視障乘客地鐵出行系統(tǒng)設(shè)計(jì)*
——以福州地鐵為例

陳木真

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108）

目前，針對(duì)視障者出行的研究主要圍繞著穿戴式智能導(dǎo)向產(chǎn)品如視氪眼鏡[1]、百度新專利盲人導(dǎo)航眼鏡、智能導(dǎo)盲杖[2]和導(dǎo)盲智能機(jī)器人[3]展開，它們大多將視覺信息通過攝像頭、GPS 定位技術(shù)、超聲波定位測(cè)距技術(shù)、站內(nèi)藍(lán)牙定位技術(shù)、Wi-Fi 指紋定位[3]技術(shù)等轉(zhuǎn)換成聽覺或觸覺信息，而這些技術(shù)存在著定位精度差、安全性能差、靈活性差、僅考慮交互設(shè)計(jì)、價(jià)格高昂等問題，對(duì)視障人群的特殊需求并沒有真正考慮到。隨著智能手機(jī)的普及，視障者通過讀屏軟件也可以像正常人一樣使用手機(jī)進(jìn)行視頻通話、聽書、瀏覽網(wǎng)頁以及購物等，類似的軟件有小艾助視器、訊飛心智無障礙助手、云瞳（視障者版） 等，因此視障者通過智能手機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航也能得以實(shí)現(xiàn)。

但市場(chǎng)上大部分智能手機(jī)的導(dǎo)航軟件并不能精準(zhǔn)地對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行定位，尤其是地鐵車站多層次結(jié)構(gòu)地下空間的精確位置定位，且針對(duì)視障者版本的智能手機(jī)所開發(fā)設(shè)計(jì)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)尚未成熟，尤其像地鐵車站環(huán)境復(fù)雜。因此，本研究擬通過將二維碼語音導(dǎo)航和射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID） 技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款可實(shí)現(xiàn)視障乘客獨(dú)立乘坐地鐵的導(dǎo)航系統(tǒng)，為視障群體鋪好“互聯(lián)網(wǎng)盲道”，打開互聯(lián)網(wǎng)新“視”界的大門，讓其享受到地鐵出行快速便捷的乘車體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)無障礙通行。

1 視障人士出行現(xiàn)狀

盲人群體是一種特殊的弱勢(shì)群體，而我國(guó)又是全球盲人人數(shù)最多的國(guó)家。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，截至2022年，我國(guó)視障人數(shù)高達(dá)1800 萬人，與正常人的比例約為1∶100。由于出行帶來的不便，約30%的視障者幾乎常年居家很少出門，而15%的視障者只在居住地周邊短距離出行。他們出行主要依托導(dǎo)盲犬、盲道和導(dǎo)盲杖，能提供導(dǎo)盲服務(wù)的合格導(dǎo)盲犬僅有200 只；而盲道作為城市無障礙設(shè)施服務(wù)視障者出行，卻經(jīng)常出現(xiàn)斷層或被無故占用、毀壞等現(xiàn)象，已經(jīng)嚴(yán)重限制了視障者的安全出行；隨著智能技術(shù)的飛速發(fā)展，普通的導(dǎo)盲杖已經(jīng)不能滿足視障者的出行需求，目前在網(wǎng)購平臺(tái)上銷售的電子導(dǎo)盲杖主要依靠超聲波測(cè)距和語音震動(dòng)提醒來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲避障，探測(cè)距離在3 m 以內(nèi)，此類電子導(dǎo)盲杖還具備遙控尋仗、閃光警示、計(jì)時(shí)器等功能，但唯獨(dú)沒有導(dǎo)航功能，且僅限戶外使用，不可在室內(nèi)環(huán)境下使用。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 安全保障提升需求

盲道磚表面圖案布局具有特殊含義，從福州地鐵1 號(hào)線和2 號(hào)線實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，車站內(nèi)鋪設(shè)的盲道磚主要有兩種造型：一種是并排的長(zhǎng)條形凸起代表行進(jìn)盲道磚，一般在長(zhǎng)距離直線上連續(xù)鋪設(shè)；另一種是平鋪的圓點(diǎn)凸起代表提示警醒盲道磚，一般在轉(zhuǎn)角或者平路的終點(diǎn)進(jìn)行鋪設(shè)。首先實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)行進(jìn)盲道磚和警醒盲道磚的鋪設(shè)位置在地鐵車站內(nèi)都存在著錯(cuò)亂的情況。其次在盲道建設(shè)方面存在不利于視障乘客安全出行的現(xiàn)象，包括部分地鐵車站地面進(jìn)站口的行徑盲道設(shè)計(jì)不合理，路面盲道經(jīng)常被共享單車或電動(dòng)自行車占道停放；個(gè)別出站口無障礙電梯的室外殘疾人通道斜坡未鋪設(shè)盲道；盲道未能提示換乘路線；局部轉(zhuǎn)折處、進(jìn)站地鐵安檢處局部盲道出現(xiàn)斷層；地下車站下水道上方鋪設(shè)的不銹鋼盲道易導(dǎo)致滑倒等。

2.2 信息化水平提升需求

據(jù)了解，目前視障乘客可以借助智能手機(jī)軟件與在線志愿者進(jìn)行實(shí)時(shí)連線，要求其幫忙在線導(dǎo)航或讀取銀行卡賬號(hào)等。其中，小艾幫幫和云瞳志愿者是目前使用人數(shù)較多的兩款云助盲軟件，除此之外還有國(guó)外的Be My Eyes，但該軟件存在境外服務(wù)器適配、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等問題而不受青睞。云助盲存在的最大問題就是視障用戶和志愿者之間的信任問題和軟件安全性問題，以及視障用戶在撥打求助熱線時(shí)經(jīng)常未能在第一時(shí)間獲得志愿者的救助問題。

2.3 服務(wù)水平提升需求

在乘客出行服務(wù)方面，福州地鐵推出在線愛心預(yù)約服務(wù)，視障乘客出行時(shí)可通過“e 福州”APP進(jìn)行愛心預(yù)約，預(yù)約界面顯示了乘車時(shí)間、乘車人數(shù)、進(jìn)出站車站、聯(lián)系人及手機(jī)號(hào)。據(jù)了解，視障乘客進(jìn)入地鐵站經(jīng)安檢后需要前往站廳層客服中心處，向地鐵站務(wù)員出示有效期內(nèi)的殘疾人證后，從邊門放行。需要多位福州“小茉莉”志愿者進(jìn)行多對(duì)一的服務(wù)，這對(duì)調(diào)配人員數(shù)量、旅客的總體滿意度和服務(wù)水平都會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，導(dǎo)致人手緊張。而本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)視障乘客在沒有工作人員陪同的情況下獨(dú)自乘坐地鐵，進(jìn)一步改變了地鐵建設(shè)和管理思想，優(yōu)化人力資源配置，有效提升地鐵智能化管理水平。

3 系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

通過將RFID 技術(shù)與二維碼語音導(dǎo)航相結(jié)合，在導(dǎo)盲線路上使用RFID 技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位，在語音導(dǎo)航方面通過二維碼和語音交互技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音播報(bào)導(dǎo)航。系統(tǒng)架構(gòu)包括5 個(gè)層次，分別為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層（見圖1）。站內(nèi)高精度定位模塊、實(shí)時(shí)定位技術(shù)、應(yīng)用功能以及配套硬件構(gòu)成了視障乘客地鐵出行系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

基礎(chǔ)層在整個(gè)系統(tǒng)中為信號(hào)傳輸?shù)於送ㄐ呕A(chǔ)，主要包括云服務(wù)器和RFID 標(biāo)簽等硬件設(shè)備，為系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行和站內(nèi)定位提供良好的通信環(huán)境。

數(shù)據(jù)層是盲道RFID 標(biāo)簽識(shí)別、二維碼掃碼以及定位的基礎(chǔ)，主要包含地鐵站內(nèi)盲道路線數(shù)據(jù)、站內(nèi)定位及路網(wǎng)數(shù)據(jù)、公共設(shè)施位置信息數(shù)據(jù)等。站內(nèi)盲道布局?jǐn)?shù)據(jù)是通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后生成的CAD圖紙點(diǎn)位數(shù)據(jù)；站內(nèi)定位數(shù)據(jù)是以站內(nèi)5G 通信設(shè)備為依托的位置數(shù)據(jù)；站內(nèi)路網(wǎng)數(shù)據(jù)是站內(nèi)乘客通行路線信息；公共設(shè)施位置信息數(shù)據(jù)包括服務(wù)設(shè)施、導(dǎo)向設(shè)施、文化設(shè)施等具體位置信息數(shù)據(jù)和包含名稱信息在內(nèi)的車站公共設(shè)施數(shù)據(jù)[4]。

服務(wù)層是系統(tǒng)在調(diào)用數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)后，為應(yīng)用層提供地鐵站盲道走線數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)服務(wù)，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無障礙通行的核心層。服務(wù)界面主要包含導(dǎo)盲路線生成服務(wù)、語音搜索服務(wù)、站內(nèi)空間人員定位和站內(nèi)空間路算服務(wù)。

應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)的對(duì)外服務(wù)窗口，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能，用于盲道路線的提醒和接收導(dǎo)盲杖的輸入數(shù)據(jù)，讓視障乘客感受智慧乘車體驗(yàn)。主要功能包括盲道地圖、語音導(dǎo)航、導(dǎo)盲杖實(shí)時(shí)定位、二維碼導(dǎo)覽。

表現(xiàn)層擁有視障乘客可直接接觸到的具體終端設(shè)備，包括具備RFID 的標(biāo)簽和可掃描二維碼的導(dǎo)盲杖、語音播放器、耳機(jī)等終端設(shè)備。視障乘客通過移動(dòng)端獲得盲道路線進(jìn)行實(shí)時(shí)語音導(dǎo)航、公共設(shè)施語音搜索查詢與路徑規(guī)劃等服務(wù)。

3.2 功能設(shè)計(jì)

3.2.1 盲道地圖功能

系統(tǒng)需要配備RFID 電子標(biāo)簽、RFID 閱讀器和通信天線，才能實(shí)現(xiàn)盲道地圖功能，三者缺一不可。把相關(guān)信息預(yù)先寫入RFID 電子標(biāo)簽，包括地鐵站內(nèi)的空間布局、公共設(shè)施等路況信息；視障乘客隨身攜帶的導(dǎo)盲杖中安裝了RFID 閱讀器，可以借助導(dǎo)盲杖閱讀器，在行走盲道時(shí)讀取電子標(biāo)簽中的信息，使視障乘客能夠?qū)崟r(shí)有效地進(jìn)行讀取；地鐵站內(nèi)外均鋪設(shè)了通信天線及相關(guān)硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)。

視障乘客進(jìn)站乘車盲道路線見圖2。視障者選擇搭乘地鐵，進(jìn)站盲道路線從室外人行盲道開始，由地鐵車站各出入口進(jìn)站，通過乘坐地面無障礙電梯或者公共扶梯進(jìn)入站廳非付費(fèi)區(qū)，到達(dá)站廳層。站廳層盲道依次經(jīng)過安檢通道、殘疾人通道，視障乘客進(jìn)入到站廳付費(fèi)區(qū)。隨后跟隨盲道指引，視障乘客搭乘站廳層的無障礙電梯下至站臺(tái)層，站臺(tái)層電梯出口的盲道直接與站臺(tái)第一節(jié)車廂屏蔽門連接，視障乘客到達(dá)候車點(diǎn)進(jìn)行無障礙乘車，反之出站。進(jìn)出站的盲道路線依托于導(dǎo)盲磚下鋪設(shè)的電子標(biāo)簽，因此路線較為固定單一，僅出站無需經(jīng)過安檢通道，而是行至站廳層的客服中心旁的邊門進(jìn)行無障礙通行。

圖2 視障乘客進(jìn)站乘車盲道路線

3.2.2 語音導(dǎo)航功能

視障乘客由于視力缺陷，沒有辦法像正常人一樣操作手機(jī)，因此語音播報(bào)是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲的關(guān)鍵所在，但目前市面上為其設(shè)置的導(dǎo)航APP 在操作上都不盡如人意[5]。本文擬通過語音交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)盲人語音錄入目的地，通過語音獲知當(dāng)前位置信息進(jìn)行步行導(dǎo)航，還可以通過語音提示避開前方的障礙物。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)上需要觸碰的按鈕進(jìn)行特殊化處理，將所有按鈕放大，增加觸摸震動(dòng)反饋功能，降低盲人操作的誤觸率，優(yōu)化了盲人的使用體驗(yàn)。

語音導(dǎo)航功能在視障乘客搭乘地鐵出行時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行語音糾錯(cuò)提醒，當(dāng)視障乘客出行偏航時(shí)可及時(shí)進(jìn)行語音制止并重新規(guī)劃路線，可在一定形式上保障視障乘客的出行安全，從而體驗(yàn)到智慧乘車的便利。

3.2.3 導(dǎo)盲杖實(shí)時(shí)定位功能

據(jù)觀察，視障群體使用導(dǎo)盲杖的方式是通過左右平掃確定前方障礙物及盲道磚造型。因此，導(dǎo)盲杖的頭部裝有RFID 閱讀器，在信號(hào)傳遞過程中往往會(huì)發(fā)生標(biāo)簽碰撞，即視障乘客使用本系統(tǒng)導(dǎo)盲杖在識(shí)別區(qū)域內(nèi)讀取到兩個(gè)或兩個(gè)以上磚內(nèi)RFID 電子標(biāo)簽的路況信息時(shí)，造成信號(hào)阻塞碰撞，最終導(dǎo)致標(biāo)簽不能成功被讀取[6]。基于這一問題，通過語音糾錯(cuò)提醒視障乘客前進(jìn)的方向和距離，能夠最大限度地避免由于標(biāo)簽誤讀現(xiàn)象導(dǎo)致的乘車路線偏離情況的發(fā)生，從而有效地提高了標(biāo)簽識(shí)別率，保障了視障人群的出行安全。

3.2.4 二維碼導(dǎo)覽功能

常見的二維碼是按一定規(guī)律編排的特定幾何圖形，利用深淺相間的顏色組合成圖像后用于記錄大量的數(shù)據(jù)信息。相對(duì)于條形碼所不具備的優(yōu)勢(shì)，通過圖像照相技術(shù)或光電掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)二維碼的識(shí)讀，使之能夠通過數(shù)字化轉(zhuǎn)碼存儲(chǔ)具有較強(qiáng)糾錯(cuò)防污能力的文字、聲音、圖像、視頻等信息[7]。加之目前福州地鐵站內(nèi)已實(shí)現(xiàn)的5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋以及智能設(shè)備的普及為本系統(tǒng)的信息化建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。預(yù)先在草料QR（Quick Response） 碼生成器中編入設(shè)置好的盲道路線，生成QR 碼，在QR 碼和深度學(xué)習(xí)下生成路線信息并轉(zhuǎn)化為語音信號(hào)，進(jìn)行語音交互。視障乘客通過導(dǎo)盲杖前置攝像頭識(shí)別盲道上的二維碼讀取路線信息后，戴上耳機(jī)便可體驗(yàn)無障礙語音交互導(dǎo)航功能。若視障乘客乘車過程中發(fā)生路線偏航的情況，系統(tǒng)將進(jìn)行語音提醒并重新生成路線完成導(dǎo)航。

4 預(yù)期效果

本系統(tǒng)標(biāo)簽鋪設(shè)方案為每個(gè)盲道磚附帶一張電子標(biāo)簽。據(jù)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，福州地鐵采用的盲道磚規(guī)格為40 cm×30 cm。正常成人步距為50～60 cm，視障乘客步距為30 cm 左右，因此本研究將電子標(biāo)簽鋪設(shè)在每個(gè)盲道磚下，以保證導(dǎo)盲路線不間斷。車站電子盲道的實(shí)現(xiàn)是通過將標(biāo)簽與盲道磚連為一體，因此標(biāo)簽布置在磚塊的不同位置都會(huì)影響到標(biāo)簽識(shí)別率。若是直接附著于盲道磚表面則易產(chǎn)生磨損消耗加大運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，由于RFID 標(biāo)簽的穿透力強(qiáng)，對(duì)識(shí)別率的影響較小，因此本研究考慮將標(biāo)簽鋪設(shè)在盲道磚下。視障乘客依靠導(dǎo)盲杖的尾部與盲道磚貼合前行，即本系統(tǒng)的閱讀器與標(biāo)簽之間的實(shí)際識(shí)別距離只有盲磚的厚度，因此幾乎不受人體對(duì)射頻信號(hào)的阻隔。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，為有效提高識(shí)別精度，導(dǎo)盲杖中選用射頻頻率為125 kHz 的閱讀器，其對(duì)RFID 標(biāo)簽識(shí)別距離為5～10 cm，而盲道磚厚度大致在2～2.5 cm 之間，完全適用于本系統(tǒng)地鐵站內(nèi)的盲道識(shí)別。

根據(jù)系統(tǒng)硬件選型及軟件應(yīng)用，在導(dǎo)盲磚下鋪設(shè)低頻125 kHz 無源電子標(biāo)簽，導(dǎo)盲杖尾部裝有125 kHz RFID 閱讀器和可識(shí)別二維碼的攝像頭，導(dǎo)盲杖頭部設(shè)置具有盲文的功能按鈕、藍(lán)牙配對(duì)的耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)語音交互提醒。視障乘客到達(dá)地鐵站后，手持本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能導(dǎo)盲杖掃描盲道上的二維碼后，通過耳機(jī)獲得語音提醒前進(jìn)方向和距離并且不斷平掃盲道磚，進(jìn)行一步一個(gè)語音提醒（前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、向上、向下或止步） 的實(shí)時(shí)語音導(dǎo)航。當(dāng)意外發(fā)生時(shí)，可以觸按導(dǎo)盲杖上最大的緊急呼救按鈕，通過按鈕與地鐵車站的車控室進(jìn)行通話，車控室工作人員通過閉路電視（Closed Circuit Television，CCTV） 得知視障乘客具體位置并第一時(shí)間前往救助。

5 結(jié)束語

通過試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的視障乘客地鐵出行系統(tǒng)在一定程度上使視障乘客獨(dú)立乘坐地鐵得以實(shí)現(xiàn)。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下，讓視障群體體驗(yàn)“互聯(lián)網(wǎng)盲道”，打開互聯(lián)網(wǎng)新“視”界的大門，對(duì)其安全出行具有重要意義。本次研究雖能讓視障乘客獨(dú)立乘坐地鐵成為可能，但仍存在不足之處：一是本系統(tǒng)未依靠視障人群使用的智能手機(jī)終端軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，而是直接通過手持導(dǎo)盲杖進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，具有一定的技術(shù)局限性；二是實(shí)時(shí)性問題，高精度和低延時(shí)需要保證視障乘客在較慢的速度下前進(jìn)，不適用在過快的行進(jìn)速度下使用。上述不足之處將在后續(xù)的課題研究中不斷進(jìn)行完善及改進(jìn)。