CN112229408B - 一种三维室内多楼层行人路线规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维室内多楼层行人路线规划方法，所述方法包括：根据室内三维空间区域的划分规则，将整个建筑物的室内区域划分为楼层可规划空间区域、电梯可规划空间区域和楼梯可规划空间区域；结合各可规划空间区域之间的相邻关系，构建邻接表；再利用路网拓扑表示方法、寻路算法以及栅格法，得到完整的三维室内多楼层行人规划路线。本发明实施例公开的行人路线规划方法有效解决了现有技术中可能存在的路线规划不通问题和室内数据动态维护问题，可得到更加直观合理的室内行走路线。

Description

一种三维室内多楼层行人路线规划方法

技术领域

本发明涉及室内空间技术信息领域，特别是涉及一种三维室内多楼层行人路线规划方法。

背景技术

近三十年来，城市建设高速发展，城市建筑的面积越来越大、楼层越来越高，且室内布局也越发复杂，如何快速地定位并给出最优的室内行走路线方案，是人们迫切的需求。在这基础上，基于室内环境的多源融合定位技术、室内行人路线规划技术等得到了快速的发展。

室内行人路线规划是指采用特定算法在复杂的室内环境中，找到起点到终点之间满足条件的最优路线的过程，并结合室内定位技术与导航算法实现室内环境下的动态导航，主要可应用于人群疏散、应急救援、智能无人服务等领域。

现有的基于室内环境下的行人路线规划技术研究主要基于构建路网的方式：首先将各个单楼层提取出来，人为地在单楼层区域内绘制行人路线，生成网络拓扑模型；再建立各楼层间的连通性表，或一并将连接楼层的楼梯间和电梯间作为路网加入网络拓扑模型中；最后利用传统的路网寻路方式完成单楼层和跨楼层间的行人路线规划，这类方法存在着以下不足：

1、路线规划不合理。行人在室内的可行走区域行走时，并不会受到明确道路要素的约束，因此行走路线往往存在任意性和不固定性，采用传统的网络拓扑模型绘制路网会固化路线，对于在大且流通性强的室内空间区域内行走路线的规划十分不合理。

2、单一楼层内路线规划不通。现有的室内行人路线规划技术仅在单楼层内进行路线规划，未考虑楼层内可能存在互不相通、无法直达的区域，如同一栋建筑内的酒店与商场，必然导致所规划的路线不通。

3、无法兼容室内外混合规划。现有技术并未考虑如何将室内行人路线规划与室外路线规划相衔接，形成室内外一体化的规划模式，而该模式对于行业应用领域来说同样需求迫切。

4、路网修正困难。室内空间具有易变性，其空间布局会在短时间内发生变化，基于网络拓扑模型所构建的路线一旦生成便不能动态修改，一旦空间布局有变化，只能重新生成拓扑关，并不能满足室内空间的动态变化需求。

5、无法提供三维空间路线。现有的室内行人路线规划技术主要以二维平面地图为基础进行路线规划，各楼层间的规划路线往往简化为一条简单直线，忽略了楼层的三维空间几何特性，更无法与建筑的三维模型进行叠加展示，提供更直观的导航效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维空间内的室内多楼层行人路线规划方法，解决单楼层内因可能存在的不连通区域导致的路线规划不通问题和室内数据动态维护问题，并且本方法可与室外路线规划相连接，实现室内外一体化规划。

本发明实施例提供一种方法，具体包括以下步骤：

S1：在某建筑物的三维室内空间中，根据内部连通情况，分别将室内空间划分为楼层可规划空间区域、电梯可规划空间区域和楼梯可规划空间区域，再根据所述三种可规划空间区域之间的相邻关系构建区域邻接表；

S2：设置规划路线的起点和终点，根据所述起点和终点所在的可规划空间区域，采用寻路算法查找可规划空间区域序，所述可规划空间区域序包括规划路线所经过的所有可规划空间区域；再对所述可规划空间区域序进行处理，包括以下子步骤：

S11：获取所述可规划空间区域序中的起始可规划空间区域，作为当前可规划空间区域，进行可规划空间区域内的路线查找：

若所述当前可规划空间区域为电梯可规划空间区域或楼梯可规划空间区域，采用路网拓扑表示方法构建路网：分别获取所述起点和终点所在路网边线，以所述路网边线为路线节点，利用寻路算法计算并找到所述终点所在的路网边线；

若所述当前可规划空间区域为楼层可规划空间区域，利用栅格法构建栅格规划数据，再分别获取所述起点和终点所在栅格，以所述栅格为路线节点，利用寻路算法计算路线，直至当前栅格为所述终点所在栅格；

S12：根据所述区域邻接表，判断所述当前可规划空间区域是否存在下一可规划空间区域，若存在，则将所述下一可规划空间区域作为当前可规划空间区域，重复S11步骤，继续查找可规划空间区域内的路线，直至当前可规划空间区域不存在下一可规划空间区域；

S13：将步骤S12中查找得到的所有可规划空间区域内的规划路线依次连接，得到最终的室内行人规划路线。

在某一个实施例中，所述根据内部连通情况，分别划分为楼层可规划空间区域、电梯可规划空间区域和楼梯可规划空间区域，具体为：

将每个楼层视为一个室内空间区域，若该区域内部连通，则为楼层单可规划空间区域；若该区域内存在任意两点之间不连通，则将该区域对应剖分为两个独立的室内空间区域，直至所述楼层的整个内部区域全部可连通，得到楼层多可规划空间区域；

电梯间和楼梯间不单独属于某个楼层，且其内部任意两点之间可连通，则划分为电梯可规划空间区域和楼梯可规划空间区域。

在某一个实施例中，所述构建区域邻接表，具体为：

所述相邻关系是指空间区域在位置上相邻且可相互通行，根据可规划空间区域间的相邻关系，构建区域邻接表，并将相邻的位置定义为区域相交点，作为区域间连通必经点，其中电梯可规划空间区域与楼层可规划空间区域的相交点为电梯区域相交点；楼梯可规划空间区域与楼层可规划空间区域的相交点为楼梯区域相交点；楼层可规划空间区域与室外的相交点为室外区域相交点。

在某一个实施例中，所述采用栅格法构建规划数据，具体为：

将所述建筑物内各楼层障碍物的外部轮廓在垂直方向进行向上、向下扩展，直至顶部与所在楼层的天花板相重合，底部与所在楼层的地面相重合；对所述建筑物进行栅格剖分，得到全量栅格数据；去除所述障碍物占用的栅格后，从剩余栅格中，依次提取并构建各楼层可规划空间区域的栅格数据。

在某一个实施例中，步骤S2内所述采用寻路算法查找可规划空间区域序，具体包括以下步骤:

S21：根据所述起点和终点的空间位置，分别找到起始可规划空间区域和目标可规划空间区域，判断所述起始可规划空间区域与目标可规划空间区域是否为同一个可规划空间区域，若是，按照步骤S11进行所述可规划空间区域内的路线查找，得到最终的室内规划路线；若否，则利用寻路算法计算室内规划路线，包括以下子步骤：

S211：利用寻路算法计算所述起始可规划空间区域的估价函数值，将所述起点设置为所述起始可规划空间区域内的起点，放入开放列表；

S212：在所述开放列表中，计算并获取估价函数值最小的可规划空间区域，作为当前可规划空间区域，放入关闭列表；

S213：从所述区域邻接表中获取所述当前可规划空间区域的相邻可规划空间区域，并提取二者相交点，作为所述当前可规划空间区域内的终点；计算所述当前可规划空间区域内，起点到所述终点以及所述终点到目标点的欧氏距离之和，作为所述相邻可规划空间区域的估价函数值，再将所述相交点设置为所述相邻可规划空间区域的起点，将所述当前可规划空间区域设置为所述相邻可规划空间区域的前置可规划空间区域，放入开放列表；

S214：重复步骤S212-S213，直至当前可规划空间区域为所述目标可规划空间区域；

S215：从所述目标可规划空间区域往所述起始可规划空间区域进行回溯，生成可规划空间区域序。

在某一个实施例中，所述的查找可规划空间区域序方法，还包括：

所述寻路算法包括A*算法；所述估价函数包括：f(n)＝g(n)+h(n)，其中g(n)表示从起点到当前点n的成本，h(n)表示从当前点n到目标点的估算成本。

在某一个实施例中，所述三维室内多楼层行人路线规划方法还包括：

对于室内外混合路线规划，找到室内可规划空间区域与室外的交点，结合所述步骤S2，得到室内到所述交点的路线L1，再根据所述交点的位置到室外目标点的位置，得到所述室内外交点到所述室外目标点的路线L2，将所述路线L1与路线L2相加，得到最终规划路线。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述任一实施例所述的方法。

相比现有技术，本发明实施例的有益效果在于：

本发明提供了一种基于寻路算法与栅格法的室内行人路线规划方法，该方法通过划分可规划空间区域、构建邻接表并利用路网拓扑表示方法、寻路算法以及栅格法，得到最终的室内行走规划路线，既使室内空间数据的更新与维护更加便利，还可得到更贴合行人步行轨迹的规划路线，为室内外混合路线兼容规划提供了技术支持；此外，本技术方法在规划路线生成时，直接对建筑物室内的三维空间模型进行剖分制作，有效保留了该建筑的三维特性，使所规划的路线呈现更直观立体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的三维室内多楼层行人路线规划方法流程图；

图2是本发明实施例提供的查找可规划空间区域序的方法流程图；

图3是本发明实施例提供的楼层单可规划空间区域示意图；

图4是本发明实施例提供的楼层多可规划空间区域示意图；

图5是本发明实施例提供的电梯可规划空间区域示意图；

图6是本发明实施例提供的楼梯可规划空间区域侧面示意图；

图7是本发明实施例提供的室内外相交点示意图；

图8是本发明实施例提供的电梯区域相交点示意图；

图9是本发明实施例提供的楼梯区域相交点示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明一个或多个实施例提供的一种三维室内多楼层行人路线规划方法，其实现流程如图1所示，具体包括以下步骤：

S1：在某建筑物的三维室内空间中，根据内部连通情况，分别将室内空间划分为楼层可规划空间区域、电梯可规划空间区域和楼梯可规划空间区域，再根据所述三种可规划空间区域之间的相邻关系构建区域邻接表；

具体地，所述内部连通是指室内空间区域内部的任意两点间可连通，对于住宅、大型购物中心、车站、教学楼、医院等建筑物的室内区域而言，各楼层通过电梯间和楼梯间进行连通，楼层与楼层之间不存在直接的连通关系，因此，在室内空间划分时，首先将单楼层视为一个室内空间区域，若该区域内部连通，则为楼层单可规划空间区域(如图3所示)；若该区域内存在任意两点之间不连通，则将该区域对应剖分为两个独立的室内空间区域，直至所述楼层的整个内部区域全部可连通，形成楼层多可规划空间区域(如图4所示)；电梯间和楼梯间不单独属于某个楼层，且其内部任意两点之间可连通，则划分为电梯可规划空间区域(如图5所示)和楼梯可规划空间区域(如图6所示)。

具体地，所述相邻关系是指空间区域在位置上相邻且可相互通行，因此可根据可规划空间区域间的相邻关系，构建区域邻接表。

S2：设置规划路线的起点和终点，根据所述起点和终点所在的可规划空间区域，采用寻路算法查找可规划空间区域序，所述可规划空间区域序包括规划路线所经过的所有可规划空间区域；再对所述可规划空间区域序进行处理，包括以下子步骤：

S11：获取所述可规划空间区域序中的起始可规划空间区域，作为当前可规划空间区域，进行可规划空间区域内的路线查找：

若所述当前可规划空间区域为电梯可规划空间区域或楼梯可规划空间区域，采用路网拓扑表示方法构建路网：分别获取所述起点和终点所在路网边线，以所述路网边线为路线节点，利用寻路算法计算并找到所述终点所在的路网边线；

若所述当前可规划空间区域为楼层可规划空间区域，利用栅格法构建栅格规划数据，再分别获取所述起点和终点所在栅格，以所述栅格为路线节点，利用寻路算法计算路线，直至当前栅格为所述终点所在栅格；

具体地，根据室内可规划空间区域的划分规则所得到的三种可规划空间区域类型，其内部用于行人规划的数据格式有所不同，其中，电梯可规划空间区域和楼梯可规划空间区域的内部空间区域狭窄，行人步行方式单一，所以采用路网拓扑表示方法构建路网，生成行人的路网数据，所得到的路网数据数量少且结构简单，规划效率高；而对于楼层可规划空间区域，由于其室内环境较复杂，为了得到更合理的行人规划路线，采用栅格法来构建规划数据。

具体地，所述采用栅格法构建规划数据指：将所述建筑物内各楼层障碍物的外部轮廓在垂直方向进行向上、向下扩展，直至顶部与所在楼层的天花板相重合，底部与所在楼层的地面相重合；对所述建筑物进行栅格剖分，得到全量栅格数据；去除所述障碍物占用的栅格后，从剩余栅格中，依次提取并构建各楼层可规划空间区域的栅格数据，再选取靠近楼层地面的一层栅格进行行人路线规划。

S12：根据所述区域邻接表，判断所述当前可规划空间区域是否存在下一可规划空间区域，若存在，则将所述下一可规划空间区域作为当前可规划空间区域，重复S11步骤，继续查找可规划空间区域内的路线，直至当前可规划空间区域不存在下一可规划空间区域；

S13：将步骤S12中查找得到的所有可规划空间区域内的规划路线依次连接，得到最终的室内行人规划路线。

优选地，所述查找可规划空间区域序的方法流程如图2所示，具体包括下述步骤：

S21：根据所述起点和终点的空间位置，分别找到起始可规划空间区域和目标可规划空间区域，判断所述起始可规划空间区域与目标可规划空间区域是否为同一个可规划空间区域，若是，按照步骤S11进行所述可规划空间区域内的路线查找，得到最终的室内规划路线；若否，则利用寻路算法计算室内规划路线，包括以下子步骤：

S211：利用寻路算法计算所述起始可规划空间区域的估价函数值，将所述起点设置为所述起始可规划空间区域内的起点，放入开放列表；

S212：在所述开放列表中，计算并获取估价函数值最小的可规划空间区域，作为当前可规划空间区域，放入关闭列表；

S213：从所述区域邻接表中获取所述当前可规划空间区域的相邻可规划空间区域，并提取二者相交点，作为所述当前可规划空间区域内的终点；计算所述当前可规划空间区域内，起点到所述终点以及所述终点到目标点的欧氏距离之和，作为所述相邻可规划空间区域的估价函数值，再将所述相交点设置为所述相邻可规划空间区域的起点，将所述当前可规划空间区域设置为所述相邻可规划空间区域的前置可规划空间区域，放入开放列表；

S214：重复步骤S212-S213，直至当前可规划空间区域为所述目标可规划空间区域；

S215：从所述目标可规划空间区域往所述起始可规划空间区域进行回溯，生成可规划空间区域序。

优选地，所述利用寻路算法计算起始可规划空间区域的估价函数值，其中，所述寻路算法包括A*算法，所述估价函数包括：f(n)＝g(n)+h(n)，其中g(n)表示从起点到当前点n的成本，h(n)表示从当前点n到目标点的估算成本；

进一步的实施例中，对于室内外混合路线规划具体包括：找到室内可规划空间区域与室外的交点，结合所述步骤S2，得到室内到所述交点的路线L1；再根据所述交点的位置到室外目标点的位置，得到所述室内外交点到所述室外目标点的路线L2；将所述路线L1与路线L2相加，得到最终规划路线。

具体实施时，将可规划空间区域间相邻的位置定义为区域相交点，作为区域间连通必经点，其中，电梯可规划空间区域与楼层可规划空间区域的相交点为电梯区域相交点(如图8所示)；楼梯可规划空间区域与楼层可规划空间区域的相交点为楼梯区域相交点(如图9所示)；楼层可规划空间区域与室外的相交点为室外区域相交点(如图7所示)。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可监听存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种三维室内多楼层行人路线规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在某建筑物的三维室内空间中，根据内部连通情况，分别将室内空间划分为楼层可规划空间区域、电梯可规划空间区域和楼梯可规划空间区域，再根据三种可规划空间区域之间的相邻关系构建区域邻接表；

S2：设置规划路线的起点和终点，根据所述起点和终点所在的可规划空间区域，采用寻路算法查找可规划空间区域序，所述可规划空间区域序包括规划路线所经过的所有可规划空间区域；再对所述可规划空间区域序进行处理，包括以下子步骤：

S11：获取所述可规划空间区域序中的起始可规划空间区域，作为当前可规划空间区域，进行可规划空间区域内的路线查找：

若所述当前可规划空间区域为电梯可规划空间区域或楼梯可规划空间区域，采用路网拓扑表示方法构建路网：分别获取所述起点和终点所在路网边线，以所述路网边线为路线节点，利用寻路算法计算并找到所述终点所在的路网边线；

若所述当前可规划空间区域为楼层可规划空间区域，利用栅格法构建栅格规划数据，再分别获取所述起点和终点所在栅格，以所述栅格为路线节点，利用寻路算法计算路线，直至当前栅格为所述终点所在栅格；

所述根据内部连通情况，分别划分为楼层可规划空间区域、电梯可规划空间区域和楼梯可规划空间区域，具体为：

将每个楼层视为一个室内空间区域，若该区域内部连通，则为楼层单可规划空间区域；若该区域内存在任意两点之间不连通，则将该区域对应剖分为两个独立的室内空间区域，直至所述楼层的整个内部区域全部可连通，得到楼层多可规划空间区域；

电梯间和楼梯间不单独属于某个楼层，且其内部任意两点之间可连通，则划分为电梯可规划空间区域和楼梯可规划空间区域；

所述构建区域邻接表，具体为：

所述相邻关系是指空间区域在位置上相邻且可相互通行，根据可规划空间区域间的相邻关系，构建区域邻接表，并将相邻的位置定义为区域相交点，作为区域间连通必经点，其中电梯可规划空间区域与楼层可规划空间区域的相交点为电梯区域相交点；楼梯可规划空间区域与楼层可规划空间区域的相交点为楼梯区域相交点；楼层可规划空间区域与室外的相交点为室外区域相交点；

采用栅格法构建规划数据，具体为：

将所述建筑物内各楼层障碍物的外部轮廓在垂直方向进行向上、向下扩展，直至顶部与所在楼层的天花板相重合，底部与所在楼层的地面相重合；对所述建筑物进行栅格剖分，得到全量栅格数据；去除所述障碍物占用的栅格后，从剩余栅格中，依次提取并构建各楼层可规划空间区域的栅格数据；

S12：根据所述区域邻接表，判断所述当前可规划空间区域是否存在下一可规划空间区域，若存在，则将所述下一可规划空间区域作为当前可规划空间区域，重复S11步骤，继续查找可规划空间区域内的路线，直至当前可规划空间区域不存在下一可规划空间区域；

S13：将步骤S12中查找得到的所有可规划空间区域内的规划路线依次连接，得到最终的室内行人规划路线。

2.根据权利要求1所述的三维室内多楼层行人路线规划方法，其特征在于，在步骤S2中，所述采用寻路算法查找可规划空间区域序，具体包括以下步骤:

S21：根据所述起点和终点的空间位置，分别找到起始可规划空间区域和目标可规划空间区域，判断所述起始可规划空间区域与目标可规划空间区域是否为同一个可规划空间区域，若是，按照步骤S11进行所述可规划空间区域内的路线查找，得到最终的室内规划路线；若否，则利用寻路算法计算室内规划路线，包括以下子步骤：

S211：利用寻路算法计算所述起始可规划空间区域的估价函数值，将所述起点设置为所述起始可规划空间区域内的起点，放入开放列表；

S212：在所述开放列表中，计算并获取估价函数值最小的可规划空间区域，作为当前可规划空间区域，放入关闭列表；

S213：从所述区域邻接表中获取所述当前可规划空间区域的相邻可规划空间区域，并提取二者相交点，作为所述当前可规划空间区域内的终点；计算所述当前可规划空间区域内，起点到所述终点以及所述终点到目标点的欧氏距离之和，作为所述相邻可规划空间区域的估价函数值，再将所述相交点设置为所述相邻可规划空间区域的起点，将所述当前可规划空间区域设置为所述相邻可规划空间区域的前置可规划空间区域，放入开放列表；

S214：重复步骤S212-S213，直至当前可规划空间区域为所述目标可规划空间区域；

S215：从所述目标可规划空间区域往所述起始可规划空间区域进行回溯，生成可规划空间区域序。

3.根据权利要求2所述的三维室内多楼层行人路线规划方法 ，其特征在于，还包括：

所述寻路算法包括A*算法；所述估价函数包括：f(n)＝g(n)+h(n)，其中g(n)表示从起点到当前点n的成本，h(n)表示从当前点n到目标点的估算成本。

4.根据权利要求1所述的三维室内多楼层行人路线规划方法，其特征在于，还包括：

对于室内外混合路线规划，找到室内可规划空间区域与室外的交点，结合所述步骤S2，得到室内到所述交点的路线L1；再根据所述交点的位置到室外目标点的位置，得到室内外交点到所述室外目标点的路线L2；将所述路线L1与路线L2相加，得到最终规划路线。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至4任一项所述的方法。

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