深埋復雜車站智能導航系統研究與實現

葉麗思，馬侃彥，洪里平，陳維亞

（1.華中科技大學 土木與水利工程學院，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，近年來，以高速鐵路車站為代表的大型交通樞紐采用無人售票終端、無人檢票快速安檢通道、智能服務App 等一系列革新技術，形成了一套智能化的乘客服務體系[1-2]。然而，由于建筑面積大、空間結構復雜、服務設施多，乘客往往難以快速找到目的地，無法實現高效便捷出行。因此，公共交通樞紐中的乘客智能導引服務一直是乘客們迫切的需求，并驅動了相關研究與應用的發展。

針對乘客智能導引這一需求，眾多國內外學者結合電子地圖、室內定位與導航、自動尋路等相關技術，對車站內的智能導航方案展開了研究。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，結合人機交互，實現信息檢索和智能導航。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。隨著移動智能手機，以及全球定位技術的普及，車站內的導航向移動化、便捷化方向發展。早在2007 年，Millonig 等人[4]就提出了基于地標的行人導航系統；Arikawa 等人[5]總結了日本移動導航應用Navitime 在城市公共交通中發揮的作用，二者都將電子地圖與GPS 等定位手段相結合，并將服務信息在移動終端上匯總，從而提供形象化的導航。雖然這類智能引導系統取得了一定的成功，但受定位精度的影響和建筑物對外部信號的遮蔽，基于GPS 的智能導航難以在車站內等環境下獲得較好的導航效果。

因此，越來越多的研究開始聚焦室內定位技術[6]，開發了基于Wi-Fi[7]、iBeacon[8]、Zigbee[9]等各類室內環境定位與導航方法。基于室內鋪設的信號基站，室內定位在精度上有了較大提升，最佳情況下基本可實現1m 以內的定位精度。由于需要增設額外的硬件，研究人員依然在持續探索精度更高、成本更低的導航方法。隨著基于計算機視覺的定位與重建技術逐漸成熟，增強現實（AR，Augmented Reality）等人機交互技術已經從實驗階段發展到應用階段。基于AR 的導航將路線輔助信息疊加在真實場景畫面之上[10-11]，相比電子地圖，提供了更直觀的路線展示方式[12-13]，在車站等場景中已有了初步嘗試[14-15]。

為實現完整的智能導航，除了精準、快速的定位技術，還需要智能的自動尋路算法。傳統算法通常針對平面布局，比如動態空間劃分[16]、NavMesh（Navigation Mesh）[17]或典型路標點[18]等。對于平面內的靜態場景，已經可以實現較為準確的實時導航，但對于多層建筑內的自動尋路，維度的增加使尋路的復雜度和表示難度進一步提升，相關研究剛剛起步[19]。本文研究并實現應用于深埋復雜車站的智能導航系統。

1 系統架構

應用于深埋復雜車站的智能導航系統架構如圖1 所示。其架構由數據層、邏輯層和應用層構成：（1）數據層，包含車站建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）及車站內外實體掃描模型，提供導航所需的室內空間信息及空間所包含的組件信息；（2）邏輯層，用于實現站內空間的實時定位與跨層導航，包括對BIM 及掃描模型進行格式轉換和數據處理，構建導航模型，結合Unity 3D中的NavMesh 系統、A*尋路算法、視覺SLAM 算法實現導航地圖的快速生成，在移動過程中實時定位，生成導航異常狀況下的處理方案，給出導航中斷狀況下的恢復辦法；（3）應用層，是客戶端界面，包含進出站、便民服務、自助查詢等導航功能模塊，滿足用戶多樣化導航需求，服務器對用戶的操作做出響應，導航結果在應用層上呈現。

圖1 智能導航系統架構

2 關鍵技術

2.1 導航模型格式轉換

車站的BIM 和實景掃描模型為構建導航系統提供了數據基礎。基于IFC 格式的BIM 可用于生成導航的拓撲模型，建筑掃描模型為基于視覺的實時定位提供了三維幾何數據基礎。BIM 中包含的建筑物不同區域的功能屬性對導航服務同樣十分重要，需要在設計尋路應用時予以考慮。系統基于BIM 提供的三維幾何數據和室內構件特征點選取導航路徑點，將樓梯口或電梯口等連接上下層的構件特征點抽象為平面路網模型中的終點路徑點，從而建立各樓層之間的聯系，構建多層路網模型。提取的導航所需信息的IFC 文件可通過xBIM 的相關庫函數實現模型格式轉換，將轉換后的模型導入到Unity3D 中，完成場景燈光、視角及角色碰撞器的設置，實現導航模型的格式轉換。

2.2 尋路算法設計

構建導航模型后，需要通過尋路算法規劃最短路線。采用改進的導航網格算法可突破平面尋路算法的局限性，實現多層建筑內部的自動尋路。本文采取基于NavMesh 的尋路算法，利用計算機內存保存大量的三角面片信息，生成更為細致的導航地圖，更適用于真實場景。對于多層車站，出發點和目的地可能在同層、不同位置，也可能跨越了多個地圖層，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整體，在將扶手電梯、樓梯等區域設置在可導航網格以內后，即可實現跨層路徑生成。在獲取車站設施狀態和可用性、人流分布的特點等動態信息后，還可基于實際情況，根據不同的目標（時間最短、路徑最短等），動態選取最優路徑。

尋路流程主要包含4 個部分，如圖2 所示。（1）獲得基于NavMesh 尋路算法生成的可導航地圖的網格模型；（2）根據網格的鄰接信息構造圖及起點和終點坐標所在導航多邊形，使用A*尋路算法計算出從起點到終點需要走過的三角形集合，得到由多邊形網格組成的路徑；（3）NavMesh 將三角形作為尋路單元，通常使用漏斗算法對多邊形網格組成的路徑進行優化，以得到由坐標組成的平滑路徑；（4）通過對A*尋路算法的啟發式函數f(n)=g(n)+h(n)中的h(n)賦權調節，其中，g(n) 是節點n距離起點的代價，h(n)是節點n距離終點的預計代價，從而提高A*算法的尋路速度，得到在當前加快尋路速度條件下的一條最優路徑。

圖2 尋路算法設計流程

2.3 基于計算機視覺的實時定位

在導航定位方法上，不同于基于GPS 或其它外部基站的方法，由于建筑對GPS 等定位信號的屏蔽，要實現車站內部，尤其是深埋復雜車站內部的準確、實時定位，可考慮借助三維重建與視覺特征匹配、結合的視覺定位方法，實現在室內大范圍空間中具備一定精度、低成本的實時定位。當前計算機視覺領域的研究已取得了一定的突破，其中，三維重建技術為三維空間信息的獲取提供了支持，各類局部特征點的提取及其匹配算法保障了多尺度、多場景下的快速視覺定位。智能導航系統通過視覺特征點匹配的方式，完成用戶在導航起始地點及中斷地點的定位，在移動過程中，則采用基于視覺SLAM 算法的實時定位與追蹤，完成用戶的移動狀態判定。

3 系統實現

3.1 導航地圖構建

（1）在Autodesk Revit 2019 中建立北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）某深埋復雜車站的整體數字模型，包含車站三維幾何信息及服務功能信息，根據該車站的BIM 導出IFC 文件；（2）確定需提取的三維幾何模型數據和不同區域的功能屬性導航信息后，通過xBIM 來實現IFC 文件的解析與格式轉換，進而導入到Unity3D 中，進行后續導航模型的構建操作；（3）將處理后的IFC 模型導入到Unity3D 中，構建導航模型，以進行后續尋路操作；（4）NavMesh 是Unity3D 引擎中的一個導航路徑生成插件，可通過NavMesh 的自動尋路功能在Unity3D 中生成可導航網格模型，從源幾何圖形創建一個實心高度場，進一步劃分其表面后，得到與源幾何體高度、輪廓匹配的三角形網格，形成可遍歷表面，構建可導航地圖及后續尋路導航計算的模型基礎。

3.2 導航功能實現

（1）完成導航地圖構建后，結合尋路算法與實時定位技術可實現車站室內場景的導航。用戶通過手機攝像頭掃描起點的視覺特征，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，并根據輸入的終點位置調用尋路算法生成導航路徑。（2）完成導航路線起始點定位后，仍需在用戶移動過程中對其所持移動設備的位置和姿態進行持續定位，以獲得導航狀態下用戶移動過程中的實時位置。通過采用現有的視覺SLAM 算法，結合預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，實現導航狀態下的用戶實時定位。雖然可能由于視覺定位的累積誤差導致定位信號的漂移，但可結合移動端的慣導傳感器進行一定的補償，實現站內導航定位的米級精度要求。

由多種干擾因素造成的視覺定位失效可導致導航中斷。例如，車站現場人流過密，或用戶主動終止導航，都可能會導致定位信號丟失，SLAM 過程提前結束。在本文的智能導航系統中，用戶可就地或挑選站內視覺特征比較明顯的區域，重啟定點定位的流程，從當前選定位置發起新的導航。如果用戶在行進過程中與既定路線產生了較大的偏差，系統會提示用戶盡快回到既定路線，用戶偏離導航路線超過一定范圍后，系統會基于當前視覺定位的位置，主動重新規劃最佳路線。

3.3 導航應用界面

京張高鐵深埋復雜車站站內導航模型存放在服務器中，減少客戶端所需內存及加載模型所需時間，用戶在移動端使用智能導航系統App 時，進入主界面后，可根據自己當前的導航需求點選對應的功能模塊，執行各項操作，查詢所需信息，實現個性化路徑導航。智能導航系統App 功能界面如圖3 所示，主要由3 個模塊組成。

圖3 智能導航系統App 功能界面

（1）進出站服務：用戶可根據當前需求選擇不同的目的地，如：檢票口、候車廳、售票處、站臺口等，無需手動輸入，避免不準確的情況，以提供更方便、快捷的進出站導航服務。

（2）便民指引服務：考慮到用戶在候車或出站期間可能存在的需求，對車站內現有的服務設施進行分類，如：母嬰服務、開水間、衛生間、服務臺等，用戶可以通過下拉菜單點擊相關服務設施按鈕，即可發起定點導航，避免發生首次到站或對站內情況不熟悉的旅客在尋求相應服務時，不能及時找到對應服務設施的情況。

（3）自助查詢導航：考慮到用戶對目的地的需求不僅限于上述所提到的進出站及便民服務，在該界面，用戶可根據自己的目的地需求輸入地點名稱，進行自主導航。

4 結束語

為構建適應深埋復雜車站的智能導航系統，本文采用 Unity3D 作為開發工具，基于車站BIM，經過格式轉換，實現車站場景三維地圖的半自動構建；結合自動尋路算法，實現導航路徑的快速、精準生成；基于計算機視覺特征匹配的快速定位方法，解決了GPS 信號缺失場景下，難以實現低成本、大空間、實時定位的問題；通過AR 與三維重建相結合的方式，實現了基于SLAM 的實時定位與路徑顯示。京張高鐵深埋復雜車站引入站內智能導航服務，有助于提升乘客的站內體驗；將科技融入出行過程，有助于鐵路精品服務口碑的建立。同時，減小了站內服務人員的工作壓力，提升了乘客的出行效率。

后期系統更新迭代可考慮通過與交通流預測算法相結合，實現站內的短時人流量信息展示，幫助用戶了解當前站內擁堵狀態。亦可在數據層接入票務系統數據端口，實現在導航軟件中呈現乘車信息的功能。