虚拟步行的机场航站楼布局感知评价方法研究

符志强，伍朝辉，朱琳，李贤统，吕子一

（交通运输部科学研究院，北京 100029）

1 引言

随着我国人民生活水平的提高，民航业迅速发展，民用机场航站楼每年新增项目逐渐增加，《国家综合立体交通网规划纲要》提出，到2035 年，国家民用运输机场达到400 个左右，“十四五”新增民用运输机场30 个以上[1]。从交通规划纲要得知，未来机场越建越多，人们在选择民航出行的需求不断增加的同时，对民航的出行服务要求也逐渐提高，人们追求更安全、舒适、便捷、高效的出行需求。所以，在航站楼设计之初，考虑航站楼布局设计的合理性很重要。而航站楼布局通常很复杂，导致布局感知方案评价难度较大，这就需要民航相关单位全方位地提高管理水平。而航站楼的布局感知设计是很重要的一环。已有的设计方案大多依赖设计和管理人员经验来设计航站楼，缺乏乘客在航站楼的空间中的运动与感知规律，缺少以用户视角的“以人为本”感知评价方法。

针对上述问题，本文采取乘客第一视角沉浸式的方式，以乘客使用的角度进行航站楼建筑内部合理性布局分析，从机场航站楼BIM 建模、场景真实感处理、虚拟漫游系统架构与功能设计、搭建航站楼虚拟现实感知软硬件平台等方面，以乘客视角开展“以人为本”的出行感知评价方法的研究，高效引导旅客完成进出关流程，使旅客能够快速便捷出行，提升旅客在航站楼的使用体验度与满意度。

2 国内外研究现状

本文主要从BIM 建模、关键技术、路径优化3 个方面综合分析国内外研究现状。首先是建筑信息模型的建立，其次是机场环境虚拟漫游感知技术方面的分析，最后是路径规划方面的研究分析。

在设计与BIM 建模方面，吴学[2]以成阳机场T3 为例，通过分析我国机场航站楼在人性化设计方面的现状问题，探索出高效益、高质量和充满人文关怀的设计手法。罗灿[3]以广州白云国际机场T2 航站楼行李系统为例，通过基于BIM 的模块化设计、仿真与优化，分析BIM 在其设计管理中的应用方法，为BIM 在类似项目中的应用提供借鉴。

关键技术研究方面，李欣等[4]以兰州中川机场T3 航站楼实际应用为例，开展航站楼视域分析方法、步骤、策略等的探索，尝试从视线角度探索使用者在航站楼建筑内部活动规律，改变以往主观化的建筑空间组织方法，以期减小内部空间拥堵频率，提高空间使用效率。高小波[5]结合机场航展楼实际生产环境，在现场搭建检测验证系统，研究了有源电子标签超低功耗防碰撞技术，以期提高其在民航机场感知中的作用和价值。

路径设计优化方面，蒋欣欣等[6]运用Petri 网及相关理论分析安检区的布局，利用安检设施资源的分配方案，对乘客及随身行李安检流程进行优化；同时根据Petri 网模型构建同构的马尔科夫链对安检流程进行性能分析，实现安检服务设施合理分配、优化机场安检流程。姜红肖[7]提出运用三维建模技术以及可视化的精细化火灾仿真，模拟航站楼火灾并依据火灾演化理论，结合探测数据和整体切片数据耦合分析救援路径上关键点位置，结合救援路径当量长度，进行准确合理的消防路径选择，给消防人员提供安全保障，为我国民航提供了在火灾应急救援方面的参考。A.Polimeni[8]对运输网络中的风险从一般考虑出发，提出了一种新的风险分析方法，对路径优化进行了研究，提出从两方面考虑路线优化级别：第一种路径优化（一对一），第二种路径优化（多对一），将路径优化当作面向对象的方法，在起点和终点之间，以找到最优路径为目标。

当前，国内外在对航站楼布局感知与路径优化运用BIM、Petri 网模型等技术取得了较好的效果，但相对缺乏从乘客第一视角结合虚拟现实技术“以人为本”的方式来设计航站楼布局。针对此问题，本文围绕航站楼场景BIM 建模、真实感优化、布局感知、航站楼虚拟漫游系统架构与功能设计、基于步行器的虚拟现实交互感知硬件实验平台的搭建，以乘客视角“以人为本”沉浸式方式来研究航站楼布局感知设计优化。并可进一步应用于同类型场景的感知评价和安全模训。

3 基于BIM 的航站楼场景建模与真实感优化

依托机场航站楼设计数据，提取机场航站楼主体结构主要特征，运用Revit 对机场航站楼进行高精度三维模型构建并形成机场层间主体结构。在机场层间建模基础上，对机场外立面以及屋顶等结构进行建模，形成机场主体框架结构，再在各层间结构和主体外侧等方向布置门窗以及其他结构，达到真实场景构建的目的，如机电管道、风道、灯饰、安检台、传送带等附属设施模型，并将候机楼内座椅、安检台等进行布置，完成最终机场的精细化模型构建工作，得到结构准确的三维机场航站楼模型。

由于要进行仿真模拟的模型需要高质量的渲染才能满足在虚拟场景中进行各类试验的视觉要求，需要对BIM 模型进行进一步优化工作，使其从轻量化和信息存储两方面能够有效保留BIM 模型信息。选用Twinmotion 对已处理完成的BIM 模型进行材质、纹理以及灯光的设置，将BIM 模型导入Twinmotion 后，针对BIM 模型当中细节不足的部分进行材质和纹理的替换，对灯光等进行添加，形成具有真实感的虚拟场景。同时在Unreal Engine 5 中进一步进行光照贴图处理，根据实景要呈现的效果为建好的模型赋予材质及纹理，让灰模拥有色彩，以此来提升模型整体的真实感，进而在场景仿真模拟时能够达到具有真实场景的效果，如图1 所示。

4 虚拟现实的航站楼布局感知与交互式漫游系统

研发虚拟现实交互漫游系统，利用自主漫游、出入关体验、全景视频、语音交互等功能，可实现对航站楼的感知与第一视角的交互漫游。

4.1 航站楼虚拟漫游系统架构设计

航站楼虚拟漫游系统采用C/S 方式来进行软件部署和访问，系统总体框架如图2 所示。充分利用目前的成熟技术进行开发，软件架构具备很好的开放性，提供完整的开发接口，主要通过接口来调用地理信息数据及服务，能够满足主流平台和跨平台快速应用开发的需求。平台的设计开发根据具体的功能需求，选择通用的、较新版本的开发工具和平台进行开发，所选工具需与现有的软件平台有很好的兼容性。

4.2 航站楼虚拟漫游系统功能开发

航站楼虚拟漫游系统主要是基于BIM 建模技术和图形引擎的虚拟现实技术，结合虚拟现实头盔HTC Vive 开发的沉浸式虚拟交互漫游系统，可以给人身临其境的感觉。系统包括8 个功能，分别为：自主漫游、出关功能、入关功能、全景视频播放、实时语音对话、动态行李箱、移动NPC、系统界面。

1）自主漫游：在场景中用户可以步行器硬件在机场中自主漫游，实现过程如下：（1）打开自身的Pawn 类，将其父类改成Character 类，并在Pawn 类下加一个Arrow 用于模拟行走的方向；（2）在BeginPlay 中添加一个分支，并定义一个变量来存储旋转杆的旋转值；（3）在Tick 中添加一个分支，进行人物的移动和旋转。

2）出关功能：通过VR 手柄触发按钮进入出关模式，体验者将会按路径匀速漫游体验出关相关流程。制作出关漫游的路径动画，创建“关卡序列播放器”节点，创建“使用混合设置视图目标”绑定出关相机模拟用户的视角，创建“播放”节点用于播放创建的路径动画，创建“以事件设置定时器”节点用于动画播放完后跳转到其他相机视角。

3）入关功能：通过VR 手柄触发按钮来开启入关模式，利于用户了解体验入关的全流程，参考出关功能的实现。

4）全景视频功能：通过摄像机照在一个平面上实现，首先创建一个Media Player 媒体播放器，给其添加上视频文件，再建一个播放视频的载体Sphere，Media 可以设置视频的播放和暂停。

5）实时语音对话：学生端和老师端可以通过实时语音对话功能实现远程对话，方便交流。创建“事件后台登录时”节点用于程序启动时即可触发此事件运行，生成“ActorPlayerVoiceChatActor”节点用于实现多个用户之间的实时语音通话，利用此节点设置声音大小和范围等。

6）动态行李箱：此功能分为教练和学员端，教练端可根据培训需要随机显示不同的行李箱；动态行李箱功能用到了UE5 的RPC 网络同步功能，采用的是从客户端调用并在服务器上执行方式，即客户端调用生成行李箱事件，在服务端执行此事件，从而达到在客户端和服务端同步显示生成的行李箱。

7）移动NPC：场景内生成随机移动NPC 人物，增加场景真实感。通过“设置动画模式”和“播放动画”节点实现系统运行时播放人物行走动画，利用“AIMoveTo”节点来实现NPC人物模型在场景的某个范围内随机移动。

8）系统界面：系统界面采用虚幻引擎的UMG 技术来实现。

5 基于虚拟步行器的航站楼感知评价平台搭建

平台选用虚拟步行器和虚拟现实头盔作为交互式外设实现机场航站楼漫游与交互，通过前期市场调研与设备选型，选用国产KAT WALK Mini S 虚拟步行器和HTC VIVE PRO 2 专业头显进行实验平台集成。Kat Walk Mini S 步行器基于万向行走和力反馈技术，具备振动反馈、自然行走、增强版肢体自由度、集成控制中心等功能，行走振动反馈使用户在行走、射击、侧移或巡航时可以感知振动反馈，可以更有效地适应用户的自然步态。HTC VIVE PRO 2 专业头显双眼分辨率为4 896×2 448，内置陀螺仪、激光定位传感器等，可对最大10 m 对角区域进行移动。VR 头盔结合Kat Walk Mini S 步行器的自然行走沉浸式体验方案，使用者可在行走、侧移或巡航时可以感知振动反馈，大幅度增强了沉浸感，能让用户体验各种类型的虚拟事件。

6 航站楼布局感知应用场景与效果分析

本文搭建的机场航站楼布局虚拟现实交互感知硬件实验平台，集成机场三维模型和交互漫游软件系统，支持在虚拟场景中自由行走，实现航站楼环境步行漫游、振动反馈、可用于航站楼设计优化、通关人员培训等具体应用。

6.1 航站楼布局感知

利用具有结构准确性和视觉真实感的三维航站楼模型，研发虚拟现实交互漫游系统，实现机场航站楼布局感知、自主漫游、出入关模训、安检测试、语音交互、全景跳转、场景集成等功能，形成了“以人为本”的虚拟现实机场航站楼环境感知与人机交互方法。在漫游系统中添加了真实场景的全景跳转功能，结合VR 头盔发布，形成机场航站楼虚拟场景向真实全景的跳转，对三维全景发布效果进行验证。通过以上硬件选配与集成开发，构建形成满足研究所需的虚拟步行交互感知平台，支持机场漫游、场景切换、沉浸式感知、语音交互等功能模块，虚拟步行场景感知漫游过程示意如图3 所示。

图3 虚拟步行场景感知漫游过程示意

6.2 航站楼安全过程可视化

对航站楼场景中的安检员、海关人员、乘客等角色及动作进行设计与开发实现，通过导入人物角色与动画、创建动画蓝图类、绑定角色等操作，实现用户与三维场景中的虚拟NPC的自主触发或语音交互效果。在入关过程中，利用线路将机场入口、问询外、海关检查处、安检处、登机口等关键点位进行串联，并在安检处设置NPC 交互与检包过程动画触发，如图4所示，对行李箱中出现违禁品等场景进行交互设计与解读。

图4 安检处检包动画过程

6.3 航站楼设计优化

目前，机场航站楼设计存在的突出问题是空间使用效率低，究其原因是设计者忽略了对人们在空间中运动规律或感知规律的掌握，导致使用者无法短时、全局地掌控内部空间关系。因此，开展人在建筑内部活动规律的分析需求迫切。本文乘客第一视角的方式，不同于以前设计师视角，转变为使用者视角，从乘客视角开展航站楼建筑内部合理性布局分析，从视线角度改善空间组织、路径设计优化、辅助功能流程、标志标牌设置是否合理等方面，如图5 所示，以期完善航站楼内部使用者活动规律，有效提高空间使用效率，满足旅客高效便捷、安全舒适的出行需求，提升旅客在航站楼的使用满意度。

图5 机场航站楼内外联通设计效果示意

6.4 通关人员培训

依托准确的机场设计数据，构建形成某机场航站楼真实感场景模型，包括机场航站楼、廊桥、服务台、安检处、出入关口、候机楼等全部要素，满足真实感场景漫游与交互感知需要。结合航站楼通关模训需求，研发示范机场虚拟现实漫游感知系统，包括航道楼三维场景自主查看、沿路径巡查、出入关模训、步行交互、实景数据全景切换、NPC 语音交互等主要功能，支持人员培训的需求，辅助提升出入关人员的心理素质与应急处置能力。如图6 所示，模拟海关人员与出入关人员的通关培训。

图6 乘客通关流程培训模拟

7 结论与展望

针对航站楼布局感知方案评价难的问题，本文提出“以人为本” 的机场航站楼设计方案感知评价方法，通过航站楼的BIM 建模、模型真实感优化、虚拟漫游系统的开发、基于步行器的航站楼感知评价平台的搭建，支撑虚拟现实机场航站楼的感知评价应用。利用具有结构准确性和视觉真实感的三维机场模型，研发虚拟现实交互漫游系统，实现机场布局感知、自主漫游、出入关模训、安检测试、语音交互、全景跳转、场景集成等功能，形成了“以人为本”的虚拟现实机场环境感知与人机交互方法与工具支撑。