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，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，民航業迅速發展，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規劃綱要》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。已有的設計方案大多依賴設計和管理人員經驗來設計航站樓，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、虛擬漫游系統架構與功能設計、搭建航站樓虛擬現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 國內外研究現狀

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

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狀問題，探索出高效益、高質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 航站樓行李系統為例，通過基于BIM 的模塊化設計、仿真與優化，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部活動規律，改變以往主觀化的建筑空間組織方法，以期減小內部空間擁堵頻率，提高空間使用效率。高小波[5]結合機場航展樓實際生產環境，在現場搭建檢測驗證系統，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。

路徑設計優化方面，蔣欣欣等[6]運用Petri 網及相關理論分析安檢區的布局，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化；同時根據Petri 網模型構建同構的馬爾科夫鏈對安檢流程進行性能分析，實現安檢服務設施合理分配、優化機場安檢流程。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火災演化理論，結合探測數據和整體切片數據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]對運輸網絡中的風險從一般考慮出發，提出了一種新的風險分析方法，對路徑優化進行了研究，提出從兩方面考慮路線優化級別：第一種路徑優化（一對一），第二種路徑優化（多對一），將路徑優化當作面向對象的方法，在起點和終點之間，以找到最優路徑為目標。

當前，國內外在對航站樓布局感知與路徑優化運用BIM、Petri 網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、真實感優化、布局感知、航站樓虛擬漫游系統架構與功能設計、基于步行器的虛擬現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化

依托機場航站樓設計數據，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等結構進行建模，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、紋理以及燈光的設置，將BIM 模型導入Twinmotion 后，針對BIM 模型當中細節不足的部分進行材質和紋理的替換，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，根據實景要呈現的效果為建好的模型賦予材質及紋理，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 虛擬現實的航站樓布局感知與交互式漫游系統

研發虛擬現實交互漫游系統，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架構設計

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

4.2 航站樓虛擬漫游系統功能開發

航站樓虛擬漫游系統主要是基于BIM 建模技術和圖形引擎的虛擬現實技術，結合虛擬現實頭盔HTC Vive 開發的沉浸式虛擬交互漫游系統，可以給人身臨其境的感覺。系統包括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、動態行李箱、移動NPC、系統界面。

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桿的旋轉值；（3）在Tick 中添加一個分支，進行人物的移動和旋轉。

2）出關功能：通過VR 手柄觸發按鈕進入出關模式，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，創建“關卡序列播放器”節點，創建“使用混合設置視圖目標”綁定出關相機模擬用戶的視角，創建“播放”節點用于播放創建的路徑動畫，創建“以事件設置定時器”節點用于動畫播放完后跳轉到其他相機視角。

3）入關功能：通過VR 手柄觸發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。

4）全景視頻功能：通過攝像機照在一個平面上實現，首先創建一個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遠程對話，方便交流。創建“事件后臺登錄時”節點用于程序啟動時即可觸發此事件運行，生成“ActorPlayerVoiceChatActor”節點用于實現多個用戶之間的實時語音通話，利用此節點設置聲音大小和范圍等。

6）動態行李箱：此功能分為教練和學員端，教練端可根據培訓需要隨機顯示不同的行李箱；動態行李箱功能用到了UE5 的RPC 網絡同步功能，采用的是從客戶端調用并在服務器上執行方式，即客戶端調用生成行李箱事件，在服務端執行此事件，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”節點實現系統運行時播放人物行走動畫，利用“AIMoveTo”節點來實現NPC人物模型在場景的某個范圍內隨機移動。

8）系統界面：系統界面采用虛幻引擎的UMG 技術來實現。

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實頭盔作為交互式外設實現機場航站樓漫游與交互，通過前期市場調研與設備選型，選用國產KAT WALK Mini S 虛擬步行器和HTC VIVE PRO 2 專業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。HTC VIVE PRO 2 專業頭顯雙眼分辨率為4 896×2 448，內置陀螺儀、激光定位傳感器等，可對最大10 m 對角區域進行移動。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，支持在虛擬場景中自由行走，實現航站樓環境步行漫游、振動反饋、可用于航站樓設計優化、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，研發虛擬現實交互漫游系統，實現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、場景集成等功能，形成了“以人為本”的虛擬現實機場航站樓環境感知與人機交互方法。在漫游系統中添加了真實場景的全景跳轉功能，結合VR 頭盔發布，形成機場航站樓虛擬場景向真實全景的跳轉，對三維全景發布效果進行驗證。通過以上硬件選配與集成開發，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實現，通過導入人物角色與動畫、創建動畫藍圖類、綁定角色等操作，實現用戶與三維場景中的虛擬NPC的自主觸發或語音交互效果。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，并在安檢處設置NPC 交互與檢包過程動畫觸發，如圖4所示，對行李箱中出現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律或感知規律的掌握，導致使用者無法短時、全局地掌控內部空間關系。因此，開展人在建筑內部活動規律的分析需求迫切。本文乘客第一視角的方式，不同于以前設計師視角，轉變為使用者視角，從乘客視角開展航站樓建筑內部合理性布局分析，從視線角度改善空間組織、路徑設計優化、輔助功能流程、標志標牌設置是否合理等方面，如圖5 所示，以期完善航站樓內部使用者活動規律，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 機場航站樓內外聯通設計效果示意

6.4 通關人員培訓

依托準確的機場設計數據，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，研發示范機場虛擬現實漫游感知系統，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、實景數據全景切換、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、模型真實感優化、虛擬漫游系統的開發、基于步行器的航站樓感知評價平臺的搭建，支撐虛擬現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，研發虛擬現實交互漫游系統，實現機場布局感知、自主漫游、出入關模訓、安檢測試、語音交互、全景跳轉、場景集成等功能，形成了“以人為本”的虛擬現實機場環境感知與人機交互方法與工具支撐。