基于上下文感知的室內(nèi)路徑規(guī)劃研究

林 雕，宋 國 民，游 雄，賈 奮 勵(lì)，鄧 晨

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

基于上下文感知的室內(nèi)路徑規(guī)劃研究

林 雕，宋 國 民，游 雄，賈 奮 勵(lì)，鄧 晨

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)，綜合考慮室內(nèi)空間特性以及上下文感知應(yīng)用需求，定義了規(guī)范化的室內(nèi)導(dǎo)航模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了室內(nèi)POI數(shù)據(jù)模型，并針對(duì)不同類型POI給出了對(duì)應(yīng)的POI與導(dǎo)航模型的轉(zhuǎn)換方法。具體分析了時(shí)間、位置、用戶、擁擠、事件5類典型上下文信息對(duì)路徑規(guī)劃的影響并建立對(duì)應(yīng)的描述模型?；谒峥臻g模型與上下文信息模型，提出了上下文感知的路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)流程與方法，并針對(duì)擁擠情況、事件兩類上下文信息的特點(diǎn)建立了對(duì)應(yīng)的權(quán)值更新方法。設(shè)計(jì)了兩組不同上下文背景條件下的室內(nèi)路徑規(guī)劃模擬實(shí)驗(yàn)，通過比較分析其最優(yōu)路徑結(jié)果，驗(yàn)證了本文所提模型與方法的有效性。

室內(nèi)路徑規(guī)劃；室內(nèi)POI建模；上下文建模；上下文感知；權(quán)值更新

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展與擴(kuò)張，大型建筑物逐漸成為人們生活中開展各類活動(dòng)的基本場(chǎng)所。但建筑物內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、功能分區(qū)多樣，加劇了空間認(rèn)知負(fù)擔(dān)，使人們?cè)谏虉?chǎng)、醫(yī)院等大型公共場(chǎng)所的尋路變得愈加困難[1]。因此，室內(nèi)導(dǎo)航已成為當(dāng)前GIS與位置服務(wù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。面向室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用，當(dāng)前已提出多種室內(nèi)空間模型，其中以幾何圖模型應(yīng)用最為廣泛，這類模型可同時(shí)描述空間的幾何以及拓?fù)涮卣?，建模的方式主要有中軸變換[1-4]以及“門—門”[5-7]兩種。不同于幾何模型，語義模型[8,9]側(cè)重于空間的語義層次建模，通常采用本體的建模方法對(duì)空間進(jìn)行描述，并可借助其推理功能實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的室內(nèi)導(dǎo)航?？v然目前在室內(nèi)空間建模方面已取得較多成果，但路徑規(guī)劃本身仍以最短距離或時(shí)間為主要擇路條件，對(duì)路徑規(guī)劃中所受上下文影響因素考慮較為簡(jiǎn)單(通常限于用戶上下文)。實(shí)際上，室外的智能交通應(yīng)用中已將天氣、交通擁擠等上下文納入到導(dǎo)航應(yīng)用的考慮當(dāng)中[10-12]。

因此，面向個(gè)性化、智能化室內(nèi)路徑導(dǎo)航服務(wù)需求，本文重點(diǎn)關(guān)注不同上下文背景下的室內(nèi)路徑規(guī)劃。首先，在筆者先前所提語義導(dǎo)航模型[13]基礎(chǔ)上，對(duì)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，并提出路徑規(guī)劃關(guān)鍵空間要素POI的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其與導(dǎo)航模型的關(guān)聯(lián)方法，以構(gòu)建上下文感知的室內(nèi)路徑規(guī)劃所需空間模型基礎(chǔ)。接著，以是否對(duì)用戶通行行為產(chǎn)生影響為上下文建模對(duì)象選取準(zhǔn)則，重點(diǎn)對(duì)5種典型上下文要素的特點(diǎn)進(jìn)行分析并構(gòu)建其對(duì)應(yīng)的上下文描述模型。然后，基于所提室內(nèi)空間模型與上下文模型，提出上下文感知的室內(nèi)路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)流程和關(guān)鍵算法。最后，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)所提模型與方法的有效性做出驗(yàn)證。

1 面向上下文感知的室內(nèi)空間數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

1.1 基于圖的室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型

面向上下文感知應(yīng)用需求，文獻(xiàn)[13]提出基于圖的語義室內(nèi)導(dǎo)航概念模型及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但其所定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，僅限于通用拓?fù)鋽?shù)據(jù)字段。為實(shí)現(xiàn)對(duì)上下文感知路徑規(guī)劃相關(guān)語義信息的描述，需對(duì)原有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展與改進(jìn)，定義便于統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理及應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

分析該語義室內(nèi)導(dǎo)航概念模型可知，其中節(jié)點(diǎn)和邊均可表示多類空間對(duì)象，但各種對(duì)象不同屬性對(duì)導(dǎo)航的影響有所差異。例如，通道材質(zhì)的粗糙程度以及門檻的高低都將影響輪椅用戶的通行，此類屬性主要對(duì)不同類型用戶通行產(chǎn)生影響，而房間的公私屬性則主要影響不同身份用戶的通行。圖模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，若將所有對(duì)象的所有屬性均作為對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)或邊的屬性字段，勢(shì)必造成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)臃腫，增大數(shù)據(jù)管理和檢索的難度。本質(zhì)上，導(dǎo)航圖模型屬性字段定義的目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航相關(guān)語義信息的描述。因此，此處重點(diǎn)對(duì)限制用戶通行的語義信息進(jìn)行描述，通過給邊額外增加 “受限用戶類型”、“受限用戶身份”、“通行方向”以及“開關(guān)時(shí)間”4個(gè)屬性項(xiàng)將不同對(duì)象不同屬性對(duì)用戶的通行限制進(jìn)行統(tǒng)一描述，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖模型的簡(jiǎn)潔、規(guī)范化的定義。改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)與邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1與表2所示。其中，“受限用戶類型”、“受限用戶身份” 分別與下一節(jié)用戶上下文中的類型和身份相對(duì)應(yīng)。

表1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 1 Node data structure

表2 邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 2 Edge data structure

1.2 室內(nèi)POI數(shù)據(jù)模型

POI是用戶路徑規(guī)劃中重點(diǎn)關(guān)注的一類信息，目前對(duì)室內(nèi)的POI分類與組成尚無統(tǒng)一定義。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為室內(nèi)路徑規(guī)劃中的POI主要是指用戶尋路過程中可能的起始點(diǎn)或終止點(diǎn)，主要包括房間、建筑物出口以及服務(wù)設(shè)施(如飲水機(jī))三類空間對(duì)象。由于概念模型中僅將建筑物出口抽象表示為節(jié)點(diǎn)，并未將房間和服務(wù)設(shè)施兩類POI抽象為獨(dú)立的圖元。因此，當(dāng)選定某一POI作為路徑規(guī)劃的起點(diǎn)或終點(diǎn)時(shí)就涉及如何將POI轉(zhuǎn)換到路網(wǎng)中指定位置的問題。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)如表3所示POI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其字段有ID、類型、名稱、對(duì)應(yīng)室內(nèi)對(duì)象類型及ID、幾何邊界、定位點(diǎn)、語義位置以及關(guān)聯(lián)出口(包括類型和原始ID)。其中關(guān)聯(lián)出口主要包括門和窗戶兩類，房間關(guān)聯(lián)出口是指可進(jìn)出該房間的門或窗戶；建筑物出口的關(guān)聯(lián)出口則為其自身；對(duì)服務(wù)設(shè)施而言，若處于房間內(nèi)部則其關(guān)聯(lián)出口與所處房間相同，反之則為空。

表3 POI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 3 POI data structure

基于該P(yáng)OI數(shù)據(jù)模型，當(dāng)選定某一POI作為路徑規(guī)劃起點(diǎn)或終點(diǎn)時(shí)，其與圖模型轉(zhuǎn)換方法如下：1)選定POI類型為房間：將該P(yáng)OI所有關(guān)聯(lián)的出口作為備選的起始節(jié)點(diǎn)或終止節(jié)點(diǎn)，分別計(jì)算多條備選路線的權(quán)值，其中權(quán)值最小路線所對(duì)應(yīng)的首節(jié)點(diǎn)或末節(jié)點(diǎn)即為當(dāng)前的起始或終止節(jié)點(diǎn)。2)選定POI類型為建筑物出口：此時(shí)直接將其轉(zhuǎn)換為路網(wǎng)中對(duì)應(yīng)的建筑物出口節(jié)點(diǎn)即可。3)選定POI類型為服務(wù)設(shè)施：首先判斷該P(yáng)OI關(guān)聯(lián)出口是否為空，若為空則表示該P(yáng)OI處于走廊內(nèi)部，此時(shí)計(jì)算距該P(yáng)OI定位點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)或邊，并將其與最近節(jié)點(diǎn)或者對(duì)應(yīng)的最近邊垂足點(diǎn)相連動(dòng)態(tài)加入路網(wǎng)。若不為空則將其與對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)出口相連動(dòng)態(tài)加入原有路網(wǎng)。

2 面向路徑規(guī)劃的上下文建模

上下文是一個(gè)非常寬泛的概念，通常需根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)，選取與當(dāng)前應(yīng)用關(guān)系最為密切的上下文信息并對(duì)其進(jìn)行建模。借鑒文獻(xiàn)[15]對(duì)位置服務(wù)上下文的描述，本文上下文建模主要考慮用戶本身及所處環(huán)境中描述其狀態(tài)、影響其通行的上下文信息。進(jìn)一步區(qū)分可將路徑規(guī)劃上下文分為客觀空間環(huán)境、用戶自身特性以及動(dòng)態(tài)變化的外部環(huán)境?？陀^環(huán)境主要指用戶所處的建筑物環(huán)境，上章室內(nèi)空間建模的實(shí)質(zhì)即為對(duì)客觀空間環(huán)境的單獨(dú)建模。因此，本章主要考慮對(duì)用戶自身特性以及動(dòng)態(tài)變化的外部環(huán)境兩類上下文的描述。參照智能室外導(dǎo)航中上下文建模內(nèi)容，結(jié)合對(duì)典型室內(nèi)路徑規(guī)劃情況的分析，此處重點(diǎn)研究“擁擠”和“事件”兩類動(dòng)態(tài)變化的外部環(huán)境上下文信息。另外，由于現(xiàn)實(shí)世界中的客觀實(shí)體與現(xiàn)象均具有時(shí)空屬性，本文將時(shí)間和位置作為基礎(chǔ)上下文要素也納入上下文的建模當(dāng)中。下面以時(shí)間、位置、用戶、擁擠、事件5類典型上下文信息建模為案例，對(duì)面向室內(nèi)路徑規(guī)劃的上下文建模進(jìn)行分析。

2.1 時(shí)間

在情景中，時(shí)間是一個(gè)觸發(fā)變化的因素[16]。時(shí)間數(shù)據(jù)包括時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段兩種。對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

時(shí)間點(diǎn)：TimePoint=(year,month,day,hour,minitue,second)

時(shí)間段：TimeSegment=(TimePointi,TimePointj)

其中，時(shí)間點(diǎn)是定義在特定時(shí)區(qū)下的某一時(shí)刻，通過年、月、日、時(shí)、分、秒來描述，路徑規(guī)劃中的特征時(shí)間點(diǎn)主要有用戶發(fā)出請(qǐng)求時(shí)刻，室內(nèi)設(shè)施開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)等。時(shí)間段由兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)組合而成，如門的打開與關(guān)閉時(shí)間點(diǎn)共同組成門的打開時(shí)間段。

基于時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的先后順序可推斷出時(shí)間點(diǎn)之間的關(guān)系，分別用“<”、“=”、“>”表示之前、同時(shí)、之后3種時(shí)間關(guān)系。基于時(shí)間點(diǎn)關(guān)系，可進(jìn)一步判定時(shí)間點(diǎn)與時(shí)間段之間的包含關(guān)系，如某一門打開時(shí)間段為(TimePoint1,TimePoint2)，若當(dāng)前的時(shí)間點(diǎn)TimePoint滿足TimePoint1≤TimePoint≤TimePoint2，則可判定該門處于可通行狀態(tài)。

2.2 位置

室內(nèi)位置信息主要有幾何位置和語義位置兩種描述方式，幾何位置通過定義在笛卡爾坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)描述，語義位置則通過地址和屬性對(duì)其進(jìn)行描述。對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

坐標(biāo)位置：CoordLocation=({(x1,y1,z1),…(xn,yn,zn)},reference)

語義位置：SecLocation=(adress(floor,num,name),attribute(function,owner))

其中，坐標(biāo)位置分為點(diǎn)狀、線狀、面狀和體狀4種，不同類型位置對(duì)應(yīng)坐標(biāo)描述不同，reference表示該坐標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的參考坐標(biāo)系，既可是世界坐標(biāo)系也可是局部坐標(biāo)系。語義位置的地址包括樓層、房間號(hào)、名稱，屬性則內(nèi)含功能與所屬兩個(gè)屬性項(xiàng)。

幾何位置與語義位置描述的側(cè)重點(diǎn)以及描述方式上存在較大差異。實(shí)際路徑規(guī)劃上下文信息中可能同時(shí)存在兩種不同形式的位置信息，但最終都需將其轉(zhuǎn)換到圖模型中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)或邊上，從而用于支持路徑分析。路徑規(guī)劃中需重點(diǎn)對(duì)一些特征位置信息進(jìn)行關(guān)注，如用戶當(dāng)前位置、路徑規(guī)劃請(qǐng)求中的起點(diǎn)與終點(diǎn)位置以及事件和擁堵情況所發(fā)生的區(qū)域位置。

2.3 用戶

用戶是路徑規(guī)劃應(yīng)用的主體與核心所在，不同用戶在通行能力、通行權(quán)限以及其他個(gè)體特征上均存在一定差異，定義用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

User=(id,name,type,identity,preference,location,time)

id、name、type、identity、preference分別表示用戶標(biāo)識(shí)、姓名、類型、身份、路徑偏好，location和time則表示用戶當(dāng)前位置和用戶發(fā)出請(qǐng)求的時(shí)刻。其中，用戶類型主要包括普通用戶、聽覺障礙用戶、視覺障礙用戶、移動(dòng)障礙用戶(輪椅用戶)等，不同類別的用戶對(duì)應(yīng)的通行能力不同。用戶身份主要依據(jù)用戶的室內(nèi)通行權(quán)限進(jìn)行劃分，一般可將其分為工作人員和非工作人員兩類，也可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)一步細(xì)化，如可將醫(yī)院工作人員劃分為醫(yī)生與護(hù)士。用戶的室內(nèi)路徑偏好可初步劃分為垂直通道偏好和水平通道偏好兩類。其中垂直通道偏好主要由“不走樓梯”、“不走電梯”以及“不走扶梯”中的一項(xiàng)或多項(xiàng)組合描述。水平通道偏好主要通過“只走主通道”描述，選取該偏好表示不能將房間內(nèi)部的路網(wǎng)作為最優(yōu)路徑。

2.4 擁擠

交通擁擠狀況為室外車輛導(dǎo)航中重點(diǎn)考慮的一個(gè)上下文因素，主要通過車流量的大小來描述實(shí)時(shí)交通狀況。類似的，室內(nèi)通行中也存在擁擠情況，特別是在大型商場(chǎng)、火車站等人員密集場(chǎng)所，人群的通行速度和擁擠狀況密切相關(guān)。

擁堵的發(fā)生與人們的生產(chǎn)、生活以及社會(huì)活動(dòng)相關(guān)，具有周期性變化特征[17]。例如，商場(chǎng)一般在周末、節(jié)假日等時(shí)間容易出現(xiàn)擁堵，而工作日的人流量一般較小，同一天內(nèi)通常上班時(shí)間人流量較小，下班時(shí)間人流量較大。因此，根據(jù)其周期性變化特點(diǎn)，將一年的日期分為不同類別，并針對(duì)某一類日期的特定情況，將一天的時(shí)間劃分為不同時(shí)段。實(shí)際應(yīng)用中，可基于對(duì)某一類建筑物實(shí)測(cè)人流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)日期的類型和時(shí)段進(jìn)行劃分，日期類別定義如下：

Type={ts1,…,tsn}

所有的類別構(gòu)成類別集，具體的一天必定屬于類別集合中的某一特定類別。類別集定義為：

Typeset={p1，…,pm}

式中:m∈N表示類別數(shù)量；pi∈Type表示第i個(gè)類別(1≤i≤m)。

需指出的是，與室外不同，各類建筑環(huán)境下的時(shí)間分類分段有所區(qū)別。例如，火車站和商場(chǎng)的擁擠時(shí)間分段有所差異，商場(chǎng)的人流量主要與用戶休閑時(shí)間相關(guān)，火車站的擁擠時(shí)間則與列車的出發(fā)及到達(dá)時(shí)間密切相關(guān)。因此，針對(duì)不同類型的建筑物需建立對(duì)應(yīng)的擁堵情況時(shí)間分類分段描述。

基于以上對(duì)時(shí)間分類分段的論述，定義擁擠情況數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

Jam=(id,(p,ts),location,level)

id表示時(shí)間分類分段標(biāo)識(shí)，組合(p,ts)中p表示該時(shí)間分區(qū)對(duì)應(yīng)的日期類型，ts表示時(shí)間分區(qū)，location表示該時(shí)間分區(qū)對(duì)應(yīng)的擁堵區(qū)域，level表示對(duì)應(yīng)的擁擠程度。其中，定性地將level劃分為正常、輕度擁擠、中度擁擠、重度擁擠4類情況。

2.5 事件

事件是指環(huán)境中所發(fā)生的影響用戶通行的特殊情況，主要對(duì)通道的通行狀態(tài)產(chǎn)生影響，根據(jù)其特征將事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為：

Event=(id,type,time,location,level)

id表示事件標(biāo)識(shí)，type表示事件類型，time表示事件的生命周期(包括發(fā)生與持續(xù)的時(shí)間)，location表示事件發(fā)生位置，通常為某一區(qū)域，level表示事件等級(jí)。其中，事件類型包括設(shè)施故障，計(jì)劃活動(dòng)，突發(fā)事故3類，設(shè)施故障是指室內(nèi)通行設(shè)施運(yùn)營(yíng)的突發(fā)情況，如電梯停運(yùn)。計(jì)劃活動(dòng)是指提前計(jì)劃將要發(fā)生的影響通道通行狀態(tài)的行為，如安全警戒區(qū)域設(shè)定、室內(nèi)道路改造等。突發(fā)事故是指偶然發(fā)生的影響道路通行的事件，如火災(zāi)。事件等級(jí)主要通過道路的影響程度定義，分為輕微、中等、嚴(yán)重、特別嚴(yán)重4級(jí)。

擁擠和事件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，也可將擁擠看作是一類特殊的事件。上文是對(duì)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)定義，而非對(duì)通道人流量的實(shí)時(shí)、定量建模，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中難以完全實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)區(qū)域擁擠情況的實(shí)時(shí)處理、分析，而基于人流統(tǒng)計(jì)分析的定性建模方式則有利于提高上下文的感知效率。

3 上下文感知的路徑規(guī)劃算法

上下文感知的室內(nèi)路徑規(guī)劃流程如圖1所示，不同階段所受上下文的影響有所差異。其中，權(quán)值初始化以通行時(shí)間為路網(wǎng)的初始權(quán)值；初始路網(wǎng)的構(gòu)建則是根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)所在樓層動(dòng)態(tài)構(gòu)建用于路徑分析的樓層路網(wǎng)。下面重點(diǎn)對(duì)“確定起始與終止節(jié)點(diǎn)”、“確定可用路網(wǎng)”、“權(quán)值更新”3個(gè)關(guān)鍵階段進(jìn)行分析。

圖1 上下文感知的室內(nèi)路徑規(guī)劃流程Fig.1 Flow chart of context-aware indoor routing

(1)確定起始與終止節(jié)點(diǎn)。確定起始與終止節(jié)點(diǎn)是指將用戶原始路徑規(guī)劃請(qǐng)求中的起點(diǎn)和終點(diǎn)轉(zhuǎn)換到路網(wǎng)中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。原始路徑規(guī)劃請(qǐng)求中的起點(diǎn)和終點(diǎn)主要來源有：交互界面選擇、用戶輸入以及用戶當(dāng)前位置3類，包括幾何和語義兩種位置表現(xiàn)形式。根據(jù)位置描述形式的不同，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換過程有所區(qū)別。若為語義位置，則將其與POI匹配，并利用1.2節(jié)所提POI到節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換方式確定其對(duì)應(yīng)的起始或終止節(jié)點(diǎn)；若為坐標(biāo)位置，首先判斷該坐標(biāo)點(diǎn)位置是否位于某一房間內(nèi)部，若成立則建立該點(diǎn)與房間對(duì)應(yīng)出口之間的連接關(guān)系，進(jìn)而動(dòng)態(tài)加入到路網(wǎng)當(dāng)中；反之則將該點(diǎn)與距離其最近節(jié)點(diǎn)或最近邊垂足點(diǎn)相連動(dòng)態(tài)加入路網(wǎng)。

(2)確定可用路網(wǎng)。確定可用路網(wǎng)是指根據(jù)上下文背景條件排除初始路網(wǎng)中不可用的路徑。主要涉及用戶類型、用戶身份及用戶請(qǐng)求時(shí)間3類上下文信息，分別對(duì)應(yīng)于導(dǎo)航模型數(shù)據(jù)格式中的“受限用戶類型”、“受限用戶身份”及“開關(guān)時(shí)間”3個(gè)字段。通過對(duì)初始路網(wǎng)中所有的邊進(jìn)行遍歷，判斷當(dāng)前各類上下文信息是否屬于其對(duì)應(yīng)的受限范圍，若成立則將該邊權(quán)值設(shè)定為無窮大即可，反之則不作處理。

(3)權(quán)值更新。權(quán)值更新是指根據(jù)當(dāng)前的上下文背景條件對(duì)可用路網(wǎng)的邊權(quán)值進(jìn)行更新。首先將用戶的請(qǐng)求時(shí)間與擁擠以及事件上下文的時(shí)間信息進(jìn)行匹配，確定當(dāng)前時(shí)刻下兩類上下文對(duì)應(yīng)的影響區(qū)域，然后對(duì)區(qū)域內(nèi)受影響的邊進(jìn)行加權(quán)處理。兩類上下文對(duì)應(yīng)影響因子如下：

擁堵情況影響因子μ：不同的擁擠等級(jí)對(duì)行人的通行速度影響大小不同，一般用人流大小表示室內(nèi)通道的擁擠程度，其重要衡量指標(biāo)為人流密度(單位面積上人員的數(shù)目)。災(zāi)害救援領(lǐng)域研究中已提出了多種行人速度和人流的關(guān)系公式[18,19]，借鑒文獻(xiàn)[18]中所提水平通道速度和人流的關(guān)系模型(式(1))，對(duì)不同道路擁堵等級(jí)下對(duì)應(yīng)人流量大小以及平均速度做出規(guī)范，并通過平均速度除以正常速度(此處為1.4 m/s)確定其對(duì)應(yīng)的μ值(表4)。

(1)

式中：V表示行人的通行速度(m/s)，ρ表示人流量大小(人/m2)。

表4 擁堵情況影響因子Table 4 Impact factor of congestion

事件影響因子λ：根據(jù)事件影響程度的大小設(shè)定相應(yīng)的權(quán)值，此處側(cè)重于對(duì)于事件所產(chǎn)生影響的定性建模，主觀對(duì)其賦權(quán)：影響程度分為輕微、中等、嚴(yán)重和特別嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)賦值分別為0.9、0.6、0.3和0.01。權(quán)值越大表示所受事件影響越小，未受事件影響的區(qū)域的權(quán)值則為1。應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)影響因子作相應(yīng)調(diào)整。

確定上下文影響區(qū)域?qū)?yīng)的影響因子后，即可進(jìn)行權(quán)值的更新。擁擠與事件對(duì)應(yīng)的權(quán)值更新公式分別為式(2)與式(3)，其中，ei、ej分別表示當(dāng)前時(shí)間下?lián)矶聟^(qū)域與事件影響區(qū)域內(nèi)的任意一條邊。

weightei′=weightei×(1/μ)

(2)

weightej′=weightej×(1/λ)

(3)

4 實(shí)例分析

根據(jù)第一章所提室內(nèi)導(dǎo)航模型，選取鄭州某商場(chǎng)1、2層樓層平面圖為數(shù)據(jù)源，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的室內(nèi)拓?fù)渎肪W(wǎng)(圖2)。以路徑通行時(shí)間為權(quán)值，對(duì)其進(jìn)行初始賦權(quán)，在此基礎(chǔ)上展開不同情境下的路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)。

圖2 樓層1(左)和樓層2(右)的平面圖以及對(duì)應(yīng)的路網(wǎng)Fig.2 Floor plan of the first floor (left) and second floor (right) with their indoor network

此處側(cè)重于方法的驗(yàn)證，采用模擬、預(yù)設(shè)等方式構(gòu)建路徑規(guī)劃上下文仿真實(shí)驗(yàn)條件，分別設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)，以證明本文所提模型與方法的有效性。實(shí)驗(yàn)1主要是對(duì)不同用戶上下文背景的路徑規(guī)劃進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)2則開展不同擁擠情況和事件兩類上下文背景條件下的路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，兩組實(shí)驗(yàn)中均不受其他未標(biāo)明上下文的影響。

實(shí)驗(yàn)1：實(shí)驗(yàn)條件如表5所示，圖3為其對(duì)應(yīng)結(jié)果。由圖3可知，情境2與情境3所規(guī)劃路線相同，但與情境1路線有所差異。其中情境2中由于房間143處于關(guān)閉狀態(tài)，因此計(jì)算所得最優(yōu)路線未包含該房間內(nèi)部路段，轉(zhuǎn)而途經(jīng)141、142房間以及對(duì)應(yīng)通道路段到達(dá)目的地。而情境3則由于145房間屬于工作人員專用區(qū)域，對(duì)普通顧客而言該房間對(duì)應(yīng)門所關(guān)聯(lián)的水平邊均為不可用邊，進(jìn)而導(dǎo)致其最優(yōu)路徑并未通過房間145。情境4中則由于當(dāng)前用戶偏好為“只走主通道”，使得其路線僅限于室內(nèi)通道區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)2：實(shí)驗(yàn)條件如表6所示，其對(duì)應(yīng)結(jié)果見圖4。

表5 實(shí)驗(yàn)1上下文背景Table 5 Context of experiment 1

圖3 實(shí)驗(yàn)1最優(yōu)路徑Fig.3 Optimal routes of experiment 1

由圖4可知，情景2與情境1路線差異較大，主要是由于在情景2中擁堵情況較為嚴(yán)重，從而使得樓層1和樓層2的路線均有所不同。對(duì)比情景2和情景3的路線可知，由于情景3中二樓事件發(fā)生區(qū)域與原有情景2的二樓最優(yōu)路線部分恰好重合，因此路徑規(guī)劃過程中綜合考慮兩層樓路網(wǎng)的權(quán)值變化，重新推薦了一條與原有兩條路線均有所不同的路線。

表6 實(shí)驗(yàn)2上下文背景Table 6 Context of experiment 2

圖4 實(shí)驗(yàn)2最優(yōu)路線Fig.4 Optimal routes of experiment 2

綜合對(duì)上述兩組實(shí)驗(yàn)的分析可知，本文所提模型與路徑規(guī)劃方法能夠有效根據(jù)上下文背景條件推薦出適合當(dāng)前應(yīng)用情境的最優(yōu)路徑。

5 結(jié)語

針對(duì)上下文感知的路徑規(guī)劃需求，本文分別建立了空間與上下文兩類信息的基礎(chǔ)模型?？臻g建模中對(duì)已有導(dǎo)航模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展與改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航相關(guān)語義信息的統(tǒng)一、規(guī)范化表達(dá)，并提出了室內(nèi)POI的數(shù)據(jù)模型及其與導(dǎo)航模型的關(guān)聯(lián)方法；上下文建模部分提出了5類典型上下文信息的描述模型。結(jié)合上下文感知的路徑規(guī)劃流程具體分析了空間模型與上下文模型的結(jié)合方法，并給出其中路網(wǎng)權(quán)值更新的實(shí)現(xiàn)算法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提模型與方法能夠有效針對(duì)不同上下文背景得出合理有效的最優(yōu)路徑。下一步工作將對(duì)上下文模型進(jìn)行細(xì)化、擴(kuò)展，并接入多源傳感器信息，發(fā)展面向?qū)嵉氐纳舷挛母兄氖覂?nèi)路徑導(dǎo)航系統(tǒng)。

[1] 溫永寧,張紅平,閭國年，等.基于房產(chǎn)空間數(shù)據(jù)的樓宇空間疏散路徑建模研究[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2011,13(6):788-796.

[2] GILLIERON P V,MERNINOD B.Personal navigation system for indoor applications[C].11th IAIN World Congress,2003.21-24.

[3] LEE J.A three-dimensional navigable data model to support emergency response in microspatial built-environments[J].Annals of the Association of American Geographers,2007,97(3):512-529.

[4] THILL J C,DAO T H D,ZHOU Y.Traveling in the three-dimensional city:Applications inte planning[J].Journal of Transport Geography,2011,19(3):405-421.

[5] YUAN W J,SCHNEIDER M.iNav：An Indoor Navigation Model Supporting Length-Dependent Optimal Routing[M].Geospatial Thinking.Berlin:Springer,2010.299-313.

[6] LIU L,ZLATANOVA S.A"door-to-door"path-finding approach for indoor navigation[C].Proceedings of GeoInformation for Disaster Management Conference,2011.3-8.

[7] DAVIDE R,ZLATANOVA S,CLEMENTINI E.Route directions generation using visible landmarks[C].Proceedings of the Sixth ACM SIGSPATIAL International Workshop on Indoor Spatial Awareness.ACM,2014.1-8.

[8] TSETSOS V,ANAGNOSTOPOULO C,KIKIRAS P.Semantically enriched navigation for indoor environments[J].International Journal of Web and Grid Services,2006,4(2):453-478.

[9] DUDAS P M,GHAFOURIAN M,KARIMI H A.ONALIN:Ontology and algorithm for indoor routing[C].Tenth International Conference on Mobile Data Management:Systems,Services and Middleware,2009.720-725.

[10] 齊曉飛,王光霞,周小軍,等.導(dǎo)航地圖情境建模[J].地理信息世界,2014,21(2):6-12.

[11] 梁晶.上下文感知計(jì)算及其在智能交通中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2011.

[12] 王江晴,康立山.動(dòng)態(tài)車輛路徑問題中的實(shí)時(shí)最短路徑算法研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2007,31(1):46-49.

[13] 林雕,宋國民,鄧晨.基于圖的語義室內(nèi)導(dǎo)航模型構(gòu)建研究[J].測(cè)繪工程,2015,24 (1):48-52.

[14] KARIMI H A,GHAFOURIAN M.Indoor routing for individuals with special needs and preference[J].Transactions in GIS,2010,14(3):299-329.

[15] 齊凌艷,陳榮國.位置服務(wù)的上下文信息模型[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2014,2:007.

[16] LIJDING M E M,BENZ H P,MERATNIA N,et al.Smart signs:Showing the way in smart surroundings[R].Technical Report TR-CTIT-06-20 Centre for Telematics and Information Technology,University of Twente,Enschede,2006.

[17] 鄭年波,陸鋒,李清泉.面向?qū)Ш降膭?dòng)態(tài)多尺度路網(wǎng)數(shù)據(jù)模型[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2010,39(4):428-433.

[18] LO S M,FANG Z,LIN P,et al.An evacuation model:The SGEM package[J].Fire Safety Journal,2004,39:169-190.

[19] PREDTECHENSKII V M,MILLILINSKII A I.Planning for Foot Traffic Flow in Buildings[M].India:Amerind Publishing Co,1983.

Study on the Context-Aware Indoor Path Planning

LIN Diao,SONG Guo-min,YOU Xiong,JIA Fen-li，DENG Chen

(InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China)

To provide a more advanced and personalized indoor routing service for users in different scenarios,an refined indoor navigational data model is defined which provide a unified and concise description of the geometric,topological and semantic information of indoor space.As the significance of POI during the path planning,a POI data model is proposed,and classified into three types:room,building exit and services facility,then the conversion methods between each type and the navigational model are given respectively.Five typical contexts:time,location,user,congestion and event are selected as the components of the indoor routing context due to their significant influence on indoor routing,and corresponding descriptive model for each context is established along.Based on the proposed spatial and contextual models,the processes and methods of context-aware indoor routing are presented,which gives an elaborate interpretation on how to combine the two models together smoothly for the path planning.According to the features of congestion and events,two key weight updating algorithms are then built.Two simulated indoor routing experiments are designed for various preset indoor path planning scenarios,the results of which validated the effectiveness and efficiency of the proposed models and methods.

indoor path planning;indoor POI modeling;context modeling;context-aware;weight updating

2015-11-13；

2016-01-11

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)基金項(xiàng)目(2013AA12A202)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371382)

林雕(1991-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)槭覂?nèi)導(dǎo)航及室內(nèi)空間建模。E-mail：srlind213@126.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.03.002

P208

A

1672-0504(2016)03-0008-06