基于 5G 城市轨道交通站内外一体化导航系统设计及研究

赵俊华，孟宇坤

（1. 北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

1 引言

随着智能手机、互联网和无线网络技术的日趋成熟，城市轨道交通车站内外导航作为一个提升乘客乘车体验、提高管理效率的增值应用而倍受重视。由于智能技术的发展，城市轨道交通车站内设施越来越复杂，车站内定位及引导需求日趋强烈。同时，在车站内外识别特定对象的位置也是满足移动出行快速发展的需求。一体化定位技术可将真实世界中的实体事物与虚拟空间的数据资讯相结合，使线下实体事物如线上网络信息一样能被搜索、定位、连接，从而实现真实世界与虚拟世界的互联。城市轨道交通通过建设精准的三维站内地图，利用多源融合定位技术，实现站内外一体化导航服务，帮助乘客借助信息化手段快速到达目的地，有效提升乘客出行体验，促使站内乘客高效疏导及分流，提高城市轨道交通服务空间及形象。本文利用车站内外在线引导服务技术，通过建立站内外信息和站内地图数据，有效整合碎片化服务，结合5G定位技术，以“移动互联网 +乘客”的方式提供移动的、一对一、精准快捷的出行一体化引导服务，从而降低车站站内服务成本，提高城市轨道交通服务水平。

2 站内外导航技术应用架构设计

2.1 现状分析

城市轨道交通车站作为舒适、干净的候车环境为乘客出行提供便利的同时，也因其复杂的内部结构、分散的指示引导标识为乘客在寻找站内各种设施及换乘过程中带来许多不便，导致乘客在出行换乘过程中耗时过长，影响出行体验。虽然城市轨道交通车站在站内路径指引方面已做大量工作，如不断增加站内指示牌，于大厅醒目位置张贴站内平面图等，但由于站内指示标志通常是分散的、静态的，因此提供的信息是断开的、不连续的，再加之车站站内平面图由于其专业性，多数乘客较难理解，同时平面图缺乏明确的可通行信息，乘客参考后无法获得精准的路线信息，因此无法做到提供一对一的乘客站内目的地指引服务。

针对城市轨道交通站内外导航技术，目前国内外站内定位通常是借助无线通信技术（Wi-Fi）、蓝牙技术实现定位目标，各项技术均有其自身特有的优缺点，如仅对于覆盖面积而言，在相同的覆盖面积下，采用蓝牙技术进行定位所需的费用比较高，性价比较Wi-Fi低。尤其当处于复杂空间情境时，蓝牙因其功率小，稳定性差，较Wi-Fi技术更容易受到其他信号的干扰。Wi-Fi技术因依赖于信号强度的大小，一般覆盖区域较小。当Wi-Fi连接点和地面的垂直距离比较低时，有效距离可能缩短至30 m以内，并且伴随着其他信号的干扰，届时Wi-Fi定位精度大幅降低。5G作为新一代移动通信系统，可实现通信、定位一体化，在进行物体定位时不再需要专门部署1张定位网络，因此其使用和维护成本较低。定位功能依托5G网络大带宽、高密度，可显著提升定位精度，定位精度可达m级。依托5G终端，无需额外安装定位芯片和定位应用软件即可获得定位信息，同时5G定位不仅能够应用在站内场景，也可以使用在站外场景，做到站内外定位连续。

为提升乘客出行体验，满足乘客个性化、移动化及多样化出行需要的快捷引导应用，帮助乘客快速获悉周边信息。同时为适应当前云计算、大数据、“互联网+”等新技术发展，推进城市轨道交通信息化发展，通过利用5G多源融合定位和站内外在线引导服务技术，构建乘客出行信息服务的统一基础支撑平台和移动端应用。利用站内外一体化导航技术实现导航路线规划、交通方式规划、可视化路线、3D地图显示规划路线、最佳路径推荐、站内服务设施搜索、车站内实时导航、出站路线规划等。以“互联网+乘客”的方式，为乘客提供更优质的出行服务，通过利用信息化手段减少因客流人次增加、设备负荷量增大所带来的安全风险。

2.2 架构设计

城市轨道交通站内外一体化导航系统是基于站内三维地图、融合智能手机惯导、地磁和5G定位技术的导航系统。站内三维地图将形象、逼真的三维图像配以站内数据进行可视化展示，为乘客提供更立体的浏览体验。系统利用站外地图和定位技术的融合，形成无缝站内外一体化语音导航，并提供文字、方向提醒和动态连续指引，改善乘客实际乘车体验的同时有效疏导及分流，降低城市轨道交通服务成本。

城市轨道交通站内外一体化导航系统由基础层、数据层、服务层、应用层及表现层组成，总体技术架构如图1所示。

（1）基础层。基础层包括云服务系统和5G定位基站设备，为站内外地图和人员定位提供硬件支撑平台。

（2）数据层。数据层包括整个系统运行需要的各种地图数据，即站内地图、兴趣点（POI）数据、站内定位数据、站内路网数据等。

（3）服务层。服务层架构于数据层之上，结合导航服务平台和城市轨道交通管理业务，提供站内外地图服务、定位服务、站内外导航服务、语音服务、感知服务、后台管理服务和城市轨道交通业务管理服务。

（4）应用层。应用层结合数据层和服务层，提供多场景、多功能、多样化的业务应用，包括位置引导、位置感知、位置共享等应用。

（5）表现层。表现层根据应用层提供的服务内容及服务对象，为乘客提供多种形式的站内引导服务。业务系统终端包括智能手机、电脑、智能问询机。

城市轨道交通站内外一体化导航系统由地图数据、移动端一体化站内外地图服务、后台管理系统、配套硬件及城市轨道交通车站内应用服务构成，网络拓扑结构如图2所示。

（1）地图数据提供三维虚拟现实（VR）地图，为站内定位和导航提供基础数据支撑。

（2）移动端智能一体化站内外地图服务是基于站内外地图和5G定位技术实现地图展示、站内定位、POI搜索及站内语音导航功能，为乘客提供站内连续乘车指引服务。

（3）后台管理服务基于车站内三维地图，实现POI数据管理功能。

（4）配套硬件主要有5G基站设备。

5G基站设备作用于手机端，为乘客手机端提供定位支持。大屏机（电脑端）和手机端通过互联网访问线网云服务器端，获取POI数据、站内地图数据以及站内导航服务。后台管理端通过连接车站服务器，对站内导航系统进行维护。其中，车站服务器与云服务器通过互联网进行数据交互，以此不间断更新导航数据。基于5G的城市轨道交通车站内外一体化导航系统整体的制作流程如图3所示。

2.3 数据建设

构建站内一体化的三维模型和矢量数据库，满足室内的位置感知。其中，数据包括站内三维地图数据、站内设施位置数据、站内定位数据、站内路算数据等。城市轨道交通车站站内地图一般包括以下数据要素。

（1）通行设施。需要制作通往城市轨道交通的通行设施（楼梯、扶梯、直梯等）位置数据。

（2）自动售票机及商铺。单独的自动售票机位置数据需单独采集。当2个或2个以上功能完全相同的自动售票机并排摆放时，只需将1个点绘制在中心区域，并同时绘制包含整个自动售票机外轮廓面作为辅助面。在绘制商铺地图时需面向乘客的方向制作商铺门要素。

（3）站台与站厅。如站台是封闭的区域，则需制作每个候车室的轮廓面，如候车区为开放式区域，可沿站台门站台侧边缘绘制区域要素。

（4）检票区、安检区。检票区、安检区需单独采集。

3 站内外导航应用分析

3.1 关键技术

站内外一体化导航系统主要包括以下关键技术。

（1）5G定位技术。5G定位是5G移动通信网络通过测量无线信号以确定5G终端地理位置信息的技术，定位服务使乘客可以随时随地获得基于定位信息的地理信息。5G多模分布式微功率基站通过多个分布式微功率基站对同一乘客的信号进行测量，与终端、核心网及应用端配合实现最高达m级的定位精度。5G定位技术定位算法灵活多样，可延伸叠加其他技术进行融合定位，在持续提高定位精度的同时还可保障用户数据安全可靠。

（2）端到端（TBT）语音导航技术。站内外的导航语音服务以大语料库及语音韵律描述系统为基础，并运用人工智能语音合成技术，实现多种导航引导的连续语音合成。采用TBT语音导航技术可完成在各种路口、转弯、换层等特定情况下的语音自动提醒功能。

（3）实景路口放大图技术。当乘客处于电梯、扶梯、交叉路口等位置时可自动弹出三维实景放大图，从而形成强烈的实景参照效应。通过三维的矢量箭头和门框等展示方式，引导乘客在大厅、换层等复杂站内快速判断路线。

（4）站内外空间测绘与三维地图发布技术。站内外地图数据测绘是站内外一体化导航系统的关键技术，基于站内外测绘数据，并结合利用三维地理信息系统（GIS）技术制作三维站内外地图，发布服务，提升乘客使用站内外地图服务时的体验。

3.2 站内外一体化导航服务功能

“位置服务”是站内外一体化导航系统的基础服务，借助于站内外导航平台，结合城市轨道交通乘客出行现状，利用先进的互联网技术形成以“位置”为核心的新型服务，基于导航服务、感知服务覆盖乘客出行过程，提高乘客城市轨道交通出行体验。

在内网、外网分别部署城市轨道交通站内一体化导航服务系统，其中，外网系统主要为乘客提供城市轨道交通站内的导航服务，内网系统主要为城市轨道交通工作人员提供业务管理服务。“位置服务”与业务管理进行有机整合，增加业务管理技术手段，降低管理成本，为城市轨道交通业务管理提供技术保障。

基于5G的城市轨道交通站内外一体化导航系统可实现站内地图展示、站内POI查询、站内定位、路径规划及站内外一体化导航的功能。

（1）站内地图展示。运用站内地图数据展示引擎，实现站内地图数据实时渲染和楼层切换。站内地图数据可实时加载到乘客智能手机端并下载和渲染，达到自动生成站内数据效果。同时利用高效算法缩小云平台的室内模型数据，从而减少数据占用带宽，提高站内地图访问速度。

（2）站内POI查询。实现公共设施查询，如购票窗口、自助售票机、出入口等POI信息查询，并语音指引查询结果，为乘客提供站内公共设施信息列表及地图定位服务。

（3）站内定位。乘客可使用手机端导航软件，利用站内三维地图和站内5G基站设备完成手机端定位。移动端支持离线定位，便于乘客确定自己的位置。

（4）路径规划。站内三维导航可实现对乘客进行点到点的精确语音指引。站内外的一体化导航系统具有路径规划引导功能，可提供导航语音指引、箭头式文字描述、在重要位置进行放大图像等服务，可做到实时指引乘客。

（5）站内导航。站内导航是在站内三维地图上融合语音引导和5G定位技术进行实时导航，在导航过程中乘客只需按照语音提示、箭头引导、路口放大图提醒进行操作。

（6）站内外一体化导航。站内外一体化导航可结合乘客出发地及目的地的相关信息为乘客提供包括自驾、打车及公交等多种出行方案，并在出行方案中给出到达目的地的时间及所用时长，且在去往目的地的途中，给予乘客实时语音提醒，当乘客到达车站后无缝切换至城市轨道交通站内地图，实现从出发地到城市轨道交通车站，再到站内服务区的无缝一体化导航服务。

4 结束语

随着城市轨道交通建设规模的不断扩大，如何为乘客提供更加便捷、高效、舒适的服务已经成为新时代乘客服务中的一个新课题。城市轨道交通站内外一体化导航系统可无缝为乘客提供站内定位、周边信息查询等方面服务，解决乘客在站内盲区地带的位置信息缺失问题，避免出行时间及运营空间上的浪费，极大限度满足乘客出行需求。借助5G通信及定位一体化技术，系统无需安装定位芯片和定位应用软件，节省单独部署定位网络费用，降低系统建设成本，使数据获取更加便捷，大幅提升5G终端乘客感知度。同时系统通过站内外一体化定位技术，将乘客位置信息与消费数据相结合，可有效挖掘城市轨道交通车站内外的商业价值。