基于UWB技術的地鐵無感支付研究

秦 杰，戚文彬，楊燕明，孫 權，曾望年，楊 陽，朱 濤

（1.中國銀聯博士后科研工作站，上海 201201；2.復旦大學 計算機科學技術學院，上海 200433；3.中國銀聯股份有限公司，上海 201201）

0 引 言

隨著經濟的快速發展和城鎮化的快速推進，城市客運量呈現爆發性增長。地鐵因其低碳便捷的特點，為人們的生活出行和通勤提供了重要保障。以往人們乘坐地鐵出行時需要購買地鐵票或儲值卡，將卡片放在閘機指定感應區域實現進站，在出站時需要回收地鐵票或刷卡確認，運營平臺通過進出站點的相關信息完成儲值卡計費扣款。然而此種方式下會存在高峰時間段乘客等待時間過長和排隊購票容易造成滯留等問題。近年來，在“互聯網+”推動下，以二維碼支付[1]、云購票[2]和NFC（近距離無線通信）支付[3]為代表的移動支付方式應運而生，切實緩解了排隊購票和充值圈存過程效率低下的問題。但是無論二維碼支付還是NFC支付，仍存在以下問題：（1）乘客進出站時需要提前打開二維碼，并將移動設備放置在指定感應位置，因此過閘效率相對較低；（2）在人流量較大的地鐵環境下，以NFC支付為代表的接觸類支付方式，無法嚴格滿足疫情防控的要求；（3）二維碼支付和NFC支付均無法實現乘客通行意圖的智能感知，不能進一步提升乘客的支付體驗。

萬物互聯時代背景下，金融科技領域推陳出新，無感支付成為各金融支付機構和互聯網頭部企業競相角逐的新藍海。其中，基于UWB（超寬帶）技術的地鐵無感支付具有良好的應用前景。與RFID[4]、Bluetooth[5]和WiFi[6]等傳統通信技術相比，UWB通過發送納秒級的窄脈沖信號完成數據傳輸，具有定位精度高、實時性強、功耗低、穿透力強和安全性高等優點[7-8]。UWB定位算法大多基于到達時間的TOA和TDOA方法，利用時間參數計算得到信號傳輸距離（或距離差），構建位置信息的方程組進而得到目標節點的坐標，在室內定位跟蹤方面具有獨特的優勢。

本文利用UWB室內實時精確定位技術，設計了一種地鐵無感支付系統。通過在地鐵閘機上部署的UWB定位基站，獲取乘客UWB設備的實時三維坐標并完成乘客通行意圖的智能感知，實現了乘客進出地鐵站的無感支付，能夠有效提高地鐵過閘的通行效率。

1 系統設計

如圖1所示，基于UWB技術的地鐵無感支付系統主要由4部分組成，包括UWB設備、收款終端（地鐵閘機）、地鐵后臺系統和支付平臺。其中，UWB設備包括手機、藍牙耳機、智能手環和智能手表等移動設備或標簽。

圖1 UWB地鐵無感支付系統架構

收款終端由安裝UWB定位基站和紅外對管的地鐵閘機組成。每個閘機通道出口位置布置4個不處于同一平面上的定位基站，紅外對管安裝在閘機的進口和出口兩個位置，當乘客到達進站閘機的紅外感應位置后觸發基站定位功能，對乘客UWB設備進行搜索并完成相應的通信連接。結合TOA算法[9-10]，即可獲得乘客攜帶的UWB設備的三維坐標定位，并據此準確判斷是否打開閘門。乘客通過閘門后記錄進站站點，待乘客出站時記錄出站站點，并向地鐵后臺系統發送扣款請求。地鐵后臺系統將扣款請求傳遞給支付平臺，隨后支付平臺將支付結果返回到地鐵后臺系統，同時將支付的結果通知給乘客UWB設備。最終將支付結果傳遞給地鐵閘機，支付成功后出站閘機門打開。

2 通行方案設計

在基于UWB技術的地鐵閘機通行方案中，核心要點在于如何有效識別乘客的通行意圖，包括乘客進出站確認和智能感知。其中智能感知包括：進出站人員感知、進出站方向感知和進出站閘機感知。

2.1 進出站確認

如圖2所示，以進站為例，進出口兩對紅外對管之間的距離為S，閘機間通道寬度為D，參考坐標原點o（0，0，0）位于閘機出口位置。當乘客攜帶UWB標簽設備經過進站閘機時，閘機進口處的紅外線被遮擋。此時，閘機定位基站被觸發并與乘客的UWB設備建立連接，完成進站乘客的身份驗證。依據定位基站接收到信號的時間等信息可以計算出乘客的當前位置坐標P（x0，y0，z0）。若0.5S

圖2 基于UWB的地鐵進站驗證

2.2 智能感知

2.2.1 進出站人員感知

當沒有攜帶UWB標簽設備的乘客經過進站閘機或者出站閘機的紅外對管時，系統不會判定閘機門打開。以圖3（a）乘客進站為例，經過進站閘機紅外對管的前方乘客沒有攜帶UWB標簽設備，其后方乘客攜帶UWB標簽設備，紅外線被前方乘客遮擋后，閘機UWB定位基站會與后方乘客的設備標簽建立連接。依據后方乘客的定位信息x0>S，可以識別出當前進站乘客沒有攜帶UWB標簽設備，閘機門不會打開。

2.2.2 進出站方向感知

當攜帶UWB標簽設備的乘客逆向通過進站閘機或出站閘機時，系統不會判定閘機門打開。以圖3（b）乘客在站內試圖通過進站閘機完成出站為例，站內一側紅外線被站內的乘客遮擋后，UWB定位基站會與乘客的設備標簽建立連接。依據乘客的定位信息x0<0.5S，可以識別出當前乘客出站閘機選擇錯誤，閘機門不會打開。

2.2.3 進出站閘機感知

當攜帶UWB標簽設備的乘客正常通過進站閘機或出站閘機時，系統不會誤開臨近的閘機門。以圖3（c）乘客甲通過進站閘機1而沒有攜帶UWB標簽設備的乘客乙試圖通過進站閘機2為例，站外一側紅外線被進站的乘客甲和乙遮擋后，兩個進站閘機的UWB定位基站會與乘客甲的設備標簽建立連接。對于進站閘機1，乘客甲定位信息滿足0.5S

圖3 基于UWB技術的感知功能

3 結 語

本文基于UWB技術構建了一種地鐵交通場景下的無感支付系統，明確了系統的主要組成部分，給出了系統的業務邏輯。通過對通行方案的創新性設計，能夠實現乘客通行意圖的快速有效識別，切實提高地鐵過閘通行效率。隨著各大廠商紛紛加速UWB技術在各類智能移動設備的布局，UWB技術將成為服務地鐵“智慧出行”變革的重要支撐，本文研究對加快金融服務能力外延至交通出行場景具有重要意義。