实时定位技术（精选八篇）
实时定位技术 篇1
RTK技术的原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点, 安置一台接收机作为参考站对卫星进行连续观测, 流动站上的接收机在接收卫星信号的同时, 通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据, 随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测绘精度。这样, 用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况, 根据待测点的精度指标, 确定观测时间, 从而减少冗余观测, 提高工作效率。
2 测绘的流程
2.1 内业准备
主要包括以下几方面的内容:
(1) 根据工程项目, 设定工程名称;
(2) 主机的参数设置, 基准站的数据采样率一般为4～5s, 流动站的数据采样率一般为1～2s, 截止高度角通常先设定为10°;
(3) 若已知坐标转换参数, 则输入手簿;
(4) 若无坐标转换参数, 则整理测区的已知控制点资料, 控制点尽可能均匀分布在测区, 使所测点在已知点的内涵之内, 尽可能避免从一端向另一端无限制的外推。控制点所处的位置和周围的条件应符合GPS作业的要求;
(5) 实施工程放样时, 内业输入每个放样点的设计坐标, 以便野外实时、准确放样。
2.2 求定测区转换参数
(1) 可以对一个大的测区 (一个乡镇、县区的一部分等) 事先测定转换参数, 在测区内各工程实施RTK作业时, 直接输入参数和基准站WGS284坐标。首先在测区以GPS静态方式布设均匀分布的高等级GPS控制点, 获得各点的WGS284坐标和地方坐标系下的坐标, 利用同一点的2种坐标求出转换参数。在工程应用中, 每个点都可安置基准站。
(2) 也可在一个工程中临时求得转换参数, 但不能在另一个工程中应用。首先在对空视野开阔的地方设立基准站并采集单点定位WGS284坐标, 然后流动站联测2个以上的地方坐标系下的控制点, 求解坐标转换参数。
2.3 基准站的选定原则
(1) 基准站可设立在有精确坐标的已知点上, 也可设在未知点上;
(2) 基准站安置应选择地势较高、视空无遮挡、电台有良好覆盖域的地方, 城市测绘首选测区中央的高大建筑物上;
(3) 为防止数据链的丢失和多路径效应, 周围应无GPS信号反射物, 200m范围内无高压电线、电视台、无线电发射台等干扰源;
(4) 考虑到南北极附近是卫星的空洞区, 电台的天线应架设在GPS接收机的北方。
2.4 RTK施测步骤
野外作业时, 基准站安置在选定的控制点上, 打开接收机输入点号、天线高、WGS284的已知坐标。
如果未知WGS284坐标, 则需采集单点定位坐标, 设置完毕检查接收的GPS卫星数≥5颗。设置电台的通道和灵敏度, 检查电台发射指示灯是否正常, 基准站设置完成。流动站选择与基准站电台相匹配的电台频率, 检查电台接收指示灯是否正常, 检查接收卫星颗数≥4颗, 流动站可开始测绘任务。先联测1～2个已知控制点, 评定测绘精度, 满足设计要求则开始测绘任务。实时动态RTK数据处理相对简单, 外业测绘采集的实测坐标通过手簿的数据传输系统, 直接下载到计算机内。经整理、分类、判断形成文件后直接打印出来。
3 RTK实测中注意的问题及对策
(1) 由于实时动态RTK的测绘与卫星分布以及数据链的性能有关, 而且各观测值都是独立观测的, 那么在观测时如何判断观测数据的可靠性呢?在开始观测前先联测其他已知点进行对比, 以确定基准站和流动站各参数设置是否正确, 以及数据链通讯是否正常。在观测一段时间或仪器失锁以及观测结束前都进行这一检测, 这样可以有效地判断仪器是否处于正常状态, 从而确保观测成果的可靠性。
(2) 为提高观测成果的精度, 流动站宜采用三脚架或带支架的对中杆, 这样流动站天线稳定性好、对中整平误差小, 同时在采集数据时应等数据跳动变化在设计要求时采集。
(3) RTK作业时, 有时会出现数据链不稳定的现象。可能是由于流动站附近存在与电台频率相同的外界无线电, 干扰了数据的传输, 这时应通知基准站重新选择电台发射频率, 流动站也重新选择接收频率;也可能是电台的电量不足, 应及时充电。
(4) 在RTK测绘过程中, 有时会出现在某个区域或一个时间段里, 解算时间较长甚至无法获取固定双差解的情况。这可能是由于周围存在如反射性强的建筑物、水面、临时停车等反射物引起多路径现象, 可选择复位后重新观测记录;也可能没有足够的卫星可用或卫星分布不利, 可选择适当提高截止高度角或删星。
(5) 在房屋密集区域, 为防止由于天空通视条件的限制, RTK无法确定其坐标位置, 应采用常规测绘方法。
4 总结
RTK实时动态测绘技术是继GPS全球定位技术之后, 测绘领域又一次技术革命。它改变了传统的测绘模式, 能够实时提供厘米级定位精度, 在不通视的条件下远距离传输三维坐标。应用于城市测中, RTK能够快速准确的布设导线网, 弥补由于城市日新月异的发展造成的低等级导线点的毁坏, 减轻由于城市高速发展而给测绘人员造成的时间压力。RTK测绘需要的测绘人员少、作业时间短, 能够极大地提高工作效率, 并且RTK测绘成果都是独立观测值, 不会像常规测绘造成误差积累。当然, RTK技术快速、灵活的作业方式有赖于足够的卫星数、稳健的数据链、较小的多路径效应等外界条件, 在城市环境下更显得突出, 有时会出现无法正常作业的情况, 这就需要不断完善RTK技术, 探讨先进作业方式。随着RTK技术的日趋成熟, 必将更好地服务于城市测绘。
摘要：RTK技术是GPS定位技术的一个新的里程牌, 它不仅具有GPS技术的所有优点, 而且可以实时获得观测结果及精度, 大大提高了作业效率并开拓了GPS新的应用领域。由于载波相位测量, 差分处理技术、整周未知数、快速求解技术以及移动数据通信技术的融合, 使RTK在精度、速度、实时性上达到了完满的结合并使得RTK定位技术大大扩展了它的应用范围。
双星系统实时导航定位仿真 篇2
通过对双星系统的星座、工作过程以及定位误差的模拟,构建了一个用于评估双星定位系统对在其覆盖范围内任意时刻任意位置运动载体所提供的导航定位结果的仿真分析平台.在仿真系统初始化时,用户可以自由设定双星系统的`星座、中心站位置、自定义坐标系、误差等级、仿真频率以及运动载体的姿态和航迹.该仿真系统为用户提供了运动载体分别在地理坐标系、WGS84坐标系、当地地理坐标系、用户自定义坐标系中的位置、速度、误差、几何精度衰减因子(GDOP)以及载体航程等仿真结果,通过对结果的分析可以评价出双星系统对于运动载体的定位效果.
作 者：吴冠昌 岳晓奎 田八林 WU Guan-chang YUE Xiao-kui TIAN Ba-lin 作者单位：吴冠昌,岳晓奎,WU Guan-chang,YUE Xiao-kui(西北工业大学航天学院,陕西,西安,710072)
田八林,TIAN Ba-lin(西安通信学院,陕西,西安,710106)
实时定位技术 篇3
1.1 RTLS定义及系统结构
实时定位系统 (Real-Time Location System, RTLS) , 是指通过无线通信技术, 在一个指定的空间 (办公楼、场地、城区、全球) 内, 实时或接近于实时地对目标定位的系统。RTLS融合了射频识别和定位算法的技术, RTLS系统由RTLS标签、RTLS读写器、RTLS服务器和RTLS应用系统组成。标签按照一定的时间间隔发送一定频率的无线信号, 读写器接收该信号, 由RTLS服务器计算出目标的物理位置, 提供给应用系统使用。其系统结构如图1所示。
1.2 RTLS中使用的技术
RTLS中使用的技术包括通信技术、定位机制、定位算法等方面。
RTLS通信技术是RTLS标签和RTLS读写器之间进行通信的技术, 可使用RFID、WiFi、UWB、超声波、红外线、蓝牙、ZigBee等技术, 其中最重要的是通信协议即空中接口技术。
定位技术可以按照多种方法进行分类, 按定位设备分类可以分为控制中心定位与标签定位;按定位精度可分为区域定位 (Cell-ID) 和精确定位;按定位参照方式可分为绝对定位与相对定位;按是否采用锚节点可分为紧密耦合定位与松散耦合定位;按定位计算方式可分为集中式计算定位与分布式计算定位;按是否基于测距技术可分为基于测距技术的定位和无需测距技术的定位, 其中基于测距技术的定位包括接收信号强度RSSI、到达时间TOA、到达时间差TDOA、到达角度AOA、近场电磁测距NFER等方法, 而无需测距技术的定位包括接近度定位和场景分析等方法。
定位算法主要使用圆周定位法, 圆周定位法包括三边及多边定位法。
RTLS服务器和RTLS应用系统之间的通信使用WebService技术进行数据传送。
1.3 RTLS应用
RTLS技术具有广泛的应用领域, 不仅可用于对物体的定位, 如港口集装箱定位、医院医疗设备管理、生产过程管理, 还可用于人员的定位, 如煤矿井下人员定位、主题公园儿童保护、医院医生/病人定位等重要领域, 也可以用于士兵训练等军事领域。
据IDTechEx研究结果, 2017年RTLS市场需求将超过26亿美元, 目前RTLS主要的应用落在物流 (44%) 、医疗 (30%) 与军事 (26%) 三个领域。RTLS硬件和软件的成本每年以约5%到20%在逐步下降。
2 RTLS国际标准现状
ISO/IEC JTC1/SC31/WG5工作组专门负责制定RTLS的关键技术标准, 已制定和正在制定的RTLS标准包括术语类标准、协议类标准、测试类标准, 见表1。
3 我国RTLS标准现状
3.1 RTLS标准制定工作组
2009年8月, 原中国电子技术标准化研究所 (现为中国电子技术标准化研究院) 牵头, 联合国内RTLS知名厂商和研究机构成立了全国信标委RTLS标准制定工作组, 开展了我国RTLS标准体系研究与国家标准制定工作。
3.2 RTLS标准体系
RTLS标准体系需要充分吸收和参考国际、国内相关标准化工作的成果, 根据实际应用的需求和特点提出。在内容上包括词汇标准、编码类标准、协议类标准、测试方法类标准、产品类标准、应用类标准。标准体系框图如图2所示。
3.2.1 词汇标准
词汇标准将界定实时定位的专用术语和定义。包括基本概念、数据、设备、应用、测试等方面的术语。
3.2.2 编码类标准
编码类标准主要包括标签标识符和读写器标识符标准。这两项标识符标准将分别规定定位标签的唯一标识符和读写器的唯一标识符的编码格式, 该标识符的主要作用是用于在通信过程中唯一标识标签或读写器。该标识符将是标签和读写器的数据帧中的一个数据项。一般来讲, 标签和读写器的标识符将包括芯片或标签或读写器制造商的代码, 该标识符也可用于产品质量的溯源。
3.2.3 协议类标准
(1) 标签与读写器接口
实时定位空中接口标准是RTLS的核心部分, 定义了标签和读写器间的无线通信协议。考虑到国家对无线电频谱的管理规定, 2.45 GHz是ISM频段, 从传输距离、通信速率和产品的体积等方面考虑, 2.45 GHz、433 MHz和UWB适合作为实时定位系统的工作频段。因此, 在标准体系包含了2.45 GHz空中接口标准、433 MHz空中接口标准和UWB空中接口标准。
空中接口标准制定的总体原则是能够满足我国对生产、物流、人员实时定位的需求;能够规避国外核心专利技术;要求方案易于实现。
空中接口标准中, 协议技术方案和参数的确定必须满足国家相关频谱规范的要求;标准中需要规定系统对抗干扰的要求和较小的频谱占用带宽, 调制解调实现方式简单, 占用资源要少;对核心技术的防碰撞机制, 要求能快速、正确定位所有标签。要有信息安全的机制, 能满足不同安全等级对标签、读写器和通信链路的信息安全要求。
(2) 读写器与定位服务器接口
该接口主要用于定位服务器和读写器设备之间的通信控制。定位服务通过该接口对标签发出命令, 并获取标签信息, 标签的信息包括标签在收到读写器命令后的响应信息, 也包括标签的信号物理信息, 比如信号强度、到达时间等。
(3) 定位服务器与应用系统接口
RTLS应用程序接口API规定了RTLS中基础设施和客户端程序之间数据交换方式的统一问题。它提供了一个指导性的规范, 遵循此规范的硬件供应商和软件提供商可以方便地实现数据交换, 从而缩短各自的开发周期。该接口应适用于不同频段的空中接口协议要求。
该标准在制定中需要充分借鉴国际标准的相关内容, 并结合国内的实际情况, 要考虑国内实际的应用场景, 从实用性的角度出发, 给不同需求的用户留有相对开放的空间。
RTLS应用程序接口可考虑将RTLS软件服务定义为一个Web服务, 从RTLS基础设施接收信号量, 并将这些信号量作为响应客户端请求的数据源, 通过标准的Internet协议交付。
RTLS服务和客户端程序之间所有的API信息交换过程应遵循工业标准协议SOAP, API需要定义一种语言无关的接口, 用于与RTLS服务通信。
服务端和客户端的通信方式都需要基于RPC原理, 可在传输的文本按某种约束规定的XML文本进行配置。
3.2.4 测试类标准
测试标准是保证系统能很好地符合标准中各种参数的规定, 以及各厂商间产品互操作性能, 测试标准包括性能测试方法、符合性测试方法、互操作性测试方法。其中, 性能测试方法规定了RTLS设备性能的测试方法及测试依据, 符合性测试方法规定了RTLS中标签和读写器之间空中接口协议的符合性测试方法及测试依据, 互操作性测试方法规定了不同厂家生产的标签和读写器之间互操作测试的测试方法及测试依据。
3.2.5 应用类标准
我国RTLS应用标准应包括相关技术的应用指南和具体业务的应用规范。
3.3 RTLS国家标准进展
以上框架中, RTLS标准制定工作组正在制定六项急需的RTLS国家标准, 制定情况见表2。
4 RTLS标准发展路径
RTLS国家标准的制定, 需要联合产、学、研、用等机构进行多方沟通, 利用各方面的优势, 紧跟与分析国际标准现状, 借鉴已发布的国际标准, 充分考虑通用性、先进性、扩展性和可实现性, 制定出基于国际标准、具有自主知识产权的国家标准。我国现在正在制定的实时定位系统2.45 GHz空中接口协议和实时定位系统433 MHz空中接口协议两项国家标准中, 在与上层的接口尽量和国际标准兼容, 使遵循我国实时定位标准的产品和遵循ISO/IEC24730国际标准的产品做到互连互通。在核心层的防碰撞、定位算法、安全协议等方面均使用自主技术。
针对我国实时定位技术现状, 要进行如下RTLS标准及相关技术的研究工作:
(1) 尽快制定和发布急需的六项标准, 加快相关的技术研究工作。
(2) 尽快组织研制相关产品, 建立应用示范和试点。
(3) 深入开展实时定位系统技术的研究, 建议后续立项开展基于UWB的定位系统技术研究, 重点研究基于UWB的标签和读写器的空中接口协议、基于到达时间差的定位机制。
(4) 深入开展短距离无线通信定位、GPS定位、移动通信基站定位、超声波定位等技术融合的多模定位技术, 以适应不同的应用场景, 满足多样的应用需求。
(5) 深入开展实时定位系统的测试技术研究, 建议后续立项开展实时定位系统的系统性能测试方法和测试装置的研究, 开展实时定位系统的空中接口符合性测试方法和产品的互操作方法研究, 为实时定位系统产品的研制、测评、认证提供标准依据, 确保不同厂商之间产品的兼容性和互操作性。
(6) 根据技术成熟条件, 逐步对体系中的其他标准进行立项, 完善整个标准体系。
摘要：介绍了实时定位系统 (RTLS) 的体系、技术结构、应用现状, 阐述了ISO/IEC JTC1/SC31/WG5工作组制定的RTLS术语类、协议类、测试类等关键技术标准, 分析了中国RTLS标准体系和相关标准制定情况, 结合RTLS现状提出中国今后在RTLS标准的发展途径。
实时定位技术 篇4
在以前的顾客行为分析中,动线和购买数据是很难获得的。为了获取这些数据,典型的方法是让工作人员跟随顾客并记录数据或者在超市中布置大量的监控摄像头。这些方法可以采集大量数据用于分析,但是需要花费很大的人力物力。现在,随着无线定位技术的发展,研究员可以轻松地采集顾客的动线数据,从而使得市场研究员分析顾客行为以及研究商场布局策略更加方便。
目前无线定位技术有很多种,其中应用最广泛的是射频识别技术(RFID),应用的领域有:零售业、服务业、制造业、物流业等。但是由于RFID实时定位系统需要特别布置读写器及天线,且读写器之间必须使用专用数据线相连,施工麻烦,同时这些专门设备的普及程度不高,搭建时需要专业工程师,人工成本高,而且其接收器价格昂贵,在大型超市中应用极少。而基于WIFI的实时定位系统可以利用WIFI基础设施进行定位跟踪,无须重新搭建其他网络或设施,也不用购买单独的定位阅读器等设备,AP之间可以通过无线互联,以低成本方便地实现大面积的无缝覆盖。本文所用的数据是使用Ekahau公司开发的WIFI实时定位系统来采集的。
另外,市场营销专家往往需要直接对大量杂乱无章的原始数据进行分析,导致专家的工作量很大,而且容易忽视一些比较隐蔽的规律。为了解决这个情况,需要对原始数据进行挖掘。然而,目前的挖掘算法在判断动线的回溯方面存在缺陷,而且使用的区域吸引力模型也不太能够合理地反映出区域的吸引力。本文提出一种新的表示区域吸引力的偏好性模型,同时提出一种新的挖掘偏好动线的算法,以求更加准确地得到顾客的偏好动线。
1 相关工作
WIFI无线定位技术作为一种新型的无线定位技术,发展要比RFID晚,应用于零售行业也不多。据我们所知,目前还没有通过WIFI无线定位技术采集的数据来分析顾客行为的论文。但是基于RFID来分析顾客行为的论文有很多。虽然采集数据所使用的无线定位技术不相同,但是,在后期的数据分析、挖掘上有很多可以借鉴的地方。
文献[1]使用一种从未应用在市场营销上的多变量聚类算法k-medoids,这种算法是由k-means算法进化而来且比k-means算法更加健壮,它的另一个优点是可以处理有空间约束的数据集。该文指出顾客在通道时更倾向于回溯,而不是穿过通道,并提出了在购物中花费的时间有很重要的影响,且将所有动线分成短期、中期、长期三组分别进行聚类分析。
文献[2]提出将区域和动线离散化的定义,并提出一种个体级别的概率模型,该模型同时抓住消费者购物行为的三个关键方面:顾客访问的区域,每一个区域停留的时间,是否购买了该区域的商品,并得出商品购买多大程度上是源于商品内在本质的吸引力,还是源于特定区域的吸引力。
文献[3]采用一种时间序列分析技术EBONSAI来分析顾客的购买行为,将顾客分为高购买量和低购买量两类,并分析两类顾客在动线方面的区别。
文献[4]提出一种挖掘偏好动线的算法——顾客访问矩阵算法(CAM)以及一种挖掘偏好动线与购买商品之间联系的算法——顾客交易挖掘算法(CTM)。
文献[1]在研究中发现顾客在购物中的回溯规律,即顾客在区域A的偏好选择是区域B,在区域B的偏好选择亦可能是区域A ,该规律在文献[2]的研究中也得到了证实,但是文献[4]提出的CAM算法没有考虑到动线存在回溯的可能;另外,也没有考虑区域购买率权重对区域吸引力的影响。
2 挖掘偏好动线的算法
2.1 偏好性模型
定位系统包括WIFI标签和无线AP:购物车上带有WIFI标签,每5秒钟发射出拥有唯一编码的信号。每一条动线既有购物路径,用以5秒为间隔采集的(x,y)坐标的列表来表示,还有从POS机中得到的购物记录。当购物车推到超市入口时,一条动线开始,购物车推到收银台线并到达收银台另一边后,该动线结束。
定义1 WIFI标签每5秒钟向EPE(Ekahau定位引擎)发送一个信号,称为一次闪烁。每次闪烁包含的数据有:发出这次闪烁的标签的MAC地址、标签当前坐标(x,y)、闪烁的时间以及标签当前所在地图。
定义2 在一条动线中,从A区域访问到B区域,称为一步。
要在众多的动线中找出一条或多条具有代表性的动线,需要一个区域吸引力模型来规定如何才具有代表性。文献[5]在挖掘网页访问模式时提出了一个偏好性的概念来表示网页的吸引力。由于在网页访问和超市区域访问之间存在一定的差别,而且网页访问不需要考虑购买行为对网页吸引力的影响,因此,本文为挖掘超市顾客的偏好动线提出了合适的偏好性模型。
定义3 动线的前m步称为动线的m-前缀。
定义4 记P为顾客动线的集合。∀x∈P,x在第m步的离散化停留时间为:
其中,txm是动线x在第m步的停留时间,Tmax_visit是最大通过时间,Tmax_shortly_stay是最大短暂停留时间,Tmax_normal_stay是最大普通停留时间。
定义5 记P为顾客动线的集合。给定一个Q⊂P,∀x∈Q,所有的x有相同的m-前缀,且在第m+1步有n种不同的区域可以选择。给定一个K⊂Q,∀y∈K,所有的y有相同的m+1-前缀,且第m+1步的选择均为第k种区域(k=1,2,…,n)。则在集合Q中,第m+1步选择第k种区域的停留时间权重为:
其中,Ti(m+1)是动线i在第m+1步的停留时间。
定义6 记P为顾客动线的集合。∀x∈P,购买函数:
表示动线x在第m步的购买值。
定义7 记P为顾客动线的集合。给定一个Q⊂P,∀x∈Q,所有的x有相同的m-前缀,且在第m+1步有n种不同的区域可以选择。给定一个K⊂Q,∀y∈K,所有的y有相同的m+1-前缀,且第m+1步的选择均为第k种区域(k=1,2,…,n)。则在集合Q中,第m+1步选择第k种区域的购买权重为:
其中,f(i,m+1)是动线i在第m+1步的购买值。
定义8 记P为顾客动线的集合。给定一个Q⊂P,∀x∈Q,所有的x有相同的m-前缀,且在第m+1步有n种不同的区域可以选择。给定一个K⊂Q,∀y∈K,所有的y有相同的m+1-前缀,且第m+1步的选择均为第k种区域(k=1,2,…,n)。则在集合Q中,第m+1步选择第k种区域的偏好性为:
其中,Wt(m+1)i是第m+1步选择第i种区域的停留时间权重,Wb(m+1)i是第m+1步选择第i种区域的购买权重。
由上面的定义可以得知,偏好性模型既考虑区域访问次数和区域停留时间,又考虑区域购买率。它可以防止只挖掘访问比较频繁的区域。停留时间权重在考虑区域通过次数的同时,增加了区域停留时间对偏好性的影响。购买权重则是增加了区域购买率对偏好性的影响。通过停留时间权重和购买权重,偏好性能够更加准确地反映出区域对顾客的吸引力。
偏好性的值在(0,n)之间,n是可选择区域的个数。当某个区域的偏好性超过1时,说明在当前这步顾客比较倾向于选择该区域。偏好性的值越高,倾向性越强。如果偏好性的阈值设置得太高,则很多典型的动线可能挖掘不到。反之,如果阈值设置过低,则会有很多不够典型的动线也被认为是偏好动线。因此,设置一个合理的偏好性阈值是挖掘偏好动线的关键。 一般情况下,将偏好性的阈值设为1。
2.2 原始数据预处理
所有的原始数据都来自于定位标签和POS机。在使用挖掘算法对数据进行挖掘之前,需要对原始数据进行一些预处理工作:1)对数据进行清理。比如由于顾客在购物途中放弃使用购物车而导致的动线数据不完整等等。2)为了减少数据的复杂性,分析顾客动线的共同特征,需要对超市进行离散化,将超市划分为多个非重叠的区域,然后对动线进行离散化,将每条动线上每次闪烁的(x,y)坐标映射到对应的区域,并根据闪烁次数算出该动线在该区域内的停留时间。3)根据预设好的最大通过时间,最大短暂停留时间和最大普通停留时间将停留时间离散化。4)结合POS小票数据得出每条动线购买的商品分布在哪些区域。
这样,每一条动线可以用{第0步区域名:离散化停留时间(是否购买), 第1步区域名:离散化停留时间(是否购买), …, 第n步区域名:离散化停留时间(是否购买)}来表示,其中,是否购买的值是0或1,0表示未购买,1表示购买。所有的动线组成一个候选动线集合。
2.3 挖掘偏好动线的算法
将入口区域记为A,出口区域记为Z。因为数据的采集是从购物车离开A开始,进入Z结束,所以候选动线集合中的每一条动线的第一个区域均为A,最后一个区域均为Z。为了保持数据结构的标准以及算法需要,本文将A和Z的离散化停留时间均记为1,是否购买均记为0。算法从动线的第一步开始,计算出候选动线集合中当前步的每一种选择的偏好性。如果某种选择的偏好性大于偏好性阈值,则对该种选择进行下一步挖掘,如此循环往复,直到选择为Z。如果选择Z的偏好性大于偏好性阈值,则这种动线为偏好动线。
算法1 挖掘偏好动线的算法(SPP)
输入 候选动线集合SCP,偏好性阈值Pt
输出 偏好动线集合SPP
(1) PROC main(SCP, Pt)
(2) SPP.init()
(3) mining(SCP, 1, Pt, SPP)
(4) return SPP
(5) EndP
(1) PROC mining(SP, step, Pt, SPP)
(2) SA = findSelections(SP, step)
//返回动线集合SP在第step步的选择集合
(3) For each area in SA
(4) p = calculate(SP, step, area)
//返回动线集合SP在第step步选择area的偏好性
(5) If p >= Pt
(6) If area.equals(Z)
(7) dp = getDistinctPath(SP, step, area)
//返回动线集合SP中第step步是area的一条动线
(8) SPP.add(dp)
(9) Else
(10) ST = getPathSet(SP, step, area)
//返回动线集合SP中第step步是area的动线集合
(11) step++
(12) mining(ST, step, Pt, SPP)
(13) step--
(14) EndIf
(15) EndIf
(16) EndFor
(17) EndP
3 实验设计及结果分析
3.1 WIFI实时定位系统
为了可以记录顾客的动线,我们将WIFI标签固定在购物车上。当购物车离开入口区域时,服务器将该标签传输过来的数据写入数据库中,当购物车进入出口区域或者超过设定的最长购物时间(如2小时)时,服务器停止向数据库中写入该标签传输的数据,同时将POS小票数据写入数据库并与相应的动线数据绑定。WIFI 实时定位系统的工作原理如图1所示。
移动设备附近无线信号强度(RSSI)被记录下来,并通过客户端程序发送RSSI到Ekahau定位引擎,定位引擎里有RSSI的模型文件,其识别RSSI 的值,并计算出地图中二维坐标,然后发送定位信息给应用程序或者写入数据库。
在部署WIFI实时定位模型时需要注意以下两点:
(1) AP的密度。为了保证合理的AP密度,AP之间需要保持大约15米到23米的距离。
(2) AP的频道。由于WIFI使用的是2.4GHz频带,各频道之间频率可能相互重叠,可能相互干扰。如图2所示,频道1、6、11之间频率没有重叠,所以我们设置AP的频道时选择频道1、6、11,且应尽量避免相邻的AP频道相同。
3.2 实验结果
实验使用的地图是经过现场调研后得出的大卖场的地图,如图3所示,共分为83个区域。其中,区域A为入口,区域Z为收银台。由于在真实环境中应用定位系统需要一些花费,因此本文使用的动线数据是请一些同学根据超市地图模拟自己平常购物的行为所得到的。
实验总共模拟了281条动线数据。最终得到了8条偏好动线,实验结果如图4所示。另外我们使用文献[4]提出的CAM算法对实验数据进行挖掘,得到了9条偏好动线,结果如图5所示。
从图4中使用加粗标注的路径可以看到,一旦顾客进入一个通道,一般规律是回溯,即顾客进入通道后,更可能是原路返回,而不是穿过通道,从另一个方向走出。这个结论符合文献[1,2]的研究发现。而通过图5我们可以看到,使用CAM算法得到的结果无法真实地反映出动线的回溯规律。
4 结 语
随着市场营销专家对通过分析顾客的购物行为来设计超市布局以及指定销售策略越来越重视,准确的顾客行为数据也越来越被需要。本文提出一种新的表示区域吸引力的偏好性模型,它不仅考虑了区域访问次数对区域吸引力的影响,还考虑了区域停留时间和区域购买率对区域吸引力的影响,另外还很好地解决了动线回溯的问题。根据这个模型,本文提出一种新的挖掘偏好动线的算法。通过这个算法,可以准确地得到顾客的偏好动线。实验结果表明该方法是可行的。根据SPP算法挖掘得到的偏好动线,专家可以更加轻松地进行更深入的顾客行为规律分析并做出相应的决策,而不需要直接对大量杂乱无章的原始数据进行分析。在未来的工作中,我们将致力于研究更高效、更准确的挖掘偏好动线的算法,也将为偏好性增加更多的因素使其能够更加准确地反映区域的吸引力。
摘要：随着WIFI实时定位技术的迅速发展,使得将WIFI实时定位系统应用于超市,便捷、准确地获得顾客的购物行为数据,从而分析顾客的偏好成为可能。提出区域吸引力的偏好性模型在考虑传统的区域通过次数因素的影响外,还充分考虑了区域停留时间因素和区域购买率因素对区域吸引力的影响。给出此模型下的顾客的偏好动线挖掘算法,算法可以根据每一步发生区域转移的概率统计得出顾客的偏好动线。实验结果表明所提出的方法是可行的,市场营销专家可以根据挖掘得到的偏好动线做出相应的决策。
关键词：WIFI,实时定位,偏好性,偏好动线
参考文献
[1]Larson J S,Bradlow E T,Fader P S.An exploratory look at supermar-ket shopping paths[J].International Journal of Research in Market-ing,2005,22(4):395-414.
[2] Hui S K,Bradlow E T,Fader P S.An integrated model of grocery store shopping path and purchase behavior[OL].Working paper,University of Pennsylvania,Philadelphia.http://ssrn.com/abstract=960960.
[3] Yada K. String analysis technique for shopping path in a supermarket[J]. Journal of Intelligent Information Systems, 2011, 36(3):385-402.
[4]Liao I E,Lin W C.RFID Eurasia,2007 1st Annual:Shopping path a-nalysis and transaction mining based on RFID technology[C]//Istan-bul,September 5-6,2007.
实时定位技术 篇5
随着Web技术的发展, 特别是Ajax技术的出现, 解决了以往Web无法进行异步请求和局部刷新的问题, 加速了Web世界向富客户端方向发展, 促使传统的C/S应用程序逐步向B/S方式转变, GPS实时定位系统便是其中的一个例子。
车辆GPS实时定位, 通过车载GPS定位仪将车辆的位置信息发送到服务器上, 然后以一定的方式 ( 如, 电子地图等) 展现, 从而实现实时定位与跟踪。由于车辆在行驶中, 位置在不断变化, 因此必须保证系统的时效性。在传统的c/s系统中, 客户端和服务器之间通常存在着持久的连接, 通过这个连接可以双向传递各种数据, 因此达到实时数据更新很容易实现; 而在基于HTTP协议的b / s系统中, 服务器端永远是被动地响应浏览器请求, 一次请求结束连接就会断开, 因此浏览器并不能及时得知服务器端的数据更新[1]。Ajax技术实现了异步请求和局部刷新, 但也只是提高了网络的传输效率, 其本质还是通过HTTP协议的“请求-应答”方式来获取服务器端的数据, 并不是真正的实时性解决方案。
本文利用Pushlet服务器推送技术将GPS定位仪发送到服务器端的数据直接推送到浏览器, 然后利用电子地图进行实时位置的展现, 大大提高了定位的时效性, 从而实现了真正意义上的Web车辆实时定位。
1 相关研究工作
在Web系统的实时性研究中, 出现了许多技术和解决方案, 目前存在的方案可以分为以下两种:
第一种是“非推送方式”, 即采用Ajax轮询 ( polling) 方式不断请求服务器来获得资源。对于实时性要求不高的场合, 可以采用这种方式。文献[2, 3]采用这种方式。
文献[2]采用Ajax轮询技术进行车辆监控管理, 文献[3]采用Ajax轮询实现无线终端实时定位。都是设定间隔固定时间重复请求服务器端来获取数据, 看似实现了实时定位, 但并不是真正的实时定位, 时效性较差。
这种方式存在以下的缺点: 1) 很难确定合适的轮询间隔;2) 频繁请求浪费服务器的资源; 3) 每次建立 ( 或关闭) HTTP连接都有一定的延迟。
第二种是“推送方式”, 即服务器主动向客户端发送数据。对于实时性要求较高的应用场合 ( 如监控、实时通信、股票交易、投票、气象等) , 服务器推送是很好的选择。目前, 实现服务器推送技术的方案主要可以分为以下两大类:
1) 重量级实现
采用浏览器插件技术 ( Flash, Active X) , 基于套接口传输信息 ( Java Applet) , 使用RMI、CORBA进行服务器远程调用。这些技术存在诸多不利: 插件版本兼容性、技术难以实现、存在防火墙限制 ( 因为要打开非HTTP的通讯端口) 、需要额外的Sever开发和维护[4]。文献[5, 9, 10]采用这种方式。
文献[5]介绍了两种基于Flash技术的实时性解决方案: 第一个是Flash Remoting方式, 这种方式需要Flash客户端和服务器端安装相应版本的Flash Remoting模块, 使用和安装维护比较麻烦; 第二个是XMLSocket套接字监听方式, 首先服务器与客户端建立不间断连接, 然后根据事先设定的时间间隔往客户端发送XML实时数据, 直到接收到客户端发来的关闭信号。以上这两种方式都需要客户端浏览器支持并安装有Flash Player插件。文献[8]提出了两种实时监控解决方案: 采用Active X技术或Applet技术来建立Socket连接。这两种方案都有不足: 对于Active X插件, 不同的浏览器存在兼容性问题; 对于Java Applet, 无法与Java Script交互来实现动态HTML页面的更新。文献[9]采用Java Applet技术来实现网络化监控报警, 利用Applet建立了一个Socket接收线程, 监视Java服务器发来的信息。
2) 轻量级实现
基于HTTP长连接、无须在浏览器安装插件的服务器推送技术, 也被称为Comet技术。文献[6, 7]和[11]采用这种方式。
文献[6, 7]分别介绍了使用Flex和Blaze DS[7]推技术来实现Web烟草移动监控系统和Web GIS系统, Blaze DS通过消息服务实现服务器和Flex客户端数据交互的功能, 以消息的订阅/发布模式实现推技术。文献[11]采用Ext JS和Pushlet推技术来实现Web及时交流, 是Pushlet推技术在Web聊天方面的应用。对于Blaz DS和Pushlet两种推技术客户端分别使用的是Flex和Java Script, 应针对需求进行合理选择。
2 问题定义
本文讨论的问题是将车辆的位置信息实时地显示在客户的浏览器页面上, 位置信息通过车载GPS定位仪进行收集。本文主要具体解决以下问题:
( 1) 采用服务器推送技术将车辆位置数据推送至客户的浏览器, 提高实时性。
( 2) 采用百度地图进行车辆实时位置展现和历史轨迹回放, 提高可视化程度。
( 3) 通过实验数据的比较, 说明采用Pushlet服务器推送技术实现Web车辆实时定位的优势。
3 基于Pushlet的解决方案
由于百度地图提供一套由Java Script语言编写的简单易用的应用程序接口, 因此, 选择前台支持Java Script的服务器推送技术, 通过上节对各种服务器推送技术的研究分析, 并考虑系统兼容性和实现方便性, 发现采用Pushlet技术是较合适的选择。
Pushlet是一个开源的Comet实现框架, 它在Servlet机制下, 数据从服务器端的Java对象直接推送到浏览器端的动态HTML页面, 无需任何插件支持[12]。它采用订阅/发布模式: 客户端订阅某个主题, 当服务器端有关于这个主题的新事件生成时, 就将生成的事件发布到订阅了该主题的所有客户端。
3. 1 系统的体系结构设计
Web车辆实时定位系统总体结构如图1 所示, 该系统采用订阅/发布模式, 通过GPS车载定位仪将车辆的位置信息发送到服务上, 服务器解析数据后, 将数据传递给Pushlet框架, Pushlet框架判定是否有用户订阅该车辆。如果有订阅则将数据推向订阅者浏览器, 然后利用百度地图提供的接口进行实时位置展现, 从而实现实时定位与跟踪, 同时将数据存入数据库, 以便进行历史轨迹回放; 如果该车辆没被订阅则直接将数据存入数据库。
用户要订阅车辆, 首先在客户端向服务器发出订阅请求, 然后服务器为该客户创建一个会话 ( 该会话记录客户的状态) , 再将其注册到会话管理器中, 由会话管理器管理所有的会话状态。每个会话都有唯一的订阅者身份和自己的控制器。订阅者可以接收到车辆实时位置数据, 控制器用来处理客户请求。
当UDP数据接收线程接收到数据时, 通过事件分发器找到所有的订阅者, 然后将数据对象通过浏览器适配器接口发送给每个订阅者。
1) 客户端订阅事件流程
客户端的订阅车辆的流程如图2 所示, 客户端请求订阅时将订阅的主题包含在请求的URI中, 发送到服务器端的pushlet这个servlet。由于客户端可能多次发送请求, 所以将订阅请求URI排入Java Script类库中的控制队列, 然后依次将控制队列中的请求URL发送出去。请求成功后, 客户端和服务器端通过不断发送“心跳”的方式保持连接。
2) 服务器端发布事件流程
服务器发布车辆事件的流程如图3 所示。车辆事件由UDP接收线程产生, 并通过事件分发器将事件发送给所有的订阅者。首先, 依次查找匹配车辆的订阅者, 只要找到匹配的订阅者, 就将此事件排入该订阅者的发布事件队列; 然后订阅者将事件依次出队推给浏览器适配器, 浏览器适配器再将其转换成Java Script代码发送给浏览器页面; 浏览器页面接收到Java Script代码后, 会将代码中的车辆位置信息提取出来并调用百度地图接口展现。
3. 2 服务器端软件设计
本系统的服务器端围绕着Pushlet框架构成, 如图4 所示的UML图表示了系统中几个重要类之间的关系。
My Pushlet类
是一个Servlet, 继承自Pushlet类。首先完成Pushlet框架的初始化、创建事件分发器 ( Dispatcher) 及启动UDP接收线程启动; 其次, 接收来自客户端的请求, 并创建一个订阅者 ( Subscriber) , 由该订阅者保持客户请求, 返回内容。
Subscriber类
是与每个客户端对应的订阅者。首先根据客户端的请求建立客户端适配器 ( Client Adapter) , 并将自己注册到Dispatcher中; 然后保持这个HTTP连接, 并将其自身阻塞于相关主题的事件队列之上。如果有事件入队列, 则唤醒该类的实例, 并调用Client Adapter向客户端推送数据。
Dispatcher类
事件分发器, 它维护着一组订阅者的列表。事件到来时, 对订阅者的主题和事件的主题进行匹配后, 将事件放入相应的事件队列中, 并唤醒在此事件队列上等待的所有订阅者。
C1ient Adapter类
客户端适配器接口, 屏蔽了不同客户端的差异, 其实现类Browser Apapter将从Subscriber获取到的事件转换为Java Script格式并推送到浏览器。
Udp DataReceive Listener类
数据接收监听线程类, 通过监听UDP端口完成两个工作: 首先产生Pushlet事件, 并调用Dispatcher发布事件; 其次调用Position Dao将数据存储到数据库中。
3. 3 订阅格式与推送方式设计
客户端与服务器端进行车辆信息传输的方式, 是通过订阅主题格式和推送模式来定义的, 定义如下:
( 1) 订阅主题格式
Pushlet推送数据是将不同主题 ( Subject) 的数据包装成不同的事件 ( Event) , 然后发送给客户端, 事件的Subject命名采用树型结构。在本系统中定义Event Subject格式为“ssdw/Id1”, 这表示ssdw ( 即实时定位) 下的Id1 类型的事件, 只要订阅了“ssdw/Id1”这个subject, 客户端就可以收到车牌号为Id1 的车辆的位置数据, 如果订阅了“/ssdw"则表示订阅所有的车辆。同时还可以订阅多个特定的车辆, 表示为: “/ssdw/Id1, ssdw/Id2, ssdw/Id3”。
( 2) GPS车辆位置数据推送方式
Pushlet支持三种不同的消息发送方式: 直接发送消息、使用事件源发送消息、使用Pushlet的协议发送消息。并提供了多播、单播和广播三种推送方式。
在车辆定位系统中, 多个GPS定位仪发送数据是随时的, 而不是定时的, 因此选择直接发送方式 ( 即UDP数据接收线程收到数据后就进行发送) 是比较合适的; 由于存在有多个客户同时定位同一辆车的情况, 故在推送时选择多播, 可以将该车辆的位置数据推送到所有订阅者页面。
3. 4 系统关键点实现
( 1) GPS定位仪数据解析
在推送数据前必须解析中定位仪发送的车辆位置信息。系统中使用的车载定位仪的通信协议是由硬件厂家提供的, 其中定位信息格式如表1 所示。
其中, 终端ID是该定位仪的ID号, 信息内容部分是该车辆的当前具体位置信息。信息内容的格式如表2 所示。
对于本系统关心的数据有: 终端ID ( 即定位仪ID) 、日期时间、纬度、经度、速度、航向。由于定位仪向服务器发送的数据是16 进制的串, 因此当服务器UDP监听程序收到数据后, 将其解析处理为“终端ID#日期时间#纬度#经度#速度#航向”格式的文本字符串, 方便下一步的推送及入库操作。
( 2) 百度地图展现车辆动态位置和历史轨迹
百度地图提供的地图API库, 在使用之前需要通过< script> 标签引入到页面中, 如下:
< script type = " text / javascript" src = " http: / / api. map. baidu. com /api? v = 1. 3" > < / script >
当浏览器收到服务器推送来的Java Script代码后, 利用Pushlet提供的Java Script库提取出实时车辆位置数据, 然后与百度地图API交互, 实现车辆动态位置的可视化展现。
历史轨迹回放通过浏览器发送Ajax查询请求, 服务器端根据查询条件 ( 车牌号、开始时间和结束时间) 去数据库中查询车辆位置信息, 并包装成方便高效的数据格式———JSON[13], 发送到客户端进行解析、显示轨迹, 页面无刷新。
4 原型系统展示与测试比较
4. 1 原型系统展示
Web车辆实时定位系统服务器端采用免费开源技术: Linux操作系统, Tomcat 6. 0. 35 Web服务器[14], My Sql 5. 52 数据库[15], Pushlet 2. 0. 4 开源框架[16]; 客户端对目前常用的几种浏览器都支持, 电子地图采用百度地图提供的Javascript APIv1. 3[17]; 定位仪采用谷米科技有限公司的GT02A车载定位仪[18]。
( 1) 实时定位功能
通过输入车牌号, 点击“开始定位”便可实时跟踪该车辆 ( 发送订阅请求到服务器端) , 点击“停止定位”便取消了对车辆的定位 ( 通知服务器端取消该订阅者) , 如图5 所示。
( 2) 历史轨迹回放功能
输入要回放轨迹的车牌号、开始时间、结束时间, 然后点击“回放”便可看到该车辆的历史轨迹, 如图6 所示。
4. 2 测试比较
将本系统的实时定位功能分别用Ajax轮询和Pushlet推方式实现, 设定车载定位仪的数据发送间隔为5 s, 测试两种方式在4 min内的客户端请求次数、请求响应平均时延和通信流量。使用Google Chrome浏览器内置的测试工具进行测试, 得到如表3 所示的数据和图7 所示的对比分析图。
注: Ajax 轮询方式设置了五个测试间隔: 1s，2s，3s，4s 和 5s。
从图7 的对比分析, 可知: ( 1) 采用Pushlet方式, 浏览器向服务器的请求次数小于Ajax轮询方式; ( 2) Pushlet方式在获得高实时性的同时, 通信流量适中; ( 3) Pushlet方式的浏览器与服务器交互时延远小于Ajax轮询方式。
5 结语
实时动态声像定位系统 篇6
无边时空系统 (Illimitable Space System, ISS) 是由加拿大m Dreams Pictures公司的宋淼教授及其团队, 着重开发的互动媒体技术及其在舞台及纪录片拍摄方面的应用。
现有的ISS系统的系统功能主要是通过实时声像检测技术, 人体体感技术, 把人机互动的数据进行处理, 达到实时的影像, 同时能对人的手势和姿势进行分析及运算, 包括人体的骨骼及关节信息等。ISS也包括互动投影技术, 达到了混合现实的效果, 即人们在操控虚拟影像的同时也把真实环境融入进了影像, 从而增强了视觉及感官性。目前该技术主要应用于舞台效果和其他娱乐业产业上。
ISS技术在舞台效果的应用上, 表现出超出平日舞台效果的视觉感受, 随着舞台背景的即时变幻, 舞蹈也更加的生动, 给观众带来即时的视觉与听觉的享受。2014年4月, 宋淼担任了互动媒体的设计及制作的任务与中央戏剧学院导演系首次合作并尝试把数字互动多媒体技术应用到传统戏剧舞台的科研项目, 实现了无限空间互动多媒体装置应用到中戏导演系毕业大戏《如影随形》。
蒙特利尔的计算机数字多媒体工业在全球享有盛名, 计算机数字互动多媒体行业发展也尤其迅速, 可以联合国外专业团队, 在技术上处于领先位置。互动媒体技术在艺术团体演出与舞台特效运用方面, 在中国是一个新兴产业。实时动态声像定位系统研究与示范应用, 是一个有无限潜力的行业, 尤其是专业团体的演出方面。
此项目有着很大的提升与完善空间和市场价值。m Dreams Pictures公司已经在承接不同的创意项目, 为有些舞台创作量身定做, 以使得无限空间系统更完善。
放疗自动实时跟踪定位系统的研制 篇7
关键词：放疗定位,红外跟踪,空间配准
1 引言
在高精度放疗中,定位精度对于放疗计划的精确实施非常重要。CT定位是一套系统的工作,一方面要给出患者病灶附近躯体的所有对放疗有用的信息,比如表皮、治疗靶区、危险器官等;另一方面要找出治疗靶区的空间位置,而后在每一次治疗实施中,都将治疗靶区精确地平移到治疗计划系统预先虚拟的场景下。两方面综合起来是广义上的定位,而后者是狭义上的定位,它的核心问题是,在加速器治疗床上,如何精确地把病灶放到它应该在的位置上去。
狭义的放疗定位是以精确摆位为最终目的的一系列工作,也是最引起临床物理人员关注并展开研究的领域[1,2,3,5,6]。传统定位方法依靠激光器产生的立体激光线,定位人员必须以肉眼瞄准体(面)膜(或患者体表)上繁杂的标记点线,这种定位方式依赖人眼和人员经验,误差较大[6,7,8]。如何减少对人员的依赖,提高精度,并增加对病灶位置的实时监控,发展一套自动化、实时化、高精度的放疗定位系统,成为高精度放疗发展的当务之急。
基于双目视觉原理的红外光学定位仪最早被用于高精度手术导航[4,9],在放疗领域,则被研究者运用到误差监控等质控、质保工作中[1,2]。我们采用一种简单可行的方案,预先将红外相机坐标系与加速器治疗坐标系校准一致,使得红外相机可以实时监测患者在加速器治疗坐标系内的绝对位置。这种监测依靠一种红外被动探测标记小球,它可以被红外跟踪定位相机实时获取球心位置,也可以在CT扫描下清晰成像,并在重建的立体影像中被精确勾出[9]。而后,依靠与治疗计划系统结合的定位软件系统,将重建立体影像下的小球位置与相机探测到的小球位置进行空间匹配,得出偏差,可实现自动提供摆位数据,并实时跟踪定位病灶中心的功能。
2 系统设计
2.1 传统人工定位方法的改进,计算机辅助红外跟踪定位系统的引入
传统人工定位方法使用机械控制的激光立体定向装置[7,8],在CT扫描图像上建立零位参照点,首次治疗时,使用加速器机房的激光等中心系统把零位参照点置于加速器等中心上,然后依照计算机系统算出的从零位参照点到病灶中心的坐标差值实施移床,把病灶中心移置于加速器等中心上,并在患者体表或体(面)膜上做好标记,方便之后重复摆位治疗[8]。
我们设计的放疗实时跟踪定位系统,使用技术成熟的双目红外跟踪定位相机和定位软件系统[9],通过精确跟踪放疗体(面)膜上的标记小球的位置,达到动态实时跟踪病灶中心的目的。与传统方法一致的是,我们同样在计算机三维重建影像中找出病灶中心与标记小球球心的相对坐标。我们的目的是把病灶中心精确放置到加速器治疗等中心上去,并保证病灶无转动。首先把取得的病灶中心坐标归零,标记球的位置坐标则与病灶中心一同平移,得到在治疗时标记球应该处于的绝对位置坐标。下面所要做的,就是把红外相机实时抓取的小球坐标位置与其应该在的绝对位置坐标进行匹配[9],得出偏差,进而完成精确摆位,实时监控的功能。系统定位流程如图1所示。
整个系统包括:(1)一件相机注册标记箱,用于预先将相机坐标系与加速器治疗坐标系校准一致[3];(2)一台双目红外跟踪定位相机,三维测量精度0.35 mm,数据更新速度60 Hz,可同时配置9个探测标记物(3个主动,6个被动),可完成对标记小球坐标的精确测量和实时跟踪;(3)一台装有定位软件系统的计算机工作站,作为连接红外相机与治疗计划系统和治疗机的桥梁,安装于治疗控制室,完成标记物识别,场景匹配,精确摆位,治疗过程实时监控;(4)一台安装于加速器机房内的显示终端,用于显示摆位数据,方便快速摆位。
红外相机系统可使用支架放置,也可以安装于加速器机房墙壁上,只要在治疗时使患者治疗部位完全置于相机有效测量体积内,该系统就可以实时捕获测量体积内标记小球的球心位置,如图2所示。我们将红外被动探测标记小球固定在患者放疗过程中保持使用的体(面)膜上,小球要求被安置在病灶附近且不易发生形变的位置上。一般布置3~4颗即可,如图3所示。
2.2 定位软件系统设计
定位软件系统包括标记注册部分,病灶摆位部分和治疗实时监控部分。标记注册部分:用于将红外相机坐标系与加速器治疗坐标系调整一致,将相机坐标系坐标原点置于加速器等中心,并使相机坐标轴与治疗坐标系一致[3],如图4所示。病灶摆位部分:实时显示病灶中心与加速器等中心位置偏差,用于在治疗时将病灶中心精确的定位于加速器的等中心上。治疗过程实时监控部分:用于在治疗时实时监控治疗过程,提供当前射野的床角,机架角,病灶中心偏差等治疗信息,并对严重错误提供告警。软件系统工作流程见图5所示。
2.3 基于外部标记点的配准方法
通过外部标记点实现空间配准,简单可靠,不会给患者带来创伤和痛苦,且精度很高,所以在导航系统中得到广泛的应用。治疗前在患者热塑体(面)膜表面固定若干标记小球,标记小球的球心能够在CT扫描成像中显示出来。
按照如下步骤进行基于外部标记点的配准[9]:(1)在图像数据中识别标记点;(2)通过空间定位系统标记外部对应比较点的空间位置;(3)通过最小二乘法计算配准矩阵M;(4)通过M计算每一点的误差,如果某点误差太大,重新标定该点;(5)重新计算变换矩阵,直到所有点的误差都在某一范围内。
配准矩阵M的计算过程。设标记点个数为k(k一般为3~5),在图像中的坐标为(xt,yt,zt),在外部空间中的坐标为(x′t,y′t,z′t),则计算空间变换矩阵M的过程如下:
设:
则对于空间中的每一点有:
利用最小二乘法求取M,根据得到的M,计算空间中每一点(x′t,y′t,z′t)通过M变换后在图像坐标系中的坐标(x″t,y″t,z″t),计算这个点与图像标定点(xt,yt,zt)之间的距离;如果距离大于指定值d,则表明该点在图像标定时误差较大,需重新标定;再次计算变换矩阵M,直到所有点的误差都在指定范围内,即可使用M作为跟踪定位时的变换矩阵,进而算出病灶位置偏差。
2.4 精度验证
在平板上固定一面膜或体膜,膜内固定一金属小球模拟病灶,膜上固定三个标记小球。对该装置进行CT扫描,按照图1所示流程完成精确摆位过程,如图6所示。此时在加速器零床角下,在0°机架角和90°机架角的状态下打开加速器光野,将小球投影至带有刻度的坐标纸上,读出金属小球的投影中心与等中心的投影偏差,计算出金属小球球心和等中心的横向、垂直和纵向偏差。
3 结果
按照我们采用的验证方法,对红外跟踪定位系统精度进行测试,得到了横向偏差不大于0.5 mm,垂直偏差不大于0.5mm,纵向偏差不大于1.0 mm的测试结果。同时,摆位速度也有很大提高。各实验测量误差数据如表1所示。
4 讨论
放疗医师和物理师都希望搞清楚CT定位的具体精度,因为这一精度最终关系到治疗靶区PTV的确定,然而,传统人工定位方式先天不足,分布在两个不同场景(CT室和加速器机房)的两套定向激光系统把自身存在的系统误差和定位人员的视觉误差不断复制和累积,产生较大的综合误差[6]。我们设计的放疗自动跟踪定位系统,针对定位中对机械光学系统和肉眼依赖过重的环节,以固有精度高且全数字化的系统取而代之,使得定位精度有了很大提高,并提供了对病灶中心的自动、实时监控能力。它的引入,实质上,是以计算机控制的光眼替代定位人员的肉眼,以可靠的基于外置空间点的配准算法取代了传统的激光线和标记线条。该系统反应速度快,安装于机房内的计算机终端可实时显示移床数据,同时可实时显示病灶中心位置,对超过某一阈值的病灶意外移动能够告警并自动终止治疗。显然,这种方案对于放疗定位精度的提高与放疗安全是有重大意义的。
但是,红外光学定位系统的引入并不是定位精度提高的终极方案。患者的躯体并非完全刚性。组织的挤压扭曲,器官的运动[6],都使得我们实质上并没有准确找到病灶中心的位置。我们的方案仍然基于一种假设,即,患者躯体是刚性的且体(面)膜与病灶的位置关系不变。这是一个普遍的问题,不是提高设备对外置标记物的跟踪精度所能够完美解决的。基于图像引导的放射治疗(IGRT)是一条出路[10],真正做到每时每刻看得见,并能够精确定位病灶,实现放疗定位精度的进一步提高,还有很多工作要做。
参考文献
[1]Baroni G,Ferrigno G,Orecchia R.Real-time three-dimensional motion analysis for patient positioning verification[J].Radiother Oncol,2000,54:21-27.
[2]Spadea M F,Baroni G,Riboldi M.Patient set-up verification by infrared optical localization and body surface sensing in breast ra-diation therapy[J].Radiother Oncol,2006,79:170-178.
[3]Tao S,Wu A,Wu Y.Patient Set-up in Radiotherapy with Video-based Positioning System[J].Clin Oncol,2006,18:363-366.
[4]姜立军,甘东兵,王国荣.基于双目视觉传感的计算机辅助骨外科手术导航模型[J].华南理工大学学报,2006,34(2):67-72.
[5]陶声祥,吴宜灿.基于视频的精确放疗摆位系统研究[J].原子核物理评论,2006,23(2):250-253.
[6]于龙珍,翟振宇,沈君姝.体部肿瘤精确放疗摆位误差分析[J].中国医学物理学杂志,2007,24(3):160-162.
[7]戴堂知,李慧.CT-Sim技术在乳腺癌放射治疗中的应用[J].肿瘤防治杂志,2004,11(11):1183-1185.
[8]王保胜,李定杰.三维激光定位系统在放疗摆位中的临床应用[J].中国误诊学杂志,2005,5(9):1675-1676.
[9]杨奎.计算机辅助手术导航系统的研究与开发[D].南京:东南大学,2005.
实时广域差分定位系统及精度分析 篇8
随着卫星导航技术的发展以及导航定位用户需求的发展, 高精度、实时性、低成本成为卫星导航用户需求的发展趋势。利用广播星历进行单点定位, 虽然能够满足实时性、低成本的需求, 但是无法实现高精度定位。而通过地面增强 (单站增强或组网增强) 的手段为用户提供高精度服务, 实现了高精度、实时性, 但是由于需要组建增强系统而不具备低成本的优势。本文利用IGS (国际GPS服务) 实时产品, 通过自研GPS接收机以及广域差分定位软件实现, 建立实时广域差分定位系统, 并对其性能进行测试实验。
2 系统组成与原理
实时广域差分定位系统主要由天线、GPS接收机、处理计算机 (含广域差分定位软件) 等设备组成组成, 并通过网络接入IGS产品。设备组成与连接关系如图1所示, 处理计算机上运行自己开发的实时广域差分定位软件, 软件运行界面如图2所示。
实时广域差分定位系统的基本原理为:GNSS接收机进行导航信号观测, 生成伪距观测值并解析导航电文, 并将观测值和导航电文实时传输给处理计算机;处理计算机运行的广域差分定位软件接收来自接收机上报的观测数据的同时, 通过网络实时获取得到IGS卫星轨道和钟差改正数;广域差分定位软件读取事先下载的电离层格网改正文件, 获取电离层改正信息;利用观测值、轨道钟差改正信息和电离层改正信息进行广域差分定位解算, 得到点位坐标。
3 实时改正数据产品
实时广域差分用到的IGS实时产品主要为轨道改正和钟差改正, 其播发格式为RTCM-SSR, 其中, 轨道和钟差改正数的电文类型为1060, 分为数据流标识和数据记录两部分[2]。
3.1 轨道改正
实时产品中轨道信息是对广播星历算出来的卫星轨道星固系下径向、切向和法向的修正值, 因此, 要将该项改正加入到广播星历中去, 再和IGS数据进行对比, 就需要将IGS星历数据和广播星历计算出的卫星轨道转化到星固系下的径向、切向和法向上去[3,4,5]。由卫星位置和速度计算出卫星轨道在径向、切向和法向的单位向量。
式中分别为卫星轨道在切向、法向和径向的单位向量;是卫星在地固系中的速度向量, 由后一秒的位置减去当前秒的位置得到;是卫星在地固系中的位置向量。
则可以实现由地固系转到星固系
式中, 是卫星在地固系中的位置向量;是卫星位置分别在切向、法向和径向上的投影量。
因此, 或者
3.2 钟差改正
实时钟差也是对广播星历算出的钟差的修正值。具体见下式[3,4]
4 系统精度分析
为了对实时广域差分定位系统的性能进行评估, 分别进行了多组动态定位与静态定位试验。试验采用GPS L1伪距观测值, 卫星轨道与钟差改正信息从IGS发布机构实时获取, 电离层格网事先从IGS网站下载。试验情况分别如下。
4.1 静态定位精度分析
实时广域差分定位系统的静态定位精度分析试验是将接收机天线安装在已知点位上, 设置接收机采样率为1Hz, 处理软件进行实时定位处理, 并将实时广域差分定位结果与已知点坐标进行比对分析, 评估系统的静态定位精度水平。试验数据与结果如图4到图6所示。
将广域差分定位结果与真实坐标进行对比, 并换算得到北东高三个方向的误差值序列, 经统计得到实时广域差分系统静态定位精度为:平面1.159m (RMS) , 高程2.862m (RMS) 。
4.2 动态定位精度分析
实时广域差分定位系统的动态定位精度分析试验中, 分别搭建广域差分定位系统和RTK平台, 其中, RTK平台的基准站安装在已知基准点上, RTK流动站和广域差分定位系统的接收机均安装在测试车上且采用同一天线进行功分, 基准站与流动站距离为2km~3km。接收机采样率均为1Hz, 由于RT K定位精度为厘米级, 可以作为广域差分定位结果的参考值, 将实时广域差分定位结果与RTK定位进行比对分析, 评估系统的动态定位精度水平。试验数据与结果如图7所示。
将广域差分定位结果与RTK定位结果进行对比, 以RTK定位结果为真值, 并换算得到北东高三个方向的误差值序列, 经统计得到实时广域差分系统动态定位精度为:平面1.665m (RMS) , 高程3.427m (R MS) 。
5 结束语
通过对实时广域差分定位系统的研制, 并分别对系统进行静态与动态测试实验, 结果表明:实时广域差分定位系统的定位精度可以达到水平优于2m, 垂直优于3m, 动态测试时垂直精度比静态测试稍差一点, 优于3.5m。此外, 相对于其他导航型以及高精度测量设备, 实时广域差分定位系统具有高精度、实时性、低成本、设备简单等特点, 随着我国北斗卫星定位系统的发展, 也将有更广泛的应用前景。
参考文献
[1]Ken MacLeod and Mark Caissy.Real time IGS pilot project (RT-PP) status report[R].IGS Workshop, Newcastle UK, June 28, 2010.
[2]时小飞, 高成发, 潘树国等.全球定位系统实时服务数据的精度分析[J]·导航定位学报, 2013 (4)
[3]楼益栋.导航卫星实时精密轨道与钟差确定[D].武汉:武汉大学, 2008
