虛擬步行的機場航站樓布局感知評價方法研究

符志強，伍朝輝，朱琳，李賢統(tǒng)，呂子一

（交通運輸部科學研究院，北京 100029）

1 引言

隨著我國人民生活水平的提高，民航業(yè)迅速發(fā)展，民用機場航站樓每年新增項目逐漸增加，《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》提出，到2035 年，國家民用運輸機場達到400 個左右，“十四五”新增民用運輸機場30 個以上[1]。從交通規(guī)劃綱要得知，未來機場越建越多，人們在選擇民航出行的需求不斷增加的同時，對民航的出行服務要求也逐漸提高，人們追求更安全、舒適、便捷、高效的出行需求。所以，在航站樓設計之初，考慮航站樓布局設計的合理性很重要。而航站樓布局通常很復雜，導致布局感知方案評價難度較大，這就需要民航相關單位全方位地提高管理水平。而航站樓的布局感知設計是很重要的一環(huán)。已有的設計方案大多依賴設計和管理人員經(jīng)驗來設計航站樓，缺乏乘客在航站樓的空間中的運動與感知規(guī)律，缺少以用戶視角的“以人為本”感知評價方法。

針對上述問題，本文采取乘客第一視角沉浸式的方式，以乘客使用的角度進行航站樓建筑內(nèi)部合理性布局分析，從機場航站樓BIM 建模、場景真實感處理、虛擬漫游系統(tǒng)架構與功能設計、搭建航站樓虛擬現(xiàn)實感知軟硬件平臺等方面，以乘客視角開展“以人為本”的出行感知評價方法的研究，高效引導旅客完成進出關流程，使旅客能夠快速便捷出行，提升旅客在航站樓的使用體驗度與滿意度。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

本文主要從BIM 建模、關鍵技術、路徑優(yōu)化3 個方面綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。首先是建筑信息模型的建立，其次是機場環(huán)境虛擬漫游感知技術方面的分析，最后是路徑規(guī)劃方面的研究分析。

在設計與BIM 建模方面，吳學[2]以成陽機場T3 為例，通過分析我國機場航站樓在人性化設計方面的現(xiàn)狀問題，探索出高效益、高質(zhì)量和充滿人文關懷的設計手法。羅燦[3]以廣州白云國際機場T2 航站樓行李系統(tǒng)為例，通過基于BIM 的模塊化設計、仿真與優(yōu)化，分析BIM 在其設計管理中的應用方法，為BIM 在類似項目中的應用提供借鑒。

關鍵技術研究方面，李欣等[4]以蘭州中川機場T3 航站樓實際應用為例，開展航站樓視域分析方法、步驟、策略等的探索，嘗試從視線角度探索使用者在航站樓建筑內(nèi)部活動規(guī)律，改變以往主觀化的建筑空間組織方法，以期減小內(nèi)部空間擁堵頻率，提高空間使用效率。高小波[5]結合機場航展樓實際生產(chǎn)環(huán)境，在現(xiàn)場搭建檢測驗證系統(tǒng)，研究了有源電子標簽超低功耗防碰撞技術，以期提高其在民航機場感知中的作用和價值。

路徑設計優(yōu)化方面，蔣欣欣等[6]運用Petri 網(wǎng)及相關理論分析安檢區(qū)的布局，利用安檢設施資源的分配方案，對乘客及隨身行李安檢流程進行優(yōu)化；同時根據(jù)Petri 網(wǎng)模型構建同構的馬爾科夫鏈對安檢流程進行性能分析，實現(xiàn)安檢服務設施合理分配、優(yōu)化機場安檢流程。姜紅肖[7]提出運用三維建模技術以及可視化的精細化火災仿真，模擬航站樓火災并依據(jù)火災演化理論，結合探測數(shù)據(jù)和整體切片數(shù)據(jù)耦合分析救援路徑上關鍵點位置，結合救援路徑當量長度，進行準確合理的消防路徑選擇，給消防人員提供安全保障，為我國民航提供了在火災應急救援方面的參考。A.Polimeni[8]對運輸網(wǎng)絡中的風險從一般考慮出發(fā)，提出了一種新的風險分析方法，對路徑優(yōu)化進行了研究，提出從兩方面考慮路線優(yōu)化級別：第一種路徑優(yōu)化（一對一），第二種路徑優(yōu)化（多對一），將路徑優(yōu)化當作面向?qū)ο蟮姆椒ǎ谄瘘c和終點之間，以找到最優(yōu)路徑為目標。

當前，國內(nèi)外在對航站樓布局感知與路徑優(yōu)化運用BIM、Petri 網(wǎng)模型等技術取得了較好的效果，但相對缺乏從乘客第一視角結合虛擬現(xiàn)實技術“以人為本”的方式來設計航站樓布局。針對此問題，本文圍繞航站樓場景BIM 建模、真實感優(yōu)化、布局感知、航站樓虛擬漫游系統(tǒng)架構與功能設計、基于步行器的虛擬現(xiàn)實交互感知硬件實驗平臺的搭建，以乘客視角“以人為本”沉浸式方式來研究航站樓布局感知設計優(yōu)化。并可進一步應用于同類型場景的感知評價和安全模訓。

3 基于BIM 的航站樓場景建模與真實感優(yōu)化

依托機場航站樓設計數(shù)據(jù)，提取機場航站樓主體結構主要特征，運用Revit 對機場航站樓進行高精度三維模型構建并形成機場層間主體結構。在機場層間建?；A上，對機場外立面以及屋頂?shù)冉Y構進行建模，形成機場主體框架結構，再在各層間結構和主體外側(cè)等方向布置門窗以及其他結構，達到真實場景構建的目的，如機電管道、風道、燈飾、安檢臺、傳送帶等附屬設施模型，并將候機樓內(nèi)座椅、安檢臺等進行布置，完成最終機場的精細化模型構建工作，得到結構準確的三維機場航站樓模型。

由于要進行仿真模擬的模型需要高質(zhì)量的渲染才能滿足在虛擬場景中進行各類試驗的視覺要求，需要對BIM 模型進行進一步優(yōu)化工作，使其從輕量化和信息存儲兩方面能夠有效保留BIM 模型信息。選用Twinmotion 對已處理完成的BIM 模型進行材質(zhì)、紋理以及燈光的設置，將BIM 模型導入Twinmotion 后，針對BIM 模型當中細節(jié)不足的部分進行材質(zhì)和紋理的替換，對燈光等進行添加，形成具有真實感的虛擬場景。同時在Unreal Engine 5 中進一步進行光照貼圖處理，根據(jù)實景要呈現(xiàn)的效果為建好的模型賦予材質(zhì)及紋理，讓灰模擁有色彩，以此來提升模型整體的真實感，進而在場景仿真模擬時能夠達到具有真實場景的效果，如圖1 所示。

4 虛擬現(xiàn)實的航站樓布局感知與交互式漫游系統(tǒng)

研發(fā)虛擬現(xiàn)實交互漫游系統(tǒng)，利用自主漫游、出入關體驗、全景視頻、語音交互等功能，可實現(xiàn)對航站樓的感知與第一視角的交互漫游。

4.1 航站樓虛擬漫游系統(tǒng)架構設計

航站樓虛擬漫游系統(tǒng)采用C/S 方式來進行軟件部署和訪問，系統(tǒng)總體框架如圖2 所示。充分利用目前的成熟技術進行開發(fā)，軟件架構具備很好的開放性，提供完整的開發(fā)接口，主要通過接口來調(diào)用地理信息數(shù)據(jù)及服務，能夠滿足主流平臺和跨平臺快速應用開發(fā)的需求。平臺的設計開發(fā)根據(jù)具體的功能需求，選擇通用的、較新版本的開發(fā)工具和平臺進行開發(fā)，所選工具需與現(xiàn)有的軟件平臺有很好的兼容性。

4.2 航站樓虛擬漫游系統(tǒng)功能開發(fā)

航站樓虛擬漫游系統(tǒng)主要是基于BIM 建模技術和圖形引擎的虛擬現(xiàn)實技術，結合虛擬現(xiàn)實頭盔HTC Vive 開發(fā)的沉浸式虛擬交互漫游系統(tǒng)，可以給人身臨其境的感覺。系統(tǒng)包括8 個功能，分別為：自主漫游、出關功能、入關功能、全景視頻播放、實時語音對話、動態(tài)行李箱、移動NPC、系統(tǒng)界面。

1）自主漫游：在場景中用戶可以步行器硬件在機場中自主漫游，實現(xiàn)過程如下：（1）打開自身的Pawn 類，將其父類改成Character 類，并在Pawn 類下加一個Arrow 用于模擬行走的方向；（2）在BeginPlay 中添加一個分支，并定義一個變量來存儲旋轉(zhuǎn)桿的旋轉(zhuǎn)值；（3）在Tick 中添加一個分支，進行人物的移動和旋轉(zhuǎn)。

2）出關功能：通過VR 手柄觸發(fā)按鈕進入出關模式，體驗者將會按路徑勻速漫游體驗出關相關流程。制作出關漫游的路徑動畫，創(chuàng)建“關卡序列播放器”節(jié)點，創(chuàng)建“使用混合設置視圖目標”綁定出關相機模擬用戶的視角，創(chuàng)建“播放”節(jié)點用于播放創(chuàng)建的路徑動畫，創(chuàng)建“以事件設置定時器”節(jié)點用于動畫播放完后跳轉(zhuǎn)到其他相機視角。

3）入關功能：通過VR 手柄觸發(fā)按鈕來開啟入關模式，利于用戶了解體驗入關的全流程，參考出關功能的實現(xiàn)。

4）全景視頻功能：通過攝像機照在一個平面上實現(xiàn)，首先創(chuàng)建一個Media Player 媒體播放器，給其添加上視頻文件，再建一個播放視頻的載體Sphere，Media 可以設置視頻的播放和暫停。

5）實時語音對話：學生端和老師端可以通過實時語音對話功能實現(xiàn)遠程對話，方便交流。創(chuàng)建“事件后臺登錄時”節(jié)點用于程序啟動時即可觸發(fā)此事件運行，生成“ActorPlayerVoiceChatActor”節(jié)點用于實現(xiàn)多個用戶之間的實時語音通話，利用此節(jié)點設置聲音大小和范圍等。

6）動態(tài)行李箱：此功能分為教練和學員端，教練端可根據(jù)培訓需要隨機顯示不同的行李箱；動態(tài)行李箱功能用到了UE5 的RPC 網(wǎng)絡同步功能，采用的是從客戶端調(diào)用并在服務器上執(zhí)行方式，即客戶端調(diào)用生成行李箱事件，在服務端執(zhí)行此事件，從而達到在客戶端和服務端同步顯示生成的行李箱。

7）移動NPC：場景內(nèi)生成隨機移動NPC 人物，增加場景真實感。通過“設置動畫模式”和“播放動畫”節(jié)點實現(xiàn)系統(tǒng)運行時播放人物行走動畫，利用“AIMoveTo”節(jié)點來實現(xiàn)NPC人物模型在場景的某個范圍內(nèi)隨機移動。

8）系統(tǒng)界面：系統(tǒng)界面采用虛幻引擎的UMG 技術來實現(xiàn)。

5 基于虛擬步行器的航站樓感知評價平臺搭建

平臺選用虛擬步行器和虛擬現(xiàn)實頭盔作為交互式外設實現(xiàn)機場航站樓漫游與交互，通過前期市場調(diào)研與設備選型，選用國產(chǎn)KAT WALK Mini S 虛擬步行器和HTC VIVE PRO 2 專業(yè)頭顯進行實驗平臺集成。Kat Walk Mini S 步行器基于萬向行走和力反饋技術，具備振動反饋、自然行走、增強版肢體自由度、集成控制中心等功能，行走振動反饋使用戶在行走、射擊、側(cè)移或巡航時可以感知振動反饋，可以更有效地適應用戶的自然步態(tài)。HTC VIVE PRO 2 專業(yè)頭顯雙眼分辨率為4 896×2 448，內(nèi)置陀螺儀、激光定位傳感器等，可對最大10 m 對角區(qū)域進行移動。VR 頭盔結合Kat Walk Mini S 步行器的自然行走沉浸式體驗方案，使用者可在行走、側(cè)移或巡航時可以感知振動反饋，大幅度增強了沉浸感，能讓用戶體驗各種類型的虛擬事件。

6 航站樓布局感知應用場景與效果分析

本文搭建的機場航站樓布局虛擬現(xiàn)實交互感知硬件實驗平臺，集成機場三維模型和交互漫游軟件系統(tǒng)，支持在虛擬場景中自由行走，實現(xiàn)航站樓環(huán)境步行漫游、振動反饋、可用于航站樓設計優(yōu)化、通關人員培訓等具體應用。

6.1 航站樓布局感知

利用具有結構準確性和視覺真實感的三維航站樓模型，研發(fā)虛擬現(xiàn)實交互漫游系統(tǒng)，實現(xiàn)機場航站樓布局感知、自主漫游、出入關模訓、安檢測試、語音交互、全景跳轉(zhuǎn)、場景集成等功能，形成了“以人為本”的虛擬現(xiàn)實機場航站樓環(huán)境感知與人機交互方法。在漫游系統(tǒng)中添加了真實場景的全景跳轉(zhuǎn)功能，結合VR 頭盔發(fā)布，形成機場航站樓虛擬場景向真實全景的跳轉(zhuǎn)，對三維全景發(fā)布效果進行驗證。通過以上硬件選配與集成開發(fā)，構建形成滿足研究所需的虛擬步行交互感知平臺，支持機場漫游、場景切換、沉浸式感知、語音交互等功能模塊，虛擬步行場景感知漫游過程示意如圖3 所示。

圖3 虛擬步行場景感知漫游過程示意

6.2 航站樓安全過程可視化

對航站樓場景中的安檢員、海關人員、乘客等角色及動作進行設計與開發(fā)實現(xiàn)，通過導入人物角色與動畫、創(chuàng)建動畫藍圖類、綁定角色等操作，實現(xiàn)用戶與三維場景中的虛擬NPC的自主觸發(fā)或語音交互效果。在入關過程中，利用線路將機場入口、問詢外、海關檢查處、安檢處、登機口等關鍵點位進行串聯(lián)，并在安檢處設置NPC 交互與檢包過程動畫觸發(fā)，如圖4所示，對行李箱中出現(xiàn)違禁品等場景進行交互設計與解讀。

圖4 安檢處檢包動畫過程

6.3 航站樓設計優(yōu)化

目前，機場航站樓設計存在的突出問題是空間使用效率低，究其原因是設計者忽略了對人們在空間中運動規(guī)律或感知規(guī)律的掌握，導致使用者無法短時、全局地掌控內(nèi)部空間關系。因此，開展人在建筑內(nèi)部活動規(guī)律的分析需求迫切。本文乘客第一視角的方式，不同于以前設計師視角，轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂谜咭暯?，從乘客視角開展航站樓建筑內(nèi)部合理性布局分析，從視線角度改善空間組織、路徑設計優(yōu)化、輔助功能流程、標志標牌設置是否合理等方面，如圖5 所示，以期完善航站樓內(nèi)部使用者活動規(guī)律，有效提高空間使用效率，滿足旅客高效便捷、安全舒適的出行需求，提升旅客在航站樓的使用滿意度。

圖5 機場航站樓內(nèi)外聯(lián)通設計效果示意

6.4 通關人員培訓

依托準確的機場設計數(shù)據(jù)，構建形成某機場航站樓真實感場景模型，包括機場航站樓、廊橋、服務臺、安檢處、出入關口、候機樓等全部要素，滿足真實感場景漫游與交互感知需要。結合航站樓通關模訓需求，研發(fā)示范機場虛擬現(xiàn)實漫游感知系統(tǒng)，包括航道樓三維場景自主查看、沿路徑巡查、出入關模訓、步行交互、實景數(shù)據(jù)全景切換、NPC 語音交互等主要功能，支持人員培訓的需求，輔助提升出入關人員的心理素質(zhì)與應急處置能力。如圖6 所示，模擬海關人員與出入關人員的通關培訓。

圖6 乘客通關流程培訓模擬

7 結論與展望

針對航站樓布局感知方案評價難的問題，本文提出“以人為本” 的機場航站樓設計方案感知評價方法，通過航站樓的BIM 建模、模型真實感優(yōu)化、虛擬漫游系統(tǒng)的開發(fā)、基于步行器的航站樓感知評價平臺的搭建，支撐虛擬現(xiàn)實機場航站樓的感知評價應用。利用具有結構準確性和視覺真實感的三維機場模型，研發(fā)虛擬現(xiàn)實交互漫游系統(tǒng)，實現(xiàn)機場布局感知、自主漫游、出入關模訓、安檢測試、語音交互、全景跳轉(zhuǎn)、場景集成等功能，形成了“以人為本”的虛擬現(xiàn)實機場環(huán)境感知與人機交互方法與工具支撐。