基于UWB技术的地铁无感支付研究

时间：2023-02-21 12:20:08 来源：千叶帆本文已影响人

秦杰，戚文彬，杨燕明，孙权，曾望年，杨阳，朱涛

（1.中国银联博士后科研工作站，上海 201201；
2.复旦大学计算机科学技术学院，上海 200433；
3.中国银联股份有限公司，上海 201201）

随着经济的快速发展和城镇化的快速推进，城市客运量呈现爆发性增长。地铁因其低碳便捷的特点，为人们的生活出行和通勤提供了重要保障。以往人们乘坐地铁出行时需要购买地铁票或储值卡，将卡片放在闸机指定感应区域实现进站，在出站时需要回收地铁票或刷卡确认，运营平台通过进出站点的相关信息完成储值卡计费扣款。然而此种方式下会存在高峰时间段乘客等待时间过长和排队购票容易造成滞留等问题。近年来，在“互联网+”推动下，以二维码支付[1]、云购票[2]和NFC（近距离无线通信）支付[3]为代表的移动支付方式应运而生，切实缓解了排队购票和充值圈存过程效率低下的问题。但是无论二维码支付还是NFC支付，仍存在以下问题：（1）乘客进出站时需要提前打开二维码，并将移动设备放置在指定感应位置，因此过闸效率相对较低；
（2）在人流量较大的地铁环境下，以NFC支付为代表的接触类支付方式，无法严格满足疫情防控的要求；
（3）二维码支付和NFC支付均无法实现乘客通行意图的智能感知，不能进一步提升乘客的支付体验。

万物互联时代背景下，金融科技领域推陈出新，无感支付成为各金融支付机构和互联网头部企业竞相角逐的新蓝海。其中，基于UWB（超宽带）技术的地铁无感支付具有良好的应用前景。与RFID[4]、Bluetooth[5]和WiFi[6]等传统通信技术相比，UWB通过发送纳秒级的窄脉冲信号完成数据传输，具有定位精度高、实时性强、功耗低、穿透力强和安全性高等优点[7-8]。UWB定位算法大多基于到达时间的TOA和TDOA方法，利用时间参数计算得到信号传输距离（或距离差），构建位置信息的方程组进而得到目标节点的坐标，在室内定位跟踪方面具有独特的优势。

本文利用UWB室内实时精确定位技术，设计了一种地铁无感支付系统。通过在地铁闸机上部署的UWB定位基站，获取乘客UWB设备的实时三维坐标并完成乘客通行意图的智能感知，实现了乘客进出地铁站的无感支付，能够有效提高地铁过闸的通行效率。

如图1所示，基于UWB技术的地铁无感支付系统主要由4部分组成，包括UWB设备、收款终端（地铁闸机）、地铁后台系统和支付平台。其中，UWB设备包括手机、蓝牙耳机、智能手环和智能手表等移动设备或标签。

图1 UWB地铁无感支付系统架构

收款终端由安装UWB定位基站和红外对管的地铁闸机组成。每个闸机通道出口位置布置4个不处于同一平面上的定位基站，红外对管安装在闸机的进口和出口两个位置，当乘客到达进站闸机的红外感应位置后触发基站定位功能，对乘客UWB设备进行搜索并完成相应的通信连接。结合TOA算法[9-10]，即可获得乘客携带的UWB设备的三维坐标定位，并据此准确判断是否打开闸门。乘客通过闸门后记录进站站点，待乘客出站时记录出站站点，并向地铁后台系统发送扣款请求。地铁后台系统将扣款请求传递给支付平台，随后支付平台将支付结果返回到地铁后台系统，同时将支付的结果通知给乘客UWB设备。最终将支付结果传递给地铁闸机，支付成功后出站闸机门打开。

在基于UWB技术的地铁闸机通行方案中，核心要点在于如何有效识别乘客的通行意图，包括乘客进出站确认和智能感知。其中智能感知包括：进出站人员感知、进出站方向感知和进出站闸机感知。

2.1 进出站确认

如图2所示，以进站为例，进出口两对红外对管之间的距离为S，闸机间通道宽度为D，参考坐标原点o（0，0，0）位于闸机出口位置。当乘客携带UWB标签设备经过进站闸机时，闸机进口处的红外线被遮挡。此时，闸机定位基站被触发并与乘客的UWB设备建立连接，完成进站乘客的身份验证。依据定位基站接收到信号的时间等信息可以计算出乘客的当前位置坐标P（x0，y0，z0）。若0.5S

图2 基于UWB的地铁进站验证

2.2 智能感知

2.2.1 进出站人员感知

当没有携带UWB标签设备的乘客经过进站闸机或者出站闸机的红外对管时，系统不会判定闸机门打开。以图3（a）乘客进站为例，经过进站闸机红外对管的前方乘客没有携带UWB标签设备，其后方乘客携带UWB标签设备，红外线被前方乘客遮挡后，闸机UWB定位基站会与后方乘客的设备标签建立连接。依据后方乘客的定位信息x0>S，可以识别出当前进站乘客没有携带UWB标签设备，闸机门不会打开。

2.2.2 进出站方向感知

当携带UWB标签设备的乘客逆向通过进站闸机或出站闸机时，系统不会判定闸机门打开。以图3（b）乘客在站内试图通过进站闸机完成出站为例，站内一侧红外线被站内的乘客遮挡后，UWB定位基站会与乘客的设备标签建立连接。依据乘客的定位信息x0<0.5S，可以识别出当前乘客出站闸机选择错误，闸机门不会打开。

2.2.3 进出站闸机感知

当携带UWB标签设备的乘客正常通过进站闸机或出站闸机时，系统不会误开临近的闸机门。以图3（c）乘客甲通过进站闸机1而没有携带UWB标签设备的乘客乙试图通过进站闸机2为例，站外一侧红外线被进站的乘客甲和乙遮挡后，两个进站闸机的UWB定位基站会与乘客甲的设备标签建立连接。对于进站闸机1，乘客甲定位信息满足0.5S

图3 基于UWB技术的感知功能

本文基于UWB技术构建了一种地铁交通场景下的无感支付系统，明确了系统的主要组成部分，给出了系统的业务逻辑。通过对通行方案的创新性设计，能够实现乘客通行意图的快速有效识别，切实提高地铁过闸通行效率。随着各大厂商纷纷加速UWB技术在各类智能移动设备的布局，UWB技术将成为服务地铁“智慧出行”变革的重要支撑，本文研究对加快金融服务能力外延至交通出行场景具有重要意义。

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