一站式導航技術在地圖盲區的應用

牟志遠+黃琴+張明

摘 要 隨著電網建設投入的不斷加大，各項生產、基建、農電、營銷作業任務十分繁重，現場作業點多、面廣、戰線長，管理人員有限，按照“四不兩直”方式，特別是對小型、零星、分散在偏遠地段的施工作業采取人盯人的安全監督工作模式已無法實現對各作業現場的全過程管控。安全管理人員在不熟悉道路的情況下如果離開作業人員的指引，就難以快速到達現場，甚至走繞路、錯路，加上缺乏有效的技術監管手段，安全管理人員無法全面、準確地掌握生產一線的作業動態，安全風險防控難以做到“橫向到邊，縱向到底，不留死角”。

針對上述問題，眉山供電公司開發了空間定位技術GPS、無線通信技術、地理信息系統GIS和Android智能手機客戶端的現場作業安全管控，利用一站式導航技術記錄和分析人車行進軌跡自動生成支持語音導航的地圖路網信息，對電網、設備、作業現場實施“全覆蓋”和“全過程”管理，大大提高了作業現場的風險防控水平，保障了電網運行安全可靠。

本文將對一站式導航技術作深入分析。

【關鍵詞】一站式導航 三層架構 路網數據庫

1 引言

眉山供電公司自主研發的“現場作業安全管控”成果的核心在于能將城市道路與野外軌跡無縫結合后自動生成地圖路網信息的一站式自助導航技術的研發與拓展應用。在駕車行駛時自動調用城市道路導航系統，在野外步行時自動調用施工人員的行走軌跡進行語音導航，解決了管理人員不能在第一時間以最優路徑、最快速度自主趕往施工現場進行突擊檢查的問題，大大增強了對野外現場作業的管控力度和現場應急搶險的能力。

2 技術架構

一站式自助導航技術的本質是一套可以自動更新地圖的GPS導航系統，完全基于SOA架構設計，實現集中管理、靈活部署和敏捷實施。

系統管理PC端和服務器端采用基于B/S的J2EE三層體系架構，WEB瀏覽器是客戶端最主要的應用軟件。這種模式統一了客戶端，將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，簡化了系統的開發、維護和使用。客戶機上只要安裝一個瀏覽器（Browser），如Netscape Navigator或Internet Explorer，服務器安裝Oracle、Sybase、Informix或 SQL Server等數據庫。瀏覽器通過Web Server 同數據庫進行數據交互。

Web服務器使用Tomcat 6.0，應用服務器則使用Jboss。Tomcat 是一個小型的輕量級應用服務器，在中小型系統和并發訪問用戶不是很多的場合下被普遍使用，是開發和調試JSP 程序的首選。在使用Tomcat作為Web服務器的同時，搭配JBoss作為應用服務器。混合技術模型從最新的操作系統技術里提供了最好的線程和事件處理。JBoss服務器具有原生特性和強大的可擴展性，可支持多種并非基于Java的服務器內容處理技術，可同時運行JSP， Servlet， Microsoft .NET ， PHP 及 CGI，為其提供單一的、高性能的企業級部署平臺。

采用Seam作為系統J2EE中間件技術搭建的三層架構使系統具有開發快、框架結構簡單等特點。Seam建立在實現開放標準的、像JSF和 EJB 3.0這樣的開源項目基礎上，并且整合了其他優秀的開源項目，如Hibernate、jBPM、Facelets、Drools等等。Seam是完全建立在“致力于Java平臺的創新和提高”的開源項目理念上的開源框架。

2.1 前端技術選型

（1）前臺技術：JQuery 1.3.2、JSP 2.0、JavaScript。

（2）用戶體念增強技術： Ajax。

（3）圖形報表：Open Flash Chart 1.9。

（4）Excel報表數據導出：Jxl 1.0。

2.2 服務器端架構技術選型

（1）Web控制器層： Struts 2 、JSF 1.2。

（2）數據持久化層：JPA（Hibernate， Ibatis， topLink）。

（3）商業邏輯處理層：Spring 2.5 、Tomcat 6.0。

（4）工作流引擎：JBPM 4.2。

（5）數據庫：MySQL 6.0關系型數據庫。

3 功能架構

系統界面布局文件是通過XML語言來完成的，在實現過程中使用了線性布局和相關布局兩種布局方式。系統功能設計包括六大模塊，分別為地圖控制模塊、記錄控制模塊、軌跡管理模塊、語音輔助模塊、信息管理模塊、路網數據更新生成模塊。如圖2所示。

3.1 地圖控制模塊

通過設置初始參數以及添加縮放控件，來實現初始地圖的加載、地圖縮放和地圖移動的功能。該模塊基于類Locationdata來實現。

3.2 記錄控制模塊

完成了對GPS信號的獲取和軌跡繪制的控制功能。通過開啟記錄獲取GPS信號來繪制導航點，然后通過暫停記錄繪制軌跡點。該模塊基于類MainActivity來實現。

3.3 軌跡管理模塊

包括軌跡添加、軌跡繪制、軌跡導航、軌跡刪除以及軌跡導入和導出功能。通過將新軌跡路線添加到SQLite數據庫的路線信息表中完成軌跡添加功能。通過GPS定位技術獲取軌跡點經緯度信息，然后添加到SQLite數據庫的位置點信息表中，最后采用Google Maps技術中圖層的思想完成軌跡繪制功能。通過從SQLite數據庫表中獲取位置點信息，調用繪制指示箭頭算法，完成指示箭頭的繪制，然后通過返回軌跡路線與記錄路線進行比對以及對軌跡點相關照片的查看，從而實現軌跡導航功能。該模塊基于類FindPlaceActivity來實現。

3.4 語音輔助模塊

一是添加語音導航功能。在用戶根據軌跡路線返回或者根據已保存的路線導航時，給予語音提示。另外若用戶偏離軌跡路線則發出警示性語音以預防用戶少走彎路。二是豐富軌跡點的位置信息，比如在軌跡位置處增加對應位置點的錄音標注（在岔路口注明是向左轉還是向右轉），并將該處的注意事項分享給其他使用人員方便大家找到你。

該模塊基于DirectionRouteActivity來實現。

3.5 信息管理模塊

包括照片管理和位置管理，照片管理即是照片的存儲與查看，是通過JAVA語言中對文件的操作來實現的。位置管理即軌跡點經緯度的存儲與查看，是通過對SQLite數據庫表的插入與查詢來實現的。該模塊主要由類ShowTrackActivity來實現。

3.6 路網數據更新生成模塊

根據對導航對象的定位信息，記錄其移動的動態軌跡，作為當前路網數據。并將當前路網數據與電子地圖數據庫中的電子地圖中的路網數據相比較，生成數據比較結果。若兩者相互不一致，則將當前最新路網數據存儲于電子地圖數據庫中，從而新增電子地圖數據庫中電子地圖的路網數據信息量。在導航對象移動的過程中，實現對電子地圖路網數據的自動更新，使得地圖能夠更為全面、精確、詳實地反應實地情況，以幫助搜索出最佳的導航路線。

這個模塊主要由類ConnectService來實現。

4 關鍵技術

4.1 從軌跡到路網的轉換方法

GPS設備在記錄移動對象的位置信息時，由于受隨機噪音和誤差的影響而產生冗余等錯誤類型的數據，直接影響了算法運行的效率與轉化質量。所以首先要通過數據預處理（消減冗余數據，去除停滯點，平滑軌跡）后去除原始GPS軌跡的異常值，確保軌跡數據的精確性。然后，利用GPS軌跡自動地生成道路，并進行路網的矢量化處理。最后，以百度地圖等相關信息為參考路網，對路網轉化質量進行驗證。

其中，道路中心線生成方法包括軌跡點聚類、聚類點分割和中心線擬合3個部分，即：先把預處理后的GPS軌跡點進行聚類以此來獲取聚類點，實際上起到了稀疏軌跡樣本點的作用；然后，依據這些聚類點的轉角大小以及相鄰聚類點之間的距離間隔對其進行分割，用于確定道路的擬合順序；再引用準均勻B樣條曲線進行道路擬合，最終生成道路中心線。

4.2 具有自我學習功能的路網數據庫系統

通過具有自我學習功能的路網數據庫系統，運行軌跡智能分析轉化路網算法，可在野外無路網狀態下自動學習、分析和存儲人車所經過的路徑后，將其作為路網增量加入現有路網數據庫，實現新增數據與原有路網數據的融合規劃。

該路網數據庫系統由城市道路導航引擎和野外軌跡導航引擎組成，并根據實際情況在兩種引擎之間進行切換，最終實現一站式導航。實現原理為：

當用戶要去往某個目的地時，系統從任務數據庫中取出目標點，并計算當前所在位置點的距離和夾角，首先在路網信息系統中搜索當前位置點15m范圍內是否有路網，并計算一條到目標點的最近路徑和延伸夾角。如果條件符合將通知野外智能導航使用此路徑引導。在路徑結束時判斷是否到達目標點附近，如果沒有，則自動進人城市道路導航。如城市道路導航只能到達目標點附近時，城市道路導航將向路網信息系統提交引導申請，這時路網信息系統將以當前點重新做前期的處理。當沒有合適路網供使用時，路網信息系統通知野外智能導航進入方位引導，并同時記錄下用戶所經過的路徑，方位引導過程中將定時定點向用戶報告轉向參考信息，如：左轉、右轉、掉頭。在用戶到達目標點后將自動激活任務系統，并記錄相關信息。方位引導過程中記錄的路徑如無法重新引導時，路網信息系統采用基于圖形學算法改進的路徑分析算法，進行路徑提取，分析后的路徑將作為路網使用的標準，并在引導過程中實現實時轉向提醒。路徑分析算法效果見圖6。

5 結束語

本成果最大的創新之處在于一站式導航技術的開發與應用。它將“野外軌跡導航”與“城市道路導航”有機結合，克服了傳統民用衛星定位導航系統在野外環境中應用的局限性，能夠滿足電力、石油、地質、林業、國土等行業部門在野外作業時對導航系統的特殊要求，所以在上述行業也有較為廣闊的推廣前景。

下一步，我們將在系統現有的作業現場查勘、施工路徑導航和班前會管理等功能基礎上優化升級，構建一個集施工計劃管理、現場作業標準化管理、現場安全執法管理、安全工器具管理和安全知識教育培訓等功能于一體的電力安全生產綜合管理系統，為更好地建設統一堅強智能電網保駕護航。

作者簡介

牟志遠（1977-），男，四川省富順縣人。大學本科學歷。現為國網眉山供電公司助理工程師。主要研究方向為系統技術構架的建立的研究。

黃琴（1983-），女，四川省眉山市人。大學本科學歷。現為國網眉山供電公司助理工程師。主要研究方向為系統功能構架的建立的研究。

張明（1981-），男，四川省眉山市彭山人。大學本科學歷。現為國網眉山供電公司工程師。主要研究方向是GPS設備記錄移動對象的位置軌跡轉換到路網方法的研究。

作者單位

國網眉山供電公司 四川省眉山市 610032