楊國元，張秋亮

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著定位導航功能在智能移動終端的大量普及和基于位置服務(wù)（LBS，Location-Based Service）的蓬勃發(fā)展，人們在生活、工作中越來越多地應用位置服務(wù)?；疖囌咀鳛槭覂?nèi)環(huán)境，給旅客帶來舒適、干凈候車環(huán)境的同時，由于車站本身面積大、服務(wù)設(shè)施多，站內(nèi)環(huán)境復雜，對于旅客來說，要隨時并準確找到站內(nèi)的某個位置，成為一件困難的事，因此在火車站內(nèi)研究低成本、高精度的站內(nèi)導航系統(tǒng)，解決旅客在站內(nèi)精確定位及導航、改善旅客的出行體驗具有重要的意義。

國內(nèi)外學者紛紛對室內(nèi)定位、導航技術(shù)展開了研究。Yang Chouchang[1]通過改進的基于Wi-Fi的室內(nèi)定位算法，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)精確定位。Yasir M[2]提出了基于可見光實現(xiàn)室內(nèi)定位，但需要對室內(nèi)燈具進行改造。Faragher R[3]研究了低功耗藍牙定位技術(shù)，提出了基于藍牙改進的指紋定位算法，實現(xiàn)了室內(nèi)定位。國內(nèi)學者分別從Wi-Fi定位[1]、Zigbee定位[2]、射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification，）定位[3]、超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）定位[4]、iBeacon定位[5]等領(lǐng)域展開了室內(nèi)定位、導航的研究。這些定位技術(shù)及方法中，只有iBeacon的定位成本低，旅客只需通過帶有藍牙功能的移動終端即可實現(xiàn)定位，同時定位精度可以達到1 min以內(nèi)。而Wi-Fi定位精度至少在3 min以上，精度較低，其他定位技術(shù)都需要旅客單獨攜帶額外設(shè)備，不適宜應用在車站站內(nèi)導航系統(tǒng)中。因此選用iBeacon來實現(xiàn)站內(nèi)定位導航是理想選擇。

1 基于iBeacon的站內(nèi)定位算法

1.1 定位原理

iBeacon是一種基于低功耗藍牙技術(shù)（BLE，Bluetooth Low Energy）的射頻技術(shù)，通過使用BLE技術(shù)向周圍發(fā)送自己特有的ID，接收到該ID的應用軟件會根據(jù)射頻場強隨距離衰減的模型計算距離。基于射頻技術(shù)的室內(nèi)指紋匹配的定位過程分為兩個階段：離線訓練階段和在線定位階段。

離線訓練階段完成對定位區(qū)域內(nèi)不同位置處iBeacon射頻信號強度的數(shù)據(jù)采集，在采集過程中，定位設(shè)備是作為采集設(shè)備，iBeacon作為參考節(jié)點，在不同的參考節(jié)點處測量自身與iBeacon的信號強度值并存儲，形成指紋數(shù)據(jù)庫。在線定位階段主要實現(xiàn)對待定位節(jié)點的定位。當待定位設(shè)備進入定位區(qū)域后會首先與iBeacon模塊完成藍牙連接，然后將測量的接收信號強度指示（RSSI，Received Signal Strength Indication）信息與離線階段的數(shù)據(jù)庫進行匹配，完成定位。匹配定位過程中需要采用相應的指紋匹配算法來提高定位精度。

指紋匹配的定位算法主要包括確定型和概率型兩種算法。

（1）確定型定位算法一般是將實時采集的RSSI與指紋庫進行比較，選擇信號強度最近幾個點的質(zhì)心作為目標的估計位置，因此確定型定位算法的計算量較少，但定位精確度較低。

（2）概率型定位算法一般是利用離線訓練階段，在不同位置采集的RSSI構(gòu)建位置概率分布模型，在線定位階段根據(jù)定位目標接收到的RSSI，利用貝葉斯公式計算目標位置的后驗概率，取后驗概率最大的位置點作為定位目標的估計位置。概率型定位算法定位精度較高，但計算較復雜。

本文設(shè)計的站內(nèi)定位導航系統(tǒng)采用基于iBeacon射頻信號指紋匹配的加權(quán)定位算法。

1.2 算法描述

對iBeacon來說，iBeacon的布設(shè)間距、周圍環(huán)境對RSSI值有較大影響，因此在定位區(qū)域不能依賴于定位設(shè)備接收到RSSI值進行定位，還應加入其它修正方法提高定位精度。

在一個定位區(qū)域內(nèi)，存在m個iBeacon參考點（x1，y1），（x2，y2），…，（xm，ym），待定位設(shè)備O（x，y）進入該定位區(qū)域后，測得O與m個參考點的RSSI分別為S1，S2，…，Sm，以遍歷的方式去匹配指紋庫中的各參考點相應的指紋信息確定待定位設(shè)備的估計位置。為了提高定位精度，根據(jù)對數(shù)衰減模型[11]，利用所測得的RSSI計算出O與每個參考點對應的距離值di，將1/di作為每個參考點的權(quán)值，即每個參考點權(quán)值ωi為

待定位1設(shè)備O（x，y）的估計位置可由式（2）計算可得。

2 站內(nèi)導航系統(tǒng)

2.1 總體架構(gòu)

站內(nèi)導航系統(tǒng)采用基于SOA面向服務(wù)開放靈活的架構(gòu)體系[12]，基于iBeacon指紋定位算法及室內(nèi)引導技術(shù)，為旅客提供在站內(nèi)定位、引導、信息查詢等功能，滿足旅客在站內(nèi)對位置服務(wù)的需求。系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示 。

系統(tǒng)采用鐵路總公司、鐵路局兩級級部署服務(wù)器，鐵路總公司部署數(shù)據(jù)服務(wù)、應用服務(wù)、運維服務(wù)、接口服務(wù)，鐵路局部署接口服務(wù)和運維服務(wù)，客運站不部署服務(wù)器，只設(shè)立運維終端。

2.1.1 鐵路總公司級

圖1 站內(nèi)導航系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)服務(wù)、應用服務(wù)、延伸服務(wù)、運維服務(wù)部署在鐵路總公司客服外網(wǎng)（簡稱：客服外網(wǎng)）。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)包括：地圖數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，地圖數(shù)據(jù)主要是對各車站繪制的站內(nèi)地圖，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為定位、導航過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。應用服務(wù)包括：地圖應用、導航應用，地圖應用為對外提供的地圖引擎服務(wù)，導航應用為對外提供的導航引擎服務(wù)?？头饩W(wǎng)對外提供定位導航的應用服務(wù)，旅客通過互聯(lián)網(wǎng)接入客服外網(wǎng)進行訪問。

鐵路總公司鐵路綜合計算機網(wǎng)（簡稱：鐵路計算機網(wǎng)）部署接口服務(wù)，用于接收由鐵路局推送到鐵路總公司的接口數(shù)據(jù)。

客服外網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信利用鐵路總公司既有的安全保障服務(wù)體系來實現(xiàn)，即鐵路總公司負載均衡通過映射外網(wǎng)地址，經(jīng)過安全管理檢測和防火墻聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)?？头饩W(wǎng)與鐵路計算機網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信利用鐵路總公司既有的安全平臺實現(xiàn)。

2.1.2 鐵路局級

鐵路計算機網(wǎng)部署接口服務(wù)器，用于接收客管系統(tǒng)、旅服系統(tǒng)以及其他路內(nèi)系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)。同時為車站運維終端提供對地圖、藍牙數(shù)據(jù)的維護服務(wù)。

鐵路局接口服務(wù)器將接口數(shù)據(jù)通過鐵路綜合計算機網(wǎng)推送到鐵路總公司接口服務(wù)。

2.1.3 車站級

車站部署藍牙定位設(shè)備，旅客在車站內(nèi)通過移動終端接入互聯(lián)網(wǎng)訪問站內(nèi)導航系統(tǒng)。

車站工作人員通過鐵路綜合計算機網(wǎng)訪問鐵路局的接口服務(wù)，上報站內(nèi)地圖的變更信息。

2.2 邏輯架構(gòu)

站內(nèi)導航系統(tǒng)應用軟件邏輯架構(gòu)，分為展現(xiàn)層、應用層、接口層、基礎(chǔ)服務(wù)層、數(shù)據(jù)層5層，具體關(guān)系，如圖2所示。

圖2 站內(nèi)導航系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層由地圖數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)組成，其中，地圖數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)導航數(shù)據(jù)、二維站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)、三維站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)等其他服務(wù)信息組成，該數(shù)據(jù)屬于在線數(shù)據(jù)，通過基礎(chǔ)業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用在線地圖服務(wù)完成，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括候車信息、列車運行信息、語音服務(wù)信息、商鋪信息等。

（2）基礎(chǔ)服務(wù)層

基礎(chǔ)服務(wù)層由基礎(chǔ)業(yè)務(wù)服務(wù)和地圖服務(wù)組成，基礎(chǔ)業(yè)務(wù)服務(wù)包括候車服務(wù)、接送站服務(wù)、語音通信服務(wù)、推送服務(wù)、以及列車時刻服務(wù)等服務(wù)。地圖服務(wù)主要是站內(nèi)外地圖服務(wù)，包括站內(nèi)外定位服務(wù)、站內(nèi)地圖展示服務(wù)、站內(nèi)外導航接續(xù)服務(wù)、公交換乘服務(wù)，提供具備高可靠性、強擴展性、高伸縮性和開放的基礎(chǔ)服務(wù)。

（3）接口層

基于基礎(chǔ)層向應用層提供接口功能，提供候車、接送站、語音通信、推送、正晚點、站內(nèi)外地圖等服務(wù)接口，這些接口的設(shè)計及實現(xiàn)豐富了系統(tǒng)的功能，同時使得系統(tǒng)更容易擴展。

（4）應用層

根據(jù)不同應用場景的具體需求，建立面向旅客、客運管理部門、站內(nèi)商鋪的應用系統(tǒng)，針對旅客用戶，開發(fā)專業(yè)的在線引導系統(tǒng)。

（5）展現(xiàn)層

展現(xiàn)層包括旅客手機、PAD等移動設(shè)備，車站運維、商鋪人員PC設(shè)備。

3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

站內(nèi)導航系統(tǒng)采用三級組網(wǎng)方案，按照鐵路客運業(yè)務(wù)管理模式，分為鐵路總公司級、鐵路局級、站段級。

系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

3.1 IT設(shè)備部署

鐵路總公司客服外網(wǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)器、應用服務(wù)器、運維服務(wù)器、接入交換機、核心交換機、負載均衡；鐵路總公司鐵路綜合計算機網(wǎng)設(shè)置核心交換機、接口服務(wù)器。在18個鐵路局集團公司分別設(shè)置地圖運維服務(wù)器、接口服務(wù)器、負載均衡、接入交換機、核心交換機、網(wǎng)閘、防火墻。車站不部署服務(wù)器，只有運維終端。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)備份

鐵路總公司客服外網(wǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)備份，以保證數(shù)據(jù)安全，防止數(shù)據(jù)遭到破壞后，無法恢復。由于鐵路總公司涉及全路地圖數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的安全性要求較高，因此，每天完成一次完全數(shù)據(jù)備份。

3.3 訪問方式

旅客通過互聯(lián)網(wǎng)訪問鐵路總公司客服外網(wǎng)服務(wù)器。專業(yè)地圖運維人員通過鐵路總公司客服外網(wǎng)訪問運維服務(wù)器。鐵路局級用戶在應急情況下通過鐵路計算機網(wǎng)訪問鐵路局地圖運維服務(wù)器，以便應急維護地圖數(shù)據(jù)?？瓦\站用戶通過鐵路計算機網(wǎng)訪問鐵路地圖運維服務(wù)器。

4 站內(nèi)導航系統(tǒng)功能

站內(nèi)導航系統(tǒng)主要為旅客提供位置信息服務(wù)，為車站工作人員提供商業(yè)智能分析功能。

4.1 位置信息服務(wù)

（1）站內(nèi)定位

客戶端向定位服務(wù)發(fā)送定位請求，定位服務(wù)會提供客戶端在地圖上的當前位置。

（2）地圖展示

地圖展示為旅客提供車站室內(nèi)地圖的顯示，并以二維、三維地圖的方式展示站內(nèi)地圖效果，方便旅客全面、直觀地了解車站進站口、出站口、候車室、檢票口、站臺、衛(wèi)生間等區(qū)域的實際位置以及站內(nèi)設(shè)備設(shè)施分布情況。

（3）路徑規(guī)劃功能

旅客向?qū)Ш较到y(tǒng)發(fā)送起始位置到目標位置的路徑請求時，導航系統(tǒng)會在地圖上規(guī)劃出從起始位置到目標位置的最優(yōu)路徑，并提供路徑的距離以及所需時間。

（4）導航功能

通過站內(nèi)定位服務(wù)及路徑規(guī)劃，為旅客提供二維、三維、AR導航，實現(xiàn)從當前位置到目標位置的前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等位置引導，支持跨樓層導航，同時旅客在行走過程中導航系統(tǒng)會伴有語音、文字提醒。

（5）位置搜索

導航系統(tǒng)提供豐富的本地搜索功能，包括對候車室、檢票口、飲水處、餐飲、購物等站內(nèi)設(shè)施及位置的分類搜索。

（6）站內(nèi)站外導航接續(xù)

站內(nèi)導航系統(tǒng)通過對接第三方地圖應用系統(tǒng)，旅客在站外，利用站內(nèi)導航系統(tǒng)，輸入車站內(nèi)興趣點（POI，point of interest）位置，在站外調(diào)用第三方地圖應用系統(tǒng)，實現(xiàn)站外導航，到達車站后，自動切換到站內(nèi)導航系統(tǒng)進行導航，根據(jù)旅客的導航需求，將旅客導航到站內(nèi)指定目的地。通過站內(nèi)外導航系統(tǒng)接駁，實現(xiàn)旅客全行程導航。

4.2 商業(yè)智能分析

4.2.1 位置數(shù)據(jù)分析

通過對旅客訪問站內(nèi)導航系統(tǒng)產(chǎn)生的定位、導航數(shù)據(jù)展開大數(shù)據(jù)應用分析，以圖形化方式展示請求站內(nèi)路徑規(guī)劃、請求搜索站內(nèi)服務(wù)設(shè)施等信息的頻次，優(yōu)化站內(nèi)流線設(shè)計、精準配置站內(nèi)服務(wù)設(shè)施及服務(wù)資源。通過對餐飲、商鋪等的搜索導航以及旅客在此類店鋪的停留時長進行大數(shù)據(jù)分析，建立用戶畫像，判斷旅客對餐飲、商品的需求，調(diào)整餐飲、商品的數(shù)量及品種，提高商鋪的精準營銷。

4.2.2 區(qū)域客流分析

通過在車站區(qū)域內(nèi)對旅客訪問站內(nèi)導航系統(tǒng)的定位，展開區(qū)域客流分析，以區(qū)域熱力圖的方式展示客流，以顏色表示人口密集程度，同時表示人口擁擠程度。

5 結(jié)束語

通過對國內(nèi)外室內(nèi)定位技術(shù)的研究，確定了在鐵路車站選用基于iBeacon定位技術(shù)構(gòu)建站內(nèi)導航系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、邏輯架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，描述了系統(tǒng)的功能，提出了基于iBeacon的站內(nèi)指紋匹配定位算法，實現(xiàn)了站內(nèi)精準定位、導航、站內(nèi)位置信息搜索等功能，同時為鐵路車站工作人員提供了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的站內(nèi)商業(yè)分析功能。對提升旅客出行體驗，提高客運服務(wù)質(zhì)量具有現(xiàn)實意義。