基于Supernap的地下應急逃生語音導航系統的設計與實現

蘇令印 陶偉

摘要：為地下人員提供高效、快捷的逃生方式，設計一種基于SuperMap的地下應急逃生語音導航系統。系統采用C/S架構，以服務器端與Android移動端相結合的方式，模擬RFID射頻定位技術實現地下人員在無GPS數據覆蓋區域下的定位；使用SuperMap平臺工具制作地圖數據，實現地下人員定位、逃生線路的可視化；摒棄傳統固定線路、物理設施引導的逃生方式，創新地以地下環境和人員狀態信息為參數輸入、運用A*算法規劃人員逃生線路并通過語音形式，在移動導航終端為地下人員提供安全逃生導航服務。模擬實驗表明，在應急情況下，系統可以高效、準確地將地下人員導航至安全區域，較傳統方法有較大改進。

關鍵詞：地下空間應急逃生；SuperMap；移動導航終端；語音逃生導航

中圖分類號：TP312 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0157-03

隨著地下空間開發現象越來越普遍，地下空間布局愈發復雜，如地下車庫、地下商場等。地下空間難免會發生一些緊急情況。在地下空間的應急逃生導引方面，一個快速、準確的導航系統是緊急情況下迫切需要的。對地下空間人員的逃生導引、線路導航等方面，現有的研究也取得了一定的進展。

目前，國內外針對地下空間的應急逃生研究，最早始于煤礦安全生產問題的研究，例如李希建等提到的救援系統，使用第三方GIS平臺-SuperMap提供的工具，設計井下地圖，實現了對井下人員位置、險情、避災路線、井下各類設施、各類傳感數據顯示等的設計，沒有提出對地下人員逃生導航的功能設計。目前各類煤礦信息系統，都是簡單地為井下人員提供固定的逃生導航線路，沒有對人員進行真正的逃生導引。緊急情況下，傳統煤礦僅簡單通過警笛、燈光、指示牌等設施指引逃生人員在固定線路中進行逃生。而在一些地下公共領域，對于線路引導、逃生引導等方面，仍停留在物理設施方面的引導，如王保勇等提出，采用出入口設計、逃生指引設施建設等方式實現對地下人員的線路引導和逃生指引，均無法將所有可用線路納入到逃生線路中。

隨著信息科技的發展以及無線網絡在GPS無法覆蓋地區的廣泛使用，人們對地下空間內智能線路導引與逃生指引系統的需求也愈發加強。設計一個地下空間應急逃生語音導航系統，可為地下人員提供高效、準確的應急逃生導航服務，幫助地下人員快速擺脫危險環境，降低險情發生時的人員傷害概率。鑒于以上原因，基于SuperMap的地下應急逃生語音導航系統應運而生。系統中，作者通過模擬傳統礦井RFID射頻技術來實現地下人員定位，利用SuperMap提供的工具軟件設計地下地圖數據，使用SuperMap提供的Android SDK設計語音導航Android APP，創新地將所有可用于逃生的線路包含到逃生導航規劃中，利用A*算法為用戶提供高效、準確的應急逃生導航服務，并通過語音指引地下人員到達安全地點。

1地下應急逃生語音導航系統

地下應急逃生語音導航系統中，地圖數據是實現人員定位及定位可視化、線路可視化的基礎。人員定位模塊為系統核心業務——逃生線路規劃提供了保障。A*線路規劃算法是系統的核心部分。而基于Android的移動導航終端是人員地位、逃生線路可視化與逃生導航服務的呈現環節。本章主要從以上幾個方面介紹系統關鍵問題的設計。

1.1地圖數據制作

系統使用SuperMap（超圖）提供的設計軟件結合業務實際需求設計制作。超圖公司是中國和亞洲領先的地理信息系統（Geographic Information System，GIS）平臺軟件企業，主要從事GIS基礎平臺和應用平臺軟件的研究、開發、推廣和服務。使用超圖提供的優秀軟件，幫助設計者解決地下空間地圖數據設計的難題。SuperMap工具制作地下空間地圖的流程如圖1所示。

以地下實際地理環境為依據，將地下地圖以一定比例輸入到SuperMap iDeskTop軟件中。經過配準，實現地圖數據與地下實際環境的統一，繼而通過拓撲構網，構建出地下地圖數據中的線路網，為后期線路規劃提供保障。最后，通過添加相關點、線、面數據集，將地下實物，標注在地圖中，達到與實際地下環境相匹配的目的。同時，為了模擬RFID射頻定位技術的效果，地圖中設計了定位點數據集，方便員工位置、逃生線路的呈現與逃生路徑的規劃。效果圖如圖2所示。

1.2人員定位

系統模擬傳統RFID射頻定位技術，獲取人員位置信息。射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術（又稱電子標簽、無線射頻識別），是20世紀80年代新興的一種自動識別通信技術，它利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別的目的。這種射頻識別系統主要由載有物件信息的標簽和識別標簽信息的閱讀器組成。工作模式包括主動式閱讀和被動式閱讀。由于在成本和技術復雜度方面的優勢，被動式的應用領域更為廣泛，尤其適用于煤礦井下環境。被動式標簽由天線和芯片組成。本系統便是模擬采用這種被動式閱讀工作模式。在本系統設計中，假定用于人員信息采集的射頻識別設備均勻分布在地下空間中（每一個定位點即一個射頻識別設備，如圖2所示綠點），且運轉正常。人員隨身攜帶載有自身信息的標簽（隨身攜帶的移動導航終端）。攜帶被動式標簽的人員經過射頻設備時，射頻設備便可識別人員信息，通過固定網絡將定位信息發送到服務端數據庫中。當地下人員通過移動導航終端提出定位需求時，服務端便根據人員最新經過的設備id查詢地圖中的位置，將坐標反饋給地下人員，在終端地圖中以POI的形式標注出人員位置。具體流程如下圖3所示。

人員定位點與地圖數據關聯的關系保存在數據庫中，局部數據如圖4所示。

1.3基于A*算法的逃生路徑規劃算法

為呈現不同因子對人員逃生決策的影響，本系統使用A*算法生成人員逃生線路。A*（A-Star）算法是一種靜態路網中求解最短路最有效的直接搜索方法，也是許多其他問題的常用啟發式算法。對于節點n的預估公式表示為：

f（n）=g（n）+h（n） （1）

其中，f（n）是從初始狀態經由狀態n到目標狀態的代價估計，g（n）是在狀態空間中從初始狀態到狀態n的實際代價，h（n）是從狀態n到目標狀態的最佳路徑的估計代價。（對于路徑搜索問題，狀態就是圖中的節點，代價就是距離）h（n）的選取，保證找到最短路徑（最優解的）條件，關鍵在于估價函數f（n）的選?。ɑ蛘哒ff（n）的選?。?。

系統集合地下空間環境、線路狀況、人員身體因素等，將地下空間路網看作一個有向圖G（V，E，A），|V|=n，|E|=m，|A|=m來描述路網。其中頂點v∈V代表路口（有向圖頂點），邊e∈E代表路段，對于每個路口都給出了人員可行參數A中取值α[0，1]，參數集合A中，α值越高，線路被選的概率越高。對于可行參數α，影響其值的因素及取值如表1所示：

在地下應急逃生中，本著安全第一的原則，線路中有無避難場所或安全出口β對線路可行參數α取值影響最大。通過仿真實驗可知，線路可行參數α與各參數之間的數量關系如式（2）所示：

α取值越大，當前線路被選做下一可行路線的概率也就越大。

2系統實現

系統采用C/S架構設計，分為服務端和Android移動導航端。系統各模塊及其子模塊結構如如圖5所示。

2.1服務端模塊

服務端主要功能是響應移動端請求，實現人員位置辨析、逃生線路規劃等功能。服務端由JAVA語言設計開發，搭配使用SQL Server 2008數據庫存儲數據。在業務處理方面，服務端使用Servlet分析用戶請求，結合地下空間環境、人員等信息，利用A*算法規劃人員逃生線路——有序定位點（即坐標點）序列。并將計算所得的線路數據封裝成特定格式的JSON數據，通過HTTP協議發送給移動導航端。主要流程如圖6所示。

2.2移動導航端模塊

Android移動導航端使用IDE——Eclipse-ADT設計，并基于Android 4.0編程實現。開發過程中，為提高開發效率，作者使用SuperMap iMobile for Andmid SDK開發工具開發移動端地圖應用模塊、使用科大訊飛提供的語音開發工具包Android SDK開發設計語音播報模塊。第三方開發工具的使用，使整體開發效率顯著提高。使用小米1S手機進行測試（系統版本為Android4.03）。

2.2.1定位顯示與地圖呈現模塊

地下人員首次打開移動端時，點擊菜單配置個人信息、服務器地址等基礎信息后，將會從服務端下載當前地下的地圖數據。之后進入到主界面。此時移動端便會主動向服務端發送請求，獲取當前位置。獲取范圍坐標位置后，用戶當前的坐標位置將以POI的形式呈現在用戶終端上，方便用戶確定自身位置。

2.2.2語音導航模塊

險情發生時，移動導航端將自動獲取服務端發來的逃生線路數據。獲得數據之后，終端進行數據拆解，形成特定格式的導航文本數據：包含當前位置、轉向提示、距離安全點距離等信息。之后終端自動開啟語音導航模式：通過調用科大訊飛提供的API接口，將導航文本數據以語音的形式播報給用戶，并在終端顯示逃生動態。逃生效果如圖7所示。

3總結

本文詳細介紹了基于SuperMap的地下應急逃生語音導航系統的結構、功能及其主要技術難點。通過模擬實驗，驗證了在沒有GPS數據的條件下，系統能夠較好為地下人員提供定位、語音逃生導航服務。驗證了該系統在險情發生情況下，能夠有效提高人員逃生成功率，降低災害帶來的人員傷害。