地鐵站內(nèi)外一體化導航系統(tǒng)關鍵技術研究及實現(xiàn)

王曉軍，張文強，劉思遠

（北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

北京地鐵站內(nèi)外一體化導航服務旨在提升北京地鐵信息化服務水平，為適應云計算、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新技術的發(fā)展提供保障；同時，能準確體現(xiàn)企業(yè)的信息化程度，引導企業(yè)快速推進信息化建設。滿足北京地鐵運營的智能化需要：打造“智慧車站”和“智慧城軌”，以“互聯(lián)網(wǎng)+乘客”的方式，為乘客提供更優(yōu)質的出行服務。符合北京地鐵客運組織關于安全的要求：通過信息化手段，減少因客流人次增加、設備負荷量增大所帶來的安全風險。

1 關鍵技術

打造北京地鐵站內(nèi)外一體化導航服務，需要從站內(nèi)地圖模型數(shù)據(jù)制作入手。首先，采集地圖制作的關鍵要素信息，包括地鐵站內(nèi)區(qū)域各樓層的建筑結構數(shù)據(jù)信息、公共設施的位置和名稱信息、室內(nèi)的人行通道信息，根據(jù)地鐵站內(nèi)現(xiàn)場拍攝的高像素照片，制作站內(nèi)高精度的三維地圖模型；其次，依據(jù)地鐵站內(nèi)實地環(huán)境，選擇比較成熟的WiFi 室內(nèi)定位技術，該技術在穩(wěn)定性、普及性、部署成本等方面具有一定優(yōu)勢，可以達到對站內(nèi)乘客定位精確的要求，是目前適用性較高的室內(nèi)定位技術方案；最后，建設地鐵站內(nèi)外一體化導航平臺，實現(xiàn)地鐵站內(nèi)地圖三維模型展示、興趣點(point of interest，POI)信息搜索、路徑規(guī)劃、站內(nèi)外一體化導航等功能，通過優(yōu)質的位置引導服務，幫助乘客地鐵出行便利，提高了乘客出行效率，提升了乘客出行體驗，滿足了北京地鐵客運組織關于安全管理的要求。

1.1 站內(nèi)空間測繪技術

站內(nèi)空間測繪技術，在系統(tǒng)建設中發(fā)揮關鍵作用。地圖測繪技術經(jīng)過多年發(fā)展，成熟度較高，形成了一系列制作標準，但是室內(nèi)地圖測繪起步時間較晚，成熟度不夠高，還沒有形成統(tǒng)一的制作標準。在本項目中，需要借鑒室外測繪成熟技術，將其應用到地鐵站內(nèi)空間測繪技術中，在理論與實踐中進行技術探索和歸納總結，以此為基礎，再結合三維地理信息系統(tǒng)技術，制作并發(fā)布地鐵站內(nèi)空間的高精度三維地圖模型，以提升地鐵站內(nèi)乘客使用地圖服務的體驗感。

1.2 Wifi 網(wǎng)絡定位技術

WiFi 網(wǎng)絡不僅僅是一項互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)服務，更是企業(yè)提高營銷能力、為目標人群提供個性化服務、輔助進行上層決策的有力工具。

基于WiFi 定位的網(wǎng)絡側定位方案，由接入點(access point，AP)發(fā)起對終端的信號強度的檢測，將信號強度上報給定位引擎，由定位引擎負責位置計算。手機只需要開啟WiFi，無需其他條件，部署簡單。目前，移動手機端的操作系統(tǒng)放開了WiFi 信號廣播權限，便于AP 獲取手機WiFi 信號強度值，這是WiFi網(wǎng)絡側定位技術實現(xiàn)的必要條件，可節(jié)省硬件安裝成本，所以該定位技術目前被廣泛應用[1]。

1.3 TBT 語音導航技術

TBT(turn-by-turn)的含義為逐項道路導航，即在導航過程中，如遇到路口、轉彎地點、上下樓層前，系統(tǒng)會通過文字、箭頭等方式主動提前告知用戶轉彎方向、轉彎地點、當前樓層等信息；在此基礎上，結合人工智能語音合成技術，以媲美真人的發(fā)音指引用戶前進，所有指引信息都能夠進行語音播報，即使用戶在不看手機屏幕的情況下，通過導航系統(tǒng)的語音播報功能，同樣可以順利到達目的地。

1.4 實景路口放大圖技術

該技術主要是在路口選擇、轉彎、切換樓層時起到實景參照的作用。實景的采集需要在地鐵站內(nèi)實地進行，通過照相機拍攝高清像素的路口照片、切換樓層照片；后期對圖片進行技術處理，增加三維矢量轉向箭頭和門框。這樣，乘客在使用導航服務時，在到達樓梯、電梯、交叉路口、轉彎處等位置之前，系統(tǒng)會主動彈出前方位置的實景圖片，醒目地提示轉彎方向，從而幫助乘客能夠在復雜的室內(nèi)環(huán)境中辨清行進的方向。

1.5 室內(nèi)外一體化導航技術

室內(nèi)外一體化導航在App 客戶端提供從用戶家里采用地鐵及公交等多種方式出行的方案，提示用戶到達目的地的時間；在去往目的地的途中用語音實時提醒用戶，在到達建筑物內(nèi)部后會無縫切換到站內(nèi)地圖，從而獲得從家開始到車站大門、再到站內(nèi)的無縫一體化導航服務。

2 系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

北京地鐵站內(nèi)外一體化導航系統(tǒng)主要由站內(nèi)高精度三維地圖模型、站內(nèi)定位技術、應用服務和配套硬件構成，一體化導航系統(tǒng)結構包括基礎層、數(shù)據(jù)層、服務層、應用層和表現(xiàn)層，如圖1 所示。

1) 基礎層：包含云服務器和硬件設備，為系統(tǒng)服務運行和站內(nèi)空間乘客定位提供基礎運行環(huán)境的支撐。

2) 數(shù)據(jù)層：包含站內(nèi)空間地圖數(shù)據(jù)、站內(nèi)公共服務數(shù)據(jù)(或設施數(shù)據(jù))、站內(nèi)定位數(shù)據(jù)以及站內(nèi)路網(wǎng)數(shù)據(jù)。站內(nèi)空間地圖數(shù)據(jù)通過計算機輔助設計(CAD)圖紙和對地鐵站內(nèi)現(xiàn)場測繪獲得，站內(nèi)公共服務/設施數(shù)據(jù)為站內(nèi)公共服務/設施的位置點信息和名稱信息，站內(nèi)定位數(shù)據(jù)為地鐵站內(nèi)WiFi 設備部署點的位置信息，站內(nèi)路網(wǎng)數(shù)據(jù)為站內(nèi)乘客通行路線信息。其中，地鐵站內(nèi)空間地圖數(shù)據(jù)需要根據(jù)站內(nèi)空間結構調整同步更新發(fā)布。

圖1 系統(tǒng)結構 Figure 1 System structure

3) 服務層：包含站內(nèi)三維地圖顯示瀏覽、興趣點(point of interest，POI)信息檢索與位置查看、站內(nèi)空間人員定位和站內(nèi)空間路網(wǎng)計算服務，利用數(shù)據(jù)層提供的基礎數(shù)據(jù)信息，為上層應用提供地鐵站內(nèi)地圖的基礎服務。

4) 應用層：包含軟件開發(fā)工具包(SDK)的二次開發(fā)包和室內(nèi)外一體化導航應用，地鐵應用App 接入導航SDK，即可在移動終端為乘客提供地鐵站內(nèi)外一體化的導航出行服務。

5) 表現(xiàn)層：主要是面向用戶的，站內(nèi)外一體化導航系統(tǒng)的用戶主要是站內(nèi)乘客，乘客通過移動端獲得站內(nèi)地圖展示、站內(nèi)POI 信息查詢、站內(nèi)乘客定位、路徑規(guī)劃、TBT 語音引導、站內(nèi)外一體化導航、地鐵車站周邊信息搜索服務。

在進行總體設計時，地鐵站內(nèi)外一體化導航系統(tǒng)要遵循三大原則：標準化與開放性原則、安全性與保密性原則、高性能與穩(wěn)定性原則，尊重系統(tǒng)功能需求，能夠堅持從乘客、地鐵工作人員等的視角出發(fā)，設計功能成熟、性能穩(wěn)定、友好易用的導航系統(tǒng)。采用B/S 平臺開發(fā)模式和互聯(lián)網(wǎng)成熟的優(yōu)勢技術，將其融入到系統(tǒng)設計當中，以確保導航系統(tǒng)的先進性；遵循軟件設計標準，開發(fā)高規(guī)格系統(tǒng)接口，形成統(tǒng)一的接口標準規(guī)范，體現(xiàn)系統(tǒng)平臺的保密性、實時性、開放性和便捷性。

2.2 模塊設計

2.2.1 定位模塊

基于模式識別技術的定位方法，又被形象地稱為“指紋定位”方法[2]，具體定位原理如下：

1) 先將整個地圖按照一定的距離(3～5 m)取一個點，稱作“指紋點”；

2) 收集各AP 到該指紋點的dB(m)值，建立該位置點的“特征值”；

3) 收集各AP 探測到的終端dB(m)值，建立終端的“特征值”；

4) 用每個“指紋點”的信號強度特征值與終端信號強度特征值做匹配，根據(jù)特征值相似度的高低，估算終端的位置。指紋定位原理如圖2 所示。

圖2 指紋定位原理 Figure 2 Schematic of fingerprint location

站內(nèi)外一體化導航系統(tǒng)主要由定位模塊、導航模塊和一體化導航模塊組成，通過對地鐵站內(nèi)定位算法和路徑算法的研究設計，支撐整個系統(tǒng)應用服務的運行。

由于沒有形成行業(yè)統(tǒng)一標準，各廠家生產(chǎn)的設備終端在WiFi信號發(fā)射功率的設定上各不相同。而且，即使是同一部手機，出于節(jié)電等方面的考慮，也有可能會動態(tài)調節(jié)WiFi 信號的發(fā)射功率，這對定位計算有巨大的影響。同時，在地鐵的實際環(huán)境中，可能存在大量的客流，當終端周圍被人流遮擋后，信號就不可避免地被衰減，相當于降低了終端的發(fā)射功率。

依據(jù)三角定位算法原理和指紋識別定位算法的原理，在算法結合的基礎上，通過權重分配、有效數(shù)據(jù)篩選、到達時間差等處理，進行位置計算的二次修正[3]，推出適用于地鐵站內(nèi)空間人員定位的算法。該算法能夠在很大程度上屏蔽發(fā)射功率的差異對定位計算精度造成的影響。同時，定位模塊提供AP 指紋采集工具，實際測量“指紋點”的信號強度特征值，使定位結果更加精準。定位計算流程如圖3 所示。

圖3 定位計算流程 Figure 3 Positioning calculation

2.2.2 導航模塊

乘客確定目的地后，通過A*算法規(guī)劃合理的前進路線，開啟導航。在導航過程中不斷地獲取乘客當前位置的坐標信息，與終點坐標進行持續(xù)的距離計算，當間距小于2 m 時即視為到達目的地，并提示乘客結束導航功能。導航功能流程如圖4 所示。

圖4 導航功能流程 Figure 4 The navigation function

2.2.3 一體化導航

地鐵車站外采用高德地圖服務，接入高德地圖服務的軟件開發(fā)工具包(SDK)，這樣在一個應用平臺上就可以同時使用站內(nèi)和站外的導航服務，達到站內(nèi)外一體化導航的效果。站外導航服務包括地圖信息展示、站外POI 信息查詢、站外人員定位、站外出行方案規(guī)劃以及站外語音導航服務。

2.3 算法設計

目前技術成熟度高、適用性好的路徑算法有Dijkstra算法 、A*算法等[4-5]，根據(jù)地鐵站內(nèi)通行路網(wǎng)信息，能夠在任意兩點之間規(guī)劃出合理的步行路徑，這是導航功能運行的必要前提條件。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

地鐵站內(nèi)外一體化導航系統(tǒng)的實現(xiàn)需要4 個前提：即基于站內(nèi)CAD 平面圖建設站內(nèi)三維地圖數(shù)據(jù)；基于站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)設計并部署AP 設備[6]；基于站內(nèi)三維地圖數(shù)據(jù)和定位設備提供站內(nèi)導航服務，做好站內(nèi)導航服務站內(nèi)外一體化導航對接。

3.1 建設站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)

3.1.1 地圖數(shù)據(jù)采集[7]

地鐵站內(nèi)的建筑物除了中空區(qū)域、不開放區(qū)域、輔助面、衛(wèi)生間以外，其他要素都需要以其專有名字命名。命名須遵照地鐵站內(nèi)現(xiàn)場名稱，如果相同要素存在名稱重復的情況，則需要在名稱后面附加數(shù)字序號予以區(qū)分。將工作間、辦公室、設備間等區(qū)域統(tǒng)一命名為“非開放區(qū)域”。地鐵站內(nèi)所有的通行路線均需要采集，形成站內(nèi)路網(wǎng)數(shù)據(jù)。路線須居于步行通道的中心位置，沿通道兩旁墻面輪廓進行繪制，如果區(qū)域面積較大，則路線可沿周邊實體建筑繪制。路網(wǎng)數(shù)據(jù)不允許穿越房間、柱子、設備等建筑實體，且所有位置信息(如大門、安檢處、檢票口、售票口、通行設施等)需與路網(wǎng)數(shù)據(jù)建立映射關系。

3.1.2 地圖數(shù)據(jù)制作

1) CAD 底圖獲取。以地鐵站內(nèi)CAD 圖紙作為基礎參考數(shù)據(jù)，到達地鐵車站進行人工測距、測高，現(xiàn)場繪制基礎地圖數(shù)據(jù)，制作方法為：繪制軸線，橫軸與縱軸均以5 m 為一個單位，軸線繪制完畢后，結合測距儀的測量數(shù)據(jù)進行圖紙繪制[8]。

2) CAD 平面圖矢量化。包括CAD 平面圖的圖像校正和圖像矢量化兩個過程：圖像校正是繪制坐標網(wǎng)絡圖框，通過圖像TATCH 把柵格化的圖像插入到CAD 中，通過命令操作，逐步選取4 點源坐標(此坐標為柵格圖像坐標)和目標坐標(圖框的實際坐標值)，并將兩者的坐標方格對齊。圖像矢量化是將校準好的柵格圖像作為地圖編輯對象，在CAD 工具中對地物、地貌、注記符號等元素進行繪制，完成圖像矢量化。

3) 底圖處理。地鐵站內(nèi)的CAD 平面圖，需要簡化處理，即把不必要的圖層或要素去掉。簡化標準是需把CAD 圖層中不需要的圖層關閉，但要保留墻、柱子、門、樓梯、電梯、洗手間等。

3.2 設計部署AP 設備

根據(jù)站內(nèi)WiFi 定位技術原理，考慮到AP 設備頻率范圍與強度，具體部署原則如下：AP 設備部署在北京地鐵車站的出入口、通道、大廳、站臺、換乘通道等位置，室內(nèi)部署在天花板、墻面或者柱子上?？諘绛h(huán)境、墻體結構簡單，白色石膏的墻體或者較薄的混凝土墻體，只有很少的電磁干擾，如出入口、通道、大廳、換乘區(qū)域、換乘通道、站臺區(qū)域，部署間距為25 m。墻體結構復雜，墻壁較厚，天花板較高(高于6 m)，射頻環(huán)境較差，有遮擋物，部署間距為13 m。若天花板高度小于6 m，則優(yōu)先選擇部署在天花板上；天花板高度大于6 m，則部署在墻邊、柱子等固定位置，部署高度小于6 m。部署位置周圍3 m 內(nèi)不允許有遮擋。設備發(fā)射信號需要覆蓋所有乘客可通行區(qū)域，消除覆蓋盲區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場情況決定設備部署的間隔，根據(jù)現(xiàn)場情況對AP 設備參數(shù)進行調試。避開電子干擾區(qū)域，盡量遠離信號干擾源，如電動設備、微波爐、高功率手機天線等。多個無線AP 設備之間，盡量保持等邊三角形或者正方形陣列的部署。

3.3 提供站內(nèi)導航服務

站內(nèi)導航服務，覆蓋地圖展示、POI 搜索、室內(nèi)定位、路徑規(guī)劃、TBT 語音導航功能，具體說明如下：

1) 地圖展示支持Android 端、IOS 端、微信端的高精度三維地圖瀏覽。站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)能夠實時加載渲染，通過高效的算法，確保地圖模型具有數(shù)據(jù)小、占用帶寬小等優(yōu)點，顯著提高訪問速度。支持對站內(nèi)三維地圖進行平移、旋轉、縮放、調整俯角、切換樓層等基本操作，滿足乘客瀏覽站內(nèi)地圖的需要。

2) POI 搜索：支持關鍵詞模糊搜索、同義詞搜索，搜索引擎支持中文分詞系統(tǒng)，可以快速匹配相似的結果，并能夠根據(jù)乘客的位置從近到遠排序顯示；提供POI 檢索目錄，羅列常用的公共設施與公共服務，如購票窗口、出入站口、衛(wèi)生間、ATM 機、自助售票機等，提高查詢效率。在地圖上，POI 名稱能夠被醒目標記。

3) 室內(nèi)定位：通過乘客手機端應用軟件，在站內(nèi)定位環(huán)境下，即可完成乘客在站內(nèi)的精準定位。定位以WiFi 定位技術為主，融合其他定位源(如地磁、手機慣導等)，實現(xiàn)了精度高、延時小的站內(nèi)定位服務[9]。

4) 路徑規(guī)劃：設定好目的地，系統(tǒng)能夠根據(jù)乘客當前的位置，規(guī)劃行進路線，在地圖上清晰地標記起點位置、終點位置、行進方向，并且還提供距離、耗時評估等關鍵信息，同時提供直梯優(yōu)先、扶梯優(yōu)先、樓梯優(yōu)先等額外3 種跨層路線規(guī)劃由乘客選擇。

5) TBT 語音導航：在導航過程中，如遇到路口、轉彎地點、上下樓層前，系統(tǒng)會通過文字、箭頭、實景路口放大圖等方式，主動提前告知用戶轉彎方向、轉彎地點、當前樓層等信息；在此基礎上，結合人工智能語音合成技術，以媲美真人的發(fā)音指引用戶前進，所有指引信息都能夠進行語音播報，從而幫助乘客能夠在復雜的室內(nèi)環(huán)境中辨別行進方向。

3.4 站內(nèi)外一體化導航對接

北京地鐵站內(nèi)導航系統(tǒng)從底層接入高德地圖服務SDK，從而能夠獲得站外地圖服務能力，如站外地圖展示、站外興趣點搜索、站外路線規(guī)劃、站外語音導航等。

3.4.1 站內(nèi)外一體化功能

實現(xiàn)站內(nèi)外一體化導航功能，離不開室外地圖服務的支持。通過接入高德室外地圖服務接口，與站內(nèi)地圖服務進行能力聚合，為乘客提供站內(nèi)外一體化導航服務，實現(xiàn)由站內(nèi)到站外、由站外到站內(nèi)的無縫一體化導航功能，乘客在導航過程中無需手工操作，系統(tǒng)通過識別定位環(huán)境和乘客坐標位置，自動完成地圖切換、定位方式切換、導航路線切換。

1) 站內(nèi)外地圖切換。通過將站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)與高德地圖數(shù)據(jù)進行配準，使站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)坐標系與站外地圖數(shù)據(jù)保持一致，實現(xiàn)站內(nèi)地圖與站外地圖數(shù)據(jù)的無縫銜接，為站內(nèi)外一體化導航提供數(shù)據(jù)支撐；基于站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)位置，實現(xiàn)由站外地圖向站內(nèi)地圖的切換，同時提供由站內(nèi)地圖向站外地圖的切換功能。

2) 站內(nèi)外一體化定位服務。站外定位是基于高德地圖GPS 定位應用程序接口(API)實現(xiàn)，通過調用高德地圖定位接口，實現(xiàn)站外位置的獲取；站內(nèi)定位基于站內(nèi)AP 定位接口，實現(xiàn)由站外定位到站內(nèi)定位、站內(nèi)定位到站外定位的無縫一體化定位服務。

3) 站內(nèi)外導航服務。站內(nèi)外一體化導航首先實現(xiàn)的是站內(nèi)外路線的一體化，將地鐵站出入口通行路線的節(jié)點與站外地圖路網(wǎng)數(shù)據(jù)連接，同時對接高德地圖的地鐵、公交、步行等多種出行方案，為乘客提供由站外到站內(nèi)、站內(nèi)到站外的無縫導航服務。

4) 站外POI 搜索服務。提供地鐵站周邊的POI搜索服務，包括美食、住宿等服務設施，對搜索結果以列表的方式展示，并對搜索結果提供路線規(guī)劃和語音導航功能。

3.4.2 一體化導航服務實現(xiàn)

一體化導航服務的實現(xiàn)需要獲取高德開發(fā)者key和科大訊飛AppID。

1) 獲取高德開發(fā)者key，可參考以下步驟：第一步，填寫信息，完成注冊流程：第二步，去控制臺創(chuàng)建應用；第三步，獲得開發(fā)者key 信息。

具體步驟可參看高德開發(fā)者平臺，網(wǎng)址為http:// lbs.amap.com。

2) 獲取科大訊飛AppID，可參考以下步驟：第一步，填寫信息，完成注冊流程；第二步，去控制臺→應用管理→我的應用，創(chuàng)建新應用，從而獲取AppID；第三步，尋找并下載最新SDK(須包含在線語音聽寫功能)，然后用所下載的iflyMSC.framework 替換掉App 中的舊iflyMSC.framework(Demo 中提供)；第四步，在初始化LocationSDK 之前設置iflyKey 參數(shù)值為AppID，如[[LocationSDK sharedInstance] setParam：@"iflyKey" value：@"新申請的AppID"]。

具體步驟可以參考科大訊飛開發(fā)者平臺，網(wǎng)址為https://www.xfyun.cn。

4 結語

站內(nèi)外一體化導航技術的研究與實現(xiàn)，不僅方便了乘客的出行，而且隨著研究的開展和深入，逐步形成了站內(nèi)三維地圖數(shù)據(jù)采集和制作規(guī)范，為后續(xù)站內(nèi)三維地圖數(shù)據(jù)的采集與制作提供了參考的依據(jù)，既可以提高地圖的制作效率，還能夠提高三維地圖模型圖像的成品質量，滿足站內(nèi)地圖服務的實際使用需要[10]。

北京地鐵站內(nèi)外一體化導航系統(tǒng)，是傳統(tǒng)地鐵出行管理與先進互聯(lián)網(wǎng)技術的完美結合，創(chuàng)建了“互聯(lián)網(wǎng)+乘客”的全新優(yōu)質服務方式，通過站內(nèi)高精度三維地圖和WiFi 定位技術，極大提升了乘客的地鐵出行體驗，促進了北京地鐵信息化建設的可持續(xù)發(fā)展，降低了地鐵的服務成本，進一步提升了乘客服務質量。同時，也能讓地鐵站內(nèi)管理人員更加專注于乘客的出行上，更好地為乘客提供管理服務，帶來更大的社會和經(jīng)濟效益。