基于Supernap的地下应急逃生语音导航系统的设计与实现

苏令印 陶伟

摘要：为地下人员提供高效、快捷的逃生方式，设计一种基于SuperMap的地下应急逃生语音导航系统。系统采用C/S架构，以服务器端与Android移动端相结合的方式，模拟RFID射频定位技术实现地下人员在无GPS数据覆盖区域下的定位；使用SuperMap平台工具制作地图数据，实现地下人员定位、逃生线路的可视化；摒弃传统固定线路、物理设施引导的逃生方式，创新地以地下环境和人员状态信息为参数输入、运用A*算法规划人员逃生线路并通过语音形式，在移动导航终端为地下人员提供安全逃生导航服务。模拟实验表明，在应急情况下，系统可以高效、准确地将地下人员导航至安全区域，较传统方法有较大改进。

关键词：地下空间应急逃生；SuperMap；移动导航终端；语音逃生导航

中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）06-0157-03

随着地下空间开发现象越来越普遍，地下空间布局愈发复杂，如地下车库、地下商场等。地下空间难免会发生一些紧急情况。在地下空间的应急逃生导引方面，一个快速、准确的导航系统是紧急情况下迫切需要的。对地下空间人员的逃生导引、线路导航等方面，现有的研究也取得了一定的进展。

目前，国内外针对地下空间的应急逃生研究，最早始于煤矿安全生产问题的研究，例如李希建等提到的救援系统，使用第三方GIS平台-SuperMap提供的工具，设计井下地图，实现了对井下人员位置、险情、避灾路线、井下各类设施、各类传感数据显示等的设计，没有提出对地下人员逃生导航的功能设计。目前各类煤矿信息系统，都是简单地为井下人员提供固定的逃生导航线路，没有对人员进行真正的逃生导引。紧急情况下，传统煤矿仅简单通过警笛、灯光、指示牌等设施指引逃生人员在固定线路中进行逃生。而在一些地下公共领域，对于线路引导、逃生引导等方面，仍停留在物理设施方面的引导，如王保勇等提出，采用出入口设计、逃生指引设施建设等方式实现对地下人员的线路引导和逃生指引，均无法将所有可用线路纳入到逃生线路中。

随着信息科技的发展以及无线网络在GPS无法覆盖地区的广泛使用，人们对地下空间内智能线路导引与逃生指引系统的需求也愈发加强。设计一个地下空间应急逃生语音导航系统，可为地下人员提供高效、准确的应急逃生导航服务，帮助地下人员快速摆脱危险环境，降低险情发生时的人员伤害概率。鉴于以上原因，基于SuperMap的地下应急逃生语音导航系统应运而生。系统中，作者通過模拟传统矿井RFID射频技术来实现地下人员定位，利用SuperMap提供的工具软件设计地下地图数据，使用SuperMap提供的Android SDK设计语音导航Android APP，创新地将所有可用于逃生的线路包含到逃生导航规划中，利用A*算法为用户提供高效、准确的应急逃生导航服务，并通过语音指引地下人员到达安全地点。

1地下应急逃生语音导航系统

地下应急逃生语音导航系统中，地图数据是实现人员定位及定位可视化、线路可视化的基础。人员定位模块为系统核心业务——逃生线路规划提供了保障。A*线路规划算法是系统的核心部分。而基于Android的移动导航终端是人员地位、逃生线路可视化与逃生导航服务的呈现环节。本章主要从以上几个方面介绍系统关键问题的设计。

1.1地图数据制作

系统使用SuperMap（超图）提供的设计软件结合业务实际需求设计制作。超图公司是中国和亚洲领先的地理信息系统（Geographic Information System，GIS）平台软件企业，主要从事GIS基础平台和应用平台软件的研究、开发、推广和服务。使用超图提供的优秀软件，帮助设计者解决地下空间地图数据设计的难题。SuperMap工具制作地下空间地图的流程如图1所示。

以地下实际地理环境为依据，将地下地图以一定比例输入到SuperMap iDeskTop软件中。经过配准，实现地图数据与地下实际环境的统一，继而通过拓扑构网，构建出地下地图数据中的线路网，为后期线路规划提供保障。最后，通过添加相关点、线、面数据集，将地下实物，标注在地图中，达到与实际地下环境相匹配的目的。同时，为了模拟RFID射频定位技术的效果，地图中设计了定位点数据集，方便员工位置、逃生线路的呈现与逃生路径的规划。效果图如图2所示。

1.2人员定位

系统模拟传统RFID射频定位技术，获取人员位置信息。射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术（又称电子标签、无线射频识别），是20世纪80年代新兴的一种自动识别通信技术，它利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别的目的。这种射频识别系统主要由载有物件信息的标签和识别标签信息的阅读器组成。工作模式包括主动式阅读和被动式阅读。由于在成本和技术复杂度方面的优势，被动式的应用领域更为广泛，尤其适用于煤矿井下环境。被动式标签由天线和芯片组成。本系统便是模拟采用这种被动式阅读工作模式。在本系统设计中，假定用于人员信息采集的射频识别设备均匀分布在地下空间中（每一个定位点即一个射频识别设备，如图2所示绿点），且运转正常。人员随身携带载有自身信息的标签（随身携带的移动导航终端）。携带被动式标签的人员经过射频设备时，射频设备便可识别人员信息，通过固定网络将定位信息发送到服务端数据库中。当地下人员通过移动导航终端提出定位需求时，服务端便根据人员最新经过的设备id查询地图中的位置，将坐标反馈给地下人员，在终端地图中以POI的形式标注出人员位置。具体流程如下图3所示。

人员定位点与地图数据关联的关系保存在数据库中，局部数据如图4所示。

1.3基于A*算法的逃生路径规划算法

为呈现不同因子对人员逃生决策的影响，本系统使用A*算法生成人员逃生线路。A*（A-Star）算法是一种静态路网中求解最短路最有效的直接搜索方法，也是许多其他问题的常用启发式算法。对于节点n的预估公式表示为：

f（n）=g（n）+h（n） （1）

其中，f（n）是从初始状态经由状态n到目标状态的代价估计，g（n）是在状态空间中从初始状态到状态n的实际代价，h（n）是从状态n到目标状态的最佳路径的估计代价。（对于路径搜索问题，状态就是图中的节点，代价就是距离）h（n）的选取，保证找到最短路径（最优解的）条件，关键在于估价函数f（n）的选取（或者说f（n）的选取）。

系统集合地下空间环境、线路状况、人员身体因素等，将地下空间路网看作一个有向图G（V，E，A），|V|=n，|E|=m，|A|=m来描述路网。其中顶点v∈V代表路口（有向图顶点），边e∈E代表路段，对于每个路口都给出了人员可行参数A中取值α[0，1]，参数集合A中，α值越高，线路被选的概率越高。对于可行参数α，影响其值的因素及取值如表1所示：

在地下应急逃生中，本着安全第一的原则，线路中有无避难场所或安全出口β对线路可行参数α取值影响最大。通过仿真实验可知，线路可行参数α与各参数之间的数量关系如式（2）所示：

α取值越大，当前线路被选做下一可行路线的概率也就越大。

2系统实现

系统采用C/S架构设计，分为服务端和Android移动导航端。系统各模块及其子模块结构如如图5所示。

2.1服务端模块

服务端主要功能是响应移动端请求，实现人员位置辨析、逃生线路规划等功能。服務端由JAVA语言设计开发，搭配使用SQL Server 2008数据库存储数据。在业务处理方面，服务端使用Servlet分析用户请求，结合地下空间环境、人员等信息，利用A*算法规划人员逃生线路——有序定位点（即坐标点）序列。并将计算所得的线路数据封装成特定格式的JSON数据，通过HTTP协议发送给移动导航端。主要流程如图6所示。

2.2移动导航端模块

Android移动导航端使用IDE——Eclipse-ADT设计，并基于Android 4.0编程实现。开发过程中，为提高开发效率，作者使用SuperMap iMobile for Andmid SDK开发工具开发移动端地图应用模块、使用科大讯飞提供的语音开发工具包Android SDK开发设计语音播报模块。第三方开发工具的使用，使整体开发效率显著提高。使用小米1S手机进行测试（系统版本为Android4.03）。

2.2.1定位显示与地图呈现模块

地下人员首次打开移动端时，点击菜单配置个人信息、服务器地址等基础信息后，将会从服务端下载当前地下的地图数据。之后进入到主界面。此时移动端便会主动向服务端发送请求，获取当前位置。获取范围坐标位置后，用户当前的坐标位置将以POI的形式呈现在用户终端上，方便用户确定自身位置。

2.2.2语音导航模块

险情发生时，移动导航端将自动获取服务端发来的逃生线路数据。获得数据之后，终端进行数据拆解，形成特定格式的导航文本数据：包含当前位置、转向提示、距离安全点距离等信息。之后终端自动开启语音导航模式：通过调用科大讯飞提供的API接口，将导航文本数据以语音的形式播报给用户，并在终端显示逃生动态。逃生效果如图7所示。

3总结

本文详细介绍了基于SuperMap的地下应急逃生语音导航系统的结构、功能及其主要技术难点。通过模拟实验，验证了在没有GPS数据的条件下，系统能够较好为地下人员提供定位、语音逃生导航服务。验证了该系统在险情发生情况下，能够有效提高人员逃生成功率，降低灾害带来的人员伤害。