领创北京丨寻路“地下城”

在大型商场或车站的地下停车场，有些尴尬场景很多人都体会过：车多时，找不到停车位；办完事儿回来，绕来绕去又找不到车；好不容易找到了车，但跟着指示牌却走不到停车场出口；下了火车好不容易打上车，网约车却找不到地下接驳口……

地下空间，一个定位导航信号难以抵达的领域。身处其中，让早已对电子导航软件产生依赖的现代人，很难不迷茫。

如果这个导航失灵的空间，延展到400万平方米，将是一种什么样的情形？

为了助力雄安“地下一座城”的建设，让居民、游客在新区广阔无垠、交通相连的地下空间精准抵达目的地、找到需要的服务，北京市自然科学基金杰出青年基金项目获得者、北京邮电大学信息与通信工程学院教授路兆铭带领团队，在雄安新区做起了“地下工作者”。

在他们的不懈努力下，4年多的时间里，一款北斗与5G相融合的室内定位导航系统逐渐成形，并即将为人们的生活带来实实在在的便利。

5月21日，在雄安新区雄安站枢纽片区的中国能建“能建·新能源生态城”项目展示区内，游客通过球形大屏了解园区概况 图片来源：新华社

拨开迷雾

雄安，一座带着“智慧基因”出生的未来之城。

“起笔”之前，“适度超前布局智能基础设施”便已写入雄安新区建设的总体规划里。

在未来之城，看见未来的场景。这座城让人们对理想城市的想象走进现实——在地上之城层层拔节的同时，一座地下之城也在脚下开疆辟土、迅速成形。

合理开发利用地下空间，解决拥堵难题，构建信息化交通物流体系，是雄安智慧城市建设的重要一笔。在地上城市美好的广场和花园之下，是超过380公里的综合管廊、超过2200万平方米的地下停车场。仅雄安新区容东片区地下就有约5万个停车位，由95个小区的地下空间互连互通，面积达400多万平方米。

成形之初，这座雄伟的地下之城，宛如一座庞大的迷宫。

如此巨大的空间，要想精准管理、充分利用，离不开高精度的定位与导航。然而，在地上交通早已成熟并渗透到人们日常生活中的导航技术，在地下空间的表现却不尽如人意。

“学通信的学生都知道，建筑物的钢筋等金属构件会屏蔽掉外界的信号。”路兆铭介绍，导航借助的是卫星定位，通过测定导航卫星与接收器之间的距离，锁定接收器所在的位置，并指引道路。而建筑物的遮挡使地上的导航方案，在地下失灵了。

没有导航，即使广布引路的标志牌，在如此广阔的“地下迷宫”，人们也很难顺利找到目的地。为此，2020年，长期致力于无线信号感知定位、拥有丰富经验的路兆铭团队受雄安政府委托，为新区开发一套专门应用于地下的室内导航系统。

“我们抵达现场时，容东片区即将交付。由于没有对应的参照物，连施工的工人也经常迷路，找不到地上的出口。”路兆铭回忆起2020年春天，他带队首次来到雄安时的情形。

地下导航的需求集中而紧迫。为此，在那个炎热的夏天，北京邮电大学与中国铁塔股份有限公司组成的联合研发团队多次坐在一起探讨可行的方案。

“最开始，我们提出用4G/5G信号来做定位和导航，但很快这个方案就因无法实现而被推翻。”路兆铭说，地下空间的4G/5G信号采用的是室内无源分布系统来覆盖。他解释，室内无源分布系统十分常见，在各个建筑物里都有分布。“电信运营商将各路信号统一汇入一般设置在建筑物地下一层的合路器中，由合路器分发给遍布在各楼层、形似白色‘小蘑菇头’的天线，再由‘小蘑菇头’转发到人们的手机、电脑等各个接收终端。”只不过，这些“小蘑菇头”只能通信，无法定位。因为来自不同天线的信号合路传输，导致接收端无法区分信号来源，自然也就无法实现定位和导航。

部署蓝牙点位信标，增设北斗导航基站，采用Wi-Fi定位……两个月间，许许多多的方案被提出又被推翻。怎样才能找到可实现、成本低、效果好的方案？团队成员为此绞尽脑汁。

“有没有可能就地取材，利用建筑物已有的室内无源分布系统，把北斗信号‘引’到地下，再利用‘小蘑菇头’转发出去呢？”将室外使用的卫星信号与室内使用的通信设施相结合，是不是可以一举多得突破当下的困境呢？

在无数次交锋中，这样一个创新思路的迸发，如迷雾中点亮的一盏灯，为团队指明了前路。

机房设备布置图

从无到有

思路明确了，但“看上去很美”的想法，最终能不能实现，还是个未知数。

在北京邮电大学第三教学楼6层，科研人员埋头忙碌在各自的工位，先进的设备上显示着不断跳动的数据和高低起伏的曲线。实验室门口，挂着许多牌子：网络体系构建与融合北京市重点实验室、先进信息网络北京实验室、北京市重大成果转化项目示范基地、开源5G联盟……

“‘5G+北斗’方案的实验室论证部分就是在这里完成的。”路兆铭指着实验室外、走廊顶上布置的大大小小、距离不一的“蘑菇头”说，而负责分发信号的合路器就在实验室旁边的会议室里。

北斗信号从卫星抵达地面，已经经过了一波衰减。再从室外来到室内，甚至封闭的地下，又要经过一波衰减。想要在室内接收到精准的定位和导航信号，绝非易事。此外，室内无源分布系统传送着3家电信运营商各自的通信信号，如果再加上北斗信号，还可能导致原有的通信信号被干扰，使手机等通信设备无法正常使用。

路兆铭介绍，为了解决这些问题，团队用了6个多月的时间寻找信息融合的算法。“其实，我们团队的成员都是学通信的，对于北斗的定位原理并不精通。我们拿着相关教材边学边干，摸着石头过河。”路兆铭坦言，这半年多的时间里，他心里的压力一直很大。“如果最终实验室验证没有得到可行的结果，那整个方案就废了。”

一个参数一个参数地试，一个器件一个器件地换，一根天线一根天线地测……最终，团队找到了北斗信号汇入5G室内分布系统所需的滤波和功率参数。2020年11月，当室内准确的定位信号终于出现在测试的终端上，路兆铭激动万分，“这第一步，终于踏踏实实地迈出去了！”

而在实验室理想环境中诞生的理论，在现实中能不能真正管用，还需实战的检验。

2021年春节过后，路兆铭再度带领网络体系构建与融合北京市重点实验室团队回到雄安新区，并在此“安营扎寨”，一干就是好几个月。

“在实验室，我们解决了‘引入’的问题，到了现场，我们要解决的就是‘定准’的问题了。”路兆铭说，卫星导航技术在地面的定位只要精准到10米以内，就可以满足用户导航的需求。而在地下、在室内，不论是路口的设计还是用户需求的点位都更加细密，10米以内的精度显然就不够用了，需要实现的是“车位级”的精度。

彼时，雄安新城雏形初现，地下空间还在建设中。团队成员往往是一早揣着早饭和矿泉水来到地下测试的现场，晚上九十点钟才从现场出来，回到宾馆后还要开会、分析数据。路兆铭打开电脑，向记者展示当时的工作照：测试现场没有桌椅，大家就蹲在地上、坐在行李箱上操作着设备。

不同于实验室，现场的验证环境复杂、情况多变，堆放的建筑垃圾、意想不到的通风管线等等都是影响精准定位的“拦路虎”。

待部署的环境是客观的，无法改变。团队只能根据实际环境不断优化算法、改善模型。历经近1年时间，尝试了100多种不同类型的算法，终于找到了最适合室内定位导航的精准方案——将各终端信息汇集在一起，并通过数据模型不断协作校准的多终端协同定位模式。

“2022年底，当我们在容东片区最开始测试的近4万平方米的地下区域完成部署和调适后，定位的精度可达四五米。此后，我们一直在不断调整优化方案。”路兆铭说，目前雄安地下城的定位、导航已精准到1至2米范围。

路兆铭（右二）带领网络体系构建与融合北京市重点实验室团队开展试验

由小及大

路兆铭带领团队一路披荆斩棘地解决了从无到有、从有到准的种种难题，但怎样将这套小范围内精准布局的方案，在雄安新区更广阔的地下空间应用起来，让定位导航的信号精准、均匀覆盖每个角落，还需要更深入地实践和探索。

“在做小范围部署的时候，我们都是提前挨个点位去采集数据，然后有针对性地分析采集来的数据进行性能提升。但如果大规模部署，这样的方法所带来的工作量就显得太过庞大了。”这其中，还有许多具体的问题有待解决。比如，异形的路段怎么处理，地上和地下的定位导航该如何衔接等等。

路兆铭说，要解决大规模应用的难题，让地下定位导航系统适用于具体的场景，只能从优化部署的工具入手。团队将信息采集进行了标准化和自动化升级，“以前需要人力、手动完成信息采集，改进后通过操作车载的设备就能实现。”同时，优化算法，主动剔除冗余的信息，缩短信号搜索和数据分析的时长，提升定位和导航的效率。

去年底，优化后的定位导航系统已经在雄安新区容东片区150万平方米的地下空间开始部署，今年初部署完成，目前仍处于不断测试的阶段。

“起初，自创这套方案时，我们的想法很单纯，就是奔着解决新区地下导航难题去的。但方案落实后，显现出了许多设计之初没有考量过的优势，这让我们感到意外之喜。”路兆铭说。

比如，使用建筑物原有的5G室内无源分布系统天线加上合路器，不仅省去了安装新设施设备的成本，还同时解决了设备长期运营、维护的问题，使地下定位导航成了可持续提供的服务。“这套系统里，我们新增的设备只有北斗的定位模块。”路兆铭说，这种模块每8000至10000平方米安装一个，就能实现地下空间精准定位，节约成本50%以上。

除此之外，通过不断测试、调适算法，在性能精准度与普及便捷性之间折中取舍，目前，该系统可适配苹果、华为、小米、OPPO等几乎所有市面上常见的手机款型。这也为系统今后面向公众开放应用提供了充分、必要的条件。

路兆铭预计，到今年底，地下定位导航系统将实现整个容东片区400万平方米地下空间全域覆盖，面向新区居民提供服务指日可待。

未来已来

当这张雄安新区地下的“电子地图”真正抵达手机终端，与居民、用户见面时，将是什么样的形态呢？路兆铭介绍，将率先与大家见面的，是这个月即将在雄安新区一体化出行服务平台——“雄安行”上线的充电桩导航功能。

为便利电动车充电，雄安新区地下设置了上千个充电桩车位，如果没有定位和导航的辅助，想要在巨大的“地下迷宫”里精准找到附近的充电桩，是十分困难的。这一点，也制约着充电桩的使用率。而有了导航功能，只要在“雄安行”软件嵌入的相关模块输入“充电桩”，软件就可以给出导航路线，找到距离车主最近的充电桩。除此之外，团队还准备与管理地下停车的物业公司对接，实现导航、结算一体化。“这不仅让导航系统更‘有用’，也让充电桩更‘有用’。”

团队还将与美团、大众点评合作，在两款软件上线另一个生活服务类的功能——餐厅、饭店周边地下停车位的搜索服务。该功能通过经纬度数据的关联，可以帮助食客精准找到离就餐饭店最近的地下停车位。

路兆铭说，应用场景多、有盈利模式的软件才有条件不断优化，用户黏性同时会相应提高，形成正向循环。“科研成果要形成转化闭环，科研项目才更有生命力。”

至于整个雄安新区的“电子地图”，预计将在进一步提升地上、地下导航衔接功能后，于明年嵌入百度、高德等通用的导航软件，为更多雄安居民、游客提供便利。

“事实上，还有更多关于助力雄安建设‘智慧城’的想象，正在一步步变成现实。”

智慧物流，是雄安智慧城市建设重要的一笔。如今，无人配送机器人已经在雄安新区开始应用，新鲜而智能的配送方式不仅快速便捷、节省人力，也向人们展现了“未来之城”里的“未来场景”。路兆铭说，在不久的将来，北斗高精度室内定位系统还可以为巡检地下各类管廊的无人机或无人配送机器人提供导航，“届时，地下空间里将出现无人机繁忙作业、机器人‘赶路’的有趣场景。”不过，这仍有赖于系统的不断优化和升级，让定位的精度缩至1米以内，甚至达到厘米级。

当然，精准的地下导航技术不仅在雄安新区大展拳脚，在更广阔的天地里也大有可为。

全国在建最大的高铁枢纽之一——重庆东站的地下空间，就将采用路兆铭团队研发的这套北斗高精度室内定位技术，解决大型车站内接送站车辆、网约车、出租车难以精准找到接驳点的难题。

河南省平顶山市的一家医院则应用该技术，实现了地上、地下一体化的导航，解决了患者到院找车位难的问题。

今年，北京邮电大学与雄安新区签约，共建雄安空天信息研究院，路兆铭又多了一个身份——空天信息研究院副院长。而他的“双城记”仍在不断续写，每周至少有两三天出现在雄安。

虽然忙碌，但路兆铭乐此不疲。“‘从无到有’的创新是一种成就感的实现，为建设雄安新区添砖加瓦则是一种责任感的实现。”为了让更多对未来的想象变成现实，让科技真正给人们带去福祉，他从不曾停下脚步。

来源：《北京日报》

记者：孙乐琪