基于 5G 城市軌道交通站內外一體化導航系統設計及研究

趙俊華，孟宇坤

（1. 北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

1 引言

隨著智能手機、互聯網和無線網絡技術的日趨成熟，城市軌道交通車站內外導航作為一個提升乘客乘車體驗、提高管理效率的增值應用而倍受重視。由于智能技術的發展，城市軌道交通車站內設施越來越復雜，車站內定位及引導需求日趨強烈。同時，在車站內外識別特定對象的位置也是滿足移動出行快速發展的需求。一體化定位技術可將真實世界中的實體事物與虛擬空間的數據資訊相結合，使線下實體事物如線上網絡信息一樣能被搜索、定位、連接，從而實現真實世界與虛擬世界的互聯。城市軌道交通通過建設精準的三維站內地圖，利用多源融合定位技術，實現站內外一體化導航服務，幫助乘客借助信息化手段快速到達目的地，有效提升乘客出行體驗，促使站內乘客高效疏導及分流，提高城市軌道交通服務空間及形象。本文利用車站內外在線引導服務技術，通過建立站內外信息和站內地圖數據，有效整合碎片化服務，結合5G定位技術，以“移動互聯網 +乘客”的方式提供移動的、一對一、精準快捷的出行一體化引導服務，從而降低車站站內服務成本，提高城市軌道交通服務水平。

2 站內外導航技術應用架構設計

2.1 現狀分析

城市軌道交通車站作為舒適、干凈的候車環境為乘客出行提供便利的同時，也因其復雜的內部結構、分散的指示引導標識為乘客在尋找站內各種設施及換乘過程中帶來許多不便，導致乘客在出行換乘過程中耗時過長，影響出行體驗。雖然城市軌道交通車站在站內路徑指引方面已做大量工作，如不斷增加站內指示牌，于大廳醒目位置張貼站內平面圖等，但由于站內指示標志通常是分散的、靜態的，因此提供的信息是斷開的、不連續的，再加之車站站內平面圖由于其專業性，多數乘客較難理解，同時平面圖缺乏明確的可通行信息，乘客參考后無法獲得精準的路線信息，因此無法做到提供一對一的乘客站內目的地指引服務。

針對城市軌道交通站內外導航技術，目前國內外站內定位通常是借助無線通信技術（Wi-Fi）、藍牙技術實現定位目標，各項技術均有其自身特有的優缺點，如僅對于覆蓋面積而言，在相同的覆蓋面積下，采用藍牙技術進行定位所需的費用比較高，性價比較Wi-Fi低。尤其當處于復雜空間情境時，藍牙因其功率小，穩定性差，較Wi-Fi技術更容易受到其他信號的干擾。Wi-Fi技術因依賴于信號強度的大小，一般覆蓋區域較小。當Wi-Fi連接點和地面的垂直距離比較低時，有效距離可能縮短至30 m以內，并且伴隨著其他信號的干擾，屆時Wi-Fi定位精度大幅降低。5G作為新一代移動通信系統，可實現通信、定位一體化，在進行物體定位時不再需要專門部署1張定位網絡，因此其使用和維護成本較低。定位功能依托5G網絡大帶寬、高密度，可顯著提升定位精度，定位精度可達m級。依托5G終端，無需額外安裝定位芯片和定位應用軟件即可獲得定位信息，同時5G定位不僅能夠應用在站內場景，也可以使用在站外場景，做到站內外定位連續。

為提升乘客出行體驗，滿足乘客個性化、移動化及多樣化出行需要的快捷引導應用，幫助乘客快速獲悉周邊信息。同時為適應當前云計算、大數據、“互聯網+”等新技術發展，推進城市軌道交通信息化發展，通過利用5G多源融合定位和站內外在線引導服務技術，構建乘客出行信息服務的統一基礎支撐平臺和移動端應用。利用站內外一體化導航技術實現導航路線規劃、交通方式規劃、可視化路線、3D地圖顯示規劃路線、最佳路徑推薦、站內服務設施搜索、車站內實時導航、出站路線規劃等。以“互聯網+乘客”的方式，為乘客提供更優質的出行服務，通過利用信息化手段減少因客流人次增加、設備負荷量增大所帶來的安全風險。

2.2 架構設計

城市軌道交通站內外一體化導航系統是基于站內三維地圖、融合智能手機慣導、地磁和5G定位技術的導航系統。站內三維地圖將形象、逼真的三維圖像配以站內數據進行可視化展示，為乘客提供更立體的瀏覽體驗。系統利用站外地圖和定位技術的融合，形成無縫站內外一體化語音導航，并提供文字、方向提醒和動態連續指引，改善乘客實際乘車體驗的同時有效疏導及分流，降低城市軌道交通服務成本。

城市軌道交通站內外一體化導航系統由基礎層、數據層、服務層、應用層及表現層組成，總體技術架構如圖1所示。

（1）基礎層。基礎層包括云服務系統和5G定位基站設備，為站內外地圖和人員定位提供硬件支撐平臺。

（2）數據層。數據層包括整個系統運行需要的各種地圖數據，即站內地圖、興趣點（POI）數據、站內定位數據、站內路網數據等。

（3）服務層。服務層架構于數據層之上，結合導航服務平臺和城市軌道交通管理業務，提供站內外地圖服務、定位服務、站內外導航服務、語音服務、感知服務、后臺管理服務和城市軌道交通業務管理服務。

（4）應用層。應用層結合數據層和服務層，提供多場景、多功能、多樣化的業務應用，包括位置引導、位置感知、位置共享等應用。

（5）表現層。表現層根據應用層提供的服務內容及服務對象，為乘客提供多種形式的站內引導服務。業務系統終端包括智能手機、電腦、智能問詢機。

城市軌道交通站內外一體化導航系統由地圖數據、移動端一體化站內外地圖服務、后臺管理系統、配套硬件及城市軌道交通車站內應用服務構成，網絡拓撲結構如圖2所示。

（1）地圖數據提供三維虛擬現實（VR）地圖，為站內定位和導航提供基礎數據支撐。

（2）移動端智能一體化站內外地圖服務是基于站內外地圖和5G定位技術實現地圖展示、站內定位、POI搜索及站內語音導航功能，為乘客提供站內連續乘車指引服務。

（3）后臺管理服務基于車站內三維地圖，實現POI數據管理功能。

（4）配套硬件主要有5G基站設備。

5G基站設備作用于手機端，為乘客手機端提供定位支持。大屏機（電腦端）和手機端通過互聯網訪問線網云服務器端，獲取POI數據、站內地圖數據以及站內導航服務。后臺管理端通過連接車站服務器，對站內導航系統進行維護。其中，車站服務器與云服務器通過互聯網進行數據交互，以此不間斷更新導航數據。基于5G的城市軌道交通車站內外一體化導航系統整體的制作流程如圖3所示。

2.3 數據建設

構建站內一體化的三維模型和矢量數據庫，滿足室內的位置感知。其中，數據包括站內三維地圖數據、站內設施位置數據、站內定位數據、站內路算數據等。城市軌道交通車站站內地圖一般包括以下數據要素。

（1）通行設施。需要制作通往城市軌道交通的通行設施（樓梯、扶梯、直梯等）位置數據。

（2）自動售票機及商鋪。單獨的自動售票機位置數據需單獨采集。當2個或2個以上功能完全相同的自動售票機并排擺放時，只需將1個點繪制在中心區域，并同時繪制包含整個自動售票機外輪廓面作為輔助面。在繪制商鋪地圖時需面向乘客的方向制作商鋪門要素。

（3）站臺與站廳。如站臺是封閉的區域，則需制作每個候車室的輪廓面，如候車區為開放式區域，可沿站臺門站臺側邊緣繪制區域要素。

（4）檢票區、安檢區。檢票區、安檢區需單獨采集。

3 站內外導航應用分析

3.1 關鍵技術

站內外一體化導航系統主要包括以下關鍵技術。

（1）5G定位技術。5G定位是5G移動通信網絡通過測量無線信號以確定5G終端地理位置信息的技術，定位服務使乘客可以隨時隨地獲得基于定位信息的地理信息。5G多模分布式微功率基站通過多個分布式微功率基站對同一乘客的信號進行測量，與終端、核心網及應用端配合實現最高達m級的定位精度。5G定位技術定位算法靈活多樣，可延伸疊加其他技術進行融合定位，在持續提高定位精度的同時還可保障用戶數據安全可靠。

（2）端到端（TBT）語音導航技術。站內外的導航語音服務以大語料庫及語音韻律描述系統為基礎，并運用人工智能語音合成技術，實現多種導航引導的連續語音合成。采用TBT語音導航技術可完成在各種路口、轉彎、換層等特定情況下的語音自動提醒功能。

（3）實景路口放大圖技術。當乘客處于電梯、扶梯、交叉路口等位置時可自動彈出三維實景放大圖，從而形成強烈的實景參照效應。通過三維的矢量箭頭和門框等展示方式，引導乘客在大廳、換層等復雜站內快速判斷路線。

（4）站內外空間測繪與三維地圖發布技術。站內外地圖數據測繪是站內外一體化導航系統的關鍵技術，基于站內外測繪數據，并結合利用三維地理信息系統（GIS）技術制作三維站內外地圖，發布服務，提升乘客使用站內外地圖服務時的體驗。

3.2 站內外一體化導航服務功能

“位置服務”是站內外一體化導航系統的基礎服務，借助于站內外導航平臺，結合城市軌道交通乘客出行現狀，利用先進的互聯網技術形成以“位置”為核心的新型服務，基于導航服務、感知服務覆蓋乘客出行過程，提高乘客城市軌道交通出行體驗。

在內網、外網分別部署城市軌道交通站內一體化導航服務系統，其中，外網系統主要為乘客提供城市軌道交通站內的導航服務，內網系統主要為城市軌道交通工作人員提供業務管理服務。“位置服務”與業務管理進行有機整合，增加業務管理技術手段，降低管理成本，為城市軌道交通業務管理提供技術保障。

基于5G的城市軌道交通站內外一體化導航系統可實現站內地圖展示、站內POI查詢、站內定位、路徑規劃及站內外一體化導航的功能。

（1）站內地圖展示。運用站內地圖數據展示引擎，實現站內地圖數據實時渲染和樓層切換。站內地圖數據可實時加載到乘客智能手機端并下載和渲染，達到自動生成站內數據效果。同時利用高效算法縮小云平臺的室內模型數據，從而減少數據占用帶寬，提高站內地圖訪問速度。

（2）站內POI查詢。實現公共設施查詢，如購票窗口、自助售票機、出入口等POI信息查詢，并語音指引查詢結果，為乘客提供站內公共設施信息列表及地圖定位服務。

（3）站內定位。乘客可使用手機端導航軟件，利用站內三維地圖和站內5G基站設備完成手機端定位。移動端支持離線定位，便于乘客確定自己的位置。

（4）路徑規劃。站內三維導航可實現對乘客進行點到點的精確語音指引。站內外的一體化導航系統具有路徑規劃引導功能，可提供導航語音指引、箭頭式文字描述、在重要位置進行放大圖像等服務，可做到實時指引乘客。

（5）站內導航。站內導航是在站內三維地圖上融合語音引導和5G定位技術進行實時導航，在導航過程中乘客只需按照語音提示、箭頭引導、路口放大圖提醒進行操作。

（6）站內外一體化導航。站內外一體化導航可結合乘客出發地及目的地的相關信息為乘客提供包括自駕、打車及公交等多種出行方案，并在出行方案中給出到達目的地的時間及所用時長，且在去往目的地的途中，給予乘客實時語音提醒，當乘客到達車站后無縫切換至城市軌道交通站內地圖，實現從出發地到城市軌道交通車站，再到站內服務區的無縫一體化導航服務。

4 結束語

隨著城市軌道交通建設規模的不斷擴大，如何為乘客提供更加便捷、高效、舒適的服務已經成為新時代乘客服務中的一個新課題。城市軌道交通站內外一體化導航系統可無縫為乘客提供站內定位、周邊信息查詢等方面服務，解決乘客在站內盲區地帶的位置信息缺失問題，避免出行時間及運營空間上的浪費，極大限度滿足乘客出行需求。借助5G通信及定位一體化技術，系統無需安裝定位芯片和定位應用軟件，節省單獨部署定位網絡費用，降低系統建設成本，使數據獲取更加便捷，大幅提升5G終端乘客感知度。同時系統通過站內外一體化定位技術，將乘客位置信息與消費數據相結合，可有效挖掘城市軌道交通車站內外的商業價值。