物，最好還能夠將常用的應急指揮方式嵌入其中，以便在遇到緊急情況時可以及時的做出反應，同時能給出一個建議的指揮方案。

1 定位技術

信號到達時間差(TDOA)是基于到達時間的改進。首先需要設置3個及其以上的信號接收點，即信號接收基站。同時還需要被定位人員攜帶定位設備，并能收發定位信息。由此計算信號接收站所收到信號的時間差即可計算被定位人員的坐標。此方法的優勢在于無需考慮攜帶設備與接收站之間的時間是否同步。同時服務器得到這些接收站的信號后，將其配對按照雙曲線交點模型擬合計算出其具體坐標位置。

1）TOA

到達時間（TOA）算法的基本原理是分別檢測出待定位目標與信號接收點的距離，然后根據3圓相交于一點的原理得到目標物體的位置。如圖1所示。

圖1 TOA原理圖Fig.1 Schematic diagram of TOA

對于每個信號接收基站的位置與待定位目標的位置 之間滿足以下關系：

其中，Ri表示(Xi，Yi)與(x，y)的直線距離。

為了實現對待測目標精確的定位，在無其他先驗知識下，需要信號接收基站的數量至少為3個。以3個探測器A、B、C的位置坐標為圓心，它們分別與待定位目標之間的距離為半徑畫圓，在無其他干擾的情況下，待測目標必然在3個圓的交點上。由此可列出方程組：

求解出(x，y)，就可以得到待定位目標的位置。

TOA定位的優勢是能極大發揮出UWB技術的特點：帶寬高、時間辨識度高，由此得到的定位系統具有很高精度的定位準確度。但這是在理想狀態下的情況，實際中要想得到這樣的高精度，必須使各個信號接收站和被定位設備的時鐘嚴格同步，但是這在具有網絡延時的不同設備間是完全無法實現的。也就使得此方法的精度會因為接收站和被定位設備的時鐘關系出現不同程度的無法修正的誤差。之所以說這個誤差是無法修正的，是因為在通過系統參數調節后，即使達到了較好的效果，一旦任何設備掉電重啟，或者網絡延時波動發生變化，就會導致前面的修正參數發生改變，而這個改變是沒有規律可循的。

為了解決這個問題，衍生出TOA的改進算法TDOA。此方法無需接收站和被定位設備嚴格的時鐘一致，只需信號接收站同步即可。

2）TDOA

TDOA通常有兩種計算方法：一是采用異步TOA求差得到TDOA；二是將接收站信息通過服務器進行數據對比，并結合基站參數運算處理。兩種方法中后者計算量較大，會給服務器造成很大壓力，故通常采用前者。前者方法在求差的過程中就消除了時鐘不同步造成的誤差。

項目采用這樣一種具有共同參考時鐘的測距估計技術，即TDOA技術。因為它是通過找出多條雙曲線交點的方法來確認目標坐標，所以也稱其為雙曲線定位技術。假如有3個基站作為信號接收站在接收信號，將其組成兩組，并分別令其為雙曲線的兩個焦點作出雙曲線，兩對雙曲線的焦點即為被定位設備的位置。定位示意如圖2所示。

圖2 TDOA原理圖Fig.2 Schematic diagram of TDOA

假設進行定位的是BS1、BS2和BS3，其 中 目標和各基站之間的距離是r1、r2和r3。則目標到BS1和BS2之間的距離差r21=r2-r1，依據數學原理，目標必然位于以BS1、BS2為焦點、以r21為焦距的雙曲線上；同理，由BS1、BS3和距離差r31=r3-r1，可知定位目標同樣位于以BS1、BS3為焦點、以r31為焦距的雙曲線對上。

由此可列出如下方程組：

式中，(x，y)為被定為設備坐標，(Xi，Yi)為所有信號接收站坐標，r1為采用TOA計算得到的被定位設備與信號接收基站的距離。其解(x，y)為被定為設備坐標。

在圖2的原理圖中能得到：在兩組雙曲線中有概率存在兩個交點，當雙曲線的數量增多時這種情況會更加明顯，此時就需要結合實際情況中增加其他判定條件來去除解組中的非真實解坐標。

對于三維場景的定位，需要用到較多的接收點，原理與二維的幾乎相同。設目標位置為(x，y，z)，(Xi，Yi，Zi)(i=1，2，…n)為接收點位置坐標，可以將公式推廣為：

此定位技術在不同的通信技術下可以實現不同精度的變化，主要是由于不同通信方式的自身傳播距離、直線性以及多徑效應狀況的不同引起的。

2 UWB應用于定位

UWB技術是超帶寬技術，也可稱為脈沖無線電，它的通信頻率很高，頻帶為3.1～10.6 GHz，脈沖帶寬大于500 MHz。在數據通信方面可以實現無載波通信，主要是由于UWB的脈沖寬度很窄，其產生和消失時間僅為數百微秒至數納秒以下，而在1 ns的時間里光也只能傳播約30 cm的距離。

UWB使用在室內定位方面主要體現出來的優勢有以下幾點：1）低功耗：UWB標準化芯片的低功耗特點使得被定位設備和定位基站都可以在較低功耗下運行；2）信道穩定性好：遇到信號多徑傳輸的狀況可以采取脈沖信號進行區分，在不可見場景中只要信號可以到達，也不影響定位效果；3）抗干擾：由于其信號的特殊性，一般的電子信號無法對其造成干擾。同時具有很好的穿透性，通常可穿透一道24 cm的磚墻。這些優勢使其具有很高的定位準確度和定位精度，經過大量的試驗測試發現，當信號接收基站的數量為4時，就可以達到0.5 m的檢測準確度，甚至在較理想環境中可以達到0.3 m的定位精度。

3 三維建模

3D建模屬于應用層的系統應用軟件部分，采用專業建模軟件Revit、3DsMax與瀏覽器WebGL的3D繪圖協議混同組合的方式進行三維建模，并使用Three.js引擎進行動態渲染與動畫演示，實現三維場景展示。

WebGL是一種3D繪圖協議，也是一種網頁3D技術，此技術無需在瀏覽器安裝插件，只需要使用此技術，在網頁端編寫前端代碼即可實現在網頁上顯示3D模型。同時此技術還可以調用Canvas進行場景的3D渲染，并且還能調用計算機顯卡的運算能力，減少計算機CPU的負擔，也使得三維模型可以更加流暢的在網頁上運行。如果在軟件中嵌入瀏覽器內核，還可以實現跨平臺顯示，使得在各種操作系統（PC端的Windows和Linux的各種版本、移動端安卓和蘋果系統的各個版本）之間都能隨意使用。

在實際的三維建模場景搭建中，可以采用專業建模軟件Revit、3DsMax與瀏覽器WebGL的3D繪圖協議混同組合的方式。根據三維場景實際需求，對于組成三維場景的建筑模型、設備模型、人物模型等，可以直接全部用WebGL編寫代碼的方式實現，也可以采取部分模型用Revit或3Ds Max軟件建模后導出Obj格式模型文件，再通過WebGL代碼導入到三維場景中的方式。

一個完整的三維場景由以下幾個部分組成。

渲染器：三維引擎的核心部分，是高級全局照明渲染插件。

場景：系統展示三維模型的一個可視化空間，用于容納所有的三維模型。

照相機：系統的視覺感應器官，用于將三維模型的數據轉為可視化模型。

光源：物體需要在光照條件下才能可見；否則將無法看到所建的物體模型。

物體：需要要表現的內容，會有形狀和材質屬性。

4 系統框架

基于室內定位的軌道交通三維應急指揮系統主要是由感知層、傳輸層、服務層、網絡層、應用層組成，如圖3所示。

圖3 整體結構Fig.3 Overall architecture

應用層包括了系統應用軟件和應用層對外接口軟件，系統應用軟件主要實現3D模型的展示及其3D定位數據的圖形化顯示。而應用層的對外接口主要是向其他系統提供其需要的數據，方便與用戶原有的其他系統進行數據交流。

服務層由定位引擎軟件、3D模型、系統管理軟件組成，這些軟件和算法部署在系統服務層服務器。定位引擎軟件實現定位數據的解算，得到定位標簽的坐標；定位系統管理軟件實現定位網、通信網、無線傳輸網的管理及維護功能，并作為應用層到感知層的數據交換橋梁；3D模型為系統提供良好的三維模型，方便定位數據在三維空間中進行顯示。

傳輸層分為無線傳輸網和有線傳輸網，無線傳輸網通過Wi-Fi信道為定位基站提供數據傳輸鏈路，有線傳輸網通過有線以太網方式為定位基站提供數據傳輸鏈路，并且有線傳輸網還為無線傳輸網提供數據傳輸鏈路。

感知層包括定位基站、通信基站、通信定位基站以及定位標簽。主要是用于獲取系統所需的基礎數據，包括定位數據和人流數據。為系統的其他層級進一步運算以及顯示提供強有力的支持。

5 總結

本系統結合UWB技術、TDOA技術、三維建模技術將軌道交通站點的人員狀況、站內場景狀況以可視化的方式展現出來，并在此基礎上結合軌道交通的特點進行一系列的應用測試，并在測試過程中取得較好的實驗效果。