基于 5G 城市軌道交通站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

趙俊華，孟宇坤

（1. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

1 引言

隨著智能手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟，城市軌道交通車(chē)站內(nèi)外導(dǎo)航作為一個(gè)提升乘客乘車(chē)體驗(yàn)、提高管理效率的增值應(yīng)用而倍受重視。由于智能技術(shù)的發(fā)展，城市軌道交通車(chē)站內(nèi)設(shè)施越來(lái)越復(fù)雜，車(chē)站內(nèi)定位及引導(dǎo)需求日趨強(qiáng)烈。同時(shí)，在車(chē)站內(nèi)外識(shí)別特定對(duì)象的位置也是滿足移動(dòng)出行快速發(fā)展的需求。一體化定位技術(shù)可將真實(shí)世界中的實(shí)體事物與虛擬空間的數(shù)據(jù)資訊相結(jié)合，使線下實(shí)體事物如線上網(wǎng)絡(luò)信息一樣能被搜索、定位、連接，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界與虛擬世界的互聯(lián)。城市軌道交通通過(guò)建設(shè)精準(zhǔn)的三維站內(nèi)地圖，利用多源融合定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)外一體化導(dǎo)航服務(wù)，幫助乘客借助信息化手段快速到達(dá)目的地，有效提升乘客出行體驗(yàn)，促使站內(nèi)乘客高效疏導(dǎo)及分流，提高城市軌道交通服務(wù)空間及形象。本文利用車(chē)站內(nèi)外在線引導(dǎo)服務(wù)技術(shù)，通過(guò)建立站內(nèi)外信息和站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)，有效整合碎片化服務(wù)，結(jié)合5G定位技術(shù)，以“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng) +乘客”的方式提供移動(dòng)的、一對(duì)一、精準(zhǔn)快捷的出行一體化引導(dǎo)服務(wù)，從而降低車(chē)站站內(nèi)服務(wù)成本，提高城市軌道交通服務(wù)水平。

2 站內(nèi)外導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)狀分析

城市軌道交通車(chē)站作為舒適、干凈的候車(chē)環(huán)境為乘客出行提供便利的同時(shí)，也因其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、分散的指示引導(dǎo)標(biāo)識(shí)為乘客在尋找站內(nèi)各種設(shè)施及換乘過(guò)程中帶來(lái)許多不便，導(dǎo)致乘客在出行換乘過(guò)程中耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，影響出行體驗(yàn)。雖然城市軌道交通車(chē)站在站內(nèi)路徑指引方面已做大量工作，如不斷增加站內(nèi)指示牌，于大廳醒目位置張貼站內(nèi)平面圖等，但由于站內(nèi)指示標(biāo)志通常是分散的、靜態(tài)的，因此提供的信息是斷開(kāi)的、不連續(xù)的，再加之車(chē)站站內(nèi)平面圖由于其專(zhuān)業(yè)性，多數(shù)乘客較難理解，同時(shí)平面圖缺乏明確的可通行信息，乘客參考后無(wú)法獲得精準(zhǔn)的路線信息，因此無(wú)法做到提供一對(duì)一的乘客站內(nèi)目的地指引服務(wù)。

針對(duì)城市軌道交通站內(nèi)外導(dǎo)航技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外站內(nèi)定位通常是借助無(wú)線通信技術(shù)（Wi-Fi）、藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位目標(biāo)，各項(xiàng)技術(shù)均有其自身特有的優(yōu)缺點(diǎn)，如僅對(duì)于覆蓋面積而言，在相同的覆蓋面積下，采用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行定位所需的費(fèi)用比較高，性?xún)r(jià)比較Wi-Fi低。尤其當(dāng)處于復(fù)雜空間情境時(shí)，藍(lán)牙因其功率小，穩(wěn)定性差，較Wi-Fi技術(shù)更容易受到其他信號(hào)的干擾。Wi-Fi技術(shù)因依賴(lài)于信號(hào)強(qiáng)度的大小，一般覆蓋區(qū)域較小。當(dāng)Wi-Fi連接點(diǎn)和地面的垂直距離比較低時(shí)，有效距離可能縮短至30 m以?xún)?nèi)，并且伴隨著其他信號(hào)的干擾，屆時(shí)Wi-Fi定位精度大幅降低。5G作為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)通信、定位一體化，在進(jìn)行物體定位時(shí)不再需要專(zhuān)門(mén)部署1張定位網(wǎng)絡(luò)，因此其使用和維護(hù)成本較低。定位功能依托5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高密度，可顯著提升定位精度，定位精度可達(dá)m級(jí)。依托5G終端，無(wú)需額外安裝定位芯片和定位應(yīng)用軟件即可獲得定位信息，同時(shí)5G定位不僅能夠應(yīng)用在站內(nèi)場(chǎng)景，也可以使用在站外場(chǎng)景，做到站內(nèi)外定位連續(xù)。

為提升乘客出行體驗(yàn)，滿足乘客個(gè)性化、移動(dòng)化及多樣化出行需要的快捷引導(dǎo)應(yīng)用，幫助乘客快速獲悉周邊信息。同時(shí)為適應(yīng)當(dāng)前云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)城市軌道交通信息化發(fā)展，通過(guò)利用5G多源融合定位和站內(nèi)外在線引導(dǎo)服務(wù)技術(shù)，構(gòu)建乘客出行信息服務(wù)的統(tǒng)一基礎(chǔ)支撐平臺(tái)和移動(dòng)端應(yīng)用。利用站內(nèi)外一體化導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航路線規(guī)劃、交通方式規(guī)劃、可視化路線、3D地圖顯示規(guī)劃路線、最佳路徑推薦、站內(nèi)服務(wù)設(shè)施搜索、車(chē)站內(nèi)實(shí)時(shí)導(dǎo)航、出站路線規(guī)劃等。以“互聯(lián)網(wǎng)+乘客”的方式，為乘客提供更優(yōu)質(zhì)的出行服務(wù)，通過(guò)利用信息化手段減少因客流人次增加、設(shè)備負(fù)荷量增大所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

城市軌道交通站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)是基于站內(nèi)三維地圖、融合智能手機(jī)慣導(dǎo)、地磁和5G定位技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)。站內(nèi)三維地圖將形象、逼真的三維圖像配以站內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，為乘客提供更立體的瀏覽體驗(yàn)。系統(tǒng)利用站外地圖和定位技術(shù)的融合，形成無(wú)縫站內(nèi)外一體化語(yǔ)音導(dǎo)航，并提供文字、方向提醒和動(dòng)態(tài)連續(xù)指引，改善乘客實(shí)際乘車(chē)體驗(yàn)的同時(shí)有效疏導(dǎo)及分流，降低城市軌道交通服務(wù)成本。

城市軌道交通站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層及表現(xiàn)層組成，總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

（1）基礎(chǔ)層?；A(chǔ)層包括云服務(wù)系統(tǒng)和5G定位基站設(shè)備，為站內(nèi)外地圖和人員定位提供硬件支撐平臺(tái)。

（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層包括整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行需要的各種地圖數(shù)據(jù)，即站內(nèi)地圖、興趣點(diǎn)（POI）數(shù)據(jù)、站內(nèi)定位數(shù)據(jù)、站內(nèi)路網(wǎng)數(shù)據(jù)等。

（3）服務(wù)層。服務(wù)層架構(gòu)于數(shù)據(jù)層之上，結(jié)合導(dǎo)航服務(wù)平臺(tái)和城市軌道交通管理業(yè)務(wù)，提供站內(nèi)外地圖服務(wù)、定位服務(wù)、站內(nèi)外導(dǎo)航服務(wù)、語(yǔ)音服務(wù)、感知服務(wù)、后臺(tái)管理服務(wù)和城市軌道交通業(yè)務(wù)管理服務(wù)。

（4）應(yīng)用層。應(yīng)用層結(jié)合數(shù)據(jù)層和服務(wù)層，提供多場(chǎng)景、多功能、多樣化的業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括位置引導(dǎo)、位置感知、位置共享等應(yīng)用。

（5）表現(xiàn)層。表現(xiàn)層根據(jù)應(yīng)用層提供的服務(wù)內(nèi)容及服務(wù)對(duì)象，為乘客提供多種形式的站內(nèi)引導(dǎo)服務(wù)。業(yè)務(wù)系統(tǒng)終端包括智能手機(jī)、電腦、智能問(wèn)詢(xún)機(jī)。

城市軌道交通站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)由地圖數(shù)據(jù)、移動(dòng)端一體化站內(nèi)外地圖服務(wù)、后臺(tái)管理系統(tǒng)、配套硬件及城市軌道交通車(chē)站內(nèi)應(yīng)用服務(wù)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）地圖數(shù)據(jù)提供三維虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）地圖，為站內(nèi)定位和導(dǎo)航提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（2）移動(dòng)端智能一體化站內(nèi)外地圖服務(wù)是基于站內(nèi)外地圖和5G定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)地圖展示、站內(nèi)定位、POI搜索及站內(nèi)語(yǔ)音導(dǎo)航功能，為乘客提供站內(nèi)連續(xù)乘車(chē)指引服務(wù)。

（3）后臺(tái)管理服務(wù)基于車(chē)站內(nèi)三維地圖，實(shí)現(xiàn)POI數(shù)據(jù)管理功能。

（4）配套硬件主要有5G基站設(shè)備。

5G基站設(shè)備作用于手機(jī)端，為乘客手機(jī)端提供定位支持。大屏機(jī)（電腦端）和手機(jī)端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)線網(wǎng)云服務(wù)器端，獲取POI數(shù)據(jù)、站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)以及站內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)。后臺(tái)管理端通過(guò)連接車(chē)站服務(wù)器，對(duì)站內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。其中，車(chē)站服務(wù)器與云服務(wù)器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以此不間斷更新導(dǎo)航數(shù)據(jù)。基于5G的城市軌道交通車(chē)站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)整體的制作流程如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)建設(shè)

構(gòu)建站內(nèi)一體化的三維模型和矢量數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足室內(nèi)的位置感知。其中，數(shù)據(jù)包括站內(nèi)三維地圖數(shù)據(jù)、站內(nèi)設(shè)施位置數(shù)據(jù)、站內(nèi)定位數(shù)據(jù)、站內(nèi)路算數(shù)據(jù)等。城市軌道交通車(chē)站站內(nèi)地圖一般包括以下數(shù)據(jù)要素。

（1）通行設(shè)施。需要制作通往城市軌道交通的通行設(shè)施（樓梯、扶梯、直梯等）位置數(shù)據(jù)。

（2）自動(dòng)售票機(jī)及商鋪。單獨(dú)的自動(dòng)售票機(jī)位置數(shù)據(jù)需單獨(dú)采集。當(dāng)2個(gè)或2個(gè)以上功能完全相同的自動(dòng)售票機(jī)并排擺放時(shí)，只需將1個(gè)點(diǎn)繪制在中心區(qū)域，并同時(shí)繪制包含整個(gè)自動(dòng)售票機(jī)外輪廓面作為輔助面。在繪制商鋪地圖時(shí)需面向乘客的方向制作商鋪門(mén)要素。

（3）站臺(tái)與站廳。如站臺(tái)是封閉的區(qū)域，則需制作每個(gè)候車(chē)室的輪廓面，如候車(chē)區(qū)為開(kāi)放式區(qū)域，可沿站臺(tái)門(mén)站臺(tái)側(cè)邊緣繪制區(qū)域要素。

（4）檢票區(qū)、安檢區(qū)。檢票區(qū)、安檢區(qū)需單獨(dú)采集。

3 站內(nèi)外導(dǎo)航應(yīng)用分析

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）5G定位技術(shù)。5G定位是5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)測(cè)量無(wú)線信號(hào)以確定5G終端地理位置信息的技術(shù)，定位服務(wù)使乘客可以隨時(shí)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(guò)多個(gè)分布式微功率基站對(duì)同一乘客的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，與終端、核心網(wǎng)及應(yīng)用端配合實(shí)現(xiàn)最高達(dá)m級(jí)的定位精度。5G定位技術(shù)定位算法靈活多樣，可延伸疊加其他技術(shù)進(jìn)行融合定位，在持續(xù)提高定位精度的同時(shí)還可保障用戶(hù)數(shù)據(jù)安全可靠。

（2）端到端（TBT）語(yǔ)音導(dǎo)航技術(shù)。站內(nèi)外的導(dǎo)航語(yǔ)音服務(wù)以大語(yǔ)料庫(kù)及語(yǔ)音韻律描述系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并運(yùn)用人工智能語(yǔ)音合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種導(dǎo)航引導(dǎo)的連續(xù)語(yǔ)音合成。采用TBT語(yǔ)音導(dǎo)航技術(shù)可完成在各種路口、轉(zhuǎn)彎、換層等特定情況下的語(yǔ)音自動(dòng)提醒功能。

（3）實(shí)景路口放大圖技術(shù)。當(dāng)乘客處于電梯、扶梯、交叉路口等位置時(shí)可自動(dòng)彈出三維實(shí)景放大圖，從而形成強(qiáng)烈的實(shí)景參照效應(yīng)。通過(guò)三維的矢量箭頭和門(mén)框等展示方式，引導(dǎo)乘客在大廳、換層等復(fù)雜站內(nèi)快速判斷路線。

（4）站內(nèi)外空間測(cè)繪與三維地圖發(fā)布技術(shù)。站內(nèi)外地圖數(shù)據(jù)測(cè)繪是站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，基于站內(nèi)外測(cè)繪數(shù)據(jù)，并結(jié)合利用三維地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)制作三維站內(nèi)外地圖，發(fā)布服務(wù)，提升乘客使用站內(nèi)外地圖服務(wù)時(shí)的體驗(yàn)。

3.2 站內(nèi)外一體化導(dǎo)航服務(wù)功能

“位置服務(wù)”是站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)服務(wù)，借助于站內(nèi)外導(dǎo)航平臺(tái)，結(jié)合城市軌道交通乘客出行現(xiàn)狀，利用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成以“位置”為核心的新型服務(wù)，基于導(dǎo)航服務(wù)、感知服務(wù)覆蓋乘客出行過(guò)程，提高乘客城市軌道交通出行體驗(yàn)。

在內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)分別部署城市軌道交通站內(nèi)一體化導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)，其中，外網(wǎng)系統(tǒng)主要為乘客提供城市軌道交通站內(nèi)的導(dǎo)航服務(wù)，內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)主要為城市軌道交通工作人員提供業(yè)務(wù)管理服務(wù)?！拔恢梅?wù)”與業(yè)務(wù)管理進(jìn)行有機(jī)整合，增加業(yè)務(wù)管理技術(shù)手段，降低管理成本，為城市軌道交通業(yè)務(wù)管理提供技術(shù)保障。

基于5G的城市軌道交通站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)地圖展示、站內(nèi)POI查詢(xún)、站內(nèi)定位、路徑規(guī)劃及站內(nèi)外一體化導(dǎo)航的功能。

（1）站內(nèi)地圖展示。運(yùn)用站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)展示引擎，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染和樓層切換。站內(nèi)地圖數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)加載到乘客智能手機(jī)端并下載和渲染，達(dá)到自動(dòng)生成站內(nèi)數(shù)據(jù)效果。同時(shí)利用高效算法縮小云平臺(tái)的室內(nèi)模型數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)占用帶寬，提高站內(nèi)地圖訪問(wèn)速度。

（2）站內(nèi)POI查詢(xún)。實(shí)現(xiàn)公共設(shè)施查詢(xún)，如購(gòu)票窗口、自助售票機(jī)、出入口等POI信息查詢(xún)，并語(yǔ)音指引查詢(xún)結(jié)果，為乘客提供站內(nèi)公共設(shè)施信息列表及地圖定位服務(wù)。

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

（4）路徑規(guī)劃。站內(nèi)三維導(dǎo)航可實(shí)現(xiàn)對(duì)乘客進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的精確語(yǔ)音指引。站內(nèi)外的一體化導(dǎo)航系統(tǒng)具有路徑規(guī)劃引導(dǎo)功能，可提供導(dǎo)航語(yǔ)音指引、箭頭式文字描述、在重要位置進(jìn)行放大圖像等服務(wù)，可做到實(shí)時(shí)指引乘客。

（5）站內(nèi)導(dǎo)航。站內(nèi)導(dǎo)航是在站內(nèi)三維地圖上融合語(yǔ)音引導(dǎo)和5G定位技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航，在導(dǎo)航過(guò)程中乘客只需按照語(yǔ)音提示、箭頭引導(dǎo)、路口放大圖提醒進(jìn)行操作。

（6）站內(nèi)外一體化導(dǎo)航。站內(nèi)外一體化導(dǎo)航可結(jié)合乘客出發(fā)地及目的地的相關(guān)信息為乘客提供包括自駕、打車(chē)及公交等多種出行方案，并在出行方案中給出到達(dá)目的地的時(shí)間及所用時(shí)長(zhǎng)，且在去往目的地的途中，給予乘客實(shí)時(shí)語(yǔ)音提醒，當(dāng)乘客到達(dá)車(chē)站后無(wú)縫切換至城市軌道交通站內(nèi)地圖，實(shí)現(xiàn)從出發(fā)地到城市軌道交通車(chē)站，再到站內(nèi)服務(wù)區(qū)的無(wú)縫一體化導(dǎo)航服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，如何為乘客提供更加便捷、高效、舒適的服務(wù)已經(jīng)成為新時(shí)代乘客服務(wù)中的一個(gè)新課題。城市軌道交通站內(nèi)外一體化導(dǎo)航系統(tǒng)可無(wú)縫為乘客提供站內(nèi)定位、周邊信息查詢(xún)等方面服務(wù)，解決乘客在站內(nèi)盲區(qū)地帶的位置信息缺失問(wèn)題，避免出行時(shí)間及運(yùn)營(yíng)空間上的浪費(fèi)，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(shù)，系統(tǒng)無(wú)需安裝定位芯片和定位應(yīng)用軟件，節(jié)省單獨(dú)部署定位網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用，降低系統(tǒng)建設(shè)成本，使數(shù)據(jù)獲取更加便捷，大幅提升5G終端乘客感知度。同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)站內(nèi)外一體化定位技術(shù)，將乘客位置信息與消費(fèi)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可有效挖掘城市軌道交通車(chē)站內(nèi)外的商業(yè)價(jià)值。