王小磊：超宽带技术在公交行业的应用前景
关于召开"2024年公交分会理事长工作会议"暨举办"公交大讲堂"活动的通知
王小磊：高级工程师，中国土木工程学会城市公共交通分会智库专家，曾经任重庆市公共交通控股（集团）有限公司电车公司总工程师、BRT公司书记兼副总经理、公交维修公司总经理、恒通客车顾问、吉尔吉斯斯坦共和国史德洲（Шыдыр Жол Кей Джи）有限责任公司总机械师等。王小磊先生是实现中国公交第一笔碳交易的参与者。
超宽带技术在公交行业的应用前景
王小磊
摘要
在公交智慧化程度的逐渐深入、以及自动驾驶车辆对定位系统的数据容量不断增加的背景下，数据传输的需求日渐增加，但是由于在立交桥、涵洞、隧道、场站、室内停车场等场景是卫星定位信号盲区，公交车无法定位，因此出现了数据链中断的情况。故而引发了对常规定位方式及传输技术的变革，也将超宽带这一诞生已久的技术被重新提了出来。在现代IT技术的加持下，超宽带技术将弥补缺乏卫星和惯性导航以及通信信号带宽等方面的缺陷，为提高公交运营安全和高质量服务提供更可靠的技术保障。
1. 超宽带技术简介
超宽带（Ultra Wideband，UWB）是一种可用于精确位置跟踪的、带宽很大的通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。虽然 UWB 最初的种子是在 19 世纪末播下的，但直到近几十年，有了新IT技术的加持才让这项技术真正发展并在现代通信技术领域占了一席之地。
1.1 UWB起源于19世纪
因其起源可以追溯到1800年代末，UWB并不是一项新技术，故可以称其历史既新又旧。不过就UWB历史而言，有两人对UWB这门无线电技术的诞生与发展起到了重要作用：
1.1.1 赫兹的发现
1887年，海因里希·赫兹 (Heinrich Hertz)通过产生火花间隙（spark gap）来进行宽带负载偶极子辐射信号，产生了第一个 UWB 信号。这是第一个实验性火花间隙信号发射器。
1.1.2 马可尼的贡献
1896 年，古列尔莫·乔瓦尼·玛丽亚·马可尼 (Guglielmo Giovanni Maria Marconi) 首次使用火花间隙无线电发射机，将信号传播到非常宽的带宽上。他的发现导致了使用莫尔斯电码的跨大西洋无线电通信和军事无线电应用。然而，当时从未考虑过电磁脉冲的大带宽可以为多用户系统提供通信的能力问题，故最终未能获得应用。
1.2 UWB的发展
从1920 年起UWB就被禁止用于民用领域，在之后的几十年里，UWB一直是政府和军事的机密专有协议，就是“超宽带（UWB，Ultra Wideband）”这个词也是DoD (美国国防部)于1989年创造的。从20世纪60年代到90年代，该技术仅限于军事机密项目（例如高度安全通信）的应用，直到 2002 年FCC (Federal Communications Commission，美国联邦通信委员会)才将其开放用于民用。2003年，IEEE (电气和电子工程师协会，Institute of Electrical and Electronics Engineers) 发布了IEEE 802.15.4标准，UWB技术的民用市场正式开启。
1.3 UWB在交通领域的应用
与卫星定位需要开阔地带不同，UWB技术可以在有遮挡的空间完成移动载体的精准定位，而且传输速率快（带宽在1GHz以上，在10米距离内的数据传输率可以达到几十Mbps,甚至接近100Mbps）因此UWB已经在交通方面崭露头角。
1.3.1 数字钥匙
目前UWB在汽车领域最显著的案例，是基于IEEE 802.15.4z标准的数字钥匙（Digital Key Plus）3.0技术。目前，无论哪个制造商以及何种类型的操作系统的数字钥匙，都能够让用户使用他们的移动设备，轻松、安全地与他们的车辆通信，并替代传统钥匙的功能，而且比传统钥匙防盗技术更为可靠，用户使用起来更为便捷。
1.3.2 地铁列车防撞
在最新的地铁列车定位方案中，由于在CBTC(Communication Based Train Control，基于通信的列车控制系统)中加入了UWB技术，由于UWB设备可以为列车定位系统带来更高定位精度，让列车在关键轨道转换区域进行轨道识别、在站台完成精准停靠、在卫星定位失效区域进行里程校准。增加了列车在定位导航、列成防撞与碰撞预警、列车精准停靠等方面的精确与可靠性。UWB技术已经被纽约、那不勒斯等城市地铁用于防撞和列车编组等工作。
1.4 UWB的主要特点
UWB技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获率低、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。解决了困扰传统无线通信技术在数据多年的有关传播方面的重大难题。UWB技术与传统的窄带系统相比，主要特点有：系统结构的实现比较简单、高速的数据传输、功耗低、安全性高、多径分辨能力强、定位精确、工程简单造价便宜等。由于只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲进行调制，相对其它无线技术要简单得多，所需的电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本很低。
2. UWB的基本定位原理
UWB定位的原理是基于距离测量。测距是指在地理空间中对两点间的直线距离进行测量。确定设备之间的距离后即可实现对目标位置的定位。
2.1 UWB的测距原理
UWB设备测距原理是基于TOF法（time of flight直译为飞行时间测距法），即：按照物理学的基本原理，通过计算数据在空中飞行时间光速=数据飞行距离，从而测出两节点间的距离。其工作原理可简述为：UWB设备A（简称A）与UWB设备B（简称B），是能够提供数据帧收发时纪录的时间戳的异步收发机（Transceiver），相隔距离为S。A在T1时刻发出POLL脉冲信号，经过TF的时刻于T2时刻到达B，对B对POLL信号经过Tdelay这么长的时间处理后，B于T3时刻发出一个RESPONES脉冲信号回复，RESPONES信号经过TF的时刻于T4时刻到达A，由此可计算出A、B之间的距离S。
2.2 UWB的定位原理
UWB的定位功能和卫星定位原理很相似。虽然一个基站一个标签即可实现定位，就空间目标定位的准确性和可靠性而言，还是采用的三点定位相对精确。根据三点定位原理，至少需要三个已知坐标的定位基站，需要定位的目标携带定位标签，标签按照一定的频率发送脉冲，基站与标签进行通信才能确定标签的位置，通过一定的算法确定出标签的位置。实际应用中，根据场景需求和技术实现措施，可以采用不同的定位方式来实现目标的定位。
3. UWB在公交行业的应用前景
UWB的亚米级别的高精度定位、强大的穿透能力以及高速数据传输的特性，并且具有较高的性价比、相对其它无线技术要简单得多等优点，除了作为没有卫星定位信号的补充，还具有为大量数据提供宽带通信的能力，可大幅度提高公共交通运维的安全性和生产效率。
3.1 UWB在隧道内安全行驶监控
利用UWB技术具有高精度、覆盖范围广、可无限扩展等特点，通过在隧道内和车辆上安装UWB装置，可以实现在隧道内公交车的安全行驶监控，对行驶在隧道内车辆的超速和随意变更车道的行为进行数据采集并及时告知驾驶员予以纠正。
3.2 UWB用于运营秩序自动监控
利用UWB比卫星信号测距精度高、高速的数据传输的优势，在公交专用道和易堵车路段安装UWB基站，通过验证车辆的 ID 和位置，UWB 可以验证与目标车辆的通信，配合车载UWB标签和智能终端，自动、快速的采集公交车队的车辆间距信息，可以比用卫星坐标计算的更快捷的方法，更快的自动、实时提醒驾驶员保持规定的车距，避免公交车因为交通拥堵等原因影响，使公交车队形成“公交列车长龙”，不因社会交通流不畅而影响城市公共交通的运营秩序。
3.3 UWB用于公交车维修及寿命周期管理
UWB除了具有定位的高精度（误差一般在10厘米-30厘米）的优势外，还是一种低功率、高宽带通信技术，可达到很高的传输速率，可应用于车辆维修厂房、室内停车场楼等复杂室内场景。用UWB技术组建高速无线局域网，可解决由于墙体、玻璃等环境因素导致室内信号传输的难题。通过在厂房空间内外部署定位基站、除了车辆维修工位、设备安装定位标签，还可以给维修技工佩戴定位标签，再与已有ERP等管理系统进行集成来实现。可实现车辆维修实时监控、进度跟进，智能化数据分析，更好的掌控车辆维修质量和维修进度。
通过UWB技术的应用，有望提升公交车运营、维修、以及主要总成（或配件）从出厂到使用及至报废的全寿命周期内数据跟踪的精确性，在确保公交车运营安全的前提下，可以相对准确的评估不同运营条件下车辆维修方案的经济性。
3.4 UWB用于自动驾驶
作为一种射频技术，UWB可用作卫星定位的补充，提供精确的测距，并与里程表或惯性传感器等车载传感器融合，可以增强高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 和联网自动驾驶车辆 (CAV) 传感器的性能，再与V2X联网，将减少车辆碰撞事故的几率。UWB技术在用于自动驾驶时，其拓扑结构与卫星坐标定位等同，且定位可以与其无盲区的切换、只需把无需联网离线供电的UWB 模块安装在RSU (路边单元Roadside Unit)，不但可弥补卫星定位的不足，还可以与配备自动驾驶系统的公交车共享位置和速度/方向矢量，由于配件成本比其他类似功能的传感器价格低、定位精度更高，简化了的自动驾驶系统可以更可靠的性能和较低的成本克服来解决被动定位系统在自动驾驶应用中的诸多难题。
4. 结语
UWB是一种不依托卫星的移动通信协议，它虽然并不是一项全新的技术，却因为有了新IT技术的加持，已经在交通行业初见端倪，在当今网络连接一切的浪潮中发挥巨大的应用潜能。UWB在公交领域的应用并不仅限于车辆定位和运营，例如在安全行车方面：使用UWB来进行车辆与行人的手机（V2P）通信，并测量人车之间的距离然后预警，以避免车辆与行人的碰撞事故；在票务的自动检票、客流的精准调查等等也有广阔的应用前景。随着IT和芯片产业的不断发展，UWB硬件的成本将大幅度下降，具有便捷、廉价优势的UWB技术将迅速普及，进而可以在公共交通领域，逐步建立的车辆定位、连接和数据传输等基于UWB技术所衍生的生态链，以更可靠的安全性和更高的运营效率，来满足智慧城市对城市公共交通系统更高的需求。
封面图片：成都公交
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