深埋復(fù)雜車站智能導(dǎo)航系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

葉麗思，馬侃彥，洪里平，陳維亞

（1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，北京 430074；2.京張城際鐵路有限公司，北京 102199）

為提升旅客出行效率，改善出行體驗(yàn)，近年來(lái)，以高速鐵路車站為代表的大型交通樞紐采用無(wú)人售票終端、無(wú)人檢票快速安檢通道、智能服務(wù)App 等一系列革新技術(shù)，形成了一套智能化的乘客服務(wù)體系[1-2]。然而，由于建筑面積大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、服務(wù)設(shè)施多，乘客往往難以快速找到目的地，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效便捷出行。因此，公共交通樞紐中的乘客智能導(dǎo)引服務(wù)一直是乘客們迫切的需求，并驅(qū)動(dòng)了相關(guān)研究與應(yīng)用的發(fā)展。

針對(duì)乘客智能導(dǎo)引這一需求，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合電子地圖、室內(nèi)定位與導(dǎo)航、自動(dòng)尋路等相關(guān)技術(shù)，對(duì)車站內(nèi)的智能導(dǎo)航方案展開了研究。白斐等人[3]在三維建模和電子地圖理論基礎(chǔ)上，提出了一種建立高速鐵路車站三維電子地圖的方法及框架，結(jié)合人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)信息檢索和智能導(dǎo)航。然而，此類電子地圖由于缺乏定位，僅局限在車站的固定終端上使用。隨著移動(dòng)智能手機(jī)，以及全球定位技術(shù)的普及，車站內(nèi)的導(dǎo)航向移動(dòng)化、便捷化方向發(fā)展。早在2007 年，Millonig 等人[4]就提出了基于地標(biāo)的行人導(dǎo)航系統(tǒng)；Arikawa 等人[5]總結(jié)了日本移動(dòng)導(dǎo)航應(yīng)用Navitime 在城市公共交通中發(fā)揮的作用，二者都將電子地圖與GPS 等定位手段相結(jié)合，并將服務(wù)信息在移動(dòng)終端上匯總，從而提供形象化的導(dǎo)航。雖然這類智能引導(dǎo)系統(tǒng)取得了一定的成功，但受定位精度的影響和建筑物對(duì)外部信號(hào)的遮蔽，基于GPS 的智能導(dǎo)航難以在車站內(nèi)等環(huán)境下獲得較好的導(dǎo)航效果。

因此，越來(lái)越多的研究開始聚焦室內(nèi)定位技術(shù)[6]，開發(fā)了基于Wi-Fi[7]、iBeacon[8]、Zigbee[9]等各類室內(nèi)環(huán)境定位與導(dǎo)航方法?；谑覂?nèi)鋪設(shè)的信號(hào)基站，室內(nèi)定位在精度上有了較大提升，最佳情況下基本可實(shí)現(xiàn)1m 以內(nèi)的定位精度。由于需要增設(shè)額外的硬件，研究人員依然在持續(xù)探索精度更高、成本更低的導(dǎo)航方法。隨著基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的定位與重建技術(shù)逐漸成熟，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR，Augmented Reality）等人機(jī)交互技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)階段發(fā)展到應(yīng)用階段?；贏R 的導(dǎo)航將路線輔助信息疊加在真實(shí)場(chǎng)景畫面之上[10-11]，相比電子地圖，提供了更直觀的路線展示方式[12-13]，在車站等場(chǎng)景中已有了初步嘗試[14-15]。

為實(shí)現(xiàn)完整的智能導(dǎo)航，除了精準(zhǔn)、快速的定位技術(shù)，還需要智能的自動(dòng)尋路算法。傳統(tǒng)算法通常針對(duì)平面布局，比如動(dòng)態(tài)空間劃分[16]、NavMesh（Navigation Mesh）[17]或典型路標(biāo)點(diǎn)[18]等。對(duì)于平面內(nèi)的靜態(tài)場(chǎng)景，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)導(dǎo)航，但對(duì)于多層建筑內(nèi)的自動(dòng)尋路，維度的增加使尋路的復(fù)雜度和表示難度進(jìn)一步提升，相關(guān)研究剛剛起步[19]。本文研究并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于深埋復(fù)雜車站的智能導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用于深埋復(fù)雜車站的智能導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。其架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層構(gòu)成：（1）數(shù)據(jù)層，包含車站建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）及車站內(nèi)外實(shí)體掃描模型，提供導(dǎo)航所需的室內(nèi)空間信息及空間所包含的組件信息；（2）邏輯層，用于實(shí)現(xiàn)站內(nèi)空間的實(shí)時(shí)定位與跨層導(dǎo)航，包括對(duì)BIM 及掃描模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建導(dǎo)航模型，結(jié)合Unity 3D中的NavMesh 系統(tǒng)、A*尋路算法、視覺(jué)SLAM 算法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航地圖的快速生成，在移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)定位，生成導(dǎo)航異常狀況下的處理方案，給出導(dǎo)航中斷狀況下的恢復(fù)辦法；（3）應(yīng)用層，是客戶端界面，包含進(jìn)出站、便民服務(wù)、自助查詢等導(dǎo)航功能模塊，滿足用戶多樣化導(dǎo)航需求，服務(wù)器對(duì)用戶的操作做出響應(yīng)，導(dǎo)航結(jié)果在應(yīng)用層上呈現(xiàn)。

圖1 智能導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 導(dǎo)航模型格式轉(zhuǎn)換

車站的BIM 和實(shí)景掃描模型為構(gòu)建導(dǎo)航系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；贗FC 格式的BIM 可用于生成導(dǎo)航的拓?fù)淠Ｐ停ㄖ呙枘Ｐ蜑榛谝曈X(jué)的實(shí)時(shí)定位提供了三維幾何數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。BIM 中包含的建筑物不同區(qū)域的功能屬性對(duì)導(dǎo)航服務(wù)同樣十分重要，需要在設(shè)計(jì)尋路應(yīng)用時(shí)予以考慮。系統(tǒng)基于BIM 提供的三維幾何數(shù)據(jù)和室內(nèi)構(gòu)件特征點(diǎn)選取導(dǎo)航路徑點(diǎn)，將樓梯口或電梯口等連接上下層的構(gòu)件特征點(diǎn)抽象為平面路網(wǎng)模型中的終點(diǎn)路徑點(diǎn)，從而建立各樓層之間的聯(lián)系，構(gòu)建多層路網(wǎng)模型。提取的導(dǎo)航所需信息的IFC 文件可通過(guò)xBIM 的相關(guān)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)模型格式轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的模型導(dǎo)入到Unity3D 中，完成場(chǎng)景燈光、視角及角色碰撞器的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航模型的格式轉(zhuǎn)換。

2.2 尋路算法設(shè)計(jì)

構(gòu)建導(dǎo)航模型后，需要通過(guò)尋路算法規(guī)劃最短路線。采用改進(jìn)的導(dǎo)航網(wǎng)格算法可突破平面尋路算法的局限性，實(shí)現(xiàn)多層建筑內(nèi)部的自動(dòng)尋路。本文采取基于NavMesh 的尋路算法，利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存保存大量的三角面片信息，生成更為細(xì)致的導(dǎo)航地圖，更適用于真實(shí)場(chǎng)景。對(duì)于多層車站，出發(fā)點(diǎn)和目的地可能在同層、不同位置，也可能跨越了多個(gè)地圖層，需考慮不同層之間的可連通性及連接的方向性。NavMesh 將車站模型作為一個(gè)整體，在將扶手電梯、樓梯等區(qū)域設(shè)置在可導(dǎo)航網(wǎng)格以內(nèi)后，即可實(shí)現(xiàn)跨層路徑生成。在獲取車站設(shè)施狀態(tài)和可用性、人流分布的特點(diǎn)等動(dòng)態(tài)信息后，還可基于實(shí)際情況，根據(jù)不同的目標(biāo)（時(shí)間最短、路徑最短等），動(dòng)態(tài)選取最優(yōu)路徑。

尋路流程主要包含4 個(gè)部分，如圖2 所示。（1）獲得基于NavMesh 尋路算法生成的可導(dǎo)航地圖的網(wǎng)格模型；（2）根據(jù)網(wǎng)格的鄰接信息構(gòu)造圖及起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)所在導(dǎo)航多邊形，使用A*尋路算法計(jì)算出從起點(diǎn)到終點(diǎn)需要走過(guò)的三角形集合，得到由多邊形網(wǎng)格組成的路徑；（3）NavMesh 將三角形作為尋路單元，通常使用漏斗算法對(duì)多邊形網(wǎng)格組成的路徑進(jìn)行優(yōu)化，以得到由坐標(biāo)組成的平滑路徑；（4）通過(guò)對(duì)A*尋路算法的啟發(fā)式函數(shù)f(n)=g(n)+h(n)中的h(n)賦權(quán)調(diào)節(jié)，其中，g(n) 是節(jié)點(diǎn)n距離起點(diǎn)的代價(jià)，h(n)是節(jié)點(diǎn)n距離終點(diǎn)的預(yù)計(jì)代價(jià)，從而提高A*算法的尋路速度，得到在當(dāng)前加快尋路速度條件下的一條最優(yōu)路徑。

圖2 尋路算法設(shè)計(jì)流程

2.3 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的實(shí)時(shí)定位

在導(dǎo)航定位方法上，不同于基于GPS 或其它外部基站的方法，由于建筑對(duì)GPS 等定位信號(hào)的屏蔽，要實(shí)現(xiàn)車站內(nèi)部，尤其是深埋復(fù)雜車站內(nèi)部的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)定位，可考慮借助三維重建與視覺(jué)特征匹配、結(jié)合的視覺(jué)定位方法，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)大范圍空間中具備一定精度、低成本的實(shí)時(shí)定位。當(dāng)前計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的研究已取得了一定的突破，其中，三維重建技術(shù)為三維空間信息的獲取提供了支持，各類局部特征點(diǎn)的提取及其匹配算法保障了多尺度、多場(chǎng)景下的快速視覺(jué)定位。智能導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)視覺(jué)特征點(diǎn)匹配的方式，完成用戶在導(dǎo)航起始地點(diǎn)及中斷地點(diǎn)的定位，在移動(dòng)過(guò)程中，則采用基于視覺(jué)SLAM 算法的實(shí)時(shí)定位與追蹤，完成用戶的移動(dòng)狀態(tài)判定。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 導(dǎo)航地圖構(gòu)建

（1）在Autodesk Revit 2019 中建立北京—張家口高速鐵路（簡(jiǎn)稱：京張高鐵）某深埋復(fù)雜車站的整體數(shù)字模型，包含車站三維幾何信息及服務(wù)功能信息，根據(jù)該車站的BIM 導(dǎo)出IFC 文件；（2）確定需提取的三維幾何模型數(shù)據(jù)和不同區(qū)域的功能屬性導(dǎo)航信息后，通過(guò)xBIM 來(lái)實(shí)現(xiàn)IFC 文件的解析與格式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而導(dǎo)入到Unity3D 中，進(jìn)行后續(xù)導(dǎo)航模型的構(gòu)建操作；（3）將處理后的IFC 模型導(dǎo)入到Unity3D 中，構(gòu)建導(dǎo)航模型，以進(jìn)行后續(xù)尋路操作；（4）NavMesh 是Unity3D 引擎中的一個(gè)導(dǎo)航路徑生成插件，可通過(guò)NavMesh 的自動(dòng)尋路功能在Unity3D 中生成可導(dǎo)航網(wǎng)格模型，從源幾何圖形創(chuàng)建一個(gè)實(shí)心高度場(chǎng)，進(jìn)一步劃分其表面后，得到與源幾何體高度、輪廓匹配的三角形網(wǎng)格，形成可遍歷表面，構(gòu)建可導(dǎo)航地圖及后續(xù)尋路導(dǎo)航計(jì)算的模型基礎(chǔ)。

3.2 導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)

（1）完成導(dǎo)航地圖構(gòu)建后，結(jié)合尋路算法與實(shí)時(shí)定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)車站室內(nèi)場(chǎng)景的導(dǎo)航。用戶通過(guò)手機(jī)攝像頭掃描起點(diǎn)的視覺(jué)特征，基于特征匹配的方式完成定位，獲取自己在三維車站模型中的精確位置，并根據(jù)輸入的終點(diǎn)位置調(diào)用尋路算法生成導(dǎo)航路徑。（2）完成導(dǎo)航路線起始點(diǎn)定位后，仍需在用戶移動(dòng)過(guò)程中對(duì)其所持移動(dòng)設(shè)備的位置和姿態(tài)進(jìn)行持續(xù)定位，以獲得導(dǎo)航狀態(tài)下用戶移動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置。通過(guò)采用現(xiàn)有的視覺(jué)SLAM 算法，結(jié)合預(yù)先完成的車站三維空間掃描模型，可在一定的人流密度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航狀態(tài)下的用戶實(shí)時(shí)定位。雖然可能由于視覺(jué)定位的累積誤差導(dǎo)致定位信號(hào)的漂移，但可結(jié)合移動(dòng)端的慣導(dǎo)傳感器進(jìn)行一定的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)導(dǎo)航定位的米級(jí)精度要求。

由多種干擾因素造成的視覺(jué)定位失效可導(dǎo)致導(dǎo)航中斷。例如，車站現(xiàn)場(chǎng)人流過(guò)密，或用戶主動(dòng)終止導(dǎo)航，都可能會(huì)導(dǎo)致定位信號(hào)丟失，SLAM 過(guò)程提前結(jié)束。在本文的智能導(dǎo)航系統(tǒng)中，用戶可就地或挑選站內(nèi)視覺(jué)特征比較明顯的區(qū)域，重啟定點(diǎn)定位的流程，從當(dāng)前選定位置發(fā)起新的導(dǎo)航。如果用戶在行進(jìn)過(guò)程中與既定路線產(chǎn)生了較大的偏差，系統(tǒng)會(huì)提示用戶盡快回到既定路線，用戶偏離導(dǎo)航路線超過(guò)一定范圍后，系統(tǒng)會(huì)基于當(dāng)前視覺(jué)定位的位置，主動(dòng)重新規(guī)劃最佳路線。

3.3 導(dǎo)航應(yīng)用界面

京張高鐵深埋復(fù)雜車站站內(nèi)導(dǎo)航模型存放在服務(wù)器中，減少客戶端所需內(nèi)存及加載模型所需時(shí)間，用戶在移動(dòng)端使用智能導(dǎo)航系統(tǒng)App 時(shí)，進(jìn)入主界面后，可根據(jù)自己當(dāng)前的導(dǎo)航需求點(diǎn)選對(duì)應(yīng)的功能模塊，執(zhí)行各項(xiàng)操作，查詢所需信息，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化路徑導(dǎo)航。智能導(dǎo)航系統(tǒng)App 功能界面如圖3 所示，主要由3 個(gè)模塊組成。

圖3 智能導(dǎo)航系統(tǒng)App 功能界面

（1）進(jìn)出站服務(wù)：用戶可根據(jù)當(dāng)前需求選擇不同的目的地，如：檢票口、候車廳、售票處、站臺(tái)口等，無(wú)需手動(dòng)輸入，避免不準(zhǔn)確的情況，以提供更方便、快捷的進(jìn)出站導(dǎo)航服務(wù)。

（2）便民指引服務(wù)：考慮到用戶在候車或出站期間可能存在的需求，對(duì)車站內(nèi)現(xiàn)有的服務(wù)設(shè)施進(jìn)行分類，如：母嬰服務(wù)、開水間、衛(wèi)生間、服務(wù)臺(tái)等，用戶可以通過(guò)下拉菜單點(diǎn)擊相關(guān)服務(wù)設(shè)施按鈕，即可發(fā)起定點(diǎn)導(dǎo)航，避免發(fā)生首次到站或?qū)φ緝?nèi)情況不熟悉的旅客在尋求相應(yīng)服務(wù)時(shí)，不能及時(shí)找到對(duì)應(yīng)服務(wù)設(shè)施的情況。

（3）自助查詢導(dǎo)航：考慮到用戶對(duì)目的地的需求不僅限于上述所提到的進(jìn)出站及便民服務(wù)，在該界面，用戶可根據(jù)自己的目的地需求輸入地點(diǎn)名稱，進(jìn)行自主導(dǎo)航。

4 結(jié)束語(yǔ)

為構(gòu)建適應(yīng)深埋復(fù)雜車站的智能導(dǎo)航系統(tǒng)，本文采用 Unity3D 作為開發(fā)工具，基于車站BIM，經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)車站場(chǎng)景三維地圖的半自動(dòng)構(gòu)建；結(jié)合自動(dòng)尋路算法，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航路徑的快速、精準(zhǔn)生成；基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)特征匹配的快速定位方法，解決了GPS 信號(hào)缺失場(chǎng)景下，難以實(shí)現(xiàn)低成本、大空間、實(shí)時(shí)定位的問(wèn)題；通過(guò)AR 與三維重建相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了基于SLAM 的實(shí)時(shí)定位與路徑顯示。京張高鐵深埋復(fù)雜車站引入站內(nèi)智能導(dǎo)航服務(wù)，有助于提升乘客的站內(nèi)體驗(yàn)；將科技融入出行過(guò)程，有助于鐵路精品服務(wù)口碑的建立。同時(shí)，減小了站內(nèi)服務(wù)人員的工作壓力，提升了乘客的出行效率。

后期系統(tǒng)更新迭代可考慮通過(guò)與交通流預(yù)測(cè)算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的短時(shí)人流量信息展示，幫助用戶了解當(dāng)前站內(nèi)擁堵狀態(tài)。亦可在數(shù)據(jù)層接入票務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)端口，實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)航軟件中呈現(xiàn)乘車信息的功能。