科研筆記(六) 基於環境感知的室內路徑規劃方法

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論文題目：An Indoor Route Planning Method With Environment Awareness
論文作者：Yan Zhou, Hong Chen, Yueying Huang, Yunxin Luo, Yeting Zhang, Xiao Xie；
工作單位：電子科技大學；
發表會議：IGARSS 2018。

1. 論文摘要

針對複雜室內環境下的用戶導航需求，本文提出了一種具有環境感知的室內路徑規劃方法。考慮到用戶導航的可訪問性、簡潔性和舒適性，本文首先描述了室內導航網絡的建模方法，定義了室內環境語義的表達。在此基礎上，將路徑複雜度、擁擠度、阻塞事件等環境語義引入到室內導航網絡模型中，給出了導航成本函數。最後，將導航成本函數、環境語義引入到傳統的Dijkstra算法中，提出了一種最優的室內路徑規劃方法。實驗結果表明，該方法能有效提高用戶在室內導航中的舒適性體驗。

2. 引言

室內路徑規劃主要應用於室內導航和緊急疏散領域。隨着複雜的室內環境對導航需求的不斷增加，許多著名的地圖服務提供商都將室內路徑規劃作爲地圖服務的基本特徵之一，如Google地圖、Bing地圖、百度地圖等。

相關研究提供了不同的室內路線規劃方法。基於IFC的路徑規劃充分考慮了三維模型的幾何信息和語義信息，提高了路徑規劃的實用性;採用語義豐富的室內導航方法，將用戶信息和行爲語義拓展到路徑規劃中，提供以用戶爲中心的個性化路線規劃服務;基於情景感知的室內導航擴展上下文信息和用戶偏好信息，實現室內最佳路徑規劃。不同於上面的方法,本文提出了基於環境感知的室內路徑規劃方法，其認爲室內導航環境語義,如路徑複雜性、擁擠程度和阻塞事件,從而規劃室內導航路線且有助於提高用戶的舒適體驗。

3.室內導航網絡模型

室內導航網絡是室內路徑規劃和導航服務的關鍵。室內導航網絡建模中使用最廣泛的是幾何模型，它可以描述室內空間的幾何和拓撲特徵。

本文建立了基於“節點—邊”表示圖理論的室內導航網絡模型。房間和門抽象爲節點;這些節點由邊連接。走廊抽象地以中心線表示;節點和中心線(門和走廊)也通過邊緣聯繫起來。

3.1 室內導航網絡

一個示例說明了如圖1所示的室內導航網絡建模的細節。爲了清楚地展示細節，圖1（a）中的3D室內模型的紅色虛線部分被放大並顯示在圖1（b）中。房間和門的節點分別根據其幾何中心在二維投影中表示。 然後建立邊緣以連接房間節點和門節點，如圖1（b）中的L0，L2，L4和L6所示。同時，門之間的邊緣專爲多門房間而建。以房間R3爲例，R3具有三個門D2，D3和D4，因此相應地建立了邊緣L1，L3，L5以連接多個門，如圖1（b）所示。 圖1（b）的建模結果如圖1（c）所示。 室內導航網絡的其餘部分也可以相同的方式使用。

3.2 環境語義表示

1. 路徑複雜度
   相關研究表明，在導航中，路徑複雜度可能與路徑長度同樣重要。人們更喜歡選擇一個更簡單的導航路徑而不是最短路徑，因爲它意味着更少的模糊性和更容易理解。在幾十個路徑複雜度指標中，拐角數是最常用的標準之一，它直接反映了路徑的複雜度。因此，我們使用拐角數來表示路徑複雜度的語義如下：
   path_complexity= {number_turns}
   其中，number _turns表示導航路徑中的拐角數。

2. 擁擠程度
   擁擠程度是影響用戶導航舒適度的最重要因素，尤其是對於購物商場、火車站和機場候機樓等大型複雜室內環境。因此，本文對擁擠度進行如下描述：
   path_crowd ={ crowd_type, crowd_range,Tc}
   其中，crowd_type表示擁擠程度的類型,crowd_range表示擁擠程度的範圍長度，Tc表示擁擠時間。根據交通速度(V)與人羣密度§的關係如下所示，
   $V=\left\{\begin{array}{lr}1.4 & \rho \leq 0.75 \\ 0.0412 \rho^{2}-0.59 \rho+1.867 & 0.75<\rho \leq 4.2 \\ 0.1 & \rho>4.2\end{array}\right.$
   可以計算出人羣類型，並將其劃分爲4個層次，如表1所示。
   

3. 阻塞事件
   阻塞事件可能導致路由規劃不可用。室內導航環境的阻塞事件通常是由設施故障、意外事故、人爲阻塞等原因引起的。爲了描述阻塞事件對室內導航的影響，本文對阻塞事件語義進行了描述：
   
   event_range=$\left(v_{1}, v_{2}, \ldots, v_{n}\right)$表示受阻塞事件影響的節點集。$v_i$=1,代表節點可達，$v_i$=0,代表節點不可達。$T_{es}$代表由阻塞事件所導致的阻塞時間。

3.3 具有環境語義的導航成本函數

本節將環境語義引入到室內導航網絡模型中，構建導航代價函數，使導航網絡模型不僅具有幾何信息，而且包含豐富的環境語義信息。考慮路徑複雜度、擁擠度和阻塞事件的環境語義，定義導航代價函數
$G^{*}=\frac{\omega_{c} f_{c r o w d}^{*}\left(v_{i}, v_{j}\right)+\omega_{t} f_{t u r n}^{*}\left(V_{i}\right)}{\omega_{e} f_{e v e n t}^{*}\left(V_{j}\right)}$
基於成本函數，可根據導航環境的變化動態更新室內規劃路徑的導航成本。路徑複雜度和擁擠程度的增加或阻塞事件的發生都會引起代價函數G* 的動態更新，說明有效的動態環境感知能夠避免複雜的路徑、擁塞和阻塞事件，有助於改善用戶體驗。

4. 室內路徑規劃

本文提出了一種具有環境感知的室內路徑規劃方法，其將環境語義與傳統的Dijkstra算法相結合。本文提出的方法採用3.1節所述的基於節點邊緣的室內導航網絡模型，以具有動態環境語義的導航成本作爲室內導航網絡的邊緣權值，然後基於Dijkstra算法規劃室內導航路徑。算法流程圖如下所示，主要包括以下幾個步驟：

• 步驟1:基於節點-邊緣圖模型的室內導航網絡建模;
• 步驟2:根據環境語義，根據導航代價函數更新* G的值，並將* G指定爲室內導航網絡的邊緣權值;
• 步驟3:使用Dijkstra算法搜索導航代價最小* G的室內導航路徑;
• 步驟4:如果導航環境發生變化，返回步驟2;否則，結束算法。

5. 實驗分析

根據以上所述，我們的實驗採用六層建築模型構建室內導航拓撲網絡模型，如下所示。

實驗選取節點23和節點216作爲開始節點和目的節點，如圖4所示。根據如式(6)所示擁擠程度成本函數的定義，當擁擠類型爲通暢、輕度、中度、重度時，α可指定爲:1.0、2.0、4.0、8.0。擁擠度、路徑複雜度和阻塞事件的權重均設置爲0.7。

室內路徑規劃結果如表2所示，傳統的Dijkstra算法只考慮路徑長度，得到的最短路徑如圖4所示。然而，本文提出的最優方法考慮了路徑複雜度、擁擠程度、阻塞事件等室內環境語義信息，得到的最優路徑如圖5所示。雖然與傳統的Dijkstra算法相比，該方法的路徑長度略有增加，但轉彎路徑更少，運行時間更短，導航成本更低。該方法考慮到豐富的導航環境語義，通過在室內導航路徑規劃中引入路徑複雜性、擁擠度和阻塞事件，提高了用戶的舒適度。

6. 結論

考慮到用戶導航的可訪問性，簡單性和舒適性，本文描述了環境語義在路徑複雜度，擁擠度和阻塞事件上的表示，並基於環境語義定義了導航成本函數，然後提出了一種最優的室內路徑規劃方法。通過將導航成本函數和環境語義引入傳統的Dijkstra算法。 實驗結果表明，本文提出的方法提高了室內導航用戶的舒適度。

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