基于点线面障碍物模型构建的车站实时应急路径规划方法技术

本发明专利技术为基于点线面障碍物模型构建的车站实时应急路径规划方法，在不损失室内固定障碍物位置信息的前提下，保证算法实时计算出车站紧急事件发生后三维最优路径，其核心思想为：在路径规划前，提前将车站整体建筑设计平面图进行数据处理，完成整个区域内的障碍物地图构建工作，将信息记录在服务器从而缩短系统运行时间。同时，由于考虑到车站内部部分电动扶梯的上下行以及候车室到站台部分电动扶梯只能下行，上行只有楼梯的个别特殊情况，因此使用障碍物中楼梯所有上下行等属性信息，加入到路径代价中以解决规划路径符合实际情况的问题。通过准确实时的路径规划，指导车站安保人员以高效率完成紧急情况下的处置工作。

A Real-time Emergency Path Planning Method for Railway Station Based on Point-Line-Surface Obstacle Model

The invention is a real-time emergency path planning method for a station based on point-line-surface obstacle model. Without losing the location information of fixed obstacles in the room, the algorithm ensures that the three-dimensional optimal path after the occurrence of the station emergency can be calculated in real time. The core idea of the method is: before the path planning, data processing of the overall architectural design plan of the station is carried out in advance, and the whole area can be completed. The construction of obstacle map in the system can record the information on the server and shorten the running time of the system. At the same time, considering that part of the escalator in the station can only go up and down, and part of the escalator from the waiting room to the platform can only go down, and only stairs can go up and down, we use all the attribute information of the stairs in the obstacles to join the cost of the path to solve the problem that the planning path conforms to the actual situation. Through accurate and real-time path planning, the station security personnel can be guided to complete the emergency disposal work with high efficiency.

【技术实现步骤摘要】
基于点线面障碍物模型构建的车站实时应急路径规划方法
本专利技术属于智能安防
，具体是涉及一种基于点线面障碍物模型构建的车站实时应急路径规划方法。
技术介绍
现代生活中，随着互联网和智能媒体的不断深入，大大方便了人们的出行。出门在外的我们，越来越离不开导航系统的帮助，室外导航系统技术相当成熟，但室内导航还有一定的发展空间，关键点在于室内定位最优方案的选取、室内地图的建模以及室内导航算法性能表现上优化的研究。目前，室内导航还有待进一步的发展，至今没有形成统一的行业内的统一标准，只是针对特定环境下进行设计。中国矿业大学的刘笑笑《基于室内三维地图的路径规划研究》针对室内多维地图的构建，将所要研究建筑物的空间结构由粗粒度到细粒度进行划分，将所需信息包含在其D-K路径规划算法所使用的数据结构中，在过程中需要大量时间对分区、水平连接、障碍物等层级顺序进行人工修改，工作量大，内容复杂；北京超图软件的黄科佳等人的《基于室内路网的跨楼层路径规划技术的设计与实现》在原始数据处理上，对多层道路数据进行获取，进而使用双向改进A*算法进行跨楼层路径规划，而针对大面积的大型车站来说，复杂的道路信息带给算法的是复杂的逻辑和深重的计算压力，楼梯连通表的构建也不能很好地包含火车站等设备信息，因此不能带来精确的符合现场实际情况的最短规划路径；北京建筑大学的《数字校园室内外一体化三维导航路径规划》更多的是放在了三维模型的读取和UI设计，导航规划引擎只是使用ArcGIS现成的软件对校园内外三维导航路径网络进行的提取和规划。目前室内路径规划基于室内地图数据的复杂环境信息使得不能够像室外导航一样对道路进行路网选取处理，加上由于火车站内部道路复杂，电梯之间连通关系较其余场所的电梯更复杂，车站站台层细长型的特点带来的算法处理速度慢的问题使得路径规划变得更加复杂，目前火车站还未真正提供应对突发事件的实时应急路径规划。
技术实现思路
针对当前室内路径规划算法比如D-K算法存在的前期数据修改工作量大、室内路网需要对改进A*算法所使用的数据进行大量信息的提取以及智能仿生算法的遗传算法和蚁群算法在实际应用中存在的计算复杂度过高，传统路径规划方法比如四叉树算法，算法结构过于简单，但搜索效率较低，并且随着障碍物数量的增加或是环境愈加复杂时，算法的复杂度会迅速增加，无法针对大型公共场所尤其是火车站这种复杂场景进行地图构建以完成路径规划的缺点，本专利技术提出了一种基于点线面障碍物模型构建的车站实时应急路径规划方法，通过准确实时的路径规划，指导车站安保人员以高效率完成紧急情况下的处置工作。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于点线面障碍物模型构建的车站实时应急路径规划方法，包括以下步骤：步骤一：建立车站安保人员的环境地图：1-1、数据采集：通过激光扫描仪采集到的待规划车站的点云数据，对与路径规划有关的建筑物和设备提前标注是否通行或上下行属性、楼层信息，辅助完成地图信息的存储工作，根据楼层数生成多个KML文件；1-2、地图数据解析：从步骤1-1得到的KML文件中循环遍历，批量读取，将建筑物内进行分区，分别定义封闭型、半开闭型两类结构单元，完成地图数据解析；1-3、结构单元经纬度高度信息的存储：在步骤1-2的解析数据中，查找结构单元的轮廓拐点、与路径规划有关的建筑物和设备属性信息，该属性信息所对应的经纬度信息全部存储在地图初始数据矩阵[,]map中；1-4、使用点线面障碍物构建法完成地图初始数据矩阵[,]map到地图数据矩阵[lon_error,lat_error]map再到障碍物模型矩阵[b_lon_error,b_lat_error]b_map的转化，实现世界坐标到像素坐标的映射：(1)从步骤1-3存储的地图初始数据矩阵[,]map信息中，找到障碍物的边界值，并记录相应障碍物的经、纬度坐标的最大值及最小值，分别记作为lon_max、lat_max和lon_min、lat_min；(2)根据上述的经度最大值及最小值的差值、纬度最大值及最小值的差值来确定地图数据矩阵的规模,记地图数据矩阵为[lon_error,lat_error]map；以点(lon_min，lat_min)作为世界坐标原点，其中lon_error＝lon_max-lon_min；lat_error＝lat_max-lat_min；采用点线面的直线扫描法对地图数据进行数据提取，依次完成对各个障碍物顶点的经纬度坐标提取，建立世界坐标和像素坐标之间的映射关系，进一步对原始经纬度信息处理，分别记做(b_lon_1,b_lat_1)、(b_lon_2,b_lat_2)、…、(b_lon_n,b_lat_n)，通过b_lon_i＝k*b_lat_i+b,遍历得到通过该线的所有坐标点的位置，将直线上所有的点置0，代表该区域不可通行；区域能通行时对应位置像素为0，得到初始障碍物模型矩阵，将地图数据矩阵全部转换到像素坐标系并在所建立的初始障碍物模型矩阵进行相应的信息存储；其中i表示顶点的存储顺序，n为存储点的总个数，0<i≤n；k为相邻两个端点连线的斜率，b为直线截距；(3)对步骤(2)中的像素点坐标突变位置进行双实线处理，得到最终的障碍物模型矩阵[b_lon_error,b_lat_error]b_map，完成车站安保人员环境地图的构建；步骤二：完成车站安保人员位置信息数据链的搭建车站安保人员通过手持或穿戴设备实时更新位置信息到相应楼层基站服务器，基站服务器与路径规划服务器进行信息的交换，以完成突发事件前的数据准备工作；步骤三：使用改进A*算法为所有安保人员计算到达突发事件现场的路径并进行存储，通过设置安保人员到突发事件现场位置的约束条件，将满足条件的路径进行筛选并展示；3-1、紧急事件突发后的数据传递：路径规划服务器存储步骤一所构建的障碍物模型矩阵[b_lon_error,b_lat_error]b_map，任意车站安保人员所带客户端在发生紧急事件后及时上传附近的位置信息到路径规划服务器；3-2、多安保人员位置信息上传：路径规划服务器通过定位基站获取所有安保人员的位置信息，使用改进A*算法准确实时进行计算；其中，位置信息包括准确的经纬度和楼层高度，根据建筑物规模进行变步长的障碍物构建；将精确的位置信息转换为像素坐标下相对于像素坐标原点的相对位置信息；3-3、改进A*算法的多路径计算：路径规划服务器使用车站所有安保人员的位置信息以及某安保人员上传到路径规划服务器的突发事件的位置信息，综合考虑所规划路径的电梯上下行、地下通道路径以及部分安保人员专用电梯实际情况，多次使用改进A*算法，实时计算安保人员到突发事件现场的所有路径并进行存储；3-4、跨楼层算法的实现：将上一步存储的路径，通过设置路径距离、跨越楼层数的约束条件，当同楼层安保应急路径小于该楼层任一与路径规划有关的建筑物和设备到达现场的路径时，路径规划结束；否则记录突发事件现场距离最近的与路径规划有关的建筑物和设备，精确确定与路径规划有关的建筑物和设备的经纬度经过映射关系转化的坐标信息，搜索临近楼层，进而以与路径规划有关的建筑物和设备为节点，找到下一目标楼层对应的与路径规划有关的建筑物和设备出口，转为下一楼层的计算，导航路径存储之后进行总路程代价的比较，当跨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于点线面障碍物模型构建的车站实时应急路径规划方法，包括以下步骤：步骤一：建立车站安保人员的环境地图：1‑1、数据采集：通过激光扫描仪采集到的待规划车站的点云数据，对与路径规划有关的建筑物和设备提前标注是否通行或上下行属性、楼层信息，辅助完成地图信息的存储工作，根据楼层数生成多个KML文件；1‑2、地图数据解析：从步骤1‑1得到的KML文件中循环遍历，批量读取，将建筑物内进行分区，分别定义封闭型、半开闭型两类结构单元，完成地图数据解析；1‑3、结构单元经纬度高度信息的存储：在步骤1‑2的解析数据中，查找结构单元的轮廓拐点、与路径规划有关的建筑物和设备属性信息，该属性信息所对应的经纬度信息全部存储在地图初始数据矩阵[,]map中；1‑4、使用点线面障碍物构建法完成地图初始数据矩阵[,]map到地图数据矩阵[lon_error,lat_error]map再到障碍物模型矩阵[b_lon_error,b_lat_error]b_map的转化，实现世界坐标到像素坐标的映射：(1)从步骤1‑3存储的地图初始数据矩阵[,]map信息中，找到障碍物的边界值，并记录相应障碍物的经、纬度坐标的最大值及最小值，分别记作为lon_max、lat_max和lon_min、lat_min；(2)根据上述的经度最大值及最小值的差值、纬度最大值及最小值的差值来确定地图数据矩阵的规模,记地图数据矩阵为[lon_error,lat_error]map；以点(lon_min，lat_min)作为世界坐标原点，其中lon_error＝lon_max‑lon_min；lat_error＝lat_max‑lat_min；采用点线面的直线扫描法对地图数据进行数据提取，依次完成对各个障碍物顶点的经纬度坐标提取，建立世界坐标和像素坐标之间的映射关系，进一步对原始经纬度信息处理，分别记做(b_lon_1,b_lat_1)、(b_lon_2,b_lat_2)、…、(b_lon_n,b_lat_n)，通过b_lon_i＝k*b_lat_i+b,遍历得到通过该线的所有坐标点的位置，将直线上所有的点置0，代表该区域不可通行；区域能通行时对应位置像素为0，得到初始障碍物模型矩阵，将地图数据矩阵全部转换到像素坐标系并在所建立的初始障碍物模型矩阵进行相应的信息存储；其中i表示顶点的存储顺序，n为存储点的总个数，0<i≤n；k为相邻两个端点连线的斜率，b为直线截距；(3)对步骤(2)中的像素点坐标突变位置进行双实线处理，得到最终的障碍物模型矩阵[b_lon_error,b_lat_error]b_map，完成车站安保人员环境地图的构建；步骤二：完成车站安保人员位置信息数据链的搭建车站安保人员通过手持或穿戴设备实时更新位置信息到相应楼层基站服务器，基站服务器与路径规划服务器进行信息的交换，以完成突发事件前的数据准备工作；步骤三：使用改进A*算法为所有安保人员计算到达突发事件现场的路径并进行存储，通过设置安保人员到突发事件现场位置的约束条件，将满足条件的路径进行筛选并展示；3‑1、紧急事件突发后的数据传递：路径规划服务器存储步骤一所构建的障碍物模型矩阵[b_lon_error,b_lat_error]b_map，任意车站安保人员所带客户端在发生紧急事件后及时上传附近的位置信息到路径规划服务器；3‑2、多安保人员位置信息上传：路径规划服务器通过定位基站获取所有安保人员的位置信息，使用改进A*算法准确实时进行计算；其中，位置信息包括准确的经纬度和楼层高度，根据建筑物规模进行变步长的障碍物构建；将精确的位置信息转换为像素坐标下相对于像素坐标原点的相对位置信息；3‑3、改进A*算法的多路径计算：路径规划服务器使用车站所有安保人员的位置信息以及某安保人员上传到路径规划服务器的突发事件的位置信息，综合考虑所规划路径的电梯上下行、地下通道路径以及部分安保人员专用电梯实际情况，多次使用改进A*算法，实时计算安保人员到突发事件现场的所有路径并进行存储；3‑4、跨楼层算法的实现：将上一步存储的路径，通过设置路径距离、跨越楼层数的约束条件，当同楼层安保应急路径小于该楼层任一与路径规划有关的建筑物和设备到达现场的路径时，路径规划结束；否则记录突发事件现场距离最近的与路径规划有关的建筑物和设备，精确确定与路径规划有关的建筑物和设备的经纬度经过映射关系转化的坐标信息，搜索临近楼层，进而以与路径规划有关的建筑物和设备为节点，找到下一目标楼层对应的与路径规划有关的建筑物和设备出口，转为下一楼层的计算，导航路径存储之后进行总路程代价的比较，当跨楼层的两个路径大于所在楼层的距离时，直接输出同楼层的最短路径，否则输出跨楼层的路径加和，路径规划结束；筛选出到达突发事件现场最快的安保人员应急规划路径，路径输出的同时通过对应楼...

【技术特征摘要】
1.一种基于点线面障碍物模型构建的车站实时应急路径规划方法，包括以下步骤：步骤一：建立车站安保人员的环境地图：1-1、数据采集：通过激光扫描仪采集到的待规划车站的点云数据，对与路径规划有关的建筑物和设备提前标注是否通行或上下行属性、楼层信息，辅助完成地图信息的存储工作，根据楼层数生成多个KML文件；1-2、地图数据解析：从步骤1-1得到的KML文件中循环遍历，批量读取，将建筑物内进行分区，分别定义封闭型、半开闭型两类结构单元，完成地图数据解析；1-3、结构单元经纬度高度信息的存储：在步骤1-2的解析数据中，查找结构单元的轮廓拐点、与路径规划有关的建筑物和设备属性信息，该属性信息所对应的经纬度信息全部存储在地图初始数据矩阵[,]map中；1-4、使用点线面障碍物构建法完成地图初始数据矩阵[,]map到地图数据矩阵[lon_error,lat_error]map再到障碍物模型矩阵[b_lon_error,b_lat_error]b_map的转化，实现世界坐标到像素坐标的映射：(1)从步骤1-3存储的地图初始数据矩阵[,]map信息中，找到障碍物的边界值，并记录相应障碍物的经、纬度坐标的最大值及最小值，分别记作为lon_max、lat_max和lon_min、lat_min；(2)根据上述的经度最大值及最小值的差值、纬度最大值及最小值的差值来确定地图数据矩阵的规模,记地图数据矩阵为[lon_error,lat_error]map；以点(lon_min，lat_min)作为世界坐标原点，其中lon_error＝lon_max-lon_min；lat_error＝lat_max-lat_min；采用点线面的直线扫描法对地图数据进行数据提取，依次完成对各个障碍物顶点的经纬度坐标提取，建立世界坐标和像素坐标之间的映射关系，进一步对原始经纬度信息处理，分别记做(b_lon_1,b_lat_1)、(b_lon_2,b_lat_2)、…、(b_lon_n,b_lat_n)，通过b_lon_i＝k*b_lat_i+b,遍历得到通过该线的所有坐标点的位置，将直线上所有的点置0，代表该区域不可通行；区域能通行时对应位置像素为0，得到初始障碍物模型矩阵，将地图数据矩阵全部转换到像素坐标系并在所建立的初始障碍物模型矩阵进行相应的信息存储；其中i表示顶点的存储顺序，n为存储点的总个数，0<i≤n；k为相邻两个端点连线的斜率，b为直线截距；(3)对步骤(2)中的像素点坐标突变位置进行双实线处理，得到最终的障碍物模型矩阵[b_lon_error,b_lat_error]b_map，完成车站安保人员环境地图的构建；步骤二：完成车站安保人员位置信息数据链的搭建车站安保人员通过手持或穿戴设备实时更新位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭欣，孙连浩，王红豆，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12