樊文鋒，鄭洪友，王 懷

(1.國(guó)家測(cè)繪局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心，北京100830;2.北京仕邦工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京100076)

面向視殘障人士的導(dǎo)航定位終端的研究與設(shè)計(jì)

樊文鋒1，鄭洪友2，王 懷1

(1.國(guó)家測(cè)繪局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心，北京100830;2.北京仕邦工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京100076)

在對(duì)國(guó)內(nèi)外面向視殘障人士的無(wú)障礙導(dǎo)航服務(wù)產(chǎn)品現(xiàn)狀和視殘障人士出行方式進(jìn)行調(diào)查、分析和研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合全球定位系統(tǒng)技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù)，借助商用移動(dòng)終端硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了自主產(chǎn)權(quán)的ZmapMobile嵌入式GIS引擎和供視殘障人士使用的導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)，并通過(guò)示范應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn)和完善。示范應(yīng)用表明，該研究與設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足視殘障人士自助出行時(shí)對(duì)準(zhǔn)確定位和了解公共交通信息的需求。

視殘障自助出行;GPS;嵌入式GIS

一、引 言

嵌入式GIS(或稱(chēng)“移動(dòng)GIS”)，是新一代地理信息系統(tǒng)發(fā)展的代表方向之一，它是運(yùn)行在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的GIS軟件系統(tǒng)。嵌入式GIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、精煉，它把圖形數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、符號(hào)庫(kù)、線(xiàn)型庫(kù)整合到一個(gè)文件中，進(jìn)行一體化管理，文件緊湊、邏輯結(jié)構(gòu)清晰，適合在資源緊缺的嵌入式設(shè)備上使用［2］。個(gè)人汽車(chē)導(dǎo)航和PDA(或手機(jī))定位服務(wù)(LBS)的發(fā)展更是使嵌入式GIS深入到人們的日常生活中。

本文根據(jù)面向視殘障人士自助出行的特點(diǎn)和需求，研究開(kāi)發(fā)了快速路徑計(jì)算和準(zhǔn)確查詢(xún)道路周邊地物、公交車(chē)站、人行橫道等常用POI信息的嵌入式導(dǎo)航GIS算法。選用輕便、經(jīng)濟(jì)的移動(dòng)計(jì)算機(jī)終端平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，集成為適合于視殘障人士使用的便攜導(dǎo)航定位終端，并通過(guò)示范應(yīng)用證實(shí)了這一研究與設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

二、調(diào)查分析

1.國(guó)內(nèi)外面向視殘障人士的導(dǎo)航信息

無(wú)障礙產(chǎn)品研究和開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

同濟(jì)大學(xué)等單位開(kāi)發(fā)出專(zhuān)供視殘障人士使用的計(jì)算機(jī)，并設(shè)計(jì)了10多種配套軟件，讓視力障礙者使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行書(shū)寫(xiě)、上網(wǎng)。清華大學(xué)也已研發(fā)了清華點(diǎn)顯器，如A4紙大小，可通過(guò)一根USB電纜與電腦連接，價(jià)格較低，比較適合國(guó)內(nèi)盲人使用。2007年博朗盲人聽(tīng)書(shū)機(jī)問(wèn)世，它基于安徽科大訊飛語(yǔ)音技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了盲人用“耳”讀書(shū)。香港盲人輔導(dǎo)會(huì)與權(quán)智(國(guó)際)有限公司共同研發(fā)了“iReader電子眼”，使用時(shí)只要將電子眼接駁到數(shù)碼相機(jī)，再利用相機(jī)拍下照片，文字便會(huì)轉(zhuǎn)化成聲音，讓視障人士輕松閱讀。電子眼已經(jīng)在香港盲人輔導(dǎo)會(huì)“訊息無(wú)障礙中心”供會(huì)員免費(fèi)使用，尚未推向市場(chǎng)。另外，中日兩國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)多年研制，利用捷爾達(dá)GLD特殊編碼(又稱(chēng)“盲文圖形碼”)技術(shù)開(kāi)發(fā)出高新技術(shù)產(chǎn)品GLD-1型捷爾達(dá)盲人自動(dòng)信息提示語(yǔ)音筆。

在德國(guó)，一種盲用定位信息系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，它可以通過(guò)聲音來(lái)幫助盲人定位，減少過(guò)馬路的危險(xiǎn)性。該系統(tǒng)由手持控制器和無(wú)線(xiàn)電基站組成，無(wú)線(xiàn)電基站可以放置在交通信號(hào)燈、建筑物上以及任何需要指導(dǎo)盲人出行的位置。此外，德國(guó)科學(xué)家新近開(kāi)發(fā)出內(nèi)置微型電腦的高清晰照相機(jī)，它可以把拍攝到的訊息讀給盲人聽(tīng)，相機(jī)可通過(guò)最小的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多幅圖像，再利用電腦軟件把不同的圖像拼成一個(gè)完整畫(huà)面。盲人戴上裝有這種照相機(jī)的特殊眼鏡，看到的文字訊息可以被轉(zhuǎn)化為特定的語(yǔ)音訊息。目前，這項(xiàng)技術(shù)仍在試驗(yàn)之中。

美國(guó)研制出一種背負(fù)式GPS接收器，它與微型光盤(pán)只讀存儲(chǔ)器(形狀如迷你激光唱機(jī))相連，就成了為盲人服務(wù)的“會(huì)說(shuō)話(huà)的地圖”。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 使用SPSS 18.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析數(shù)據(jù)，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，用t/F檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料以百分率(%)表示，采用χ2檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

英國(guó)諾丁漢大學(xué)的PAL系統(tǒng)由 PIII便攜式PC、GPS接收器、RDS廣播數(shù)據(jù)接收器和電子羅盤(pán)組成，綜合GPS、RDS和羅盤(pán)的數(shù)據(jù)，通過(guò)語(yǔ)音指示盲人行進(jìn)。目前該產(chǎn)品試驗(yàn)效果較好，但產(chǎn)品體積較大、終端價(jià)格比較昂貴，難于推廣。

芬蘭技術(shù)研究中心(VTT)的Noppa系統(tǒng)將手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)以及語(yǔ)音技術(shù)整合在一起，形成一套完整的系統(tǒng)。盲人能根據(jù)手機(jī)的語(yǔ)音提示，自如地在街上行走，并安全地使用公交系統(tǒng)。與PAL系統(tǒng)相比，Noppa增加了語(yǔ)音交互功能和互聯(lián)網(wǎng)功能，使得系統(tǒng)功能大大加強(qiáng)，但產(chǎn)品更加昂貴，終端成本高達(dá)數(shù)千美元。

調(diào)查表明，面向視殘障人士的無(wú)障礙導(dǎo)航產(chǎn)品和服務(wù)大多采用GPS、GSM、雷達(dá)探測(cè)等專(zhuān)業(yè)技術(shù)，操作比較復(fù)雜，需要一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)視殘障人士的文化程度和出行方式考慮不多，價(jià)格昂貴，實(shí)用性有待改進(jìn)。

2.視殘障人士出行方式調(diào)查

為提高視殘障人士導(dǎo)航定位終端設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的針對(duì)性和實(shí)用性，筆者所在課題組選擇北京市殘疾人活動(dòng)中心、西城區(qū)社區(qū)中心和城市主要街道先后開(kāi)展三次問(wèn)卷調(diào)查。從盲人朋友出行習(xí)慣、出行方式、出行輔助設(shè)備功能、導(dǎo)航信息服務(wù)認(rèn)知、無(wú)障礙輔助手段需求，到殘障人士對(duì)GPS的了解程度，對(duì)GPS的需求程度，再到視殘障人士外出次數(shù)與引領(lǐng)方式、對(duì)盲道的利用情況、經(jīng)常去的地方、最常采用的交通方式，以及對(duì)產(chǎn)品形狀、體積的要求及期望的充電供電方式、攜帶方式、操作形式、是否采用語(yǔ)音播報(bào)、是否需要耳機(jī)、產(chǎn)品開(kāi)關(guān)方式等多個(gè)角度進(jìn)行了認(rèn)真調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析。

調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析顯示：在眾多影響盲人生活的事物中，出行問(wèn)題是最大的問(wèn)題。視殘障人士的出行在路線(xiàn)選擇、交通工具選擇上有很大的困難，甚至在沒(méi)有別人幫助的情況下很難到達(dá)一個(gè)陌生的、沒(méi)有去過(guò)的目的地。調(diào)查者中，出行購(gòu)物的人只有3%，并且要在有人陪同的情況下。有超過(guò)85%的盲人很少使用盲道，普遍反映盲道不好用，因?yàn)殡娫?huà)亭、電線(xiàn)桿、報(bào)刊亭、行人、車(chē)輛占用盲道是普遍存在的問(wèn)題。有37.2%的被調(diào)查者可借助盲杖串門(mén)散步，一般只局限在半徑300 m以?xún)?nèi)。究其根本原因是盲人無(wú)法判斷當(dāng)前處在什么地方。由此看出，定位查詢(xún)和能夠隨時(shí)知道自己所處的位置是視力殘疾者走出家門(mén)、接受教育和實(shí)現(xiàn)就業(yè)、融入社會(huì)生活的基本前提。在具體出行的時(shí)候，盲人不能完全依賴(lài)定位設(shè)備，仍舊需要借助盲杖等工具。能夠準(zhǔn)確告知當(dāng)前位置、周?chē)挛?、如何換乘公交車(chē)，以及提供必要的報(bào)警求助功能，這都是盲人導(dǎo)航上的實(shí)用需求。

三、導(dǎo)航定位終端的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1.功能設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，綜合分析殘障人的出行模式和實(shí)際需求，同時(shí)為滿(mǎn)足未來(lái)不同消費(fèi)群體的需要，對(duì)視殘障人士用手持定位終端系統(tǒng)在功能上進(jìn)行了產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)(如表1所示)。

表1 手持定位終端產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)

2.導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下(如圖1所示)：

開(kāi)發(fā)中選擇多普達(dá)P800作為終端硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，軟件選擇微軟dotNet平臺(tái)和Microsoft eMbedded Visual C++4.0和PocketPC 2003 SDK。針對(duì)嵌入式設(shè)備的特點(diǎn)，本研究結(jié)合GIS應(yīng)用程序的需求將GIS平臺(tái)重新設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)并形成了自主嵌入式GIS引擎ZmapMobile。

圖1 導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

ZmapMobile的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為移動(dòng)式(嵌入式)設(shè)備量身定做，結(jié)構(gòu)緊湊、精煉，更適合在資源緊缺的移動(dòng)式(嵌入式)設(shè)備上使用。其組件文件結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 ZmapMobile引擎的文件結(jié)構(gòu)

表2中，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的分開(kāi)存儲(chǔ)使邏輯結(jié)構(gòu)更加清晰，有助于優(yōu)化空間數(shù)據(jù)索引，提高查詢(xún)和空間計(jì)算效率。風(fēng)格文件的單獨(dú)存儲(chǔ)，則可以方便、靈活地實(shí)現(xiàn)風(fēng)格改變。

導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)為以下幾個(gè)部分：

1)POI信息查詢(xún)與路徑計(jì)算模塊;

2)GPS信號(hào)接收及數(shù)據(jù)解析，包括GPS串口的讀取和GPS NEMA0183語(yǔ)句的解析;

3)語(yǔ)音引導(dǎo)模塊，包括文本讀取、語(yǔ)音合成、TTS的實(shí)現(xiàn)等;

4)GSM短信功能的實(shí)現(xiàn);

5)緊急求助模塊;

6)系統(tǒng)設(shè)置維護(hù)模塊，解決由于操作不慎改變了系統(tǒng)設(shè)置，或終端不能正常工作時(shí)，通過(guò)“一鍵恢復(fù)”恢復(fù)至系統(tǒng)初始設(shè)置。

四、示范應(yīng)用

按手持定位終端原理開(kāi)發(fā)的樣機(jī)在集成測(cè)試工作完成后，課題組先后請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人士、殘奧會(huì)盲人門(mén)球隊(duì)員以及參與問(wèn)卷調(diào)查的部分盲人朋友試用樣機(jī)，通過(guò)試用對(duì)定位功能和語(yǔ)音功能進(jìn)行完善。試用人員反映，手持定位終端的定位和公交查詢(xún)功能很實(shí)用，功能菜單采用語(yǔ)音播報(bào)這種無(wú)障礙設(shè)計(jì)方法可以有效解決無(wú)視力或低視力情況下終端功能的選擇和使用。報(bào)警求助的功能是必須的，遇險(xiǎn)時(shí)及時(shí)、準(zhǔn)確地告知自己的親人，借助通話(huà)和定位功能得到幫助和導(dǎo)引，擺脫險(xiǎn)境，使得盲人朋友出行時(shí)更加放心和自信。希望通話(huà)功能和收音機(jī)功能作為基本配置功能在終端上提供，另外由于嘈雜的外界環(huán)境干擾，使用中終端語(yǔ)音播報(bào)的音量要再大一些。

五、結(jié)束語(yǔ)

面向視殘障人士導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)以無(wú)障礙化服務(wù)理念為指導(dǎo)，采用調(diào)查、研究、創(chuàng)新、集成與示范應(yīng)用相結(jié)合的方法，研究開(kāi)發(fā)了移動(dòng)終端平臺(tái)上的嵌入式GIS搜索引擎，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)集成了面向視殘障人士使用的導(dǎo)航定位終端系統(tǒng)，通過(guò)示范應(yīng)用對(duì)導(dǎo)航定位終端進(jìn)行了改進(jìn)和完善，并驗(yàn)證了這一研究和設(shè)計(jì)成果，能夠幫助視殘障人士解決出行中隨時(shí)知道所在位置和公共交通路線(xiàn)選擇這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是出行和生活上的好幫手。另外，通過(guò)本研究，對(duì)視殘障人士出行中的關(guān)鍵問(wèn)題、出行方式選擇、自助出行信息化服務(wù)中的技術(shù)難點(diǎn)等在廣度和深度上都有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，為今后視殘障導(dǎo)航定位終端的實(shí)用化完善和推廣奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［2］ 戚正偉.嵌入式GIS開(kāi)發(fā)及應(yīng)用(21世紀(jì)高等學(xué)校嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)規(guī)劃教材)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

Navigation and Positioning Terminals for Visual Disabilities：Research and Design

FAN Wenfeng，ZHENG Hongyou，WANG Huai

0494-0911(2010)11-0038-03

TP273

B

2010-09-14

樊文鋒(1970—)，男，河北棗強(qiáng)人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹娇张c航天攝影測(cè)量、遙感、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)等。