基于圖的語義室內(nèi)導(dǎo)航模型構(gòu)建研究

林 雕，宋國民，鄧 晨

（鄭州測繪學(xué)院，河南 鄭州450052）

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，大型建筑物內(nèi)部構(gòu)造變得愈加復(fù)雜，加重人們的空間認(rèn)知負(fù)擔(dān)，使得室內(nèi)尋路變得更加困難，特別是在商場等大型公共場所，室內(nèi)“迷路”的情況尤為突出［1］，室內(nèi)導(dǎo)航也因此得到更多的關(guān)注。室內(nèi)空間模型則是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。目前已提出多種面向室內(nèi)導(dǎo)航的空間模型，早期常見的符號(hào)模型將室內(nèi)空間對象表示為帶有特定ID標(biāo)識(shí)的符號(hào)元素［2］，用于表達(dá)室內(nèi)空間元素的相互關(guān)系。這類模型符合人的空間認(rèn)知特性，但缺少對室內(nèi)的幾何描述，且只能給出粗略的路徑描述。為實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)幾何和拓?fù)涞慕y(tǒng)一描述，Lee等利用對偶圖的方法將室內(nèi)空間抽象表示為節(jié)點(diǎn)和邊［3］，并通過中軸變換的方式將二維的通道轉(zhuǎn)換為一維的線，構(gòu)建3維室內(nèi)拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型。這種幾何圖的建模方式得到廣泛的認(rèn)可，主要用于構(gòu)建室內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)［4－5］。Yuan等則認(rèn)為“門－門”的建模方式更加符合用戶的行為習(xí)慣［6］，提出將門抽象表示為節(jié)點(diǎn)，門之間的連接表示為邊，該模型可以支持非繞行的最優(yōu)室內(nèi)尋路并通過增加可視點(diǎn)的方式保證節(jié)點(diǎn)之間的通視性。文獻(xiàn)［7－8］等也均采用這種室內(nèi)空間抽象方式。另外，文獻(xiàn)［9－10］等則重點(diǎn)考慮用戶相關(guān)因素（如移動(dòng)能力、尋路的喜好等）對建模的影響，側(cè)重于室內(nèi)本體建模，并依據(jù)本體之間的推理關(guān)系來實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的路徑導(dǎo)航。這類模型通常缺少對圖模型具體構(gòu)建方式的描述，且沒有將可視性納入考慮。

在當(dāng)前已有室內(nèi)空間模型中，多數(shù)模型在建模過程中只考慮部分導(dǎo)航相關(guān)的影響因素，適用范圍有限。針對該問題，本文基于圖論的建模方法，綜合考慮用戶室內(nèi)移動(dòng)特征、幾何和語義信息表達(dá)以及路徑規(guī)劃效率等多個(gè)導(dǎo)航相關(guān)的影響因素，提出一種支持多情景應(yīng)用并符合用戶空間認(rèn)知特性的室內(nèi)導(dǎo)航空間模型。

1 基于圖的語義室內(nèi)導(dǎo)航模型構(gòu)建

1．1 思路

傳統(tǒng)的室外導(dǎo)航主要是基于交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型完成［11］，但對于室內(nèi)而言則沒有同室外一樣明確的道路網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)用戶從室外進(jìn)入室內(nèi)后，行為習(xí)慣也會(huì)隨之改變［12］，室內(nèi)外空間認(rèn)知特性上的差異導(dǎo)致用戶行為習(xí)慣的不同。因此，需針對室內(nèi)空間特性構(gòu)建適合于室內(nèi)的導(dǎo)航模型?；趫D論的建模方法將現(xiàn)實(shí)世界抽象表示為節(jié)點(diǎn)和邊構(gòu)成的圖，可以用于構(gòu)建室內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)模型。對于基于圖的室內(nèi)導(dǎo)航模型構(gòu)建主要需考慮以下幾個(gè)問題：

1）用戶室內(nèi)移動(dòng)特征：不同于室外路網(wǎng)，室內(nèi)空間沒有明確的路徑信息，用戶在室內(nèi)移動(dòng)具有更大的隨意性，但同時(shí)又具有一定的規(guī)律性［7］。一般情況下兩個(gè)房間之間的移動(dòng)借助于室內(nèi)過道且沿著過道中間行走，此時(shí)可用中軸線表示過道。房間內(nèi)部的移動(dòng)則按照門到門的方式，可將門抽象表示為節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，可視性在室內(nèi)尋路過程中有很重要的作用，可通過增加可視節(jié)點(diǎn)的方式保證通視。例如，對呈L狀的房間而言，在構(gòu)建路網(wǎng)時(shí)可將兩個(gè)門之間的凹點(diǎn)表示為可視點(diǎn)。

2）幾何和語義信息表達(dá)：模型中節(jié)點(diǎn)和邊需包含相應(yīng)的坐標(biāo)信息以便支持基于長度的最短路計(jì)算和路徑可視化。語義信息是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航的關(guān)鍵所在，需將節(jié)點(diǎn)所表示的空間類型、通道的方向性、門的開關(guān)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值等語義信息通過節(jié)點(diǎn)和邊的屬性信息來表示。

3）路徑規(guī)劃效率：室內(nèi)空間相對狹小，用戶移動(dòng)更加自由，對路徑規(guī)劃的實(shí)時(shí)性提出了更高要求，特別是在計(jì)算能力有限的移動(dòng)平臺(tái)環(huán)境下，因此要求室內(nèi)導(dǎo)航模型應(yīng)盡可能的簡單，以便實(shí)現(xiàn)高效的路徑規(guī)劃。對于基于圖的空間模型而言，主要通過減少圖元數(shù)的方式來提高路徑規(guī)劃效率。對于有多個(gè)出口的過道而言，相對于中軸線法，若采用“門－門”建模方式會(huì)大幅增加模型中的圖元數(shù)，使得路徑規(guī)劃的查詢效率有所下降[8]。

1．2 基于圖的室內(nèi)導(dǎo)航概念模型

室內(nèi)空間中包含有諸多構(gòu)件，導(dǎo)航模型中則需要重點(diǎn)描述和路徑相關(guān)的空間對象。綜合考慮用戶室內(nèi)移動(dòng)特征、幾何和語義信息表達(dá)、路徑規(guī)劃效率等要求，利用圖的建模方法提出室內(nèi)導(dǎo)航概念模型（見圖1），該模型中各元素與室內(nèi)構(gòu)件之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，可用于支持室內(nèi)的導(dǎo)航推理。下面給出圖1中各元素的具體解釋：

Exit＿Node：各空間實(shí)體的出口節(jié)點(diǎn)。

Stair＿Exit：表示樓梯出口節(jié)點(diǎn)，每個(gè)樓梯對應(yīng)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對應(yīng)于兩個(gè)不同樓層的出口。

Elevator＿Exit：表示電梯出口節(jié)點(diǎn)，電梯所能到達(dá)的每一個(gè)樓層的出口均需表示為節(jié)點(diǎn)。

Escalator＿Exit：表示自動(dòng)扶梯出口節(jié)點(diǎn)，每個(gè)自動(dòng)扶梯對應(yīng)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對應(yīng)于兩個(gè)不同樓層的出口。

Room＿Exit：表示房間出口節(jié)點(diǎn)，包括Room＿Door＿Exit和 Roo m＿Window＿Exit兩類，其中Roo m＿Door＿Exit表示房間對應(yīng)的門節(jié)點(diǎn)，Room＿Window＿Exit表示房間對應(yīng)的靠近室外的窗戶節(jié)點(diǎn)，在緊急救災(zāi)等特殊情況下作為室內(nèi)的通行路徑，正常情況下將其設(shè)置為不可通行點(diǎn)。

Buil ding＿Exit：表示建筑物出口節(jié)點(diǎn)，用于建立室內(nèi)外之間的聯(lián)系，以便實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體的路徑規(guī)劃。

Corridor＿Node：表示通道上的所有節(jié)點(diǎn)。Cross＿Point：表示兩個(gè)通道的交叉節(jié)點(diǎn)。Window＿Point：表示 Roo m＿Window＿Exit在通道上的垂直投影點(diǎn)。

Door＿Point：表示 Roo m＿Door＿Exit在通道上的垂直投影點(diǎn)，以此建立通道和房間之間的連接。

Conner＿Point：表示通道盡頭的角落節(jié)點(diǎn)。

Inner＿Node：表示房間內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，對于凹多邊形房間而言，通常需要在凹點(diǎn)處添加節(jié)點(diǎn)以便構(gòu)成室內(nèi)通視路網(wǎng)。

Horizonal＿Edge：表示水平方向上的連接邊，主要用于同一樓層兩個(gè)位置之間的路徑規(guī)劃。

Inner＿Segment：表示房間內(nèi)部路徑片段，由Roo m＿Exit和Inner兩類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，主要用于房間內(nèi)部尋路。

Joint＿Seg ment：表示房間出口和過道的連接邊，由Door＿Point和對應(yīng)的 Roo m＿Door＿Exit以及Roo m＿Window＿Exit和對應(yīng)的 Window＿Point節(jié)點(diǎn)組成。

Corridor＿Seg ment表示各通道上的路徑片段，由通道上的 Cross＿Point、Window＿Point、Door＿Point、Conner＿Point節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

Connect＿Seg ment：表示水平方向和垂直方向的連接邊，通常由Corridor節(jié)點(diǎn)和Stair＿Exit、Elevator＿Exit、Escalator＿Exit三類節(jié)點(diǎn)組成。

Vertical＿Edge表示垂直方向的連接邊，主要用于樓層之間的路徑規(guī)劃，包括有樓梯、電梯、扶梯，分別由 Stair＿Exit、Elevator＿Exit、Escalator＿Exit三類節(jié)點(diǎn)組成。

Transfer＿Edge：表示室內(nèi)外之間的連接邊，其中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)是Building＿Exit。

圖1 室內(nèi)導(dǎo)航概念模型

1．3 幾何圖模型構(gòu)建方法

單純的只表示空間拓?fù)潢P(guān)系的圖模型不能滿足距離量算、路徑可視化的要求，需給節(jié)點(diǎn)和邊附上相應(yīng)的坐標(biāo)信息，構(gòu)建一個(gè)三維的室內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)，其中主要包括出口節(jié)點(diǎn)定位點(diǎn)求取、走廊中軸線求取以及內(nèi)點(diǎn)求取。

出口節(jié)點(diǎn)定位點(diǎn)求取：在幾何平面圖上，通常將門等出口表示為一維的線，此時(shí)選取該線中點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)定位點(diǎn)。如圖2所示，取門線的中點(diǎn)作為門的定位點(diǎn)，同樣的方法可用于處理電梯、樓梯、自動(dòng)扶梯、建筑物出口等。

圖2 門對應(yīng)定位點(diǎn)

通道中軸線求?。和ㄟ^中軸變換的方式可將通道從二維的面轉(zhuǎn)換為一維的線，針對通道的一般外形特征，選用基于Delaunay三角剖分的中線法作為室內(nèi)通道提取算法。主要原理如下：1）提取通道多邊形輪廓特征點(diǎn)；2）對多邊形邊界弧段上的矢量點(diǎn)做加密處理，使得有更多間距接近的點(diǎn)參與構(gòu)網(wǎng)；3）以多邊形邊界為約束條件構(gòu)建約束Delaunay三角網(wǎng)；4）按照三角形所擁有的鄰近三角形數(shù)量，將三角形分為三種類型：I類三角形的中軸線定義為其重心與非邊界邊中點(diǎn)的連線；II類三角形的中軸線定義為其兩條非邊界邊各自中點(diǎn)的連線；III類三角形的中軸線定義為其重心分別與三條非邊界邊中點(diǎn)的連線，最終得到對應(yīng)的通道中軸線（如圖3所示），基于Delaunay三角剖分的中線法的細(xì)節(jié)可參閱文獻(xiàn)［13－15］。

圖3 通道中軸線提取示意圖

內(nèi)點(diǎn)求取：凹多邊形房間內(nèi)部兩個(gè)門之間可能存在不可視的情況，通過增加節(jié)點(diǎn)作為路徑的中間點(diǎn)確保房間內(nèi)部的可視性，主要步驟包括：①判定多邊形的凹凸性質(zhì)，如存在內(nèi)角大于180°的多邊形則為凹多邊形，否則為凸多邊形；②如果是凹多邊形，判斷兩個(gè)門之間是否可視，判定方法為連接兩個(gè)門線中點(diǎn)，若連線在多邊形內(nèi)則表示可視，否則不可視；③若兩個(gè)門之間不可視則增加凹點(diǎn)作為其中間點(diǎn)，凹點(diǎn)的選取原則為保證兩個(gè)門之間的路線最短。例如，圖4中門d2和門d3之間存在不可視的情況，此時(shí)可添加凹點(diǎn)v作為路徑中間節(jié)點(diǎn)以確保房間內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的可視性。

圖4 凹多邊形內(nèi)部節(jié)點(diǎn)連接

1．4 基于模型的語義信息表達(dá)

語義信息是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化室內(nèi)導(dǎo)航的關(guān)鍵，由于室內(nèi)空間的語義信息眾多，這里重點(diǎn)考慮與導(dǎo)航相關(guān)的語義信息表達(dá)，常見的有以下幾類：

1）門的私有或公有屬性，例如某些房間只有特定的用戶可以進(jìn)入，一般不能將其作為普通用戶的通行路徑。

2）門、電梯等出口開關(guān)時(shí)間，通常情況下室內(nèi)中某些場所有其固定的開關(guān)時(shí)間，例如超過某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，電梯將不可以使用。

3）通道的方向性，與室外類似室內(nèi)空間中也有部分單向通道，例如上下樓的扶梯只限定于某一個(gè)特定的方向。

一般通過給節(jié)點(diǎn)和邊附加屬性信息的方式來實(shí)現(xiàn)語義信息表達(dá)，由于各節(jié)點(diǎn)和邊所描述的對象有所不同，對應(yīng)的語義信息也有所差異，借鑒文獻(xiàn)［8］所提的N×ID→SI（其中N表示節(jié)點(diǎn)編號(hào)、ID表示語義信息類型，SI表示具體的語義信息）語義信息表達(dá)方式，通過節(jié)點(diǎn)的唯一編號(hào)指定各節(jié)點(diǎn)所表達(dá)的語義信息，同樣可將該方法擴(kuò)展應(yīng)用于邊的語義信息描述。例如，對于一個(gè)Room＿Door＿Exit類型的節(jié)點(diǎn)n3，可附加一個(gè)可進(jìn)入時(shí)間的屬性（n3，accessibility）＝“08：00－20：00”，用來表示該門的開關(guān)時(shí)間在08：00－20：00之間。另外，針對室內(nèi)單向道路較少的特點(diǎn)，為減少建模工作量，避免構(gòu)建有向圖模型，同樣將其作為屬性信息描述，如對于邊e3而言，（e3，direction）＝1，表示該邊的方向是從首節(jié)點(diǎn)到尾節(jié)點(diǎn)，－1表示反向，0則表示該邊是雙向通行的。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需求，給節(jié)點(diǎn)和邊增加更多的語義信息，如電梯的等待時(shí)間、承載人數(shù)等。

1．5 圖模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖模型中主要包括節(jié)點(diǎn)和邊兩類，根據(jù)室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用需求，主要考慮幾何、拓?fù)?、語義三類相關(guān)信息，采用如表1、表2的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中，節(jié)點(diǎn)表中存儲(chǔ)的基本信息包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)、類型、是否可用、所在樓層、相連邊數(shù)、連接邊編號(hào)以及對應(yīng)的幾何坐標(biāo)；邊表中存儲(chǔ)的基本信息包括邊編號(hào)、類型、首尾節(jié)點(diǎn)編號(hào)、是否可用、權(quán)值、方向以及對應(yīng)的幾何坐標(biāo)。另外，節(jié)點(diǎn)類型（Node＿Type 和邊類型（Arc＿Type）分別和圖1中各元素類型相對應(yīng)。Active屬性表示對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)或邊是否可用，若節(jié)點(diǎn)不可用則將該點(diǎn)設(shè)置為路徑規(guī)劃的繞行點(diǎn)，邊不可用則將其對應(yīng)的權(quán)值設(shè)置為無窮大。需要指出一點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，利用章節(jié)1．4中所提語義信息描述方式來對表1和表2中的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作相應(yīng)擴(kuò)展。

表1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

表2 邊結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

2 基于模型的路徑規(guī)劃

在室內(nèi)導(dǎo)航模型基礎(chǔ)上主要通過以下兩個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃。

2．1 根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用情景，更新路網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)和邊的屬性信息

主要通過更新節(jié)點(diǎn)Active、邊Active和Weight 3個(gè)屬性項(xiàng)的值來建立情景與導(dǎo)航之間的聯(lián)系。首先判斷當(dāng)前時(shí)間下哪些節(jié)點(diǎn)和邊為不可用，假設(shè)當(dāng)前時(shí)間為21：00，且有（n3，accessibility）＝08：00－20：00，則可以推斷出n3所表示的門是不可進(jìn)的，此時(shí)應(yīng)將n3對應(yīng)的Active屬性值設(shè)置為“N”，然后將其對應(yīng)的屬性為Joint＿Seg ment的邊權(quán)值設(shè)置為無窮大表示該門與過道之間不可通行；其次根據(jù)用戶身份信息來排除不適合的路徑節(jié)點(diǎn)和邊，例如，對于一個(gè)坐輪椅的用戶而言，則不能將樓梯或者是自動(dòng)扶梯作為其上下樓的通行路徑，此時(shí)應(yīng)將類型為Stair和Escalator的邊Active屬性值設(shè)置為“N”，表示該路徑不可通行，其他的一些用戶相關(guān)的語義信息還包括用戶年齡、移動(dòng)能力、感知能力、用戶特權(quán)等，分別對應(yīng)于不同的路徑選擇規(guī)則；最后判斷用戶的喜好對路徑的影響，如當(dāng)用戶推著嬰兒車上樓時(shí)則更加偏向于帶電梯的路徑，即使有可能導(dǎo)致繞路。實(shí)際應(yīng)用中還存在其他的一些情況需單獨(dú)考慮，如在發(fā)生火災(zāi)情況下，應(yīng)將電梯排除在所選路徑之外，同時(shí)可將窗戶作為特殊的通行路徑，另外還需給模型附加上更多的語義信息（如走廊的最大人流量、區(qū)域的煙霧濃度等），并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)對邊權(quán)值的更新，以便規(guī)劃出一條合理的撤退路線。

2．2 最優(yōu)路徑計(jì)算

在完成路網(wǎng)屬性值更新后，則可根據(jù)用戶的需求選定相應(yīng)節(jié)點(diǎn)作為路徑規(guī)劃的起點(diǎn)和終點(diǎn)。然而，一般情況下的室內(nèi)尋路通常是將某個(gè)特定的房間作為用戶的目標(biāo)位置，此時(shí)可分別將該目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)所有可用出口節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，將距離當(dāng)前用戶位置最近的節(jié)點(diǎn)作為路徑規(guī)劃起點(diǎn)，選用成熟的路徑規(guī)劃算法（例如Dij kstra算法）計(jì)算起點(diǎn)到目標(biāo)區(qū)域不同出口之間的權(quán)值，最后選用權(quán)值最小的路徑作為最優(yōu)路徑。

3 結(jié)束語

本文基于圖論的方法構(gòu)建一種語義室內(nèi)導(dǎo)航模型。該模型綜合考慮幾何、拓?fù)?、語言三類信息的表達(dá)，且通過增加內(nèi)點(diǎn)的方式保證房間內(nèi)部的可視性，模型中節(jié)點(diǎn)和邊與室內(nèi)實(shí)體之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，可用于支持室內(nèi)的導(dǎo)航推理，并可通過更新模型中節(jié)點(diǎn)和邊屬性值的方式建立情景和模型之間的聯(lián)系以便支持不同情景應(yīng)用下的室內(nèi)導(dǎo)航，為構(gòu)建情景感知的室內(nèi)導(dǎo)航模型提供借鑒和新的思路。此處沒有給出用戶相關(guān)因素的具體建模，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要定義相適應(yīng)的用戶模型，利用本文所提的屬性值更新方法實(shí)現(xiàn)不同情景下的路徑導(dǎo)航。

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