一站式导航技术在地图盲区的应用

牟志远+黄琴+张明

摘 要 随着电网建设投入的不断加大，各项生产、基建、农电、营销作业任务十分繁重，现场作业点多、面广、战线长，管理人员有限，按照“四不两直”方式，特别是对小型、零星、分散在偏远地段的施工作业采取人盯人的安全监督工作模式已无法实现对各作业现场的全过程管控。安全管理人员在不熟悉道路的情况下如果离开作业人员的指引，就难以快速到达现场，甚至走绕路、错路，加上缺乏有效的技术监管手段，安全管理人员无法全面、准确地掌握生产一线的作业动态，安全风险防控难以做到“横向到边，纵向到底，不留死角”。

针对上述问题，眉山供电公司开发了空间定位技术GPS、无线通信技术、地理信息系统GIS和Android智能手机客户端的现场作业安全管控，利用一站式导航技术记录和分析人车行进轨迹自动生成支持语音导航的地图路网信息，对电网、设备、作业现场实施“全覆盖”和“全过程”管理，大大提高了作业现场的风险防控水平，保障了电网运行安全可靠。

本文将对一站式导航技术作深入分析。

【关键词】一站式导航 三层架构 路网数据库

1 引言

眉山供电公司自主研发的“现场作业安全管控”成果的核心在于能将城市道路与野外轨迹无缝结合后自动生成地图路网信息的一站式自助导航技术的研发与拓展应用。在驾车行驶时自动调用城市道路导航系统，在野外步行时自动调用施工人员的行走轨迹进行语音导航，解决了管理人员不能在第一时间以最优路径、最快速度自主赶往施工现场进行突击检查的问题，大大增强了对野外现场作业的管控力度和现场应急抢险的能力。

2 技术架构

一站式自助导航技术的本质是一套可以自动更新地图的GPS导航系统，完全基于SOA架构设计，实现集中管理、灵活部署和敏捷实施。

系统管理PC端和服务器端采用基于B/S的J2EE三层体系架构，WEB浏览器是客户端最主要的应用软件。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器（Browser），如Netscape Navigator或Internet Explorer，服务器安装Oracle、Sybase、Informix或 SQL Server等数据库。浏览器通过Web Server 同数据库进行数据交互。

Web服务器使用Tomcat 6.0，应用服务器则使用Jboss。Tomcat 是一个小型的轻量级应用服务器，在中小型系统和并发访问用户不是很多的场合下被普遍使用，是开发和调试JSP 程序的首选。在使用Tomcat作为Web服务器的同时，搭配JBoss作为应用服务器。混合技术模型从最新的操作系统技术里提供了最好的线程和事件处理。JBoss服务器具有原生特性和强大的可扩展性，可支持多种并非基于Java的服务器内容处理技术，可同时运行JSP， Servlet， Microsoft .NET ， PHP 及 CGI，为其提供单一的、高性能的企业级部署平台。

采用Seam作为系统J2EE中间件技术搭建的三层架构使系统具有开发快、框架结构简单等特点。Seam建立在实现开放标准的、像JSF和 EJB 3.0这样的开源项目基础上，并且整合了其他优秀的开源项目，如Hibernate、jBPM、Facelets、Drools等等。Seam是完全建立在“致力于Java平台的创新和提高”的开源项目理念上的开源框架。

2.1 前端技术选型

（1）前台技术：JQuery 1.3.2、JSP 2.0、JavaScript。

（2）用户体念增强技术： Ajax。

（3）图形报表：Open Flash Chart 1.9。

（4）Excel报表数据导出：Jxl 1.0。

2.2 服务器端架构技术选型

（1）Web控制器层： Struts 2 、JSF 1.2。

（2）数据持久化层：JPA（Hibernate， Ibatis， topLink）。

（3）商业逻辑处理层：Spring 2.5 、Tomcat 6.0。

（4）工作流引擎：JBPM 4.2。

（5）数据库：MySQL 6.0关系型数据库。

3 功能架构

系统界面布局文件是通过XML语言来完成的，在实现过程中使用了线性布局和相关布局两种布局方式。系统功能设计包括六大模块，分别为地图控制模块、记录控制模块、轨迹管理模块、语音辅助模块、信息管理模块、路网数据更新生成模块。如图2所示。

3.1 地图控制模块

通过设置初始参数以及添加缩放控件，来实现初始地图的加载、地图缩放和地图移动的功能。该模块基于类Locationdata来实现。

3.2 记录控制模块

完成了对GPS信号的获取和轨迹绘制的控制功能。通过开启记录获取GPS信号来绘制导航点，然后通过暂停记录绘制轨迹点。该模块基于类MainActivity来实现。

3.3 轨迹管理模块

包括轨迹添加、轨迹绘制、轨迹导航、轨迹删除以及轨迹导入和导出功能。通过将新轨迹路线添加到SQLite数据库的路线信息表中完成轨迹添加功能。通过GPS定位技术获取轨迹点经纬度信息，然后添加到SQLite数据库的位置点信息表中，最后采用Google Maps技术中图层的思想完成轨迹绘制功能。通过从SQLite数据库表中获取位置点信息，调用绘制指示箭头算法，完成指示箭头的绘制，然后通过返回轨迹路线与记录路线进行比对以及对轨迹点相关照片的查看，从而实现轨迹导航功能。该模块基于类FindPlaceActivity来实现。

3.4 语音辅助模块

一是添加语音导航功能。在用户根据轨迹路线返回或者根据已保存的路线导航时，给予语音提示。另外若用户偏离轨迹路线则发出警示性语音以预防用户少走弯路。二是丰富轨迹点的位置信息，比如在轨迹位置处增加对应位置点的录音标注（在岔路口注明是向左转还是向右转），并将该处的注意事项分享给其他使用人员方便大家找到你。

该模块基于DirectionRouteActivity来实现。

3.5 信息管理模块

包括照片管理和位置管理，照片管理即是照片的存储与查看，是通过JAVA语言中对文件的操作来实现的。位置管理即轨迹点经纬度的存储与查看，是通过对SQLite数据库表的插入与查询来实现的。该模块主要由类ShowTrackActivity来实现。

3.6 路网数据更新生成模块

根据对导航对象的定位信息，记录其移动的动态轨迹，作为当前路网数据。并将当前路网数据与电子地图数据库中的电子地图中的路网数据相比较，生成数据比较结果。若两者相互不一致，则将当前最新路网数据存储于电子地图数据库中，从而新增电子地图数据库中电子地图的路网数据信息量。在导航对象移动的过程中，实现对电子地图路网数据的自动更新，使得地图能够更为全面、精确、详实地反应实地情况，以帮助搜索出最佳的导航路线。

这个模块主要由类ConnectService来实现。

4 关键技术

4.1 从轨迹到路网的转换方法

GPS设备在记录移动对象的位置信息时，由于受随机噪音和误差的影响而产生冗余等错误类型的数据，直接影响了算法运行的效率与转化质量。所以首先要通过数据预处理（消减冗余数据，去除停滞点，平滑轨迹）后去除原始GPS轨迹的异常值，确保轨迹数据的精确性。然后，利用GPS轨迹自动地生成道路，并进行路网的矢量化处理。最后，以百度地图等相关信息为参考路网，对路网转化质量进行验证。

其中，道路中心线生成方法包括轨迹点聚类、聚类点分割和中心线拟合3个部分，即：先把预处理后的GPS轨迹点进行聚类以此来获取聚类点，实际上起到了稀疏轨迹样本点的作用；然后，依据这些聚类点的转角大小以及相邻聚类点之间的距离间隔对其进行分割，用于确定道路的拟合顺序；再引用准均勻B样条曲线进行道路拟合，最终生成道路中心线。

4.2 具有自我学习功能的路网数据库系统

通过具有自我学习功能的路网数据库系统，运行轨迹智能分析转化路网算法，可在野外无路网状态下自动学习、分析和存储人车所经过的路径后，将其作为路网增量加入现有路网数据库，实现新增数据与原有路网数据的融合规划。

该路网数据库系统由城市道路导航引擎和野外轨迹导航引擎组成，并根据实际情况在两种引擎之间进行切换，最终实现一站式导航。实现原理为：

当用户要去往某个目的地时，系统从任务数据库中取出目标点，并计算当前所在位置点的距离和夹角，首先在路网信息系统中搜索当前位置点15m范围内是否有路网，并计算一条到目标点的最近路径和延伸夹角。如果条件符合将通知野外智能导航使用此路径引导。在路径结束时判断是否到达目标点附近，如果没有，则自动进人城市道路导航。如城市道路导航只能到达目标点附近时，城市道路导航将向路网信息系统提交引导申请，这时路网信息系统将以当前点重新做前期的处理。当没有合适路网供使用时，路网信息系统通知野外智能导航进入方位引导，并同时记录下用户所经过的路径，方位引导过程中将定时定点向用户报告转向参考信息，如：左转、右转、掉头。在用户到达目标点后将自动激活任务系统，并记录相关信息。方位引导过程中记录的路径如无法重新引导时，路网信息系统采用基于图形学算法改进的路径分析算法，进行路径提取，分析后的路径将作为路网使用的标准，并在引导过程中实现实时转向提醒。路径分析算法效果见图6。

5 结束语

本成果最大的创新之处在于一站式导航技术的开发与应用。它将“野外轨迹导航”与“城市道路导航”有机结合，克服了传统民用卫星定位导航系统在野外环境中应用的局限性，能够满足电力、石油、地质、林业、国土等行业部门在野外作业时对导航系统的特殊要求，所以在上述行业也有较为广阔的推广前景。

下一步，我们将在系统现有的作业现场查勘、施工路径导航和班前会管理等功能基础上优化升级，构建一个集施工计划管理、现场作业标准化管理、现场安全执法管理、安全工器具管理和安全知识教育培训等功能于一体的电力安全生产综合管理系统，为更好地建设统一坚强智能电网保驾护航。

作者简介

牟志远（1977-），男，四川省富顺县人。大学本科学历。现为国网眉山供电公司助理工程师。主要研究方向为系统技术构架的建立的研究。

黄琴（1983-），女，四川省眉山市人。大学本科学历。现为国网眉山供电公司助理工程师。主要研究方向为系统功能构架的建立的研究。

张明（1981-），男，四川省眉山市彭山人。大学本科学历。现为国网眉山供电公司工程师。主要研究方向是GPS设备记录移动对象的位置轨迹转换到路网方法的研究。

作者单位

国网眉山供电公司 四川省眉山市 610032