地铁站内外一体化导航系统关键技术研究及实现

王晓军，张文强，刘思远

（北京市地铁运营有限公司，北京 100044）

北京地铁站内外一体化导航服务旨在提升北京地铁信息化服务水平，为适应云计算、大数据、“互联网+”等新技术的发展提供保障；同时，能准确体现企业的信息化程度，引导企业快速推进信息化建设。满足北京地铁运营的智能化需要：打造“智慧车站”和“智慧城轨”，以“互联网+乘客”的方式，为乘客提供更优质的出行服务。符合北京地铁客运组织关于安全的要求：通过信息化手段，减少因客流人次增加、设备负荷量增大所带来的安全风险。

1 关键技术

打造北京地铁站内外一体化导航服务，需要从站内地图模型数据制作入手。首先，采集地图制作的关键要素信息，包括地铁站内区域各楼层的建筑结构数据信息、公共设施的位置和名称信息、室内的人行通道信息，根据地铁站内现场拍摄的高像素照片，制作站内高精度的三维地图模型；其次，依据地铁站内实地环境，选择比较成熟的WiFi 室内定位技术，该技术在稳定性、普及性、部署成本等方面具有一定优势，可以达到对站内乘客定位精确的要求，是目前适用性较高的室内定位技术方案；最后，建设地铁站内外一体化导航平台，实现地铁站内地图三维模型展示、兴趣点(point of interest，POI)信息搜索、路径规划、站内外一体化导航等功能，通过优质的位置引导服务，帮助乘客地铁出行便利，提高了乘客出行效率，提升了乘客出行体验，满足了北京地铁客运组织关于安全管理的要求。

1.1 站内空间测绘技术

站内空间测绘技术，在系统建设中发挥关键作用。地图测绘技术经过多年发展，成熟度较高，形成了一系列制作标准，但是室内地图测绘起步时间较晚，成熟度不够高，还没有形成统一的制作标准。在本项目中，需要借鉴室外测绘成熟技术，将其应用到地铁站内空间测绘技术中，在理论与实践中进行技术探索和归纳总结，以此为基础，再结合三维地理信息系统技术，制作并发布地铁站内空间的高精度三维地图模型，以提升地铁站内乘客使用地图服务的体验感。

1.2 Wifi 网络定位技术

WiFi 网络不仅仅是一项互联网的上网服务，更是企业提高营销能力、为目标人群提供个性化服务、辅助进行上层决策的有力工具。

基于WiFi 定位的网络侧定位方案，由接入点(access point，AP)发起对终端的信号强度的检测，将信号强度上报给定位引擎，由定位引擎负责位置计算。手机只需要开启WiFi，无需其他条件，部署简单。目前，移动手机端的操作系统放开了WiFi 信号广播权限，便于AP 获取手机WiFi 信号强度值，这是WiFi网络侧定位技术实现的必要条件，可节省硬件安装成本，所以该定位技术目前被广泛应用[1]。

1.3 TBT 语音导航技术

TBT(turn-by-turn)的含义为逐项道路导航，即在导航过程中，如遇到路口、转弯地点、上下楼层前，系统会通过文字、箭头等方式主动提前告知用户转弯方向、转弯地点、当前楼层等信息；在此基础上，结合人工智能语音合成技术，以媲美真人的发音指引用户前进，所有指引信息都能够进行语音播报，即使用户在不看手机屏幕的情况下，通过导航系统的语音播报功能，同样可以顺利到达目的地。

1.4 实景路口放大图技术

该技术主要是在路口选择、转弯、切换楼层时起到实景参照的作用。实景的采集需要在地铁站内实地进行，通过照相机拍摄高清像素的路口照片、切换楼层照片；后期对图片进行技术处理，增加三维矢量转向箭头和门框。这样，乘客在使用导航服务时，在到达楼梯、电梯、交叉路口、转弯处等位置之前，系统会主动弹出前方位置的实景图片，醒目地提示转弯方向，从而帮助乘客能够在复杂的室内环境中辨清行进的方向。

1.5 室内外一体化导航技术

室内外一体化导航在App 客户端提供从用户家里采用地铁及公交等多种方式出行的方案，提示用户到达目的地的时间；在去往目的地的途中用语音实时提醒用户，在到达建筑物内部后会无缝切换到站内地图，从而获得从家开始到车站大门、再到站内的无缝一体化导航服务。

2 系统设计

2.1 总体设计

北京地铁站内外一体化导航系统主要由站内高精度三维地图模型、站内定位技术、应用服务和配套硬件构成，一体化导航系统结构包括基础层、数据层、服务层、应用层和表现层，如图1 所示。

1) 基础层：包含云服务器和硬件设备，为系统服务运行和站内空间乘客定位提供基础运行环境的支撑。

2) 数据层：包含站内空间地图数据、站内公共服务数据(或设施数据)、站内定位数据以及站内路网数据。站内空间地图数据通过计算机辅助设计(CAD)图纸和对地铁站内现场测绘获得，站内公共服务/设施数据为站内公共服务/设施的位置点信息和名称信息，站内定位数据为地铁站内WiFi 设备部署点的位置信息，站内路网数据为站内乘客通行路线信息。其中，地铁站内空间地图数据需要根据站内空间结构调整同步更新发布。

图1 系统结构 Figure 1 System structure

3) 服务层：包含站内三维地图显示浏览、兴趣点(point of interest，POI)信息检索与位置查看、站内空间人员定位和站内空间路网计算服务，利用数据层提供的基础数据信息，为上层应用提供地铁站内地图的基础服务。

4) 应用层：包含软件开发工具包(SDK)的二次开发包和室内外一体化导航应用，地铁应用App 接入导航SDK，即可在移动终端为乘客提供地铁站内外一体化的导航出行服务。

5) 表现层：主要是面向用户的，站内外一体化导航系统的用户主要是站内乘客，乘客通过移动端获得站内地图展示、站内POI 信息查询、站内乘客定位、路径规划、TBT 语音引导、站内外一体化导航、地铁车站周边信息搜索服务。

在进行总体设计时，地铁站内外一体化导航系统要遵循三大原则：标准化与开放性原则、安全性与保密性原则、高性能与稳定性原则，尊重系统功能需求，能够坚持从乘客、地铁工作人员等的视角出发，设计功能成熟、性能稳定、友好易用的导航系统。采用B/S 平台开发模式和互联网成熟的优势技术，将其融入到系统设计当中，以确保导航系统的先进性；遵循软件设计标准，开发高规格系统接口，形成统一的接口标准规范，体现系统平台的保密性、实时性、开放性和便捷性。

2.2 模块设计

2.2.1 定位模块

基于模式识别技术的定位方法，又被形象地称为“指纹定位”方法[2]，具体定位原理如下：

1) 先将整个地图按照一定的距离(3～5 m)取一个点，称作“指纹点”；

2) 收集各AP 到该指纹点的dB(m)值，建立该位置点的“特征值”；

3) 收集各AP 探测到的终端dB(m)值，建立终端的“特征值”；

4) 用每个“指纹点”的信号强度特征值与终端信号强度特征值做匹配，根据特征值相似度的高低，估算终端的位置。指纹定位原理如图2 所示。

图2 指纹定位原理 Figure 2 Schematic of fingerprint location

站内外一体化导航系统主要由定位模块、导航模块和一体化导航模块组成，通过对地铁站内定位算法和路径算法的研究设计，支撑整个系统应用服务的运行。

由于没有形成行业统一标准，各厂家生产的设备终端在WiFi信号发射功率的设定上各不相同。而且，即使是同一部手机，出于节电等方面的考虑，也有可能会动态调节WiFi 信号的发射功率，这对定位计算有巨大的影响。同时，在地铁的实际环境中，可能存在大量的客流，当终端周围被人流遮挡后，信号就不可避免地被衰减，相当于降低了终端的发射功率。

依据三角定位算法原理和指纹识别定位算法的原理，在算法结合的基础上，通过权重分配、有效数据筛选、到达时间差等处理，进行位置计算的二次修正[3]，推出适用于地铁站内空间人员定位的算法。该算法能够在很大程度上屏蔽发射功率的差异对定位计算精度造成的影响。同时，定位模块提供AP 指纹采集工具，实际测量“指纹点”的信号强度特征值，使定位结果更加精准。定位计算流程如图3 所示。

图3 定位计算流程 Figure 3 Positioning calculation

2.2.2 导航模块

乘客确定目的地后，通过A*算法规划合理的前进路线，开启导航。在导航过程中不断地获取乘客当前位置的坐标信息，与终点坐标进行持续的距离计算，当间距小于2 m 时即视为到达目的地，并提示乘客结束导航功能。导航功能流程如图4 所示。

图4 导航功能流程 Figure 4 The navigation function

2.2.3 一体化导航

地铁车站外采用高德地图服务，接入高德地图服务的软件开发工具包(SDK)，这样在一个应用平台上就可以同时使用站内和站外的导航服务，达到站内外一体化导航的效果。站外导航服务包括地图信息展示、站外POI 信息查询、站外人员定位、站外出行方案规划以及站外语音导航服务。

2.3 算法设计

目前技术成熟度高、适用性好的路径算法有Dijkstra算法 、A*算法等[4-5]，根据地铁站内通行路网信息，能够在任意两点之间规划出合理的步行路径，这是导航功能运行的必要前提条件。

3 系统实现

地铁站内外一体化导航系统的实现需要4 个前提：即基于站内CAD 平面图建设站内三维地图数据；基于站内地图数据设计并部署AP 设备[6]；基于站内三维地图数据和定位设备提供站内导航服务，做好站内导航服务站内外一体化导航对接。

3.1 建设站内地图数据

3.1.1 地图数据采集[7]

地铁站内的建筑物除了中空区域、不开放区域、辅助面、卫生间以外，其他要素都需要以其专有名字命名。命名须遵照地铁站内现场名称，如果相同要素存在名称重复的情况，则需要在名称后面附加数字序号予以区分。将工作间、办公室、设备间等区域统一命名为“非开放区域”。地铁站内所有的通行路线均需要采集，形成站内路网数据。路线须居于步行通道的中心位置，沿通道两旁墙面轮廓进行绘制，如果区域面积较大，则路线可沿周边实体建筑绘制。路网数据不允许穿越房间、柱子、设备等建筑实体，且所有位置信息(如大门、安检处、检票口、售票口、通行设施等)需与路网数据建立映射关系。

3.1.2 地图数据制作

1) CAD 底图获取。以地铁站内CAD 图纸作为基础参考数据，到达地铁车站进行人工测距、测高，现场绘制基础地图数据，制作方法为：绘制轴线，横轴与纵轴均以5 m 为一个单位，轴线绘制完毕后，结合测距仪的测量数据进行图纸绘制[8]。

2) CAD 平面图矢量化。包括CAD 平面图的图像校正和图像矢量化两个过程：图像校正是绘制坐标网络图框，通过图像TATCH 把栅格化的图像插入到CAD 中，通过命令操作，逐步选取4 点源坐标(此坐标为栅格图像坐标)和目标坐标(图框的实际坐标值)，并将两者的坐标方格对齐。图像矢量化是将校准好的栅格图像作为地图编辑对象，在CAD 工具中对地物、地貌、注记符号等元素进行绘制，完成图像矢量化。

3) 底图处理。地铁站内的CAD 平面图，需要简化处理，即把不必要的图层或要素去掉。简化标准是需把CAD 图层中不需要的图层关闭，但要保留墙、柱子、门、楼梯、电梯、洗手间等。

3.2 设计部署AP 设备

根据站内WiFi 定位技术原理，考虑到AP 设备频率范围与强度，具体部署原则如下：AP 设备部署在北京地铁车站的出入口、通道、大厅、站台、换乘通道等位置，室内部署在天花板、墙面或者柱子上。空旷环境、墙体结构简单，白色石膏的墙体或者较薄的混凝土墙体，只有很少的电磁干扰，如出入口、通道、大厅、换乘区域、换乘通道、站台区域，部署间距为25 m。墙体结构复杂，墙壁较厚，天花板较高(高于6 m)，射频环境较差，有遮挡物，部署间距为13 m。若天花板高度小于6 m，则优先选择部署在天花板上；天花板高度大于6 m，则部署在墙边、柱子等固定位置，部署高度小于6 m。部署位置周围3 m 内不允许有遮挡。设备发射信号需要覆盖所有乘客可通行区域，消除覆盖盲区。根据现场情况决定设备部署的间隔，根据现场情况对AP 设备参数进行调试。避开电子干扰区域，尽量远离信号干扰源，如电动设备、微波炉、高功率手机天线等。多个无线AP 设备之间，尽量保持等边三角形或者正方形阵列的部署。

3.3 提供站内导航服务

站内导航服务，覆盖地图展示、POI 搜索、室内定位、路径规划、TBT 语音导航功能，具体说明如下：

1) 地图展示支持Android 端、IOS 端、微信端的高精度三维地图浏览。站内地图数据能够实时加载渲染，通过高效的算法，确保地图模型具有数据小、占用带宽小等优点，显著提高访问速度。支持对站内三维地图进行平移、旋转、缩放、调整俯角、切换楼层等基本操作，满足乘客浏览站内地图的需要。

2) POI 搜索：支持关键词模糊搜索、同义词搜索，搜索引擎支持中文分词系统，可以快速匹配相似的结果，并能够根据乘客的位置从近到远排序显示；提供POI 检索目录，罗列常用的公共设施与公共服务，如购票窗口、出入站口、卫生间、ATM 机、自助售票机等，提高查询效率。在地图上，POI 名称能够被醒目标记。

3) 室内定位：通过乘客手机端应用软件，在站内定位环境下，即可完成乘客在站内的精准定位。定位以WiFi 定位技术为主，融合其他定位源(如地磁、手机惯导等)，实现了精度高、延时小的站内定位服务[9]。

4) 路径规划：设定好目的地，系统能够根据乘客当前的位置，规划行进路线，在地图上清晰地标记起点位置、终点位置、行进方向，并且还提供距离、耗时评估等关键信息，同时提供直梯优先、扶梯优先、楼梯优先等额外3 种跨层路线规划由乘客选择。

5) TBT 语音导航：在导航过程中，如遇到路口、转弯地点、上下楼层前，系统会通过文字、箭头、实景路口放大图等方式，主动提前告知用户转弯方向、转弯地点、当前楼层等信息；在此基础上，结合人工智能语音合成技术，以媲美真人的发音指引用户前进，所有指引信息都能够进行语音播报，从而帮助乘客能够在复杂的室内环境中辨别行进方向。

3.4 站内外一体化导航对接

北京地铁站内导航系统从底层接入高德地图服务SDK，从而能够获得站外地图服务能力，如站外地图展示、站外兴趣点搜索、站外路线规划、站外语音导航等。

3.4.1 站内外一体化功能

实现站内外一体化导航功能，离不开室外地图服务的支持。通过接入高德室外地图服务接口，与站内地图服务进行能力聚合，为乘客提供站内外一体化导航服务，实现由站内到站外、由站外到站内的无缝一体化导航功能，乘客在导航过程中无需手工操作，系统通过识别定位环境和乘客坐标位置，自动完成地图切换、定位方式切换、导航路线切换。

1) 站内外地图切换。通过将站内地图数据与高德地图数据进行配准，使站内地图数据坐标系与站外地图数据保持一致，实现站内地图与站外地图数据的无缝衔接，为站内外一体化导航提供数据支撑；基于站内地图数据位置，实现由站外地图向站内地图的切换，同时提供由站内地图向站外地图的切换功能。

2) 站内外一体化定位服务。站外定位是基于高德地图GPS 定位应用程序接口(API)实现，通过调用高德地图定位接口，实现站外位置的获取；站内定位基于站内AP 定位接口，实现由站外定位到站内定位、站内定位到站外定位的无缝一体化定位服务。

3) 站内外导航服务。站内外一体化导航首先实现的是站内外路线的一体化，将地铁站出入口通行路线的节点与站外地图路网数据连接，同时对接高德地图的地铁、公交、步行等多种出行方案，为乘客提供由站外到站内、站内到站外的无缝导航服务。

4) 站外POI 搜索服务。提供地铁站周边的POI搜索服务，包括美食、住宿等服务设施，对搜索结果以列表的方式展示，并对搜索结果提供路线规划和语音导航功能。

3.4.2 一体化导航服务实现

一体化导航服务的实现需要获取高德开发者key和科大讯飞AppID。

1) 获取高德开发者key，可参考以下步骤：第一步，填写信息，完成注册流程：第二步，去控制台创建应用；第三步，获得开发者key 信息。

具体步骤可参看高德开发者平台，网址为http:// lbs.amap.com。

2) 获取科大讯飞AppID，可参考以下步骤：第一步，填写信息，完成注册流程；第二步，去控制台→应用管理→我的应用，创建新应用，从而获取AppID；第三步，寻找并下载最新SDK(须包含在线语音听写功能)，然后用所下载的iflyMSC.framework 替换掉App 中的旧iflyMSC.framework(Demo 中提供)；第四步，在初始化LocationSDK 之前设置iflyKey 参数值为AppID，如[[LocationSDK sharedInstance] setParam：@"iflyKey" value：@"新申请的AppID"]。

具体步骤可以参考科大讯飞开发者平台，网址为https://www.xfyun.cn。

4 结语

站内外一体化导航技术的研究与实现，不仅方便了乘客的出行，而且随着研究的开展和深入，逐步形成了站内三维地图数据采集和制作规范，为后续站内三维地图数据的采集与制作提供了参考的依据，既可以提高地图的制作效率，还能够提高三维地图模型图像的成品质量，满足站内地图服务的实际使用需要[10]。

北京地铁站内外一体化导航系统，是传统地铁出行管理与先进互联网技术的完美结合，创建了“互联网+乘客”的全新优质服务方式，通过站内高精度三维地图和WiFi 定位技术，极大提升了乘客的地铁出行体验，促进了北京地铁信息化建设的可持续发展，降低了地铁的服务成本，进一步提升了乘客服务质量。同时，也能让地铁站内管理人员更加专注于乘客的出行上，更好地为乘客提供管理服务，带来更大的社会和经济效益。