無(wú)縫化位置信息采集技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸　奎，張子揚(yáng)

(安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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無(wú)縫化位置信息采集技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸奎，張子揚(yáng)

(安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南232001)

摘要：隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注自身的精確位置信息，以及興趣點(diǎn)的定位和導(dǎo)航。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)提供了有效的室外定位手段，成為很多人出行導(dǎo)航的必備工具。無(wú)縫化位置信息采集技術(shù)的研究順應(yīng)我國(guó)著力發(fā)展室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航的戰(zhàn)略需求，采用不同定位技術(shù)以達(dá)到對(duì)室內(nèi)外各種定位應(yīng)用的無(wú)縫覆蓋，同時(shí)保證各種場(chǎng)景下定位技術(shù)、定位算法、定位精度和覆蓋范圍的平滑過(guò)渡和無(wú)縫連接，通過(guò)建立自主可控且滿(mǎn)足多行業(yè)和公眾需求的室內(nèi)外無(wú)縫定位及位置綜合服務(wù)系統(tǒng)，推動(dòng)行業(yè)應(yīng)用的展開(kāi)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立。其中無(wú)縫化位置信息采集技術(shù)主要包括室內(nèi)外空間的定位技術(shù)切換、統(tǒng)一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和一體化的定位數(shù)據(jù)庫(kù)建立。

關(guān)鍵詞：無(wú)縫定位；室內(nèi)定位；GIS技術(shù)；最短路徑；智能分析

針對(duì)室內(nèi)地圖模型，國(guó)內(nèi)外目前主要采用的數(shù)據(jù)模型類(lèi)型有：Semantic models，其空間由實(shí)體、屬性、實(shí)體間的關(guān)系來(lái)表達(dá)、該模型實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃困難[1]；Topological models，該模型渲染展示困難、Hybrid models[2]，該模型存在渲染展示困難問(wèn)題、Granularity and hierarchical models，該模型存在路徑規(guī)劃困難問(wèn)題[3]。

無(wú)縫化位置信息采集技術(shù)的研究是一種易于檢索、展現(xiàn)、路徑規(guī)劃的新型數(shù)據(jù)模型，綜合考慮室內(nèi)、室外的空間約束特征，將同一區(qū)域內(nèi)室內(nèi)和室外地理要素進(jìn)行一體化建模，以適應(yīng)室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航應(yīng)用場(chǎng)景，并制定相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[4-7]。

模型集中主流模型的優(yōu)點(diǎn)，稱(chēng)之為Comprehensive models(復(fù)合模型)[8-9]，是基于語(yǔ)義的數(shù)據(jù)模型，空間信息由實(shí)體、屬性、實(shí)體間的關(guān)系來(lái)表達(dá)，同時(shí)也是基于拓?fù)涞臄?shù)據(jù)模型，要素間的空間聯(lián)系由實(shí)體的空間關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)表達(dá)。復(fù)合模型需要完整精細(xì)的室內(nèi)地圖POI分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)[10-11]，用戶(hù)可以根據(jù)分類(lèi)編碼定制地圖樣式。利用地圖層級(jí)思路組織數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)針對(duì)行業(yè)添加專(zhuān)題圖層，穩(wěn)定的數(shù)據(jù)模型可支持室內(nèi)全景、三維的擴(kuò)展。室內(nèi)數(shù)據(jù)含高程空間信息，并記錄不可達(dá)區(qū)域位置和形態(tài)，結(jié)合MapMatching技術(shù)，可作為地圖傳感器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度定位和引導(dǎo)[12]。

模型應(yīng)由道路數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)、背景數(shù)據(jù)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)構(gòu)成，彼此之間相互緊密銜接，共同為導(dǎo)航應(yīng)用提供服務(wù)，并在整個(gè)過(guò)程中起核心作用。將要素按照索引、通道、功能分區(qū)、空間單元等主題進(jìn)行分類(lèi)。通道、功能分區(qū)、空間單元類(lèi)內(nèi)要素建立拓?fù)潢P(guān)系，索引與通道、索引與功能分區(qū)及空間單元類(lèi)的關(guān)系通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系存儲(chǔ)。

通過(guò)無(wú)縫化位置信息采集技術(shù)的研究，真正形成可實(shí)際運(yùn)行的室內(nèi)外一體化導(dǎo)航模型，適用于車(chē)導(dǎo)、公交導(dǎo)航、人行導(dǎo)航等領(lǐng)域，為室內(nèi)地圖制作規(guī)范和工具奠定基礎(chǔ)[13]。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

無(wú)縫化位置信息采集技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案由基礎(chǔ)設(shè)施層、導(dǎo)航數(shù)據(jù)層、位置服務(wù)平臺(tái)、室內(nèi)定位與感知層、應(yīng)用分系統(tǒng)層及智能終端層組成。

基礎(chǔ)設(shè)施層由云存儲(chǔ)/云計(jì)算服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，其功能是為位置服務(wù)使用者提供存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)資源。導(dǎo)航數(shù)據(jù)層由基礎(chǔ)導(dǎo)航數(shù)據(jù)、高精度地圖、室內(nèi)地圖、動(dòng)態(tài)交通信息、動(dòng)態(tài)氣象信息和其他服務(wù)信息組成。位置服務(wù)平臺(tái)基于北斗/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線(xiàn)通信、多媒體數(shù)字廣播和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，提供具備高可靠性、強(qiáng)擴(kuò)展性、高伸縮性和開(kāi)放的位置綜合服務(wù)。室內(nèi)定位與感知層用于室內(nèi)定位和環(huán)境感知，包括噪聲、空氣質(zhì)量、煙感等。應(yīng)用分系統(tǒng)層基于位置服務(wù)平臺(tái)提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和通用功能，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求，針對(duì)運(yùn)營(yíng)管理單位和公眾用戶(hù)，開(kāi)發(fā)個(gè)性化位置服務(wù)功能。智能終端層接入多種應(yīng)用終端，客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)定位與通信。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1) 室內(nèi)外定位切換。方案一為使用同時(shí)能夠?yàn)槭彝夂褪覂?nèi)空間定位的方法，如Wi-Fi．基于Wi-Fi的高程精密定位技術(shù)、基于鄰域均值濾波方法的指紋庫(kù)噪聲濾波、室內(nèi)空間地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空間數(shù)據(jù)模型、慣性傳感器輔助Wi-Fi室內(nèi)定位、定位追蹤技術(shù)、高精度定位在資產(chǎn)管理中的應(yīng)用以及基于移動(dòng)通信廣播網(wǎng)絡(luò)的廣域室內(nèi)外無(wú)縫定位原理。

方案二是按照某種策略進(jìn)行室外定位和室內(nèi)定位的切換，其特征在于：統(tǒng)一游客位置坐標(biāo)與出入口坐標(biāo)，根據(jù)游客行為模式執(zhí)行室外GPS 定位和室內(nèi)UWB 定位之間的自適應(yīng)切換，包括從室外切換到室內(nèi)、從室內(nèi)切換到室外，而切換的時(shí)機(jī)并不好掌握，切換時(shí)刻的定位精度均有不同程度下降。而在不同定位技術(shù)之間的切換，經(jīng)常需要不同的策略。一種支持室內(nèi)外不同類(lèi)型定位技術(shù)的位置模型也能夠?yàn)槭覂?nèi)外定位切換提供幫助[14]。

2) 室內(nèi)外定位信息統(tǒng)一的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于室內(nèi)室外空間的表達(dá)方式和定位技術(shù)的不同，導(dǎo)致室內(nèi)外移動(dòng)對(duì)象的軌跡表達(dá)形式也不同。為了進(jìn)行統(tǒng)一的移動(dòng)對(duì)象數(shù)據(jù)管理，需要把某一類(lèi)型的移動(dòng)對(duì)象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成到另一類(lèi)型的數(shù)據(jù)。比如，把室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象的基于符號(hào)空間的軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為室外移動(dòng)對(duì)象的基于幾何空間的數(shù)據(jù)，進(jìn)而統(tǒng)一對(duì)轉(zhuǎn)換后的室外移動(dòng)對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。但是，在這一轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致部分的信息丟失，引進(jìn)新類(lèi)型的不確定性數(shù)據(jù)。另一種可能的方法是進(jìn)行合適的室內(nèi)到室外交接，即當(dāng)匹配室內(nèi)空間時(shí)，使用室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象的模型；當(dāng)查詢(xún)室外空間時(shí)，使用室外移動(dòng)對(duì)象的模型。而這一方法需要中間件把查詢(xún)分發(fā)到適當(dāng)?shù)哪Ｐ椭羞M(jìn)行查詢(xún)處理，并且將查詢(xún)結(jié)果組織成統(tǒng)一的格式返回給用戶(hù)。由于采用室內(nèi)外一體化的導(dǎo)航地圖模型，室內(nèi)外定位數(shù)據(jù)采用相同的空間參考(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))記錄定位結(jié)果，室內(nèi)外定位結(jié)果無(wú)需轉(zhuǎn)換[15]。

3) 高效的室內(nèi)外一體化定位數(shù)據(jù)庫(kù)。基于位置對(duì)象建立對(duì)室內(nèi)外位置信息的一體化存儲(chǔ)和高效訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制，屏蔽室內(nèi)外定位信息源的差異，將位置信息統(tǒng)一按空間對(duì)象進(jìn)行存儲(chǔ)。在基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地面建筑物的位置關(guān)系，以及WiFi格網(wǎng)數(shù)據(jù)地址和建筑物內(nèi)部平面位置結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)匹配生成移動(dòng)對(duì)象的室內(nèi)定位數(shù)據(jù)，并保存為一個(gè)統(tǒng)一的移動(dòng)終端位置空間對(duì)象，采用幾何矢量位置空間的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。集成的位置對(duì)象幾何模型如圖1所示。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1　室內(nèi)外路徑規(guī)劃

1) 最短路徑規(guī)劃。室內(nèi)最短路徑規(guī)劃采用帶權(quán)有向圖單源最短路徑算法，迪杰斯特拉算法(Dijkstra)，它的輸入是室內(nèi)導(dǎo)航電子地圖中所有路徑(Link)和節(jié)點(diǎn)(Node)組成的有向圖G以及G中的一個(gè)來(lái)源頂點(diǎn)S，如圖2所示。最短路徑規(guī)劃是圖論中有向加權(quán)圖的標(biāo)準(zhǔn)算法，這里就不詳細(xì)敘述。

2) 帶必經(jīng)點(diǎn)路徑規(guī)劃。帶途經(jīng)點(diǎn)的路徑規(guī)劃是根據(jù)用戶(hù)給出的起始節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及必經(jīng)點(diǎn)序列在室內(nèi)導(dǎo)航電子地圖的交通層網(wǎng)絡(luò)圖基礎(chǔ)上進(jìn)行路徑規(guī)劃，規(guī)劃出一條經(jīng)過(guò)起始節(jié)點(diǎn)S， 必經(jīng)節(jié)點(diǎn)序列， 最終到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)T 的一條最短路徑。設(shè)從開(kāi)始節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)必經(jīng)節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的序列為P= (P1，P2…Pn) ，P1=S，Pn=T。所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為n， 路規(guī)劃結(jié)果的路段序列為R。將整個(gè)路徑分為n- 1 段， 首先用Dijkstra 算法計(jì)算每一段的最短路徑， 然后將所有段的最短路徑組合便構(gòu)成了從起始節(jié)點(diǎn)， 經(jīng)過(guò)必經(jīng)節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短路徑。

3) 帶路障點(diǎn)路徑規(guī)劃。帶路障點(diǎn)的路徑規(guī)劃是根據(jù)用戶(hù)給出的起始節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及路障點(diǎn)序列在室內(nèi)導(dǎo)航電子地圖的交通層網(wǎng)絡(luò)圖基礎(chǔ)上進(jìn)行路徑規(guī)劃，規(guī)劃出一條經(jīng)過(guò)起始節(jié)點(diǎn)S， 繞開(kāi)路障點(diǎn)序列， 最終到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)T 的一條最短路徑。在路徑規(guī)劃的準(zhǔn)備階段，假設(shè) (u，v)表示從結(jié)點(diǎn)u到v有路徑相連，如u和v其中有一個(gè)是路障節(jié)點(diǎn)，則該路徑即為規(guī)避路徑，需設(shè)置該路徑的兩個(gè)端點(diǎn)之間的權(quán)值(即，距離)為無(wú)窮大。用同樣的辦法，將所有路障點(diǎn)相關(guān)的路徑的權(quán)值均設(shè)為無(wú)窮大之后的路徑規(guī)劃結(jié)果就是從起始節(jié)點(diǎn)S到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)T規(guī)避了路障點(diǎn)序列的路徑。

3.2　智能分析與服務(wù)

按照數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)性，分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析兩種：

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析一般用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，往往要求在數(shù)秒內(nèi)返回上億條數(shù)據(jù)記錄的分析，從而達(dá)到不影響用戶(hù)體驗(yàn)的目的。要滿(mǎn)足這樣的需求，可以采用精心設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)組成并行處理集群，或者采用一些內(nèi)存計(jì)算平臺(tái)，或者采用HDD的架構(gòu)，這些無(wú)疑都需要比較高的軟硬件成本。

離線(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析適用于反饋時(shí)間要求不是那么嚴(yán)苛的應(yīng)用，離線(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、搜索引擎的反向索引計(jì)算、推薦引擎的計(jì)算等，應(yīng)采用離線(xiàn)分析的方式，通過(guò)數(shù)據(jù)采集工具將日志數(shù)據(jù)導(dǎo)入專(zhuān)用的分析平臺(tái)。但面對(duì)海量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的ETL(抽取+轉(zhuǎn)換+加載)工具往往徹底失效，主要原因是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的開(kāi)銷(xiāo)太大，在性能上無(wú)法滿(mǎn)足海量數(shù)據(jù)的采集需求[16-17]。

按照大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，分為內(nèi)存級(jí)別、BI級(jí)別、海量級(jí)別三種：

這里的內(nèi)存級(jí)別指的是數(shù)據(jù)量不超過(guò)集群的內(nèi)存最大值。目前的PC服務(wù)器，內(nèi)存可以超過(guò)百GB。因此可以采用一些內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，將熱點(diǎn)數(shù)據(jù)常駐內(nèi)存之中，從而取得非?？焖俚姆治瞿芰Γ浅＿m合實(shí)時(shí)分析業(yè)務(wù)。

此外，目前大多數(shù)服務(wù)廠(chǎng)商都已經(jīng)推出了帶4GB以上SSD的解決方案，利用內(nèi)存+SSD，也可以輕易達(dá)到內(nèi)存分析的性能。隨著SSD的發(fā)展，內(nèi)存數(shù)據(jù)分析必然能得到更加廣泛的應(yīng)用。

BI級(jí)別指的是那些對(duì)于內(nèi)存來(lái)說(shuō)太大的數(shù)據(jù)量，但一般可以將其放入傳統(tǒng)的BI產(chǎn)品和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的BI數(shù)據(jù)庫(kù)之中進(jìn)行分析。目前主流的BI產(chǎn)品都有支持TB級(jí)以上的數(shù)據(jù)分析方案。

海量級(jí)別指的是對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)和BI產(chǎn)品已經(jīng)完全失效或者成本過(guò)高的數(shù)據(jù)量。海量數(shù)據(jù)級(jí)別的優(yōu)秀企業(yè)級(jí)產(chǎn)品也有很多，但基于軟硬件的成本原因，目前大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)采用Hadoop的HDFS分布式文件系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并使用MapReduce進(jìn)行分析[18]。

4結(jié)論

無(wú)縫化位置信息采集技術(shù)的研究是一種易于檢索、展現(xiàn)、路徑規(guī)劃的新型數(shù)據(jù)模型，綜合考慮室內(nèi)、室外的空間約束特征，將同一區(qū)域內(nèi)室內(nèi)和室外地理要素進(jìn)行一體化建模，以適應(yīng)室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航應(yīng)用場(chǎng)景，并制定相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)對(duì)無(wú)縫化信息采集技術(shù)的研究，真正形成可實(shí)際運(yùn)行的室內(nèi)外一體化導(dǎo)航模型，適用于車(chē)導(dǎo)、公交導(dǎo)航、人行導(dǎo)航等領(lǐng)域，為室內(nèi)地圖制作規(guī)范和工具奠定基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯：李麗)

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《安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

Design and Implementation of Seamless Position Information Acquisition Technology

LU Kui, ZHANG Zi-yang

(School of Computer Science And Technology, Anhui University of Science And Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:With the progress of human society, people pay more and more attention to their exact location information and the location of points of interest and navigation. The GNSS provides an effective means of outdoor positioning and becomes a necessary tool of many people for travel navigation. The research on the technology of the seamless location information collection conforms to China's strategic needs of developing indoor and outdoor seamless navigation, and different positioning technology is used to achieve the seamless coverage of all kinds of indoor and outdoor positioning applications, and at the same time ensure smooth transition and seamless connection among positioning technology in various scenarios, positioning algorithm, positioning accuracy and coverage range. By establishment of a integrated, independent and controllable service system, which meet the indoor and outdoor seamless positioning and location needs of many industries and the public, the development of the industry application and the establishment of technical standards will be promoted. In which the information collection technology of the seamless location includes the positioning technology of the indoor and outdoor space, the unified data transformation and the integration of the positioning database establishment.

Key words:seamless positioning; indoor positioning; GIS technology; optimal path; intelligent analysis

作者簡(jiǎn)介：陸奎(1963-)，男，安徽懷遠(yuǎn)人，教授，博士，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控。

收稿日期：2015-03-11

中圖分類(lèi)號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098(2015)04-0023-05