Evaluation and development of indoor positioning in the metro

Tässä diplomityössä selvitetään sisätilapaikannuksen nykytilaa ja kehittämispotentiaalia Helsingin kaupungin liikenneliikelaitoksen (HKL) ylläpitämällä ja operoimalla metroverkolla pohjautuen suullisiin, kirjallisiin ja empiirisiin aineistoihin. Sisätilapaikannus on voimakkaasti kehittyvä tutkimusala, jolla on runsaasti sovelluskohteita myös raideliikenteessä. Tutkimuksen teoriaosuudessa esitellään sisätilapaikannuksen taustalla olevia fysikaalisia mittausperiaatteita ja tutkitaan kirjallisuuden pohjalta erilaisia käytännön teknologioita. Tavoitteena on muodostaa laaja kuva tutkimuskentästä ja sen kehityssuunnasta sekä muodostaa paikannuksen yleiset käyttäjäkriteerit. Osiossa käydään myös läpi sisätilapaikannuksen markkinoita ja vertaillaan olemassa olevia tuoteratkaisuja käyttäjäkriteerien pohjalta. Lopuksi käydään läpi tietosuoja-asioita, sillä niitä koskeva eurooppalainen lainsäädäntö on hiljattain uudistunut. Käytännön osuuden alussa kartoitetaan asiantuntijakeskustelujen avulla mielipiteitä ja näkemyksiä sisätilapaikannuksen käyttöönotosta. Osiossa tutkitaan HKL:n ja sidosryhmien paikannukseen liittyviä käyttötarpeita, nykyisiä ja tulevia, ja muodostetaan niiden perusteella HKL:n käyttäjäkriteerit soveltuvan sisätilapaikannusjärjestelmän valintaan. Lisäksi käydään läpi metron nykyisten teknisten järjestelmien tilaa ja arvioidaan niiden soveltuvuutta paikannuskäyttöön. Lopuksi esitellään kaksi maanalaista järjestelmäpilottia, joista ensimmäisessä hyödynnetään satelliittipaikannusta ja toisessa langattomia lähiverkkoja. Tarkoituksena on arvioida konkreettisesti kummankin järjestelmän toimintaa ja soveltuvuutta. Liitteissä esitellään pilotin havainnekaavioita ja vertailevia tietoja muista samankaltaisista saatavilla olevista paikannusjärjestelmistä. Sisätilapaikannus on HKL:ssä vielä alkutekijöissään ja paikannusta tukevia nykyisiä järjestelmiä on vain muutamia. Turvallisuus on pääasiallinen käyttöönoton motivaattori. Satelliittipaikannus tunnelissa on lupaava teknologia, jolla voidaan päästä alle 10 metrin paikannustarkkuuteen jopa tavanomaisilla vastaanottimilla. Myös langattomiin verkkoihin perustuva paikannusteknologia vaikuttaa soveltuvalta varsinkin matkustajamäärien massa-analytiikkaan. Paikannusteknologian valintaan on kuitenkin syytä kiinnittää tarkasti huomiota ja arviointi on tehtävä perustuen useisiin toisistaan riippumattomiin valintakriteereihin. HKL:n on seurattava tiiviisti kansainvälisiä referenssejä ja kustannuskehitystä sekä järjestettävä kilpailutus parhaan ratkaisun saavuttamiseksi.The purpose of this thesis is to evaluate the current state and development potential of indoor positioning in the Helsinki metro, operated by Helsinki City Transport (HKL). Indoor localization is a rapidly growing field of research, with applications also in the domain of urban rail transport. The theoretical part offers a comprehensive literature review. The most important physical principles behind indoor localization are presented, as well as many different technological applications. The aim is to deliver an overview of the field of research and formulate general user criteria for the selection of indoor positioning systems. In addition, the indoor positioning market and some products are briefly evaluated. The part concludes with a chapter on data privacy, motivated by the new European regulation. At the beginning of the empirical part, HKL’s internal views on the deployment of indoor positioning are gathered. The part explores HKL’s and its partners’ existing and potential use cases and constructs customized system selection criteria for HKL’s use. Also, HKL’s current technical systems and their exploitability in positioning are evaluated. Finally, two underground pilot experiments are presented. The first of them utilizes satellite technology, the second one wireless local area networks. The goal is to evaluate both system operation and suitability for the local environment. The appendices provide complementary and comparative information on the experiments and on other similar available systems. The deployment of indoor positioning systems at HKL is still at its very early stages. The primary motivation for deployment is the improvement of safety and security. Satellite-based positioning in the tunnel is a promising technology with compelling references. The attainable accuracy of positioning could be well below 10 meters, even with unmodified receivers. Positioning based on wireless networks seems to fit especially passenger analytics. One must pay close attention to the selection of a proper positioning technology and it has to be made using multiple criteria. HKL must closely monitor international references and cost development. To achieve the best solution, a process of competitive bidding can be initiated