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深埋復(fù)雜車站智能導(dǎo)航系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

2022-02-19 02:50葉麗思馬侃彥洪里平陳維亞
鐵路計算機應(yīng)用 2022年1期
關(guān)鍵詞:導(dǎo)航系統(tǒng)車站網(wǎng)格

葉麗思,馬侃彥,洪里平,陳維亞

(1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)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(wù)App 等一系列革新技術(shù),形成了一套智能化的乘客服務(wù)體系[1-2]。然而,由于建筑面積大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、服務(wù)設(shè)施多,乘客往往難以快速找到目的地,無法實現(xiàn)高效便捷出行。因此,公共交通樞紐中的乘客智能導(dǎo)引服務(wù)一直是乘客們迫切的需求,并驅(qū)動了相關(guān)研究與應(yīng)用的發(fā)展。

針對乘客智能導(dǎo)引這一需求,眾多國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合電子地圖、室內(nèi)定位與導(dǎo)航、自動尋路等相關(guān)技術(shù),對車站內(nèi)的智能導(dǎo)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(chǔ)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(jié)合人機交互,實現(xiàn)信息檢索和智能導(dǎo)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(shù)的普及,車站內(nèi)的導(dǎo)航向移動化、便捷化方向發(fā)展。早在2007 年,Millonig 等人[4]就提出了基于地標(biāo)的行人導(dǎo)航系統(tǒng);Arikawa 等人[5]總結(jié)了日本移動導(dǎo)航應(yīng)用Navitime 在城市公共交通中發(fā)揮的作用,二者都將電子地圖與GPS 等定位手段相結(jié)合,并將服務(wù)信息在移動終端上匯總,從而提供形象化的導(dǎo)航。雖然這類智能引導(dǎo)系統(tǒng)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(dǎo)航難以在車站內(nèi)等環(huán)境下獲得較好的導(dǎo)航效果。

因此,越來越多的研究開始聚焦室內(nèi)定位技術(shù)[6],開發(fā)了基于Wi-Fi[7]、iBeacon[8]、Zigbee[9]等各類室內(nèi)環(huán)境定位與導(dǎo)航方法。基于室內(nèi)鋪設(shè)的信號基站,室內(nèi)定位在精度上有了較大提升,最佳情況下基本可實現(xiàn)1m 以內(nèi)的定位精度。由于需要增設(shè)額外的硬件,研究人員依然在持續(xù)探索精度更高、成本更低的導(dǎo)航方法。隨著基于計算機視覺的定位與重建技術(shù)逐漸成熟,增強現(xiàn)實(AR,Augmented Reality)等人機交互技術(shù)已經(jīng)從實驗階段發(fā)展到應(yīng)用階段?;贏R 的導(dǎo)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(xiàn)完整的智能導(dǎo)航,除了精準(zhǔn)、快速的定位技術(shù),還需要智能的自動尋路算法。傳統(tǒng)算法通常針對平面布局,比如動態(tài)空間劃分[16]、NavMesh(Navigation Mesh)[17]或典型路標(biāo)點[18]等。對于平面內(nèi)的靜態(tài)場景,已經(jīng)可以實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的實時導(dǎo)航,但對于多層建筑內(nèi)的自動尋路,維度的增加使尋路的復(fù)雜度和表示難度進一步提升,相關(guān)研究剛剛起步[19]。本文研究并實現(xiàn)應(yīng)用于深埋復(fù)雜車站的智能導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

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

圖1 智能導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 導(dǎo)航模型格式轉(zhuǎn)換

車站的BIM 和實景掃描模型為構(gòu)建導(dǎo)航系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?;贗FC 格式的BIM 可用于生成導(dǎo)航的拓?fù)淠P?,建筑掃描模型為基于視覺的實時定位提供了三維幾何數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。BIM 中包含的建筑物不同區(qū)域的功能屬性對導(dǎo)航服務(wù)同樣十分重要,需要在設(shè)計尋路應(yīng)用時予以考慮。系統(tǒng)基于BIM 提供的三維幾何數(shù)據(jù)和室內(nèi)構(gòu)件特征點選取導(dǎo)航路徑點,將樓梯口或電梯口等連接上下層的構(gòu)件特征點抽象為平面路網(wǎng)模型中的終點路徑點,從而建立各樓層之間的聯(lián)系,構(gòu)建多層路網(wǎng)模型。提取的導(dǎo)航所需信息的IFC 文件可通過xBIM 的相關(guān)庫函數(shù)實現(xiàn)模型格式轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換后的模型導(dǎo)入到Unity3D 中,完成場景燈光、視角及角色碰撞器的設(shè)置,實現(xiàn)導(dǎo)航模型的格式轉(zhuǎn)換。

2.2 尋路算法設(shè)計

構(gòu)建導(dǎo)航模型后,需要通過尋路算法規(guī)劃最短路線。采用改進的導(dǎo)航網(wǎng)格算法可突破平面尋路算法的局限性,實現(xiàn)多層建筑內(nèi)部的自動尋路。本文采取基于NavMesh 的尋路算法,利用計算機內(nèi)存保存大量的三角面片信息,生成更為細(xì)致的導(dǎo)航地圖,更適用于真實場景。對于多層車站,出發(fā)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(qū)域設(shè)置在可導(dǎo)航網(wǎng)格以內(nèi)后,即可實現(xiàn)跨層路徑生成。在獲取車站設(shè)施狀態(tài)和可用性、人流分布的特點等動態(tài)信息后,還可基于實際情況,根據(jù)不同的目標(biāo)(時間最短、路徑最短等),動態(tài)選取最優(yōu)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(dǎo)航地圖的網(wǎng)格模型;(2)根據(jù)網(wǎng)格的鄰接信息構(gòu)造圖及起點和終點坐標(biāo)所在導(dǎo)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(wǎng)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(wǎng)格組成的路徑進行優(yōu)化,以得到由坐標(biāo)組成的平滑路徑;(4)通過對A*尋路算法的啟發(fā)式函數(shù)f(n)=g(n)+h(n)中的h(n)賦權(quán)調(diào)節(jié),其中,g(n) 是節(jié)點n距離起點的代價,h(n)是節(jié)點n距離終點的預(yù)計代價,從而提高A*算法的尋路速度,得到在當(dāng)前加快尋路速度條件下的一條最優(yōu)路徑。

圖2 尋路算法設(shè)計流程

2.3 基于計算機視覺的實時定位

在導(dǎo)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(xiàn)車站內(nèi)部,尤其是深埋復(fù)雜車站內(nèi)部的準(zhǔn)確、實時定位,可考慮借助三維重建與視覺特征匹配、結(jié)合的視覺定位方法,實現(xiàn)在室內(nèi)大范圍空間中具備一定精度、低成本的實時定位。當(dāng)前計算機視覺領(lǐng)域的研究已取得了一定的突破,其中,三維重建技術(shù)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(dǎo)航系統(tǒng)通過視覺特征點匹配的方式,完成用戶在導(dǎo)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(tài)判定。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 導(dǎo)航地圖構(gòu)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(fù)雜車站的整體數(shù)字模型,包含車站三維幾何信息及服務(wù)功能信息,根據(jù)該車站的BIM 導(dǎo)出IFC 文件;(2)確定需提取的三維幾何模型數(shù)據(jù)和不同區(qū)域的功能屬性導(dǎo)航信息后,通過xBIM 來實現(xiàn)IFC 文件的解析與格式轉(zhuǎn)換,進而導(dǎo)入到Unity3D 中,進行后續(xù)導(dǎo)航模型的構(gòu)建操作;(3)將處理后的IFC 模型導(dǎo)入到Unity3D 中,構(gòu)建導(dǎo)航模型,以進行后續(xù)尋路操作;(4)NavMesh 是Unity3D 引擎中的一個導(dǎo)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(dǎo)航網(wǎng)格模型,從源幾何圖形創(chuàng)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(wǎng)格,形成可遍歷表面,構(gòu)建可導(dǎo)航地圖及后續(xù)尋路導(dǎo)航計算的模型基礎(chǔ)。

3.2 導(dǎo)航功能實現(xiàn)

(1)完成導(dǎo)航地圖構(gòu)建后,結(jié)合尋路算法與實時定位技術(shù)可實現(xiàn)車站室內(nèi)場景的導(dǎo)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(jù)輸入的終點位置調(diào)用尋路算法生成導(dǎo)航路徑。(2)完成導(dǎo)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(shè)備的位置和姿態(tài)進行持續(xù)定位,以獲得導(dǎo)航狀態(tài)下用戶移動過程中的實時位置。通過采用現(xiàn)有的視覺SLAM 算法,結(jié)合預(yù)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(nèi),實現(xiàn)導(dǎo)航狀態(tài)下的用戶實時定位。雖然可能由于視覺定位的累積誤差導(dǎo)致定位信號的漂移,但可結(jié)合移動端的慣導(dǎo)傳感器進行一定的補償,實現(xiàn)站內(nèi)導(dǎo)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(dǎo)致導(dǎo)航中斷。例如,車站現(xiàn)場人流過密,或用戶主動終止導(dǎo)航,都可能會導(dǎo)致定位信號丟失,SLAM 過程提前結(jié)束。在本文的智能導(dǎo)航系統(tǒng)中,用戶可就地或挑選站內(nèi)視覺特征比較明顯的區(qū)域,重啟定點定位的流程,從當(dāng)前選定位置發(fā)起新的導(dǎo)航。如果用戶在行進過程中與既定路線產(chǎn)生了較大的偏差,系統(tǒng)會提示用戶盡快回到既定路線,用戶偏離導(dǎo)航路線超過一定范圍后,系統(tǒng)會基于當(dāng)前視覺定位的位置,主動重新規(guī)劃最佳路線。

3.3 導(dǎo)航應(yīng)用界面

京張高鐵深埋復(fù)雜車站站內(nèi)導(dǎo)航模型存放在服務(wù)器中,減少客戶端所需內(nèi)存及加載模型所需時間,用戶在移動端使用智能導(dǎo)航系統(tǒng)App 時,進入主界面后,可根據(jù)自己當(dāng)前的導(dǎo)航需求點選對應(yīng)的功能模塊,執(zhí)行各項操作,查詢所需信息,實現(xiàn)個性化路徑導(dǎo)航。智能導(dǎo)航系統(tǒng)App 功能界面如圖3 所示,主要由3 個模塊組成。

圖3 智能導(dǎo)航系統(tǒng)App 功能界面

(1)進出站服務(wù):用戶可根據(jù)當(dāng)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(zhǔn)確的情況,以提供更方便、快捷的進出站導(dǎo)航服務(wù)。

(2)便民指引服務(wù):考慮到用戶在候車或出站期間可能存在的需求,對車站內(nèi)現(xiàn)有的服務(wù)設(shè)施進行分類,如:母嬰服務(wù)、開水間、衛(wèi)生間、服務(wù)臺等,用戶可以通過下拉菜單點擊相關(guān)服務(wù)設(shè)施按鈕,即可發(fā)起定點導(dǎo)航,避免發(fā)生首次到站或?qū)φ緝?nèi)情況不熟悉的旅客在尋求相應(yīng)服務(wù)時,不能及時找到對應(yīng)服務(wù)設(shè)施的情況。

(3)自助查詢導(dǎo)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(wù),在該界面,用戶可根據(jù)自己的目的地需求輸入地點名稱,進行自主導(dǎo)航。

4 結(jié)束語

為構(gòu)建適應(yīng)深埋復(fù)雜車站的智能導(dǎo)航系統(tǒng),本文采用 Unity3D 作為開發(fā)工具,基于車站BIM,經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)車站場景三維地圖的半自動構(gòu)建;結(jié)合自動尋路算法,實現(xiàn)導(dǎo)航路徑的快速、精準(zhǔn)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(xiàn)低成本、大空間、實時定位的問題;通過AR 與三維重建相結(jié)合的方式,實現(xiàn)了基于SLAM 的實時定位與路徑顯示。京張高鐵深埋復(fù)雜車站引入站內(nèi)智能導(dǎo)航服務(wù),有助于提升乘客的站內(nèi)體驗;將科技融入出行過程,有助于鐵路精品服務(wù)口碑的建立。同時,減小了站內(nèi)服務(wù)人員的工作壓力,提升了乘客的出行效率。

后期系統(tǒng)更新迭代可考慮通過與交通流預(yù)測算法相結(jié)合,實現(xiàn)站內(nèi)的短時人流量信息展示,幫助用戶了解當(dāng)前站內(nèi)擁堵狀態(tài)。亦可在數(shù)據(jù)層接入票務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)端口,實現(xiàn)在導(dǎo)航軟件中呈現(xiàn)乘車信息的功能。

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