BDS和GIS支持下的智能服務(wù)手環(huán)設(shè)計與實現(xiàn)

王雅瀾，趙占驁，趙 詣，張淑穎，楊 旭，簡 季

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.南方科技大學(xué)，廣東 深圳 518055；3.上海第二工業(yè)大學(xué)，上海 201209)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們從解決溫飽問題轉(zhuǎn)移至重視生活享受，其中最為重要的一項娛樂點即城市大型游樂場，以迪士尼、歡樂谷、方特等大型游樂場品牌為代表的游樂場相繼建成并投入使用。然而，迄今為止，游樂設(shè)施排隊時間長、人流與資源不匹、游客安全無保障等問題依然存在且嚴重。游樂場管理層也為上述問題提出了一系列解決方案，如人工疏散客流、設(shè)備定時巡檢、設(shè)置兒童暫管處等，但這些方案多為人工處理，費時費力又無法達到預(yù)期效果，為游客帶來了不良的游玩體驗。而現(xiàn)有的智慧旅游系統(tǒng)的研究與使用也只局限于國家A級旅游景區(qū)、自然風(fēng)景區(qū)、歷史景觀區(qū)等[1-2]，未實現(xiàn)在城市大型游樂場的使用，因此，研究并設(shè)計出一款為大型游樂場服務(wù)的智慧系統(tǒng)迫在眉睫。

文中將以上問題分為兩類：游客選取最佳游樂設(shè)施點問題以及游客自身安全問題。針對這兩個問題，設(shè)計了一款內(nèi)嵌模塊、可穿戴、可重復(fù)利用的智能服務(wù)手環(huán)和基于北斗定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)的智能云平臺，實時為游客提供人流密度顯示、人員信息匹配、最佳設(shè)施點選取、最佳游玩路線設(shè)計、危險區(qū)或溢出區(qū)警告、求助信息發(fā)送等服務(wù)，提高游客游玩體驗，方便游樂場管理層的有效管理。

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system，BDS)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于主動式雙向測距二維導(dǎo)航，通過地面中心控制系統(tǒng)解算，提供給用戶三維定位數(shù)據(jù)。除了具有GPS衛(wèi)星定位的功能以外，還增加了通訊功能，已具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒[3]。中國于2018年11月19日成功完成北斗三號基本系統(tǒng)星座部署，并于12月27日宣布北斗三號開始提供全球服務(wù)，使得北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能更強大、使用范圍更廣泛。地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)是對地理現(xiàn)象進行數(shù)據(jù)采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的空間信息技術(shù)，它以位置和地理信息為核心和基礎(chǔ)，解決有關(guān)地理信息的問題。

1 總方案設(shè)計及工作流程

現(xiàn)有的監(jiān)測人流密度的方法大多利用視頻監(jiān)控[4]或紅外預(yù)警方式[5]，最新發(fā)展起來的是采用WiFi探針技術(shù)實現(xiàn)人流量預(yù)告[6]，而這些方法普遍存在成本高、易受環(huán)境影響等問題。而BDS能夠利用現(xiàn)有資源，在基本不受環(huán)境影響的情況下提供人流位置坐標(biāo)，且成本小，僅需要嵌入北斗功能集成模塊即可完成作業(yè)。

文中為智能服務(wù)手環(huán)設(shè)計了兩個模塊：(1)服務(wù)模塊。GIS技術(shù)中心可根據(jù)BDS獲取位置坐標(biāo)，通過串口傳輸數(shù)據(jù)，利用位置信息在GIS系統(tǒng)中進行人流密度監(jiān)測，并以此為基礎(chǔ)為游樂場游客解算最佳游玩設(shè)施及最佳游玩路徑，同時使整個游樂場設(shè)施資源與游客需求相匹配，達到分流的目的[7-8]；(2)安全模塊。GIS技術(shù)中心利用BDS在整個游樂場園區(qū)設(shè)置電子圍欄，實時監(jiān)控游客所在位置是否溢出或處于危險區(qū)域，并在上述情況發(fā)生時向游客發(fā)送危險警告信號，另外游客也可在自身發(fā)生危險時向中心發(fā)送求救信號[9-10]。該智能服務(wù)手環(huán)的工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程示意

2 核心方案設(shè)計

2.1 服務(wù)模塊

該設(shè)計最核心的方案是顯示人流密度，為游客提供最佳游玩設(shè)施點和最佳游玩路徑。該方案涉及到的數(shù)據(jù)有游樂設(shè)施點、可通行道路、由BDS獲取的所有信號點和游客本體信號點，主要步驟如下：

(1)利用所有信號點進行核密度分析，輸出分析結(jié)果；

(2)利用游樂設(shè)施點進行歐式分配，獲得各設(shè)施點的服務(wù)范圍，基于該服務(wù)范圍對步驟1的結(jié)果進行分區(qū)統(tǒng)計，得到各服務(wù)區(qū)平均人流值，根據(jù)游樂設(shè)施運行一次的承載人數(shù)建立等待時間函數(shù)，確定各設(shè)施需要等待的時間[11]；

(3)利用游客本體信號點、游樂設(shè)施點、可通行道路進行網(wǎng)絡(luò)分析，獲取本體信號點到各設(shè)施點的最短時間路徑，提取該路徑花費時間，與步驟2中等待時間進行比較，獲取最大值，利用該值建立新字段，即成本時間，比較獲取所有成本時間中的最小值，將該最小值對應(yīng)的設(shè)施點作為最佳設(shè)施點輸出，將最佳設(shè)施點設(shè)置為本體信號點，并刪除該點；

(4)對步驟3進行循環(huán)遍歷，直到遍歷完所有游樂設(shè)施點，按順序輸出所有最佳設(shè)施點序號，得到路徑?？奎c順序，再進行最短路徑分析，輸出最佳游玩路徑[12-16]。

以成都歡樂谷為例，在整個園區(qū)內(nèi)獲取1 000個信號點和1個游客本體信號點，以遙感影像為數(shù)據(jù)源，使用ArcGIS獲取園區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)、道路矢量數(shù)據(jù)、游樂設(shè)施點矢量數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)實情況為數(shù)據(jù)賦予一定的屬性值，例如人走路速度、道路通行時間等。

其中，根據(jù)已有信號點數(shù)據(jù)、核密度分析數(shù)據(jù)及設(shè)施點服務(wù)區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到實際人數(shù)和預(yù)估人數(shù)兩組數(shù)據(jù)，使用MATLAB對兩組數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合分析，發(fā)現(xiàn)一次函數(shù)關(guān)系擬合精度最佳(見表1)，符合擬合精度條件，得到實際人數(shù)和預(yù)估人數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系y=0.001x-0.036 1(見圖2)；通過查閱資料，得到游樂設(shè)施運行一次所需時間和可承載人數(shù)，同理發(fā)現(xiàn)三次函數(shù)關(guān)系擬合精度最佳(見表1)，符合擬合精度條件，得到等待時間與可承載人數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系y=0.000 1x3-0.014 8x2+0.667 1x-3.047(見圖3)。

圖2 實際人數(shù)與預(yù)估人數(shù)函數(shù)關(guān)系

圖3 等待時間與可承載人數(shù)函數(shù)關(guān)系

利用上述數(shù)據(jù)與函數(shù)關(guān)系對服務(wù)模塊設(shè)計合理性進行檢驗，此處僅選擇“歡樂時光”區(qū)作為示例，將人流密度熱力圖疊加在解算得到的最佳游玩路線上?？梢园l(fā)現(xiàn)，解算得到的最佳游樂設(shè)施點和最佳游玩路徑與人流密度情況基本吻合，能夠提供有效信息，設(shè)計合理。將實驗結(jié)果通過圖形(見圖4、圖5)進行三維顯示。

圖4 人流密度熱力圖

圖5 最佳游玩設(shè)施與最佳路徑

2.2 安全模塊

出于對游客安全問題的考慮，智能服務(wù)手環(huán)為游客設(shè)計了安全服務(wù)模塊。該方案主要步驟為利用北斗定位技術(shù)在園區(qū)周圍設(shè)置電子圍欄，并在地圖上相應(yīng)邊界處劃定安全區(qū)域范圍，將獲取的游客本體信號點輸入，對該點進行范圍判斷，若在劃定范圍內(nèi)，則不反饋信息，繼續(xù)監(jiān)測；若不在劃定范圍內(nèi)，則發(fā)送危險警告信號。

3 軟硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

該智能手環(huán)的核心模塊為北斗導(dǎo)航定位模塊、北斗通信模塊、藍牙模塊，將這三個模塊集成，構(gòu)成智能服務(wù)手環(huán)的最核心集成塊。

北斗導(dǎo)航定位模塊是智能服務(wù)手環(huán)實現(xiàn)服務(wù)模塊的核心，采用星通產(chǎn)業(yè)旗下的和芯星通UM220-III NL BD2/GPS雙模定位模塊。該模塊是目前市場上尺寸最小的完全國產(chǎn)化BDS/GPS模塊，集成度高，定位導(dǎo)航功能出色，支持單系統(tǒng)和多系統(tǒng)聯(lián)合定位[11-12]。北斗通信模塊是智能服務(wù)手環(huán)實現(xiàn)安全預(yù)警的核心模塊，采用北京國翼恒達導(dǎo)航科技的GYM2002A北斗RDSS通信基礎(chǔ)模塊，該模塊體積小，功耗低，性能可靠[13]。藍牙模塊是將智能服務(wù)手環(huán)與智能手機相連接，使游客在智能云平臺上獲取服務(wù)的重要模塊，采用深圳天工測控技術(shù)的SKB369(A)模塊。所選取的模塊均能夠在較為極端的環(huán)境下正常運行，使用壽命較長，符合該智能手環(huán)設(shè)計的需要。

通過底板布線，將核心處理板、三大核心模塊、電池、電子顯示屏、按鈕等部件相連接，獲得該智能手環(huán)的集成電路板。智能手環(huán)終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 智能手環(huán)終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 軟件設(shè)計

基于以上核心方案設(shè)計，利用C#和ArcGIS Engine開發(fā)庫進行該智能云平臺系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。軟件設(shè)計了兩個核心業(yè)務(wù)類ServiceModule和SecurityModule，分別對應(yīng)服務(wù)模塊和安全模塊并包含各模塊所需的方法。

其中涉及到連接BDS模塊并將信號傳回、解析坐標(biāo)并進行圖層顯示、核密度分析、歐式分配、分區(qū)統(tǒng)計、最短路徑分析、成本時間計算、最佳設(shè)施點提取、設(shè)施點游玩順序提取、空間拓撲查詢等核心方法。軟件運行計算結(jié)果與前文中成都歡樂谷案例相同。

3.3 外觀設(shè)計

該手環(huán)主要由屏幕、集成電路板、電池、外殼及表帶構(gòu)成，使用Rhino對該手環(huán)的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，得到三維建模設(shè)計圖，其爆炸圖如圖7所示。該建模完全依據(jù)硬件設(shè)計的可靠性完成。

圖7 三維建模爆炸圖

4 實驗案例

在該系統(tǒng)正式進行科學(xué)性檢驗之前，對軟硬件的用戶選擇性進行了調(diào)查，選取成都歡樂谷及深圳世界之窗周圍的1 000名分散游客進行問卷調(diào)查，其中包括10-50歲的青少年和中青年，青年群體占多數(shù)。有73.5%的人愿意使用該系統(tǒng)并且認為該系統(tǒng)具有實際的使用價值；45%左右的人認為可以將該系統(tǒng)植入微信等常用手機軟件，方便游客使用。調(diào)查結(jié)果從用戶需求方面肯定了該方案的設(shè)計。

問卷調(diào)查結(jié)束后，該系統(tǒng)分別在成都市歡樂谷、深圳市世界之窗進行了實地實驗。實驗環(huán)境選取在人流密度較大的節(jié)假日期間，實驗時間由早上8點至下午5點，貫穿整個游樂園白天開放時間，實驗具有可靠性。在實驗中，該系統(tǒng)在指導(dǎo)行人進行游玩、避免人流擁擠與溢出預(yù)警方面展現(xiàn)出了較強的實用性。參與實驗的用戶的平均游玩時間相較其他用戶縮短接近40%，同時游玩體驗有了較大提升。對于模擬的游樂場管理者，相比于原來能夠更加輕松地掌握游客的位置信息、安全信息以及游玩狀態(tài)，從而快速而有效地做出決策。整體實驗情況良好，符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

針對城市大型游樂場出現(xiàn)的各種問題，結(jié)合BDS和GIS，提出了一套解決方案，利用ArcGIS對這套解決方案進行小范圍實驗驗證，并為此設(shè)計了一款智能服務(wù)手環(huán)及其對應(yīng)的智能云平臺。利用C#和ArcGIS Engine開發(fā)庫進行了桌面端軟件設(shè)計與開發(fā)，并在成都和深圳進行了實際檢驗。檢驗結(jié)果表明，該方案可以有效緩解游樂場人員擁堵、人員安全等問題，同時為游客游玩和園區(qū)管理提供服務(wù)，減少了游客的等待時間，提高了園區(qū)管理者的管理效率與效果。