视障乘客地铁出行系统设计*——以福州地铁为例

陈木真

（福州职业技术学院，福建 福州 350108）

目前，针对视障者出行的研究主要围绕着穿戴式智能导向产品如视氪眼镜[1]、百度新专利盲人导航眼镜、智能导盲杖[2]和导盲智能机器人[3]展开，它们大多将视觉信息通过摄像头、GPS 定位技术、超声波定位测距技术、站内蓝牙定位技术、Wi-Fi 指纹定位[3]技术等转换成听觉或触觉信息，而这些技术存在着定位精度差、安全性能差、灵活性差、仅考虑交互设计、价格高昂等问题，对视障人群的特殊需求并没有真正考虑到。随着智能手机的普及，视障者通过读屏软件也可以像正常人一样使用手机进行视频通话、听书、浏览网页以及购物等，类似的软件有小艾助视器、讯飞心智无障碍助手、云瞳（视障者版） 等，因此视障者通过智能手机进行导航也能得以实现。

但市场上大部分智能手机的导航软件并不能精准地对室内空间进行定位，尤其是地铁车站多层次结构地下空间的精确位置定位，且针对视障者版本的智能手机所开发设计的室内导航系统尚未成熟，尤其像地铁车站环境复杂。因此，本研究拟通过将二维码语音导航和射频识别（Radio Frequency Identification，RFID） 技术相结合，设计一款可实现视障乘客独立乘坐地铁的导航系统，为视障群体铺好“互联网盲道”，打开互联网新“视”界的大门，让其享受到地铁出行快速便捷的乘车体验，实现无障碍通行。

1 视障人士出行现状

盲人群体是一种特殊的弱势群体，而我国又是全球盲人人数最多的国家。据有关部门统计，截至2022年，我国视障人数高达1800 万人，与正常人的比例约为1∶100。由于出行带来的不便，约30%的视障者几乎常年居家很少出门，而15%的视障者只在居住地周边短距离出行。他们出行主要依托导盲犬、盲道和导盲杖，能提供导盲服务的合格导盲犬仅有200 只；而盲道作为城市无障碍设施服务视障者出行，却经常出现断层或被无故占用、毁坏等现象，已经严重限制了视障者的安全出行；随着智能技术的飞速发展，普通的导盲杖已经不能满足视障者的出行需求，目前在网购平台上销售的电子导盲杖主要依靠超声波测距和语音震动提醒来实现导盲避障，探测距离在3 m 以内，此类电子导盲杖还具备遥控寻仗、闪光警示、计时器等功能，但唯独没有导航功能，且仅限户外使用，不可在室内环境下使用。

2 系统需求分析

2.1 安全保障提升需求

盲道砖表面图案布局具有特殊含义，从福州地铁1 号线和2 号线实地调研发现，车站内铺设的盲道砖主要有两种造型：一种是并排的长条形凸起代表行进盲道砖，一般在长距离直线上连续铺设；另一种是平铺的圆点凸起代表提示警醒盲道砖，一般在转角或者平路的终点进行铺设。首先实地调研发现行进盲道砖和警醒盲道砖的铺设位置在地铁车站内都存在着错乱的情况。其次在盲道建设方面存在不利于视障乘客安全出行的现象，包括部分地铁车站地面进站口的行径盲道设计不合理，路面盲道经常被共享单车或电动自行车占道停放；个别出站口无障碍电梯的室外残疾人通道斜坡未铺设盲道；盲道未能提示换乘路线；局部转折处、进站地铁安检处局部盲道出现断层；地下车站下水道上方铺设的不锈钢盲道易导致滑倒等。

2.2 信息化水平提升需求

据了解，目前视障乘客可以借助智能手机软件与在线志愿者进行实时连线，要求其帮忙在线导航或读取银行卡账号等。其中，小艾帮帮和云瞳志愿者是目前使用人数较多的两款云助盲软件，除此之外还有国外的Be My Eyes，但该软件存在境外服务器适配、网络不稳定等问题而不受青睐。云助盲存在的最大问题就是视障用户和志愿者之间的信任问题和软件安全性问题，以及视障用户在拨打求助热线时经常未能在第一时间获得志愿者的救助问题。

2.3 服务水平提升需求

在乘客出行服务方面，福州地铁推出在线爱心预约服务，视障乘客出行时可通过“e 福州”APP进行爱心预约，预约界面显示了乘车时间、乘车人数、进出站车站、联系人及手机号。据了解，视障乘客进入地铁站经安检后需要前往站厅层客服中心处，向地铁站务员出示有效期内的残疾人证后，从边门放行。需要多位福州“小茉莉”志愿者进行多对一的服务，这对调配人员数量、旅客的总体满意度和服务水平都会产生一定的压力，导致人手紧张。而本文设计的系统在一定程度上能够实现视障乘客在没有工作人员陪同的情况下独自乘坐地铁，进一步改变了地铁建设和管理思想，优化人力资源配置，有效提升地铁智能化管理水平。

3 系统架构与功能设计

3.1 系统架构

通过将RFID 技术与二维码语音导航相结合，在导盲线路上使用RFID 技术进行实时精准定位，在语音导航方面通过二维码和语音交互技术相结合实现实时语音播报导航。系统架构包括5 个层次，分别为基础层、数据层、服务层、应用层、表现层（见图1）。站内高精度定位模块、实时定位技术、应用功能以及配套硬件构成了视障乘客地铁出行系统。

图1 系统架构图

基础层在整个系统中为信号传输奠定了通信基础，主要包括云服务器和RFID 标签等硬件设备，为系统服务运行和站内定位提供良好的通信环境。

数据层是盲道RFID 标签识别、二维码扫码以及定位的基础，主要包含地铁站内盲道路线数据、站内定位及路网数据、公共设施位置信息数据等。站内盲道布局数据是通过现场测量后生成的CAD图纸点位数据；站内定位数据是以站内5G 通信设备为依托的位置数据；站内路网数据是站内乘客通行路线信息；公共设施位置信息数据包括服务设施、导向设施、文化设施等具体位置信息数据和包含名称信息在内的车站公共设施数据[4]。

服务层是系统在调用数据层数据进行查询统计后，为应用层提供地铁站盲道走线数据的基础服务，是系统实现无障碍通行的核心层。服务界面主要包含导盲路线生成服务、语音搜索服务、站内空间人员定位和站内空间路算服务。

应用层是整个系统的对外服务窗口，实现整个系统的功能，用于盲道路线的提醒和接收导盲杖的输入数据，让视障乘客感受智慧乘车体验。主要功能包括盲道地图、语音导航、导盲杖实时定位、二维码导览。

表现层拥有视障乘客可直接接触到的具体终端设备，包括具备RFID 的标签和可扫描二维码的导盲杖、语音播放器、耳机等终端设备。视障乘客通过移动端获得盲道路线进行实时语音导航、公共设施语音搜索查询与路径规划等服务。

3.2 功能设计

3.2.1 盲道地图功能

系统需要配备RFID 电子标签、RFID 阅读器和通信天线，才能实现盲道地图功能，三者缺一不可。把相关信息预先写入RFID 电子标签，包括地铁站内的空间布局、公共设施等路况信息；视障乘客随身携带的导盲杖中安装了RFID 阅读器，可以借助导盲杖阅读器，在行走盲道时读取电子标签中的信息，使视障乘客能够实时有效地进行读取；地铁站内外均铺设了通信天线及相关硬件设备和软件系统。

视障乘客进站乘车盲道路线见图2。视障者选择搭乘地铁，进站盲道路线从室外人行盲道开始，由地铁车站各出入口进站，通过乘坐地面无障碍电梯或者公共扶梯进入站厅非付费区，到达站厅层。站厅层盲道依次经过安检通道、残疾人通道，视障乘客进入到站厅付费区。随后跟随盲道指引，视障乘客搭乘站厅层的无障碍电梯下至站台层，站台层电梯出口的盲道直接与站台第一节车厢屏蔽门连接，视障乘客到达候车点进行无障碍乘车，反之出站。进出站的盲道路线依托于导盲砖下铺设的电子标签，因此路线较为固定单一，仅出站无需经过安检通道，而是行至站厅层的客服中心旁的边门进行无障碍通行。

图2 视障乘客进站乘车盲道路线

3.2.2 语音导航功能

视障乘客由于视力缺陷，没有办法像正常人一样操作手机，因此语音播报是实现导盲的关键所在，但目前市面上为其设置的导航APP 在操作上都不尽如人意[5]。本文拟通过语音交互技术，实现盲人语音录入目的地，通过语音获知当前位置信息进行步行导航，还可以通过语音提示避开前方的障碍物。同时对系统上需要触碰的按钮进行特殊化处理，将所有按钮放大，增加触摸震动反馈功能，降低盲人操作的误触率，优化了盲人的使用体验。

语音导航功能在视障乘客搭乘地铁出行时能够及时进行语音纠错提醒，当视障乘客出行偏航时可及时进行语音制止并重新规划路线，可在一定形式上保障视障乘客的出行安全，从而体验到智慧乘车的便利。

3.2.3 导盲杖实时定位功能

据观察，视障群体使用导盲杖的方式是通过左右平扫确定前方障碍物及盲道砖造型。因此，导盲杖的头部装有RFID 阅读器，在信号传递过程中往往会发生标签碰撞，即视障乘客使用本系统导盲杖在识别区域内读取到两个或两个以上砖内RFID 电子标签的路况信息时，造成信号阻塞碰撞，最终导致标签不能成功被读取[6]。基于这一问题，通过语音纠错提醒视障乘客前进的方向和距离，能够最大限度地避免由于标签误读现象导致的乘车路线偏离情况的发生，从而有效地提高了标签识别率，保障了视障人群的出行安全。

3.2.4 二维码导览功能

常见的二维码是按一定规律编排的特定几何图形，利用深浅相间的颜色组合成图像后用于记录大量的数据信息。相对于条形码所不具备的优势，通过图像照相技术或光电扫描技术实现对二维码的识读，使之能够通过数字化转码存储具有较强纠错防污能力的文字、声音、图像、视频等信息[7]。加之目前福州地铁站内已实现的5G 网络全覆盖以及智能设备的普及为本系统的信息化建设奠定坚实基础。预先在草料QR（Quick Response） 码生成器中编入设置好的盲道路线，生成QR 码，在QR 码和深度学习下生成路线信息并转化为语音信号，进行语音交互。视障乘客通过导盲杖前置摄像头识别盲道上的二维码读取路线信息后，戴上耳机便可体验无障碍语音交互导航功能。若视障乘客乘车过程中发生路线偏航的情况，系统将进行语音提醒并重新生成路线完成导航。

4 预期效果

本系统标签铺设方案为每个盲道砖附带一张电子标签。据实地调研发现，福州地铁采用的盲道砖规格为40 cm×30 cm。正常成人步距为50～60 cm，视障乘客步距为30 cm 左右，因此本研究将电子标签铺设在每个盲道砖下，以保证导盲路线不间断。车站电子盲道的实现是通过将标签与盲道砖连为一体，因此标签布置在砖块的不同位置都会影响到标签识别率。若是直接附着于盲道砖表面则易产生磨损消耗加大运营维护成本，由于RFID 标签的穿透力强，对识别率的影响较小，因此本研究考虑将标签铺设在盲道砖下。视障乘客依靠导盲杖的尾部与盲道砖贴合前行，即本系统的阅读器与标签之间的实际识别距离只有盲砖的厚度，因此几乎不受人体对射频信号的阻隔。通过现场调研分析，为有效提高识别精度，导盲杖中选用射频频率为125 kHz 的阅读器，其对RFID 标签识别距离为5～10 cm，而盲道砖厚度大致在2～2.5 cm 之间，完全适用于本系统地铁站内的盲道识别。

根据系统硬件选型及软件应用，在导盲砖下铺设低频125 kHz 无源电子标签，导盲杖尾部装有125 kHz RFID 阅读器和可识别二维码的摄像头，导盲杖头部设置具有盲文的功能按钮、蓝牙配对的耳机，实现语音交互提醒。视障乘客到达地铁站后，手持本系统设计的智能导盲杖扫描盲道上的二维码后，通过耳机获得语音提醒前进方向和距离并且不断平扫盲道砖，进行一步一个语音提醒（前进、左转、右转、向上、向下或止步） 的实时语音导航。当意外发生时，可以触按导盲杖上最大的紧急呼救按钮，通过按钮与地铁车站的车控室进行通话，车控室工作人员通过闭路电视（Closed Circuit Television，CCTV） 得知视障乘客具体位置并第一时间前往救助。

5 结束语

通过试验，本文设计的视障乘客地铁出行系统在一定程度上使视障乘客独立乘坐地铁得以实现。在“互联网+”时代下，让视障群体体验“互联网盲道”，打开互联网新“视”界的大门，对其安全出行具有重要意义。本次研究虽能让视障乘客独立乘坐地铁成为可能，但仍存在不足之处：一是本系统未依靠视障人群使用的智能手机终端软件进行开发设计，而是直接通过手持导盲杖进行智能化设计，具有一定的技术局限性；二是实时性问题，高精度和低延时需要保证视障乘客在较慢的速度下前进，不适用在过快的行进速度下使用。上述不足之处将在后续的课题研究中不断进行完善及改进。