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Die
Erfindung ist auf ein Verfahren zum Verarbeiten von digitalen Kartendaten,
insbesondere auf ein Verfahren zum Verarbeiten digitaler Kartendaten zur
Routenbestimmung, und auf einem Verfahren zum Bestimmen einer Route
zwischen zwei Punkten gerichtet.
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Auf
verschiedenen Gebieten werden Navigationssysteme verwendet und haben
sich als nützlich erwiesen,
um dem Nutzer Informationen zur Verfügung zu stellen, wie er ein
vorbestimmtes Ziel startend von einem vorbestimmten Startpunkt aus
erreicht. Navigationssysteme sind zum Beispiel in Hand – GPS – Einrichtungen
implementiert. Als ein weiteres Beispiel sind mehr und mehr Fahrzeuge, wie
Automobile, mit Navigationssystemen ausgestattet.
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In
einem Fahrzeug unterstützt
ein Navigationssystem den Fahrer durch Bereitstellen von Fahranweisungen.
Insbesondere kann ein Nutzer ein gewünschtes Ziel zum Beispiel durch
Wählen
eines bestimmten Ziels aus einer Liste von zuvor gespeicherten Zielen
oder durch Eingeben von Zielkoordinaten eingeben. Zusätzlich zu
dem Ziel, welches von dem Benutzer eingegeben wird, bestimmt das
Navigationssystem eine gegenwärtige
Position üblicherweise mit
Hilfe eines GPS-Systems und vielleicht zusätzlichen Bewegungssensoren.
Alternativ kann ebenso ein Startpunkt manuell durch einen Benutzer
eingegeben werden. Basierend auf dem Startpunkt (wie der gegenwärtigen Position)
und dem Zielpunkt bestimmt dann das Navigationssystem eine Route,
d. h. Informationen (z. B. bezüglich
der Straßen)
darüber, wie
das Ziel beginnend von dem vorbestimmten Startpunkt erreicht werden
kann.
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Um
eine Route zu bestimmen, verwendet ein Navigationssystem digitale
Kartendaten. Im Zusammenhang mit einer Autonavigation umfassen die
digitalen Kartendaten vorzugsweise Straßendaten und vielleicht zusätzliche
topographische Informationen. Die Straßen sind vorzugsweise klassifiziert,
so dass ein Navigationssystem, das die digitalen Kartendaten verwendet,
zwischen einer kleinen Straße
und einer Autobahn unterscheiden kann. Basierend auf einem gegebenen
Startpunkt, einem gegebenen Endpunkt und insbesondere auf den Kartendaten
bestimmt ein Navigationssystem basierend auf vorbestimmten Kriterien,
wie das Ziel erreicht wird. Die Routeninformationen, die dem Nutzer
bereitgestellt werden, umfassen insbesondere sämtliche Informationen über die Straßen, die
zu nehmen sind.
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Der
Artikel "EVA – Netzabbildung
und Routensuche für
ein fahrzeugautonomes Ortungs- und Navigationssystem" von Alois Fuchs,
Manfred Mackert und Gisela Ziegler, Nachrichten technische Zeitschrift,
Band 36, Nr. 4, 4. April 1983, Seiten 220–223, offenbart ein Fahrzeugnavigationssystem
und ein Verfahren zur Routenbestimmung einschließlich einer manuellen Segmentation
eines Netzwerkes und nachfolgender Digitalisierung von Karten. Die
Segmentation definiert Segmente, die durch Deskriptoren dargestellt
sind, welche eine Segmentidentifikation beschreiben, sowie eine
Segmentennachbarliste, die aus Elementen besteht, welche insbesondere
einen Übergangswiderstand
spezifizieren.
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Die
Routenbestimmung wird jedoch auf einer sehr kleinen Skala oder einer
lokalen Ebene, z. B. auf der Ebene von Straßen, ausgeführt. Wenn z. B. eine Route
im Zusammenhang von einer Autonavigation bestimmt wird, müssen alle
möglichen
Straßen
innerhalb eines Bereiches berücksichtigt
werden. Daher erfordert in dem Fall, in dem der Startpunkt und der Zielpunkt
weit voneinander entfernt sind, das Bestimmen der Route zwischen
diesen Punkten den Zugriff auf und die Verarbeitung von großen Mengen
von Daten und somit aufwendige und zeitaufwendige Rechnungen.
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Mit
Hinblick darauf ist es die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt,
ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, das eine einfachere und schnellere Bestimmung einer
Route ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren für die Verarbeitung von digitalen
Kartendaten gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren zum Bestimmen einer Route gemäß Anspruch
12 gelöst.
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Dem
gemäß wird ein
Verfahren zum Verarbeiten von digitalen Kartendaten für eine Routenbestimmung
zur Verfügung
gestellt, das umfasst:
- a) Unterteilen einer
Region in eine Mehrzahl von Zonen,
- b) automatisches Bestimmen zumindest eines Kostenwertes für jede Zone
für zumindest
eine Passierrichtung der Zone basierend auf digitalen Kartendaten
der Zone und einem vorbestimmten Kostenkriterium.
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Digitale
Kartendaten umfassen insbesondere Kartendaten, welche die Region
darstellen (oder abdecken), die in eine Mehrzahl von Zonen unterteilt wird.
Ein Kostenwert ist ein numerischer Wert, der einer Zone gemäß einem
vorbestimmten Kostenkriterium zugewiesen wird. Auf diese Weise wird
in Übereinstimmung
mit dem vorbestimmten Kriterium jede Zone gewichtet; der Zone wird
durch einen Kostenwert ein Gewicht oder eine Bewertung zugewiesen.
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Es
sind verschiedene Kostenkriterien möglich, die von der gewünschten
Verwendung der Kartendaten abhängen.
Zum Beispiel kann ein Kostenwert durch die (geschätzte) Zeit
gegeben sein, die erforderlich ist, eine Zone zu passieren oder
zu durchqueren. Alternativ ist es möglich, die Distanz, die erforderlich
ist, die Zone auf einer Straße
zu passieren, als Kostenwert zuzuweisen. Gemäß einer weiteren Variante kann
der Kostenwert durch den Betrag einer Zollgebühr gegeben sein, die zu zahlen
ist, wenn die Zone passiert wird. Zudem gibt es weitere Möglichkeiten.
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Es
soll bemerkt werden, dass die zuvor genannten Beispiele verschiedene
Kostenkrterien darstellen können
oder kombiniert werden können,
um ein einzelnes Kriterium zu bilden. Zum Beispiel kann die Zeit,
die erforderlich ist, um die Zone zu passieren, mit dem Betrag der
Mautgebühr
multipliziert werden, wodurch sich ein kombinierter Kostenwert ergibt.
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Daher
ermöglichen
die resultierten Kostenwerte es, verschiedene Zonen zu vergleichen.
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Es
gibt in vielen Fällen
verschiedene Möglichkeiten
die Zonen zu passieren, d. h. verschiedene Passierrichtungen können ausgewählt werden.
Zum Beispiel kann eine Zone von Nord nach Süd und von Ost nach West passiert
werden. Somit kann es verschiedene Passierrichtungen für die Zonen
geben. Für
jede dieser Passierrichtungen kann ein Kostenwert bestimmt werden.
Des Weiteren kann der Kostenwert für die Passierrichtung "Nord nach Süd" dem Kostenwert für die Passierrichtung "Süd nach Nord" gleich sein, muss es aber nicht.
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Wie
bereits oben diskutiert, sind mehrere Kostenkriterien möglich. In
Abhängigkeit
von der gewünschten
Verwendung der Kartendaten können verschiedene
Parameter in einem bestimmten Zusammenhang relevant sein. In einem
solchen Fall kann ein kombiniertes Kriterium auf verschiedenen Parameter
basieren, oder es können
alternativ verschiedene Kostenwerte (jeder entsprechend einem anderen
Kostenkriterium) für
eine Zone und eine Passierrichtung bestimmt werden. Auf diese Weise können verschiedene
Sätze von
Kostenwerte erhalten werden, wobei jeder Satz den Kostenwerten entspricht,
welche auf Grundlage eines bestimmten Kostenkriteriums bestimmt
werden.
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Aufgrund
der Unterteilung einer Region in einer Mehrzahl von Zonen und den
bestimmten Kostenwerten wird eine erste Verarbeitung der digitalen Kartendaten
erhalten, welche jegli che weitere Verarbeitung vereinfacht. Dieses
ist besonders nützlich, wenn
Routen über
große
Distanzen bestimmt werden, wobei die Routenbestimmung auf der lokalen Ebene
(z. B. auf der Ebene von Straßen)
sehr zeitaufwendig ist. In diesem Fall stellen die Zonen eine mittlere
Ebene und eine entsprechende Vorverarbeitung der Daten zur Verfügung. Des
Weiteren kann jegliche lokale Änderung
(z. B. ein Verkehrsstau) auf der Ebene von Zonen berücksichtigt
werden, und es ist nicht nötig,
die gesamte Route auf der globalen Ebene neu zu bestimmen. Zusätzlich erlauben
es die Zonen, eine angenäherte
Route (auf der mittleren Ebene, die durch die Zonen gegeben ist)
auf eine schnelle Weise und unter Einschluss einer geschätzten Distanz
und/oder Reisezeit zu bestimmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann
jeder Kostenwert in Abhängigkeit
von dem Passierabstand und/oder der Passierzeit für die Passierrichtung
der Zone bestimmt werden. Vorzugsweise kann jeder Kostenwert dem
Passierabstand und/oder der Passierzeit proportional sein.
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Dieses
ermöglicht
eine einfache und schnelle Bestimmung der Kostenwerte. Wenn es verschiedene
Möglichkeiten
gibt, eine Zone entlang einer bestimmten Passierrichtung zu passieren
(wenn es z. B. verschiedene Straßen gibt, die in die selbe
Passierrichtung führen),
kann vorzugsweise jeder Kostenwert in Abhängigkeit von dem geringsten
Passierabstand und/oder der kleinsten Passierzeit bestimmt werden.
Dieses lässt
sich entsprechend auf andere Gebiete der Anwendung anwenden, in
denen Straßen
von geringerer Relevanz sind und z. B. die Topographie oder andere
Merkmale von größerer Wichtigkeit
sind.
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Vorteilhafterweise
können
die Kostenwerte unter Berücksichtigung
eines vorbestimmten Teils einer benachbarten Zone bestimmt werden.
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Zwei
Zonen sind einander benachbart, wenn ihre Grenzen in zumindest einem
Punk überlappen. Somit
werden Grenz- oder Quantisierungseffekte durch das Berücksichtigen
eines vorbestimmten Teils einer benachbarten Zone vermieden. Zum
Beispiel verbessert es in einigen Fällen, z. B. wenn eine Straße in einer
benachbarten Zone aber nahe der Grenze der Zonen gelegen ist, die
Ergebnisse, wenn diese Straße
als Teil der Zone für
den Zweck der Bestimmung der Kostenwerte betrachtet wird. Daher
wird in dieser Ausführungsform
eine Zone zum Bestimmen eines Kostenwertes ausgedehnt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der obigen Verfahren kann jede Zone eine polygonale Form, vorzugsweise
eine rechteckige oder hexagonale Form, aufweisen. Dieses vereinfacht
die Unterteilung der Region und das Bestimmen der Kostenwerte weiter.
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Vorzugsweise
kann Schritt a) ein periodisches Mosaikaufteilen der Region umfassen.
Der Ausdruck "Mosaikaufteilen" bedeutet, dass die
Region durch Zonen ohne Lücken
abgedeckt wird und die Zonen (Mosaikteile) lediglich an ihren Kanten überlappen.
Auf diese Weise wird ein Netz von Zonen erhalten. Dieses vereinfacht
insbesondere den Vergleich von Kostenwerten verschiedener Passierrichtungen
innerhalb einer Zone und von Kostenwerten von verschiedenen Zonen
aufgrund der Symmetrie.
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Insbesondere,
wenn die Zonen eine rechteckige oder eine hexagonale Form aufweisen,
kann Schritt b) das Bestimmen von einem Kostenwert für das Passieren
einer Zone von einem Rand zu jeweils jedem anderen Rand und/oder
von einer Ecke zu jeweils jeder anderen Ecke umfassen. Auf diese
Weise wird eine Gewichtung sämtlicher
relevanter Passierrichtungen der Zone mit Bezug auf die Kanten oder die
Ecken einer Zone durch entsprechende Kostenwerte erhalten.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann Schritt b) das Bestimmen eines zeitabhängigen Kostenwertes umfassen.
In anderen Worten ist der Kostenwert für eine bestimmte Passierung
einer bestimmten Zone nicht eine Konstante, sondern eine Funktion
der Zeit.
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Auf
diese Weise können
sich ändernde
Bedingungen in einer Zone berücksichtigt
werden. Zum Beispiel können
zu Stoßzeiten
einige Straßen
verstopft sein, was in einem AAnwachsen der Passierzeit resultiert.
Diese Umstände
können
in Betracht gezogen werden, wenn ein zeitabhängiger Kostenwert bestimmt
wird.
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Vorteilhafterweise
kann Schritt b) das automatische Neubestimmen eines Kostenwertes
von zumindest einer Zone auf einer regulären Basis und/oder bei Auftreten
eines Ereignisses einer vorbestimmten Art umfassen.
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In
einem solchen Fall ist das Gewichten einer Zone über Kostenwerte nicht festgelegt,
nachdem diese Kostenwerte bestimmt worden sind. In anderen Worten
sind dynamische Änderungen
einer Gewichtung möglich,
was besonders nützlich
ist, wenn es zu erwarten ist, dass sich die Bedingungen in einigen oder
samtlichen Zonen mit der Zeit ändern.
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Vorbestimmte
Arten von Ereignissen können ebenso
eine Neubestimmung eines Kostenwertes veranlassen oder initiieren.
Dann wird, wenn es notwendig ist, der Kostenwert aktualisiert, wodurch
die Genauigkeit des Verfahrens verbessert wird. Zum Beispiel stellt
eine explizite Anweisung durch einen Benutzer, einen Kostenwert
neu zu bestimmen, ein solches Ereignis dar.
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Vorzugsweise
kann ein Ereignis einer vorbestimmten Zeit eine Verkehrsnachricht
sein. Dann wird, wenn eine solche Verkehrsnachricht empfangen wird
(z. B. über
einen Verkehrsnachrichtenkanal TMC), eine Neubestimmung des Kostenwertes
initiiert, was in einer Aktualisierung des Kostenwertes resultiert.
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Die
Neubestimmung eines Kostenwertes kann das Bestimmen des Kostenwertes
unter Verwendung des gegebenen Kostenkriteriums und sämtlicher
erforderlicher Parameter umfassen, muss es aber nicht. Eine Neubestimmung
eines Kostenwertes kann vorzugsweise das Ändern eines gegenwärtigen Kostenwertes
insbesondere durch Addieren eines vorbestimmten Wertes zu dem Kostenwert oder
durch Multiplizieren des Kostenwertes mit einem bestimmten Wert
umfassen. Wenn z. B. eine Verkehrsnachrichteninformation über einen
Verkehrsstau für
eine bestimmte Passierrichtung in einer bestimmten Zone empfangen
wird, kann ein vorbestimmter Wert dem entsprechenden gegenwärtigen Kostenwert
hinzu addiert werden, um den Verkehrsstau zu berücksichtigen. Dieses ist insbesondere nützlich,
wenn die Kostenwerte zuvor bestimmt und gespeichert worden sind
und lediglich kleine Änderungen
vorzunehmen sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform können die
obigen Verfahren weiterhin umfassen:
- c) Speichern
jedes Kostenwertes für
jede Zone.
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Somit
wird eine Datenstruktur erhalten, die die notwendigen Informationen über die
Zonen einer Region enthalten. Wenn es durch das Verfahren erforderlich
wird, wird zum Beispiel auf diese Kostenwerte zugegriffen.
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Vorzugsweise
kann Schritt c) das Speichern von Nachbarschaftsinformationen für jede Zone
umfassen. Nachbarschaftsinformationen sind Informationen darüber, welche
Zonen einer gegebenen Zone benachbart sind. Wie es bereits oben
erwähnt
wurde, bedeutet benach bart, dass die Grenzen von zwei Zonen einander überlappen.
Zum Beispiel können
zwei Zonen eine Kante oder eine Ecke gemein haben.
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Solche
Nachbarschaftsinformationen können
auf verschiedene Weisen gespeichert werden. Zum Beispiel kann, wenn
die Kostenwerte für
eine Zone gespeichert werden, zugleich eine Kennung für jede Zone
gespeichert werden, die in der Realität benachbart ist. Alternativ
kann der Kostenwert der Zonen auf eine solche Weise gespeichert
werden, dass die Datenstruktur selbst die geometrischen Verhältnisse
zwischen den Zonen wiedergibt.
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Nachbarschaftsinformationen
sind aus verschiedenen Gründen
wichtig. Erstens ist es, wenn die verarbeiteten digitalen Kartendaten
verwendet werden um Routeninformationen zu bestimmen, hilfreich,
zu wissen welche Zone, nachdem eine vorherige Zone passiert worden
ist, folgt. Des Weiteren ist es notwendig, wenn Kostenwerte unter
Verwendung einer ausgedehnten Zone bestimmt werden, d. h. unter
Berücksichtigung
eines vorbestimmten Teils einer benachbarten Zone, die Nachbarschaftsverhältnisse zu
kennen.
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Die
Erfindung stellt des Weiteren ein Verfahren zum Bestimmen einer
Route zwischen zwei Punkten zur Verfügung, das umfasst:
- a) Bereitstellen von digitalen Kartendaten, die durch eine der
zuvor beschriebenen Verfahren verarbeitet werden,
- b) automatisches Bestimmen von zumindest einer Reihenfolge von
Zonen, die die zwei Punkte verbinden, wobei jede Zone der Reihenfolge
einer anderen Zone der Reihenfolge benachbart ist, so dass der Gesamtkostenwert
der Reihenfolge der Zonen optimiert wird.
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Dieses
Verfahren ergibt eine "Route" auf der Ebene von
zwei Zonen zwischen zwei Punkten, die auf eine sehr nützliche
Weise weiter verwendet werden kann, wenn, z. B. in dem Fall einer
Autonavigation, die aktuelle Route auf der Ebene von Straßen bestimmt
wird. Die bestimmte Reihenfolge von Zonen umfasst die Zonen, die
man zu passieren hat, wenn man von dem einen Punkt zu dem anderen
Punkt geht.
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Die
Reihenfolge der Zonen wird so bestimmt, dass der Gesamtkostenwert
der Reihenfolge von Zonen optimiert wird. Vorzugsweise kann der
Gesamtkostenwert durch die Summe der Kostenwerte der Zonen der Reihenfolge
gegeben sein. Das Optimierungskriterium hängt von der Art der Kostenwerte
ab. Zum Beispiel kann das Optimierungskriterium, wenn das Kostenkriterium
die Passierzeit war, und die resultierenden Kostenwerte proportional
zu der Passierzeit einer Zone waren, in dem Minimieren der Gesamtpassierzeit
oder Reisezeit, d. h. dem Minimieren der Summe der Passierzeiten
bei dem Passieren der Zonen zwischen dem einen Punkt und dem anderen Punkt,
bestehen. Wenn andere Kostenwerte verwendet werden, kann die Optimierung
ebenso eine Maximierung sein.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten,
um eine solche Reihenfolge von Zonen zu bestimmen. Insbesondere
können
Algorithmen verwendet werden, die entwickelt worden sind, um den
kürzesten
Weg von einem Knoten zu einem anderen Knoten in einem gewichteten
Graphen zu finden. In dem gegenwärtigen Fall
sind die Gewichte der Kanten des Graphs durch die Kostenwerte gegeben.
Der Graph kann ein geordneter Graph (in dem die Kanten geordnete
Paare von Knoten sind) oder ein unidirekter Graph (in dem die Kanten
ungeordnete Paare von Knoten sind) sein. Wenn z. B. die Passierrichtung
von Nord nach Süd
in einer Zone von der Passierrichtung von Süd nach Nord unterschieden ist,
wäre der
entsprechende Graph ein gerichteter Graph.
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Es
sind verschiedene Algorithmen bekannt, um das Problem des kürzesten
Weges (der optimalen Reihenfolge von Zonen) zu lösen. Mögliche Algorithmen sind z.
B. Dijkstra's Algorithmen,
der Bellman-Ford-Algorithmus, Johnsons's Algorithmus oder der A-star Algorithmus.
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Vorzugsweise
kann Schritt b) das automatische Bestimmen sämtlicher Reihenfolgen von Zonen,
die die zwei Punkte verbinden, umfassen, wobei jede Zone der Reihenfolge
einer anderen Zone der Reihenfolge benachbart ist, so dass sich
der Gesamtkostenwert der Reihenfolge der Zonen nicht um mehr als
einen vorbestimmten Schwellenwert von dem Gesamtkostenwert einer
Reihenfolge unterscheidet, die hinsichtlich der Kostenwerte optimal
ist.
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Dieses
ergibt verschiedene alternative Reihenfolgen der Zonen, die ähnliche
Gesamtkostenwerte aufweisen. Dieses ist nützlich, wenn während der
weiteren Verarbeitung der digitalen Kartendaten Einschränkungen
auferlegt werden, aufgrund derer einige der Reihenfolgen von Zonen
eliminiert werden. Des Weiteren ist es ebenso möglich, diese Alternativen einem
Nutzer zu präsentieren,
der zwischen den Reihenfolgen wählen
kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann Schritt b) für
jede Zone das Bestimmen eines Unterschiedes zwischen dem Gesamtkostenwert
einer Reihenfolge, die die Zone umfasst, und dem Gesamtkostenwert
einer Reihenfolge, die hinsichtlich der Kostenwerte optimal ist,
umfassen.
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Auf
diese Weise kann jede Zone mit Hinsicht auf die Zonen klassifiziert
werden, die zu einer optimalen Reihenfolge gehören.
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Vorzugsweise
ist für
jede Zone der Unterschied, der zu bestimmen ist, der Unterschied
zwischen der global optimalen Reihenfolge und einer besten Reihenfolge,
die diese Zone umfasst. Üblicherweise
ist eine Zone ein Teil von verschiedenen Reihenfolgen, die zwei
Punkte verbinden. Somit wird in diesem Fall lediglich die beste
(gemäß einem
entsprechendem Optimierungskriterium) Reihenfolge für das Bestimmen
eines Unterschiedes zu der global optimalen Reihenfolge ausgewählt. Diese
Information kann verwendet werden, wenn die optimale Reihenfolge
aus irgendeinem Grund nicht weiter verarbeitet wird, wenn sich z.
B. während
einer Neubestimmung der Kostenwert einer Zone, die Teil der optimalen
Reihenfolge ist, ändert,
so dass die Reihenfolge, die zuvor optimal war, nicht länger optimal
ist. In einem solchen Fall muss eine neue optimale Reihenfolge bestimmt
werden, wofür
die Unterschiedsinformationen verwendet werden können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann
Schritt b) das automatische Neubestimmen der zumindest einen Reihenfolge
von Zonen, die die zwei Punkte verbinden, auf einer regulären Basis und/oder
bei Auftreten eines Ereignisses einer vorbestimmten Art umfassen.
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Eine
solche Aktualisierung der optimalen Reihenfolge von Zonen hat den
Effekt, dass immer die aktuelle optimale Reihenfolge präsent ist,
insbesondere, wenn die Kostenwerte der Zonen zeitabhängig sind
oder aufgrund einer neuen Bestimmung geändert worden sind.
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Vorzugsweise
ist einer der zwei Punkte eine gegenwärtige Position, und es ist
der andere Punkt ein Zielpunkt. Dieses ermöglicht es, dass Verfahren für Navigationszwecke
zu verwenden, wobei ein Nutzer einen Zielpunkt eingibt und eine
Route beginnend von der gegenwärtigen
Position zu bestimmen ist. Insbesondere arbeitet ein Navigationssystem,
wenn die optimale Reihenfolge einer Zone während der Verwendung neu bestimmt
wird, immer mit einer optimalen Reihenfolge von Zonen, welche die
gegenwärtige
Position und einen Zielpunkt verbinden, was die Genauigkeit und
Qualität
des Navigationssystems erhöht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann
der Gesamtkostenwert für
jede Reihenfolge unter zumindest einer vorbestimmten Nebenbedingung optimiert
werden.
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Auf
diese Weise können
zusätzliche
Informationen berücksichtigt
werden. In dem Fall eines Autonavigationssystems kann ein Nutzer
z. B. wählen, dass
lediglich mautfreie Straßen
berücksichtigt
werden. Eine solche Wahl ist eine mögliche Nebenbedingung.
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Vorteilhafterweise
können
die vorherigen Verfahren zum Bestimmen einer Route zwischen zwei
Punkten umfassen:
- c) Bestimmen einer Route
basierend auf den digitalen Kartendaten für die Zonen einer vorbestimmten
Reihenfolge von Zonen, die die zwei Punkte verbinden.
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Somit
wird, nachdem eine optimale Reihenfolge bestimmt worden ist, eine
entsprechende Route zum Beispiel auf der Ebene von Straßen bestimmt, die
dazu verwendet werden kann, einem Nutzer Navigationsinformationen
bereitzustellen. Wenn das Verfahren nicht im Zusammenhang einer
Autonavigation verwendet wird, sondern z. B. im Zusammenhang vom
Wandern oder Segeln, wird eine Route nicht durch Straßeninformationen,
sondern über
andere Informationen und Parameter gegeben.
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In
jedem Fall werden die digitalen Kartendaten entsprechend den Zonen
der vorbestimmten Reihenfolge kombiniert, um die Route zu bestimmen. Die
Kartendaten von anderen Zonen sind nicht erforderlich. Somit wird
die Route in zwei Schritten bestimmt: Zuerst wird eine Reihenfolge
von Zonen bestimmt und zweitens auf Grundlage dieser Reihenfolge
von Zonen die aktuellen Routeninformationen unter Verwendung der
digitalen Kartendaten für
lediglich diese Zonen erhalten. Daher stellt dieses Verfahren eine
schnellere und einfachere Möglichkeit
zum Bestimmen einer Route zur Verfügung.
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Die
Erfindung stellt ebenso ein Verfahren zum Unterstützen einer
Navigation zur Verfügung, das
umfasst:
Bestimmen einer Route zwischen einem Startpunkt und
einem Zielpunkt gemäß dem vorherigen
Verfahren,
Ausgeben von Routeninformationen auf eine akustische
und/oder optische Weise.
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Somit
wird das obige Verfahren zum Bestimmen einer Route verwendet, in
der die zwei Punkte der Startpunkt bzw. der Zielpunkt sind. Nachdem
die Route bestimmt worden ist, werden die entsprechenden Routeninformationen
ausgegeben, um einen Nutzer zu unterstützen.
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Zusätzlich stellt
die Erfindung ebenso ein Computerprogrammprodukt zur Verfügung, das
direkt in einen internen Speicher eines digitalen Computers ladbar
ist und Softwarecodeteile zum Ausführen der Schritte eines der
zuvor beschriebenen Verfahren umfasst.
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Weiterhin
wird ein Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt, das auf einem
Medium gespeichert ist, das von einem Computersystem lesbar ist,
das computerlesbare Programmmittel zum Veranlassen eines Computers
dazu, die Schritte eines der zuvor diskutierten Verfahren auszuführen, umfasst.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden mit Bezug auf die folgenden
Beispiele und die Figuren beschrieben und erläutert.
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1 veranschaulicht
ein Mosaikaufteilen einer Region;
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2 stellt
Formen von Zonen und entsprechende Passierrichtungen dar;
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3 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen einer Route veranschaulicht;
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4 veranschaulicht
Kostenwerte für
eine Zone;
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5 veranschaulicht
die Kostenwerte für ein
gesamtes Mosaikaufteilen einer Region; und
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6 veranschaulicht
Reihenfolgen von Zonen.
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In 1 ist
eine Karte einer Region gezeigt. In diesem Beispiel ist die Region
in einer Mehrzahl von Zonen 101 unterteilt. In diesem Fall
sind die Zonen Quadrate, die die Region periodisch aufteilen. Dieses
bedeutet, dass die Zonen die Region von Kante zu Kante ohne Lücken zwischen
den Zonen abdecken. Die Zonen überlappen
lediglich an ihren Kanten.
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Das
veranschaulichte Beispiel ist besonders relevant für den Fall
der Autonavigation. Routen 102 sind in der Karte gezeigt.
Im Folgenden wird das Bestimmen von Kostenwerten mit Bezug auf eine
bestimmte Zone 103 erläutert.
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Der
Kostenwert für
das Passieren der Zone 103 von West nach Ost (d. h. von
der linken zu der rechten Kante) soll bestimmt werden. Als ein Beispiel ist
der Kostenwert durch die Passierzeit in der Passierrichtung gegeben.
Wie es in der Figur gesehen werden kann, gibt es eine kleine Straße 104,
die von der linken zu der rechten Zone 103 führt. Des
Weiteren gibt es eine Autobahn 102, welche ebenso die Zone 103 kreuzt.
Diese Autobahn 102 startet jedoch nicht von der linken
Kante der Zone 103, sondern an der oberen Kante. Die Autobahn 102 kommt
jedoch von Westen und führt
nach Osten.
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In
dem vorliegenden Beispiel für
das Bestimmen der Kostenwerte sind die Zonen zu benachbarten Zonen
ausgedehnt. In dem Fall einer quadratischen Mosaikaufteilung, wie
er in 1 veranschaulicht ist, ist jede Zone von acht
Zonen umgeben, in anderen Worten sind acht Zonen der Zone 103 benachbart.
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Für das Bestimmen
des Kostenwertes für das
Passieren der Zone 103 von West nach Ost werden ebenso
Teile 105 und 106 von benachbarten Zonen 107 und 108 berücksichtigt.
Daher wird die Autobahn 102 ebenso berücksichtigt, wenn der Kostenwert
bestimmt wird.
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Wie
es bereits oben erwähnt
wurde, ist in dem vorliegenden Beispiel das Kostenkriterium die Passierzeit.
Für dieses
Kriterium sind durchschnittliche Fahrgeschwindigkeiten für die verschiedenen Straßen gegeben.
Zum Beispiel wird angenommen, dass für die kleine Straße 104 die
mittlere Fahrgeschwindigkeit 60 km/h beträgt, wohingegen für die Autobahn 102 die
mittlere Fahrgeschwindigkeit zu 120 km/h geschätzt wird. Die Kantenlänge der
Zonen hängt
von dem Gebiet der Region und dem Maßstab der entsprechenden Karte
ab. Eine bevorzugte Kantenlänge
liegt zwischen 5 und 20 km, bevorzugter beträgt die Kantenlänge etwa
10–12
km.
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Auch
wenn in der betrachteten Passierrichtung die Passierdistanz für die Zone 103 für den Fall von
Straße 104 kleiner
als für
die Autobahn 102 ist, ist die Passierzeit in dem Fall der
Autobahn 102 aufgrund der höheren durchschnittlichen Fahrgeschwindigkeit
kleiner. Wenn die Länge
der Autobahn 102 in der ausgedehnten Zone 20 km beträgt, würde der entsprechende
Kostenwert 10 sein, da die Zeit, die erforderlich ist,
die Zone 103 mit ihrer Verlängerung mit der obigen mittleren
Fahrgeschwindigkeit zu passieren, 10 Minuten beträgt.
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Entsprechende
Kostenwerte können
ebenso für
die Passierrichtung von Ost nach West und von Nord nach Süd und umgekehrt
bestimmt werden. Selbstverständlich
können
andere Kostenkriterien, insbesondere einschließlich von Kombinationen von relevanten
Parametern, verwendet werden.
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2 veranschaulicht
Formen von Zonen und entsprechende Passierrichtungen. Zone 201 hat die
Form eines Rechtecks. Für
diese Zone sind vier Passierrichtungen angezeigt: links – rechts
(von links nach rechts), rechts – links, oben – unten
und unten – oben.
In diesem Beispiel sind vier Passierrichtungen besonders nützlich,
wenn zu erwarten ist, dass die Kostenwerte für links – rechts und rechts – links oder
oben – unten
und unten – oben
nicht gleich sind. Unter der Annahme, dass die Kostenwerte für diese Paare
identisch sind, könnte
man auch lediglich zwei Passierrichtungen, eine für jedes
Paar von gegenüberliegenden
Kanten, nehmen.
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Zone 202 hat
die Form eines Quadrats. In diesem Fall gibt es acht Passierrichtungen.
Zusätzlich
zu den vier Passierrichtungen parallel zu den Kanten (oder senkrecht
zu den Kanten) gibt es zusätzliche
vier Passierrichtungen parallel zu den Diagonalen. Somit sind in
diesem Fall die Passierrichtungen von jeder Kante zu der gegenüberliegenden Kante
und von jeder Ecke zu der gegenüberliegenden
Ecke gerichtet.
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Zone 203 hat
eine hexagonale Form. In dem gezeigten Beispiel sind sechs Passierrichtungen, zwei
für jedes
Paar von gegenüberliegenden
Kanten, angezeigt.
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3 ist
ein Flussdiagramm, dass ein Beispiel davon veranschaulicht, wie
eine Route in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung bestimmt wird. In einem ersten Schritt 301 wird
eine Liste von Kostenwerten für
die Zonen einer Region bereitgestellt. Hierfür wird die Region in eine Mehrzahl von
Zonen unterteilt. Diese Unterteilung hängt inter alia von der Form
und den Abmessungen der Zonen ab.
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Sodann
werden die Kostenwerte für
jede Zone bestimmt. Hierbei sind verschiedene Informationen und
Parameter anzugeben. Eine Information besteht darin, ob und welcher
Teil von benachbarten Zonen zu berücksichtigen ist, wenn das Problem
der Kostenwerte ausgewertet wird. Eine andere Frage betrifft die
Anzahl von Passierrichtungen, die berücksichtigt werden sollen. Des
Weiteren muss zumindest ein Kostenkriterium gegeben sein. Verschiedene Kostenkriterien
wurden bereits genannt, z. B. die Passierzeit oder der Passierabstand.
Die Kostenkriterien müssen
nicht auf statischen Parametern, wie lediglich der Zeit oder dem
Abstand, basieren. Es ist ebenso möglich, zusätzlich dynamische Informationen,
z. B. basierend auf Verkehrsnachrichten oder Ähnliches, einzuschließen.
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Die
entsprechenden Kostenwerte werden für jede Passierrichtung und
jede Zone bestimmt. Die Kostenwerte werden in einem Speicher mit
einer geeigneten Datenstruktur gespeichert, welche die Nachbarschaftsbeziehungen
zwischen den Zonen, d. h. welche Zone welcher und in welcher Richtung
benachbart ist, wiedergibt. Die Liste von Kostenwerten kann auf
einem Datenträger,
wie auf einer CD oder DVD, gespeichert werden, der von einem Navigationssystem
lesbar ist.
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Es
ist ebenso möglich,
mehr als einen Kostenwert für
jede Passierrichtung und Zone zu bestimmen. Es können z. B. die Kostenwerte
zeitabhängig sein.
Alternativ oder zusätzlich
können
unterschiedliche Kostenwerte aufgrund unterschiedlicher Kostenkriterien
bestimmt werden. In dem letzten Fall werden Sätze von Kostenwerten erhalten.
Ein erster Satz kann z. B. die Kostenwerte umfassen, die durch die Passierzeit
(für jede
Passierrichtung und Zone) aber unter Ausschluss von Mautstraßen gegeben
sind. Ein zweiter Satz kann die Kostenwerte umfassen, die ebenso
durch die Passierrichtung aber unter Einschluss aller möglichen
Straßen
in den Zonen gegeben sind.
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Sodann
wird in Schritt 302 ein Zielpunkt bestimmt. Dieser Zielpunkt
kann von einem Nutzer auf verschiedene Weisen eingegeben werden.
Zum Beispiel kann ein Nutzer aus einer Liste von möglichen Zielen,
die in dem System gespeichert ist, auswählen. Alternativ kann ein Nutzer
ebenso Koordinaten eines Zielpunktes über ein geeignetes Eingabemittel, wie
eine Tastatur, eingeben.
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In
einem nächsten
Schritt 303 wird die gegenwärtige Position bestimmt. Diese
kann unter Verwendung von satellitenbasierten Informationen (z.
B. mit der Hilfe von GPS) und insbesondere in dem Fall einer Fahrzeugnavigation
alternativ oder zusätzlich von
Informationen, die durch Bewegungssensoren (z. B. Geschwindigkeitssensor,
Gyroskop) bereitgestellt werden, erhalten werden. Es ist ebenso
möglich,
die gegenwärtige
Position manuell einzugeben.
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Danach
wird in Schritt 304 überprüft, ob ein Kostenwert – Neubestimmungskriterium
erfüllt
ist. Zum Beispiel kann es vorgesehen sein, dass nach vorbestimmten
Zeitintervallen die Kostenwerte wieder zu bestimmen sind. Alternativ
oder zusätzlich kann
eine solche Neubestimmung auch durch ein anderes Ereignis, wie eine
eingehende Verkehrsnachricht oder einer Anforderung durch einen
Nutzer, initiiert werden.
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Wenn
ein solches Kriterium erfüllt
ist, geht das System mit Schritt 305 weiter, in dem die
Kostenwerte neu bestimmt werden. Diese Neubestimmung muss jedoch
nicht für
alle Zonen ausgeführt
werden. Wenn z. B. das Neubestimmungskriterium auf einer Verkehrsnachricht
basiert, kann der Kostenwert lediglich für jene Zonen wieder bestimmt
werden, die in der Tat betroffen sind, z. B. für lediglich jene Zonen, in
denen ein Verkehrsstau vorliegt. Insbesondre umfasst die Neubestimmung
das Addieren eines vorbestimmten Wertes zu dem gegenwärtigen (gespeicherten)
Kostenwerten einer Zone. Des Weiteren kann, wenn z. B. eine Nachricht
empfangen wird, das in einer Zone ein Verkehrsstau nicht länger vorliegt, ein
negativer Wert zu einem Kostenwert hinzu addiert werden, zu dem
zuvor wegen des Verkehrsstaus ein positiver Wert addiert worden
ist. Alternativ oder zusätzlich
können,
wenn ein Nutzer bestimmte Zonen vermeiden will, diese Zonen mit "Straf-" Kosten durch Addieren
entsprechender Werte zu den gegenwärtigen Kostenwerten versehen
werden.
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Wenn
im Schritt 304 das Kriterium nicht erfüllt wird, geht das Verfahren
mit Schritt 306 weiter. Hierbei wird eine optimale Reihenfolge
von Zonen bestimmt, die die gegenwärtige Position und den Zielpunkt
miteinander verbinden. Die Optimierung basiert auf einem vorbestimmten
Optimierungskriterium. Ein solches Kriterium hängt von den Kostenwerten (oder
den Kostenkriterien) ab, die in Schritt 301 bereitgestellt
worden sind. Eine optimale Reihenfolge von Zonen ist z. B. durch
eine Reihenfolge gegeben, die die Summe der Passierzeiten oder der
Passierabstände
minimiert, wenn die Kostenwerte auf der Passierzeit oder dem Passierabstand
basieren. Es ist auch zu bemerken, dass die optimale Reihenfolge nicht
eindeutig sein muss.
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Zusätzliche
Nebenbedingungen können
für die
Optimierung gegeben sein. Zum Beispiel kann in dem Fall eines Autonavigationssystems
ein Nutzer entschieden haben, bestimmte Zonen zu vermeiden. Diese
Nebenbedingungen können
auf verschiedene Weisen berücksichtigt
werden. Auf der einen Seite können
sie Teil des Neubestimmens der Kosten im Schritt 305 sein.
Wenn z. B. Zonen zu vermeiden sind, können diese Zonen mit "Straf-" Kosten, d. h. Kosten
zusätzlich
zu den Kosten, wie sie durch das allgemeine Kostenkriterium bestimmt
werden, versehen werden. Alternativ können Nebenbedingungen in dem
gegenwärtigen
Schritt 306 z. B. durch Nichtberücksichtigen entsprechender
Zonen bei der Optimierungsprozedur berücksichtigt werden.
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Es
gibt, wie es bereits erwähnt
worden ist, eine Anzahl von Algorithmen, um eine optimale Reihenfolge
zu bestimmen; eine Möglichkeit
ist Dijkstra's Algorithmus.
Andere Varianten sind jedoch ebenso möglich.
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In
diesem Schritt kann man auch für
jede Zone bestimmen, wie sehr die beste Reihenfolge, die diese Zone
umfasst, von der optimalen Reihenfolge abweichen würde. In
diesem Fall können
sämtliche Zonen
durch den Unterschied in dem Gesamtkostenwert der entsprechenden
Reihenfolge verglichen mit der optimalen Reihenfolge bewertet werden.
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Nachdem
eine optimale Reihenfolge bestimmt worden ist, wird eine aktuelle
Route in Schritt 307 bestimmt. In diesem Schritt werden
die Kartendaten entsprechend den Zonen berücksichtigt, die die optimale
Reihenfolge bilden, und es wird eine optimale Route (gemäß einem
entsprechenden Optimierungskriterium) bestimmt. Die resultierenden Routeninformationen
umfassen sämtliche
für einen Nutzer
notwendige Navigationsdaten. In dem Fall eines Autonavigationssystems
umfassen die Routeninformationen Informationen über die Reihenfolge von Straßen, die
der Nutzer nehmen muss, um startend von der gegenwärtigen Position
das Ziel zu erreichen. Somit sind die Kartendaten für sämtliche
andere Zonen nicht mehr zu berücksichtigen,
wodurch sich die Zeit verringert, die erforderlich ist, um die Route
zu bestimmen. Es kann sich jedoch, wie es durch Schrift 308 angezeigt
ist, ergeben, dass eine Route, die die Zonen der Sequenz passiert,
nicht möglich
ist, oder sie lediglich mit zusätzlichen
unerwarteten Kosten möglich
ist; z. B. weil die Autobahn (die für den hervorragenden Kostenwert
in einer bestimmten Zone verantwortlich ist) nicht erreicht werden
kann, da es in der Nähe
keine Zugangsstraße
zu der Autobahn gibt, oder die Zugangsstraße sich auf der anderen Seite
eines Flusses befindet. In einem solchen Fall kehrt das Verfahren
zu Schritt 306 zurück
und bestimmt unter Berücksichtigung
dieser Nebenbedingung eine neue optimale Reihenfolge.
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Wenn
eine Route möglich
ist, geht das Verfahren mit Schritt 309 weiter, in dem
die Routeninformationen ausgegeben werden. Die Art der Ausgabe hängt von
der Art des verwendeten Systems und den Umständen ab. Üblicherweise wird die Ausgabe
optisch und/oder akustisch erfolgen. In dem beispielhaften Fall
eines Autonavigationssystems können
die Routeninformationen über
Lautsprecher und/oder über
eine Anzeige ausgegeben werden. Vorzugsweise werden nur die Routeninfomationen
ausgegeben, die für
den nächsten
Moment oder die nächsten
Minuten relevant sind.
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In
dem zusätzlichen
Schritt 310 wird überprüft, ob ein
Positionsaktualisierungskriterium erfüllt ist. Dieses Kriterium kann
z. B. ein vorbestimmtes Zeitintervall, das vergangen ist, eine eingehende
Verkehrsnachricht, eine entsprechende Eingabe durch einen Nutzer
oder Ähnliches
sein. Wenn das Kriterium erfüllt
ist kehrt das Verfahren zu Schritt 303 zurück, in dem
die gegenwärtige
Position wieder bestimmt wird. Andernfalls oder parallel dazu geht
die Ausgabe der Routeninformationen weiter.
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4 ist
ein Beispiel dafür,
wie die Kostenwerte einer Zone veranschaulicht werden können. Dieses
Beispiel entspricht dem Fall einer Zone mit quadratischer Form.
Es gibt vier Passierrichtungen: Nord – Süd (d. h. von Nord nach Süd), Süd – Nord, Ost – West und
West – Ost.
In dieser Figur veranschaulichen die farbigen oder schattierten
Quadrate 401, 402, 403 und 404 die
Kostenwerte. Das Quadrat 401, das die Ost – West Passierrichtung
darstellt, ist relativ hell, was anzeigt, dass der Kostenwert relativ klein
ist, d. h. niedrige Routenkosten in dieser Richtung. Die Quadrate 402 und 403,
die die Süd – Nord – bzw. Nord – Süd – Passierrichtung
darstellen, sind dunkler als das Quadrat 401, und zeigen
somit einen höheren
Kostenwert an. Daher sind die Nord – Süd – und die Süd – Nord – Passierrichtungen hinsichtlich des
Kostenwertes symmetrisch. Das Quadrat 404, das die West – Ost – Passierrichtung
darstellt, ist das dunkelste Quadrat und steht für einen hohen Kostenwert.
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In 5 sind
die Umrisse Deutschlands gezeigt. Das gesamte Gebiet wurde periodisch
durch Zonen, die quadratische Formen haben, mosaikartig aufgeteilt.
Jede Zone umfasst vier Passierrichtungen, die senkrecht zu den Kanten
sind. Für
jede Passierrichtung und jede Zone wurde der Kostenwert (der die
Passierzeit ist) bestimmt.
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Die
resultierenden Kostenwerte werden in dieser Figur unter Verwendung
der Darstellung, die in 4 gezeigt ist, veranschaulicht.
Eine dunklere Schattierung bedeutet, dass der entsprechende Kostenwert
recht hoch ist. Wie es in 5 gesehen
werden kann, gibt es verbindende Teile, die relativ hell sind. Diese
Teile niedriger Routenkosten entsprechen Autobahnen. Dunkle Teile,
die Teile hoher Routenkosten, sind durch Hügel und Berge bedingt, welche
eine längere
Zeit für
das Passieren der entsprechenden Zonen erfordern.
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In 6 ist
ein Beispiel mit Reihenfolgen von Zonen veranschaulicht. Auch in
diesen Fall sind die Umrisse Deutschlands dargestellt. In diesem
Fall wurde die Route von dem Süd – Westen
beginnend und nach dem Nord – Osten
führend
basierend auf zuvor bestimmte Kostenwerte bestimmt. Jedes Quadrat,
dass in dieser Figur gezeigt ist, stellt eine Zone mit quadratischer
Form dar. Bei gegebenem Startpunkt und Endpunkt wurden sämtliche
möglichen Reihenfolgen
von Zonen, die diese Punkte verbinden, bestimmt. Die Schattierung
der Quadrate, die in der Figur gezeigt sind, entspricht der Gesamtpassierzeit
(Reisezeit). Die dunkelsten Quadrate gehören zu optimalen Reihenfolgen
von Zonen. Wie es gesehen werden kann, gibt es mehr als eine optimale
Reihenfolge.
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Die
Schattierung der anderen Quadrate bezieht sich auf den Unterschied
in der Reisezeit der entsprechenden Reihenfolge verglichen mit der
Reisezeit der optimalen Reihenfolge. Wenn ein Quadrat zu einer Route
gehört,
deren Reisezeit sich lediglich geringfügig von der Reisezeit der optimalen
Routen unterscheidet, ist seine Schattierung immer noch sehr dunkel,
jedoch etwas heller als die Schattierung der Quadrate, die zu der
optimalen Reihenfolge gehören.
Auf diese Weise veranschaulicht 6 die möglichen
Reihenfolgen von Zonen, die den Startpunkt und den Zielpunkt miteinander
verbinden, und ihr Verhältnis
bezüglich
der Reisezeit für
jede Reihenfolge zueinander.