基于SSM框架的室內(nèi)定位導航系統(tǒng)

蒙笑陽

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

隨著軌道交通的覆蓋面積不斷增大，各個區(qū)域軌道交通系統(tǒng)的壓力都在不斷增加，同時在復雜的大型軌道交通站點如何獲得工作人員、重要物資的準確位置及其導航成為難題。本研究主要解決區(qū)域軌道交通站點的乘客行程規(guī)劃、出行指導、站內(nèi)三維模型查看、AR 導航、工作人員定位及其輔助導航等問題。

針對此問題所開發(fā)的基于SSM 框架的室內(nèi)定位導航系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）是區(qū)域軌道交通協(xié)同運輸與服務(wù)系統(tǒng)重要的應(yīng)用子系統(tǒng)之一，主要負責跨制式行程規(guī)劃、出行引導、地鐵站三維模型查看、電子票務(wù)、便捷登程、行程查詢、在途信息服務(wù)、消息智能推送等功能。

系統(tǒng)的核心技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾方面：三維模型構(gòu)建、基于UWB 的室內(nèi)定位、路徑規(guī)劃、AR導航和消息推送等。

在三維建模方面，系統(tǒng)是采用基于HTML5 和WebGL 標準開發(fā)的三維可視化模型，可以基本實現(xiàn)在3D 場景中顯示需要定位的人員位置，并且可以隨意切換視角，視角也可以跟隨任何一個人。同時，開發(fā)環(huán)境的自身特點使可視化界面具備很好的設(shè)備兼容性，可以輕松適應(yīng)PC、Android、IOS，不需要在設(shè)備中安裝任何插件即可在瀏覽器中流暢查看軌道交通站點的三維場景。

在定位技術(shù)方面，本系統(tǒng)采用超帶寬（UWB）技術(shù)，結(jié)合信號到達時間差（TDOA）技術(shù)可以在室內(nèi)精確定位相關(guān)人員位置，其精度可以達到50 cm。同時，為了更好的適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境的復雜性，系統(tǒng)采取3D 定位的方法。首先需要在具體的建筑中構(gòu)建與之相匹配的3D 模型，進而在其基礎(chǔ)上加入定位所獲取到的三維數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)室內(nèi)的實時3D 定位。

在路徑規(guī)劃方面，本系統(tǒng)采用A*算法實現(xiàn)起始點到目標點的路徑規(guī)劃。A*算法具有良好的性能與準確性，算法穩(wěn)定，魯棒性高，對室內(nèi)不同環(huán)境反應(yīng)迅速，可擴展節(jié)點，算法參數(shù)調(diào)優(yōu)方便，能夠在占用較少的硬件性能情況下，更加快速的計算出室內(nèi)最優(yōu)路徑。

1 總體設(shè)計

智能出行信息服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總計設(shè)計框架Fig.1 Overall design framework of the system

應(yīng)用層包括系統(tǒng)應(yīng)用軟件和AR 導航，系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要實現(xiàn)3D 模型的展示及其3D 定位數(shù)據(jù)的圖形化顯示；同時在顯示界面上提示相應(yīng)的報警；在手機端部分還將提供AR 導航。

服務(wù)層由定位引擎軟件、三維模型、路徑規(guī)劃算法、數(shù)據(jù)存儲軟件組成，將上述軟件及其算法安裝于服務(wù)層。定位引擎依靠整個通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母兄獙拥幕A(chǔ)數(shù)據(jù)完成人員位置數(shù)據(jù)的計算，從而得到被定位人員的詳細位置坐標；3D 模型為系統(tǒng)提供良好的三維模型，方便定位數(shù)據(jù)在三維場景中進行顯示；路徑規(guī)劃算法為系統(tǒng)提供最優(yōu)的路徑指示；數(shù)據(jù)存儲可以保存整個系統(tǒng)產(chǎn)生的所有需要保存的信息。

傳輸層使用兩種方式，即有、無線傳輸網(wǎng)。其中無線網(wǎng)依靠WLAN 的通信模式將感知層傳感器的基礎(chǔ)定位數(shù)據(jù)傳送到主干網(wǎng)絡(luò)中；有線網(wǎng)則通過光纖和以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，將定位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接傳達到對應(yīng)的服務(wù)器中，而這些基礎(chǔ)定位數(shù)據(jù)有的是從無線網(wǎng)中匯集的，有的是直接從有線網(wǎng)中接入的POE 類型的傳感器中獲取的。

感知層包括定位基站、通信基站、通信定位基站、定位標簽、視頻接口以及視頻傳感器（攝像頭）。主要是用于獲取系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括定位數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實時場景信息。為系統(tǒng)其他層級的進一步運算以及顯示提供強有力的支持。

系統(tǒng)整體采用B/S 架構(gòu)，B/S 架構(gòu)是一種不同于之前C/S 架構(gòu)模式的新的結(jié)構(gòu)構(gòu)造技術(shù)，主要具有以下優(yōu)勢。

B/S 可以使軟件具有很好的系統(tǒng)分布性；

瀏覽器到數(shù)據(jù)庫的連接方式轉(zhuǎn)換為多對多的連接，因此在用戶使用時將會具有很強的信息共享性；

在使用B/S 架構(gòu)時，數(shù)據(jù)可以集中存放在專用服務(wù)器中，很大程度上保障數(shù)據(jù)的一致性；

B/S 架構(gòu)由多個具有較高獨立性的構(gòu)件組合而成，因此在必要時，可以通過對單個組件的替換實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的快速升級，此方法可以有效降低系統(tǒng)維護成本，提高工程盈利；

業(yè)務(wù)拓展簡單，由于功能之間的獨立性較高，所以可以直接增加服務(wù)器的數(shù)量，使系統(tǒng)的整體性能提高，從而解決服務(wù)器負載超標的問題；

無需客戶端，這在一定程度上可以確保服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的安全。

2 服務(wù)端技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

技術(shù)平臺采用J2EE 的三層架構(gòu)，開發(fā)語言采用JAVA，系統(tǒng)設(shè)計符合J2EE 標準，基于最流行的開發(fā)架構(gòu)（Spring+SpringMVC+Mybatis），系統(tǒng)支持分布式部署，可7×24 h 不間斷運行；具有良好的系統(tǒng)兼容特性，支持主流Windows、Linux 等常見的操作系統(tǒng)平臺。支持MySQL 等主流數(shù)據(jù)庫的任何常規(guī)操作，對Tomcat 也有良好的兼容性。

系統(tǒng)整體架構(gòu)使用B/S 結(jié)構(gòu)開發(fā)，用戶對系統(tǒng)的維護和使用不會因為場所和地點而受到不必要的限制；為了后期功能的進一步拓展，通常會在系統(tǒng)中預留再次開發(fā)的Web service 接口，擴充軟件功能以及與其他信息系統(tǒng)的整合。

3 網(wǎng)頁端基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)

網(wǎng)頁端的開發(fā)主要依靠Vue，它可以使開發(fā)人員的開發(fā)過程變得簡潔，而且它還提供了一些可與第三方庫接入的組件，使開發(fā)過程更加方便。Vue 響應(yīng)式原理如圖2 所示。

圖2 Vue響應(yīng)式原理Fig.2 Principle of Vue response

Vue 工作原理：將JavaScript 對象發(fā)送到Vue 的data 中，且所有Vue 中都存在對應(yīng)的watcher。若是其中的data 屬性情況改變，則需要對watcher 進行重構(gòu)并賦予新的內(nèi)容，進而將與其關(guān)聯(lián)的屬性予以同步。使用Vue 進行前端頁面的開發(fā)能夠大大的減少開發(fā)時的難度，特別是在與后端數(shù)據(jù)的交互中尤為明顯。

使用Vue 進行網(wǎng)頁的開發(fā)可以感受到以下優(yōu)點：具有很好的靈活度和開放性；易學易用，有更多成熟工具和第三方資源庫的強力支持；性能好，易優(yōu)化，相對于其他開發(fā)方式，Vue 具有較好的穩(wěn)定性，網(wǎng)頁優(yōu)化比較簡單；有功能強大的路由機制；有多種方式實現(xiàn)過渡效果。

iView 是一套基于Vue 的高質(zhì)量UI 組件庫，主要服務(wù)于PC 界面的中后臺業(yè)務(wù)。該組件庫具有以下特點：使用單文件的Vue 組件化開發(fā)模式；基于 npm+webpack+babel 開發(fā)；豐富的組件和功能，滿足絕大部分網(wǎng)站場景；友好的 API，自由靈活地使用空間；詳細、友好的文檔，事無巨細；細致、漂亮的 UI。部分組件如圖3 所示。

圖3 iView部分組件截圖Fig.3 Screenshots of some of the iView components

4 服務(wù)端SSM 框架技術(shù)

SSH 為流行的Web 應(yīng)用程序開源框架，SSM則是在SSH 完善之后的更加偏向企業(yè)級的主流Java EE 框架。SSH 和 SSM 這兩種框架都使用Spring 的依靠灌注DI 的形式來控制各個層級的控件，同時采用面向切面編程AOP 以完成對日志的管理、認證權(quán)限、切入事件等通用的類似功能。

對于這兩種框架的區(qū)別方面，主要的體現(xiàn)位置在頁面層(View)和持久層(DAO)。因為當系統(tǒng)在運行的過程中，在頁面層的某些操作，需要借助Ajax 調(diào)用后臺的服務(wù)，從而獲取其返回的json 數(shù)值，有了這個數(shù)值以后才可以進行后續(xù)的操作。

在本文所采用的SSM 框架中，Spring 可以看做一個具有管理性質(zhì)的協(xié)調(diào)者。它將在整個軟件系統(tǒng)的運行過程中直接管理Bean 的活動，直到Bean 的屬性發(fā)生變化，即現(xiàn)在的Bean 已經(jīng)消失。因此，在整個軟件系統(tǒng)的運行過程中Spring 具有非常高的權(quán)力，能夠控制所有的對象操作。

與Spring 這樣一個系統(tǒng)的領(lǐng)導兼協(xié)調(diào)執(zhí)行者不同的是MyBatis，它是在Dao 層做基層實事的實現(xiàn)者，將直接多數(shù)據(jù)庫進行操作，并支持各種數(shù)據(jù)庫的操作，對于定制化SQL 等數(shù)據(jù)庫也有比較強大的支持力。其優(yōu)點可以總結(jié)為：

MyBatis 的體量小，操作比較簡單，具有較好的獨立性，不需要依存于其他軟件的支持，系統(tǒng)的程序開發(fā)者僅僅需要安裝兩個 Jar，同時設(shè)置相關(guān)的文件映射即可，不需要進行其他的文件編譯，系統(tǒng)環(huán)境配置等;

MyBatis 具有較高的獨立以及兼容性，它的操作過程中不會對既有的任何軟件產(chǎn)生影響;

使用標簽完成對SQL 命令的編寫，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中的所有字段的賦值和其他操作。

5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫為任何軟件系統(tǒng)中不可或缺的部分，從某種意義上說這也是系統(tǒng)中的核心要素。而且數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)也在一定程度上影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，一個好的設(shè)計結(jié)構(gòu)將對數(shù)據(jù)操作起到至關(guān)重要的地步。首先根據(jù)系統(tǒng)中需要的各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，對數(shù)據(jù)字段進行定義并將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)表關(guān)聯(lián)關(guān)系做好，特別是表中涉及到與其他表進行關(guān)聯(lián)的外鍵時尤為重要，需要仔細考慮，最好在做數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)時先對整個系統(tǒng)的數(shù)表內(nèi)容進行整理，得到一個角色、字段、屬性的相關(guān)關(guān)系圖，并按照這個關(guān)系圖進行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。這樣可以有效提高數(shù)據(jù)庫的管理效率，同時在后期出現(xiàn)部分問題時可以從關(guān)系圖中比較快速的分析出問題所在，加快解決問題的速度，減少系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期。系統(tǒng)軟件開發(fā)使用比較多的數(shù)據(jù)庫有SQL Serve、Oracle、SYBASE、Informix 以及My SQL 等。在這之中，My SQL比較輕巧便捷，擁有較高的靈活度，所以系統(tǒng)在經(jīng)過一定的考慮之后決定使用My SQL，并為這些功能的實現(xiàn)建立了包含用戶信息表、定位數(shù)據(jù)位置表、報警狀態(tài)表、卡片信息表、卡片使用狀態(tài)表等在內(nèi)的30 多個數(shù)據(jù)表。

6 總結(jié)

系統(tǒng)結(jié)合UWB 技術(shù)、TDOA 技術(shù)、三維建模技術(shù)將軌道交通站點的人員狀況、站內(nèi)場景狀況以可視化的方式展現(xiàn)出來，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合軌道交通的特點進行一系列的應(yīng)用測試，并在測試過程中取得較好的實驗效果。