面向室内与地下空间导航的空间网络构造及路径规划方法与流程

本发明属于室内与地下导航领域，涉及一种面向室内与地下空间导航的空间网络构造及路径规划方法，用于利用所获取工程设计与测量数据建立三维空间路网模型及其导航路径的规划方法。

背景技术：

目前，电子地图服务主要针对室外区域，相关的地图产品比较成熟，具有代表性产品有百度、Google、超图、ArcGIS等地图服务解决方案，在地图定位导航应用方面，电子地图与室外全球导航定位技术广泛结合，为人们的日常出行提供了极大的方便。

随着城市化进程的快速推进和商业经济的迅猛发展，大型建筑物内部与地下工程结构的日益复杂，人类室内活动的不断增加，Strategy Analytics 研究数据表明：人们平均80%至90%的时间是在室内活动的。传统的室外地图服务已经不能满足人们的定位与导航需求。如人们在一些陌生或复杂的环境中找到目标位置、特定的人或目标，例如飞机场、火车站、大型商场、会议中心、博物馆等室内区域定位导航的需求，引起了人们对室内导航系统的关注。因此，如何引导地图使用者在较短时间内按照一系列的规划方向序列找到目的地，用于在室内与地下不熟悉的空间引导使用者，合理获取室内与地下环境中的路径问题是关系到室内与地下空间导航的关键问题。

室内与地下空间导航路径的规划策略与空间数据组织及相应的室内与地下空间的地图模型表达密切相关。百度地图早在2011年发布了室内地图之后，在2012年世界大会上表明会为用户带来“室内定位、生活决策、智能出行、360实景”等四大核心功能的地图服务；高德地图在2014年上线了室内地图服务。但由于缺乏完整的室内地图设计相关理论与方法的支持，已有的地图产品主要侧重于相应空间的地图表达方面，数据模型与空间数据组织方案多样化，不能有效的支持导航路径的个性化规划。

室内与地下空间结构复杂，面向定位信息的室内与地下环境的电子地图数据组织主要侧重于场景建模方面，CityGML、KML of OGC、IFC三个国际标准组织提供的几何表达、属性和可视化所需的数据模型对室内与地下空间的划分无法满足路网的实用性方面的要求。如何利用设计与测量数据，实现更加实用、真实的室内地图导航服务系统，完成路径规划的需求，辅助人们的室内活动显得十分必要。

由于室内与地下数据模型及其组织方法原因，使得室内导航路径生成方法不能将现在的室外导航系统的解决方案直接转移到室内与地下复杂空间环境中，必须考虑各种条件的限制。当前有关室内与地下空间的实用导航服务系统还很少，大部分室内导航系统研究重点主要在于室内与地下空间定位方面，而路径规划方案多面向空间结构较为简单的移动机器人，与人们日常室内与地下空间活动行为有很大的差别，所以实现服务于室内与地下空间导航路径规划存在很多需要研究和解决的问题。

本专利正是基于此，针对复杂的室内与地下空间涉及到多个相互联结的水平空间，为其提供面向导航路径规划服务的一体化三维路网数据集的构建方法，在此基础上，克服已有路径规划算法具有的局限性、效率不高的缺点，实现动态路网的构建、路径的规划及结果的可视化显示。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种面向复杂室内与地下多水平空间导航路径规划服务的一体化三维路网构建方法，能够利用所获取工程设计与测量数据完成导航路径的规划与可视化显示。

本发明的具体技术方案如下：一种面向室内与地下空间导航的空间网络构造及路径规划方法，其方法包括以下步骤：

第一步：获取路径规划空间的平面设计图，并结合实地测量方法，修正与设计不符合的空间要素，划分规划空间为不同水平面，将数据分割处理成不同水平面的空间数据；

第二步：根据空间数据在路网中功能，将各水平面的空间数据划分其所属的类别，建筑结构固定障碍物对象：属于长期稳定的空间要素；非结构与可移动障碍物对象：临时隔断与可移动的动态要素；分别提取两类空间要素，形成固定障碍物与动态障碍空间要素层；

第三步：固定障碍物空间要素的处理，提取不同规划空间水平界线，形成路径可达到界限范围平面图，并与同水平的建筑障碍物对象集合形成有空洞的面域数据，采取线面退化算法，形成特定分辨率的空间格网；

第四步：不同水平面格网的联结，分析不同高程平面间的斜坡通道、台阶、垂直通道等设施的连结方式，将相应的通道设施简化成空间三维边线，通过边线的端点与相应水平面的退化格网联结起来，形成覆盖整个规划空间的三维网格；

第五步：带有通行禁忌区域的三维格网的构建，将非结构与可移动障碍物对象视为通行禁忌的要素对象集合，转化为规划路网的可达行的约束条件，然后与退化后的空间格网进行迭加，形成可通行的三维空间格网；

第六步：路径规划空间三维路网模型的生成，将上述三维空间格网构建3D网络数据，其中包含三种类型的网络要素，线要素类视为边，点要素类视为交汇点，连接处视为联通点，针对特定元素标识约束条件，使用连通性模型与高程字段构建网络数据集连通性；

第七步：定义网络元素属性并指定属性值，识别进行路网规划时相应元素的阻抗并根据网络源或实时流量源确定通行阻抗值，确定用于控制网络导航的限制条件，为网络中的通行的边元素划分通行等级；

第八步：路径的规划与计算，创建路网分析图层，添加输入网络分析对象，并设置起始点、经停点、目标点等分析对象，设置分析图层的属性参数，求解网络规划方案；

第九步：路径规划结果的计算及在路径规划空间地图上生成。

本发明具有如下的积极效果：本发明将路径规划空间划分不同水平面的空间，然后按特定的规则形成一定分辨率的格网，通过相应的通道连接形成一体化三维路径规划空间网络，最后在此空间网络中获取候选的规划路径。其中，空间路网的构建包括空间数据处理、阻隔及障碍物要素的提取、一体化空间网络的形成，该方法适应大型室内与复杂地下空间的多水平面的路径规划空间，能够完成路径规划空间立体网络的生成，动态路网的构建、路径的规划等，并能在室内地图上显示相应的路网及路径规划结果。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2 是本发明实施例中路径规划空间逻辑划分。

图3是本发明实施例中内部空间结构要素的生成与划分。

图4是本发明实施例中规划路径空间格网的划分。

图5 是本发明实施例中包含禁忌要素三维路网空间。

图6是本发明实施例的结果图。

具体实施方式：

一种面向室内与地下空间导航的空间网络构造及路径规划方法，其方法包括以下步骤：

第一步：获取路径规划空间的平面设计图，并结合实地测量方法，修正与设计不符合的空间要素，划分规划空间为不同水平面，将数据分割处理成不同水平面的空间数据；

第二步：根据空间数据在路网中功能，将各水平面的空间数据划分其所属的类别，建筑结构固定障碍物对象：属于长期稳定的空间要素；非结构与可移动障碍物对象：临时隔断与可移动的动态要素；分别提取两类空间要素，形成固定障碍物与动态障碍空间要素层；

第三步：固定障碍物空间要素的处理，提取不同规划空间水平界线，形成路径可达到界限范围平面图，并与同水平的建筑障碍物对象集合形成有空洞的面域数据，采取线面退化算法，形成特定分辨率的空间格网；

第四步：不同水平面格网的联结，分析不同高程平面间的斜坡通道、台阶、垂直通道等设施的连结方式，将相应的通道设施简化成空间三维边线，通过边线的端点与相应水平面的退化格网联结起来，形成覆盖整个规划空间的三维网格；

第五步：带有通行禁忌区域的三维格网的构建，将非结构与可移动障碍物对象视为通行禁忌的要素对象集合，转化为规划路网的可达行的约束条件，然后与退化后的空间格网进行迭加，形成可通行的三维空间格网；

第六步：路径规划空间三维路网模型的生成，将上述三维空间格网构建3D网络数据，其中包含三种类型的网络要素，线要素类视为边，点要素类视为交汇点，连接处视为联通点，针对特定元素标识约束条件，使用连通性模型与高程字段构建网络数据集连通性；

第七步：定义网络元素属性并指定属性值，识别进行路网规划时相应元素的阻抗并根据网络源或实时流量源确定通行阻抗值，确定用于控制网络导航的限制条件，为网络中的通行的边元素划分通行等级；

第八步：路径的规划与计算，创建路网分析图层，添加输入网络分析对象，并设置起始点、经停点、目标点等分析对象，设置分析图层的属性参数，求解网络规划方案；

第九步：路径规划结果的计算及在路径规划空间地图上生成。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本实施例为大型建筑物（室内商场）内路径导航路网的构建与规划方法，将路径规划空间划分不同水平面的空间格网，然后按特定的规则连接形成一体化三维路径规划空间网络，最后在此空间网络中获取候选的规划路径，包括以下步骤：

第一步：获取路径规划空间的平面设计图，剖析图面建筑设计要素，参考楼层水平设计图布置情形，划分建筑物室内空间（RMN_space）为不同水平面H_i，将数据分割处理成不同水平面的空间数据层。然后与实际竣工后的工程比较，结合实地测量方法，修正与实际情形不符合的空间要素。

其中，图面设计要素的处理方法：根据导航路径规划需求，对建筑设计图面不同类别的图面元素进行分析，剔除与通行无关图元，如电气、水暖、吊顶等。提取设计图中可达性区域与通行障碍有关的图元，将其转为地理信息分析中的空间数据格式，编辑各类空间元素，使其符合空间数据质量要求。

第二步：根据空间数据在路网中功能，将各水平面的空间数据划分其所属的类别，建筑结构固定障碍物对象O_st：属于长期稳定的空间要素；如墙体、窗、柱等。非结构与可移动障碍物对象O_dy：临时隔断与可移动的动态要素，如隔断、栏杆、货架、置于地面的设备等。分别提取两类空间要素，形成固定障碍物与动态障碍空间要素层。两种空间元素分类的目的在于适应路网中动态元素发生改变时能够快速地修改及重构路径网络。

第三步：固定障碍物空间要素的处理。不同水平面规划空间范围界线的提取，同水平的建筑障碍物对象集合的处理及特定分辨率的空间格网生成。

（1）提取不同楼层空间外围水平界线，形成路径可达平面界线范围，并与同水平的建筑障碍物对象进行叠置分析，得到楼层岛状面域数据，为通行对象通行的可达区域与移动对象（如移动机器人）附着面。

（2）将上述各水平面岛状面域数据采取如下的策略：规则格网划分成矩形规则格网，或采取面线退化算法（将通行通道面域简化为其中心线），形成特定分辨率（0.5m*0.5m）的空间格网。

（3）重要通行通道的处理。对于重要通行通道或交通流量较大的区域，视规划路径的精度或优化方案要求，适当加密其所在格网的分辨率（0.1m*0.1m），形成细分格网。

（4）可达空间连通性的检查。检查所有可达区域，重点是通过狭窄通道连接小面积区域，如较小面积的房间与货摊区域。若出现未连通的区域，加密邻近的格网，确保每一可达区域都有格网线连接。

第四步：不同水平面楼层格网的联结。分析不同高程楼层平面间的斜坡通道、台阶、垂直通道等设施的连结方式，将相应的通道设施简化成空间三维边线，通过边线的端点与其所连接的楼层的水平面的格网中联结处的格网结点联结起来，形成覆盖整个建筑规划空间的三维网格。

第五步：带有通行禁忌（障碍）区域的三维格网的构建。将非结构与可移动障碍物对象O_dy视为通行禁忌要素对象集合，转化为建筑物室内规划路网的可达性的约束条件，然后与剖分后的空间格网进行空间叠置，形成可供通行的三维空间格网。

针对不同的路径规划服务对象（如个人步行通行、残疾人士通行、机器移动类通行），对障碍物进行细化分类，形成相应禁忌要素对象集合。

若建筑物室内非结构与可移动障碍物对象O_dy发生增加、删除或改变，则需要对此层要素进行编辑，与剖分后的空间格网再次进行空间叠置分析即可。

第六步：建筑路径规划空间三维路网模型的生成。以上述三维空间格网为数据源，构建3D路网络数据集RN_set(Route network set)：包含点与线类型的网络要素，线要素类由格网边转化而来，点要素类由格网交点转化而来，主要类型有交汇点、拐弯点、联通点。针对不同特定元素标识约束条件。使用连通性模型与高程字段构建网络数据集连通性。

RNset={Node(JP,TP,LP), Segment, P}

其中：Node 为点要素，包含交汇点JP(Junction Point)，格网线的一般交点；拐弯点TP(Turning Point)；联通点LP(Link Point), 不同水平面与垂直连通设施的连接点。

Segment为路段要素，由是系列线要素的集合，如室内固定的首尾相连的通道。其主要属性为：方向Oreitaiton；长度Length；等级Level，为网络中的通行的边元素划分通行等级；连通性connectivity，设置相互连接的网络要素类型及可以与另一种要素连接的任一特定要素的数量；可通行时间段Time等。

P为边线和交点要素的权值，不同类型的要素可以有不同的属性权重，如边线的长度，主要指穿过一条边要素或者通过一个点要素时所需要的开销，存储在边线和交点的属性字段上。

P的阻抗计算方法有：最短路径模式时为路径的长度。最少花费时间模式时为穿越该要素的时间花费。如步行时间，扶手电梯运行时间，垂直电梯平均楼层等待与运行时间，可由实际情况统计得出。阻抗对不同类别服务对象赋于不同的阻抗值。

第七步：定义网络点与线元素的属性并指定属性值，识别进行路网规划时相应元素的阻抗，并根据网络源或实时流量源，确定通行阻抗值。确定用于控制路径网导航的限制条件。

第八步：路径的规划与计算。创建路网分析图层，设置分析图层的属性参数，添加输入网络分析对象，并设置起始点、静态经停点、特定条件触发动态经停点、目标点等分析对象，求解网络规划方案。

第九步：路径规划结果的计算及在路径规划空间地图上生成。根据服务对象实际通行实时位置，计算与修正导航路径并可视化显示。

图6展示了某商场三维网络数据集的构建及路径规划结果。

本发明将涉及一种面向地图导航的室内与地下空间的网络构造及相应的路径规划方法，而且仿真出的路径结果接近真实情况，具有非常重要的理论和现实意义。

本发明的室内与地下空间导航的空间网络构造及路径规划方法不局限于上述实施例所述的具体技术方案，还可以通过路径格网的划分方案与通行规划的制定及学习适用于地下开采工程等非室外环境。凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。