BDS和GIS支持下的智能服務手環設計與實現

王雅瀾，趙占驁，趙 詣，張淑穎，楊 旭，簡 季

(1.成都理工大學，四川 成都 610059；2.南方科技大學，廣東 深圳 518055；3.上海第二工業大學，上海 201209)

0 引 言

隨著社會經濟的發展，人們從解決溫飽問題轉移至重視生活享受，其中最為重要的一項娛樂點即城市大型游樂場，以迪士尼、歡樂谷、方特等大型游樂場品牌為代表的游樂場相繼建成并投入使用。然而，迄今為止，游樂設施排隊時間長、人流與資源不匹、游客安全無保障等問題依然存在且嚴重。游樂場管理層也為上述問題提出了一系列解決方案，如人工疏散客流、設備定時巡檢、設置兒童暫管處等，但這些方案多為人工處理，費時費力又無法達到預期效果，為游客帶來了不良的游玩體驗。而現有的智慧旅游系統的研究與使用也只局限于國家A級旅游景區、自然風景區、歷史景觀區等[1-2]，未實現在城市大型游樂場的使用，因此，研究并設計出一款為大型游樂場服務的智慧系統迫在眉睫。

文中將以上問題分為兩類：游客選取最佳游樂設施點問題以及游客自身安全問題。針對這兩個問題，設計了一款內嵌模塊、可穿戴、可重復利用的智能服務手環和基于北斗定位系統和地理信息系統的智能云平臺，實時為游客提供人流密度顯示、人員信息匹配、最佳設施點選取、最佳游玩路線設計、危險區或溢出區警告、求助信息發送等服務，提高游客游玩體驗，方便游樂場管理層的有效管理。

中國北斗衛星導航系統(Beidou navigation satellite system，BDS)是中國自行研制的全球衛星導航系統，屬于主動式雙向測距二維導航，通過地面中心控制系統解算，提供給用戶三維定位數據。除了具有GPS衛星定位的功能以外，還增加了通訊功能，已具備區域導航、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒[3]。中國于2018年11月19日成功完成北斗三號基本系統星座部署，并于12月27日宣布北斗三號開始提供全球服務，使得北斗衛星導航系統的功能更強大、使用范圍更廣泛。地理信息系統(geographic information system，GIS)是對地理現象進行數據采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的空間信息技術，它以位置和地理信息為核心和基礎，解決有關地理信息的問題。

1 總方案設計及工作流程

現有的監測人流密度的方法大多利用視頻監控[4]或紅外預警方式[5]，最新發展起來的是采用WiFi探針技術實現人流量預告[6]，而這些方法普遍存在成本高、易受環境影響等問題。而BDS能夠利用現有資源，在基本不受環境影響的情況下提供人流位置坐標，且成本小，僅需要嵌入北斗功能集成模塊即可完成作業。

文中為智能服務手環設計了兩個模塊：(1)服務模塊。GIS技術中心可根據BDS獲取位置坐標，通過串口傳輸數據，利用位置信息在GIS系統中進行人流密度監測，并以此為基礎為游樂場游客解算最佳游玩設施及最佳游玩路徑，同時使整個游樂場設施資源與游客需求相匹配，達到分流的目的[7-8]；(2)安全模塊。GIS技術中心利用BDS在整個游樂場園區設置電子圍欄，實時監控游客所在位置是否溢出或處于危險區域，并在上述情況發生時向游客發送危險警告信號，另外游客也可在自身發生危險時向中心發送求救信號[9-10]。該智能服務手環的工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程示意

2 核心方案設計

2.1 服務模塊

該設計最核心的方案是顯示人流密度，為游客提供最佳游玩設施點和最佳游玩路徑。該方案涉及到的數據有游樂設施點、可通行道路、由BDS獲取的所有信號點和游客本體信號點，主要步驟如下：

(1)利用所有信號點進行核密度分析，輸出分析結果；

(2)利用游樂設施點進行歐式分配，獲得各設施點的服務范圍，基于該服務范圍對步驟1的結果進行分區統計，得到各服務區平均人流值，根據游樂設施運行一次的承載人數建立等待時間函數，確定各設施需要等待的時間[11]；

(3)利用游客本體信號點、游樂設施點、可通行道路進行網絡分析，獲取本體信號點到各設施點的最短時間路徑，提取該路徑花費時間，與步驟2中等待時間進行比較，獲取最大值，利用該值建立新字段，即成本時間，比較獲取所有成本時間中的最小值，將該最小值對應的設施點作為最佳設施點輸出，將最佳設施點設置為本體信號點，并刪除該點；

(4)對步驟3進行循環遍歷，直到遍歷完所有游樂設施點，按順序輸出所有最佳設施點序號，得到路徑?？奎c順序，再進行最短路徑分析，輸出最佳游玩路徑[12-16]。

以成都歡樂谷為例，在整個園區內獲取1 000個信號點和1個游客本體信號點，以遙感影像為數據源，使用ArcGIS獲取園區邊界矢量數據、道路矢量數據、游樂設施點矢量數據，并根據現實情況為數據賦予一定的屬性值，例如人走路速度、道路通行時間等。

其中，根據已有信號點數據、核密度分析數據及設施點服務區數據統計得到實際人數和預估人數兩組數據，使用MATLAB對兩組數據進行函數擬合分析，發現一次函數關系擬合精度最佳(見表1)，符合擬合精度條件，得到實際人數和預估人數之間的函數關系y=0.001x-0.036 1(見圖2)；通過查閱資料，得到游樂設施運行一次所需時間和可承載人數，同理發現三次函數關系擬合精度最佳(見表1)，符合擬合精度條件，得到等待時間與可承載人數之間的函數關系y=0.000 1x3-0.014 8x2+0.667 1x-3.047(見圖3)。

圖2 實際人數與預估人數函數關系

圖3 等待時間與可承載人數函數關系

利用上述數據與函數關系對服務模塊設計合理性進行檢驗，此處僅選擇“歡樂時光”區作為示例，將人流密度熱力圖疊加在解算得到的最佳游玩路線上?？梢园l現，解算得到的最佳游樂設施點和最佳游玩路徑與人流密度情況基本吻合，能夠提供有效信息，設計合理。將實驗結果通過圖形(見圖4、圖5)進行三維顯示。

圖4 人流密度熱力圖

圖5 最佳游玩設施與最佳路徑

2.2 安全模塊

出于對游客安全問題的考慮，智能服務手環為游客設計了安全服務模塊。該方案主要步驟為利用北斗定位技術在園區周圍設置電子圍欄，并在地圖上相應邊界處劃定安全區域范圍，將獲取的游客本體信號點輸入，對該點進行范圍判斷，若在劃定范圍內，則不反饋信息，繼續監測；若不在劃定范圍內，則發送危險警告信號。

3 軟硬件設計

3.1 硬件設計

該智能手環的核心模塊為北斗導航定位模塊、北斗通信模塊、藍牙模塊，將這三個模塊集成，構成智能服務手環的最核心集成塊。

北斗導航定位模塊是智能服務手環實現服務模塊的核心，采用星通產業旗下的和芯星通UM220-III NL BD2/GPS雙模定位模塊。該模塊是目前市場上尺寸最小的完全國產化BDS/GPS模塊，集成度高，定位導航功能出色，支持單系統和多系統聯合定位[11-12]。北斗通信模塊是智能服務手環實現安全預警的核心模塊，采用北京國翼恒達導航科技的GYM2002A北斗RDSS通信基礎模塊，該模塊體積小，功耗低，性能可靠[13]。藍牙模塊是將智能服務手環與智能手機相連接，使游客在智能云平臺上獲取服務的重要模塊，采用深圳天工測控技術的SKB369(A)模塊。所選取的模塊均能夠在較為極端的環境下正常運行，使用壽命較長，符合該智能手環設計的需要。

通過底板布線，將核心處理板、三大核心模塊、電池、電子顯示屏、按鈕等部件相連接，獲得該智能手環的集成電路板。智能手環終端硬件結構框圖如圖6所示。

圖6 智能手環終端硬件結構框圖

3.2 軟件設計

基于以上核心方案設計，利用C#和ArcGIS Engine開發庫進行該智能云平臺系統設計與開發。軟件設計了兩個核心業務類ServiceModule和SecurityModule，分別對應服務模塊和安全模塊并包含各模塊所需的方法。

其中涉及到連接BDS模塊并將信號傳回、解析坐標并進行圖層顯示、核密度分析、歐式分配、分區統計、最短路徑分析、成本時間計算、最佳設施點提取、設施點游玩順序提取、空間拓撲查詢等核心方法。軟件運行計算結果與前文中成都歡樂谷案例相同。

3.3 外觀設計

該手環主要由屏幕、集成電路板、電池、外殼及表帶構成，使用Rhino對該手環的外觀和內部結構進行設計，得到三維建模設計圖，其爆炸圖如圖7所示。該建模完全依據硬件設計的可靠性完成。

圖7 三維建模爆炸圖

4 實驗案例

在該系統正式進行科學性檢驗之前，對軟硬件的用戶選擇性進行了調查，選取成都歡樂谷及深圳世界之窗周圍的1 000名分散游客進行問卷調查，其中包括10-50歲的青少年和中青年，青年群體占多數。有73.5%的人愿意使用該系統并且認為該系統具有實際的使用價值；45%左右的人認為可以將該系統植入微信等常用手機軟件，方便游客使用。調查結果從用戶需求方面肯定了該方案的設計。

問卷調查結束后，該系統分別在成都市歡樂谷、深圳市世界之窗進行了實地實驗。實驗環境選取在人流密度較大的節假日期間，實驗時間由早上8點至下午5點，貫穿整個游樂園白天開放時間，實驗具有可靠性。在實驗中，該系統在指導行人進行游玩、避免人流擁擠與溢出預警方面展現出了較強的實用性。參與實驗的用戶的平均游玩時間相較其他用戶縮短接近40%，同時游玩體驗有了較大提升。對于模擬的游樂場管理者，相比于原來能夠更加輕松地掌握游客的位置信息、安全信息以及游玩狀態，從而快速而有效地做出決策。整體實驗情況良好，符合預期標準。

5 結束語

針對城市大型游樂場出現的各種問題，結合BDS和GIS，提出了一套解決方案，利用ArcGIS對這套解決方案進行小范圍實驗驗證，并為此設計了一款智能服務手環及其對應的智能云平臺。利用C#和ArcGIS Engine開發庫進行了桌面端軟件設計與開發，并在成都和深圳進行了實際檢驗。檢驗結果表明，該方案可以有效緩解游樂場人員擁堵、人員安全等問題，同時為游客游玩和園區管理提供服務，減少了游客的等待時間，提高了園區管理者的管理效率與效果。