基于Supernap的地下應(yīng)急逃生語音導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蘇令印 陶偉

摘要：為地下人員提供高效、快捷的逃生方式，設(shè)計一種基于SuperMap的地下應(yīng)急逃生語音導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，以服務(wù)器端與Android移動端相結(jié)合的方式，模擬RFID射頻定位技術(shù)實現(xiàn)地下人員在無GPS數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域下的定位；使用SuperMap平臺工具制作地圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地下人員定位、逃生線路的可視化；摒棄傳統(tǒng)固定線路、物理設(shè)施引導(dǎo)的逃生方式，創(chuàng)新地以地下環(huán)境和人員狀態(tài)信息為參數(shù)輸入、運用A*算法規(guī)劃人員逃生線路并通過語音形式，在移動導(dǎo)航終端為地下人員提供安全逃生導(dǎo)航服務(wù)。模擬實驗表明，在應(yīng)急情況下，系統(tǒng)可以高效、準確地將地下人員導(dǎo)航至安全區(qū)域，較傳統(tǒng)方法有較大改進。

關(guān)鍵詞：地下空間應(yīng)急逃生；SuperMap；移動導(dǎo)航終端；語音逃生導(dǎo)航

中圖分類號：TP312 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0157-03

隨著地下空間開發(fā)現(xiàn)象越來越普遍，地下空間布局愈發(fā)復(fù)雜，如地下車庫、地下商場等。地下空間難免會發(fā)生一些緊急情況。在地下空間的應(yīng)急逃生導(dǎo)引方面，一個快速、準確的導(dǎo)航系統(tǒng)是緊急情況下迫切需要的。對地下空間人員的逃生導(dǎo)引、線路導(dǎo)航等方面，現(xiàn)有的研究也取得了一定的進展。

目前，國內(nèi)外針對地下空間的應(yīng)急逃生研究，最早始于煤礦安全生產(chǎn)問題的研究，例如李希建等提到的救援系統(tǒng)，使用第三方GIS平臺-SuperMap提供的工具，設(shè)計井下地圖，實現(xiàn)了對井下人員位置、險情、避災(zāi)路線、井下各類設(shè)施、各類傳感數(shù)據(jù)顯示等的設(shè)計，沒有提出對地下人員逃生導(dǎo)航的功能設(shè)計。目前各類煤礦信息系統(tǒng)，都是簡單地為井下人員提供固定的逃生導(dǎo)航線路，沒有對人員進行真正的逃生導(dǎo)引。緊急情況下，傳統(tǒng)煤礦僅簡單通過警笛、燈光、指示牌等設(shè)施指引逃生人員在固定線路中進行逃生。而在一些地下公共領(lǐng)域，對于線路引導(dǎo)、逃生引導(dǎo)等方面，仍停留在物理設(shè)施方面的引導(dǎo)，如王保勇等提出，采用出入口設(shè)計、逃生指引設(shè)施建設(shè)等方式實現(xiàn)對地下人員的線路引導(dǎo)和逃生指引，均無法將所有可用線路納入到逃生線路中。

隨著信息科技的發(fā)展以及無線網(wǎng)絡(luò)在GPS無法覆蓋地區(qū)的廣泛使用，人們對地下空間內(nèi)智能線路導(dǎo)引與逃生指引系統(tǒng)的需求也愈發(fā)加強。設(shè)計一個地下空間應(yīng)急逃生語音導(dǎo)航系統(tǒng)，可為地下人員提供高效、準確的應(yīng)急逃生導(dǎo)航服務(wù)，幫助地下人員快速擺脫危險環(huán)境，降低險情發(fā)生時的人員傷害概率。鑒于以上原因，基于SuperMap的地下應(yīng)急逃生語音導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運而生。系統(tǒng)中，作者通過模擬傳統(tǒng)礦井RFID射頻技術(shù)來實現(xiàn)地下人員定位，利用SuperMap提供的工具軟件設(shè)計地下地圖數(shù)據(jù)，使用SuperMap提供的Android SDK設(shè)計語音導(dǎo)航Android APP，創(chuàng)新地將所有可用于逃生的線路包含到逃生導(dǎo)航規(guī)劃中，利用A*算法為用戶提供高效、準確的應(yīng)急逃生導(dǎo)航服務(wù)，并通過語音指引地下人員到達安全地點。

1地下應(yīng)急逃生語音導(dǎo)航系統(tǒng)

地下應(yīng)急逃生語音導(dǎo)航系統(tǒng)中，地圖數(shù)據(jù)是實現(xiàn)人員定位及定位可視化、線路可視化的基礎(chǔ)。人員定位模塊為系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)——逃生線路規(guī)劃提供了保障。A*線路規(guī)劃算法是系統(tǒng)的核心部分。而基于Android的移動導(dǎo)航終端是人員地位、逃生線路可視化與逃生導(dǎo)航服務(wù)的呈現(xiàn)環(huán)節(jié)。本章主要從以上幾個方面介紹系統(tǒng)關(guān)鍵問題的設(shè)計。

1.1地圖數(shù)據(jù)制作

系統(tǒng)使用SuperMap（超圖）提供的設(shè)計軟件結(jié)合業(yè)務(wù)實際需求設(shè)計制作。超圖公司是中國和亞洲領(lǐng)先的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺軟件企業(yè)，主要從事GIS基礎(chǔ)平臺和應(yīng)用平臺軟件的研究、開發(fā)、推廣和服務(wù)。使用超圖提供的優(yōu)秀軟件，幫助設(shè)計者解決地下空間地圖數(shù)據(jù)設(shè)計的難題。SuperMap工具制作地下空間地圖的流程如圖1所示。

以地下實際地理環(huán)境為依據(jù)，將地下地圖以一定比例輸入到SuperMap iDeskTop軟件中。經(jīng)過配準，實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)與地下實際環(huán)境的統(tǒng)一，繼而通過拓撲構(gòu)網(wǎng)，構(gòu)建出地下地圖數(shù)據(jù)中的線路網(wǎng)，為后期線路規(guī)劃提供保障。最后，通過添加相關(guān)點、線、面數(shù)據(jù)集，將地下實物，標注在地圖中，達到與實際地下環(huán)境相匹配的目的。同時，為了模擬RFID射頻定位技術(shù)的效果，地圖中設(shè)計了定位點數(shù)據(jù)集，方便員工位置、逃生線路的呈現(xiàn)與逃生路徑的規(guī)劃。效果圖如圖2所示。

1.2人員定位

系統(tǒng)模擬傳統(tǒng)RFID射頻定位技術(shù)，獲取人員位置信息。射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)（又稱電子標簽、無線射頻識別），是20世紀80年代新興的一種自動識別通信技術(shù)，它利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別的目的。這種射頻識別系統(tǒng)主要由載有物件信息的標簽和識別標簽信息的閱讀器組成。工作模式包括主動式閱讀和被動式閱讀。由于在成本和技術(shù)復(fù)雜度方面的優(yōu)勢，被動式的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，尤其適用于煤礦井下環(huán)境。被動式標簽由天線和芯片組成。本系統(tǒng)便是模擬采用這種被動式閱讀工作模式。在本系統(tǒng)設(shè)計中，假定用于人員信息采集的射頻識別設(shè)備均勻分布在地下空間中（每一個定位點即一個射頻識別設(shè)備，如圖2所示綠點），且運轉(zhuǎn)正常。人員隨身攜帶載有自身信息的標簽（隨身攜帶的移動導(dǎo)航終端）。攜帶被動式標簽的人員經(jīng)過射頻設(shè)備時，射頻設(shè)備便可識別人員信息，通過固定網(wǎng)絡(luò)將定位信息發(fā)送到服務(wù)端數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)?shù)叵氯藛T通過移動導(dǎo)航終端提出定位需求時，服務(wù)端便根據(jù)人員最新經(jīng)過的設(shè)備id查詢地圖中的位置，將坐標反饋給地下人員，在終端地圖中以POI的形式標注出人員位置。具體流程如下圖3所示。

人員定位點與地圖數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的關(guān)系保存在數(shù)據(jù)庫中，局部數(shù)據(jù)如圖4所示。

1.3基于A*算法的逃生路徑規(guī)劃算法

為呈現(xiàn)不同因子對人員逃生決策的影響，本系統(tǒng)使用A*算法生成人員逃生線路。A*（A-Star）算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路最有效的直接搜索方法，也是許多其他問題的常用啟發(fā)式算法。對于節(jié)點n的預(yù)估公式表示為：

f（n）=g（n）+h（n） （1）

其中，f（n）是從初始狀態(tài)經(jīng)由狀態(tài)n到目標狀態(tài)的代價估計，g（n）是在狀態(tài)空間中從初始狀態(tài)到狀態(tài)n的實際代價，h（n）是從狀態(tài)n到目標狀態(tài)的最佳路徑的估計代價。（對于路徑搜索問題，狀態(tài)就是圖中的節(jié)點，代價就是距離）h（n）的選取，保證找到最短路徑（最優(yōu)解的）條件，關(guān)鍵在于估價函數(shù)f（n）的選取（或者說f（n）的選?。?。

系統(tǒng)集合地下空間環(huán)境、線路狀況、人員身體因素等，將地下空間路網(wǎng)看作一個有向圖G（V，E，A），|V|=n，|E|=m，|A|=m來描述路網(wǎng)。其中頂點v∈V代表路口（有向圖頂點），邊e∈E代表路段，對于每個路口都給出了人員可行參數(shù)A中取值α[0，1]，參數(shù)集合A中，α值越高，線路被選的概率越高。對于可行參數(shù)α，影響其值的因素及取值如表1所示：

在地下應(yīng)急逃生中，本著安全第一的原則，線路中有無避難場所或安全出口β對線路可行參數(shù)α取值影響最大。通過仿真實驗可知，線路可行參數(shù)α與各參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系如式（2）所示：

α取值越大，當(dāng)前線路被選做下一可行路線的概率也就越大。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計，分為服務(wù)端和Android移動導(dǎo)航端。系統(tǒng)各模塊及其子模塊結(jié)構(gòu)如如圖5所示。

2.1服務(wù)端模塊

服務(wù)端主要功能是響應(yīng)移動端請求，實現(xiàn)人員位置辨析、逃生線路規(guī)劃等功能。服務(wù)端由JAVA語言設(shè)計開發(fā)，搭配使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。在業(yè)務(wù)處理方面，服務(wù)端使用Servlet分析用戶請求，結(jié)合地下空間環(huán)境、人員等信息，利用A*算法規(guī)劃人員逃生線路——有序定位點（即坐標點）序列。并將計算所得的線路數(shù)據(jù)封裝成特定格式的JSON數(shù)據(jù)，通過HTTP協(xié)議發(fā)送給移動導(dǎo)航端。主要流程如圖6所示。

2.2移動導(dǎo)航端模塊

Android移動導(dǎo)航端使用IDE——Eclipse-ADT設(shè)計，并基于Android 4.0編程實現(xiàn)。開發(fā)過程中，為提高開發(fā)效率，作者使用SuperMap iMobile for Andmid SDK開發(fā)工具開發(fā)移動端地圖應(yīng)用模塊、使用科大訊飛提供的語音開發(fā)工具包Android SDK開發(fā)設(shè)計語音播報模塊。第三方開發(fā)工具的使用，使整體開發(fā)效率顯著提高。使用小米1S手機進行測試（系統(tǒng)版本為Android4.03）。

2.2.1定位顯示與地圖呈現(xiàn)模塊

地下人員首次打開移動端時，點擊菜單配置個人信息、服務(wù)器地址等基礎(chǔ)信息后，將會從服務(wù)端下載當(dāng)前地下的地圖數(shù)據(jù)。之后進入到主界面。此時移動端便會主動向服務(wù)端發(fā)送請求，獲取當(dāng)前位置。獲取范圍坐標位置后，用戶當(dāng)前的坐標位置將以POI的形式呈現(xiàn)在用戶終端上，方便用戶確定自身位置。

2.2.2語音導(dǎo)航模塊

險情發(fā)生時，移動導(dǎo)航端將自動獲取服務(wù)端發(fā)來的逃生線路數(shù)據(jù)。獲得數(shù)據(jù)之后，終端進行數(shù)據(jù)拆解，形成特定格式的導(dǎo)航文本數(shù)據(jù)：包含當(dāng)前位置、轉(zhuǎn)向提示、距離安全點距離等信息。之后終端自動開啟語音導(dǎo)航模式：通過調(diào)用科大訊飛提供的API接口，將導(dǎo)航文本數(shù)據(jù)以語音的形式播報給用戶，并在終端顯示逃生動態(tài)。逃生效果如圖7所示。

3總結(jié)

本文詳細介紹了基于SuperMap的地下應(yīng)急逃生語音導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及其主要技術(shù)難點。通過模擬實驗，驗證了在沒有GPS數(shù)據(jù)的條件下，系統(tǒng)能夠較好為地下人員提供定位、語音逃生導(dǎo)航服務(wù)。驗證了該系統(tǒng)在險情發(fā)生情況下，能夠有效提高人員逃生成功率，降低災(zāi)害帶來的人員傷害。