面向视残障人士的导航定位终端的研究与设计

樊文锋，郑洪友，王 怀

(1.国家测绘局卫星测绘应用中心，北京100830;2.北京仕邦工程监理有限责任公司，北京100076)

面向视残障人士的导航定位终端的研究与设计

樊文锋1，郑洪友2，王 怀1

(1.国家测绘局卫星测绘应用中心，北京100830;2.北京仕邦工程监理有限责任公司，北京100076)

在对国内外面向视残障人士的无障碍导航服务产品现状和视残障人士出行方式进行调查、分析和研究的基础上，结合全球定位系统技术和语音合成技术，借助商用移动终端硬件平台设计并开发了自主产权的ZmapMobile嵌入式GIS引擎和供视残障人士使用的导航定位终端系统，并通过示范应用进行了改进和完善。示范应用表明，该研究与设计能够满足视残障人士自助出行时对准确定位和了解公共交通信息的需求。

视残障自助出行;GPS;嵌入式GIS

一、引 言

嵌入式GIS(或称“移动GIS”)，是新一代地理信息系统发展的代表方向之一，它是运行在嵌入式计算机系统上的GIS软件系统。嵌入式GIS系统结构紧凑、精炼，它把图形数据及其属性数据、地图数据、符号库、线型库整合到一个文件中，进行一体化管理，文件紧凑、逻辑结构清晰，适合在资源紧缺的嵌入式设备上使用［2］。个人汽车导航和PDA(或手机)定位服务(LBS)的发展更是使嵌入式GIS深入到人们的日常生活中。

本文根据面向视残障人士自助出行的特点和需求，研究开发了快速路径计算和准确查询道路周边地物、公交车站、人行横道等常用POI信息的嵌入式导航GIS算法。选用轻便、经济的移动计算机终端平台进行设计和开发，集成为适合于视残障人士使用的便携导航定位终端，并通过示范应用证实了这一研究与设计的实用性。

二、调查分析

1.国内外面向视残障人士的导航信息

无障碍产品研究和开发现状

同济大学等单位开发出专供视残障人士使用的计算机，并设计了10多种配套软件，让视力障碍者使用计算机进行书写、上网。清华大学也已研发了清华点显器，如A4纸大小，可通过一根USB电缆与电脑连接，价格较低，比较适合国内盲人使用。2007年博朗盲人听书机问世，它基于安徽科大讯飞语音技术，实现了盲人用“耳”读书。香港盲人辅导会与权智(国际)有限公司共同研发了“iReader电子眼”，使用时只要将电子眼接驳到数码相机，再利用相机拍下照片，文字便会转化成声音，让视障人士轻松阅读。电子眼已经在香港盲人辅导会“讯息无障碍中心”供会员免费使用，尚未推向市场。另外，中日两国科学家经过多年研制，利用捷尔达GLD特殊编码(又称“盲文图形码”)技术开发出高新技术产品GLD-1型捷尔达盲人自动信息提示语音笔。

在德国，一种盲用定位信息系统已经投入使用，它可以通过声音来帮助盲人定位，减少过马路的危险性。该系统由手持控制器和无线电基站组成，无线电基站可以放置在交通信号灯、建筑物上以及任何需要指导盲人出行的位置。此外，德国科学家新近开发出内置微型电脑的高清晰照相机，它可以把拍摄到的讯息读给盲人听，相机可通过最小的运动产生多幅图像，再利用电脑软件把不同的图像拼成一个完整画面。盲人戴上装有这种照相机的特殊眼镜，看到的文字讯息可以被转化为特定的语音讯息。目前，这项技术仍在试验之中。

美国研制出一种背负式GPS接收器，它与微型光盘只读存储器(形状如迷你激光唱机)相连，就成了为盲人服务的“会说话的地图”。

1.5 统计学分析 使用SPSS 18.0 统计学软件分析数据，计量资料以均数±标准差表示，用t/F检验，计数资料以百分率(%)表示，采用χ2检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

英国诺丁汉大学的PAL系统由 PIII便携式PC、GPS接收器、RDS广播数据接收器和电子罗盘组成，综合GPS、RDS和罗盘的数据，通过语音指示盲人行进。目前该产品试验效果较好，但产品体积较大、终端价格比较昂贵，难于推广。

芬兰技术研究中心(VTT)的Noppa系统将手机、互联网、全球定位系统以及语音技术整合在一起，形成一套完整的系统。盲人能根据手机的语音提示，自如地在街上行走，并安全地使用公交系统。与PAL系统相比，Noppa增加了语音交互功能和互联网功能，使得系统功能大大加强，但产品更加昂贵，终端成本高达数千美元。

调查表明，面向视残障人士的无障碍导航产品和服务大多采用GPS、GSM、雷达探测等专业技术，操作比较复杂，需要一定的专业知识，对视残障人士的文化程度和出行方式考虑不多，价格昂贵，实用性有待改进。

2.视残障人士出行方式调查

为提高视残障人士导航定位终端设计、开发的针对性和实用性，笔者所在课题组选择北京市残疾人活动中心、西城区社区中心和城市主要街道先后开展三次问卷调查。从盲人朋友出行习惯、出行方式、出行辅助设备功能、导航信息服务认知、无障碍辅助手段需求，到残障人士对GPS的了解程度，对GPS的需求程度，再到视残障人士外出次数与引领方式、对盲道的利用情况、经常去的地方、最常采用的交通方式，以及对产品形状、体积的要求及期望的充电供电方式、携带方式、操作形式、是否采用语音播报、是否需要耳机、产品开关方式等多个角度进行了认真调查、统计和分析。

调查结果统计分析显示：在众多影响盲人生活的事物中，出行问题是最大的问题。视残障人士的出行在路线选择、交通工具选择上有很大的困难，甚至在没有别人帮助的情况下很难到达一个陌生的、没有去过的目的地。调查者中，出行购物的人只有3%，并且要在有人陪同的情况下。有超过85%的盲人很少使用盲道，普遍反映盲道不好用，因为电话亭、电线杆、报刊亭、行人、车辆占用盲道是普遍存在的问题。有37.2%的被调查者可借助盲杖串门散步，一般只局限在半径300 m以内。究其根本原因是盲人无法判断当前处在什么地方。由此看出，定位查询和能够随时知道自己所处的位置是视力残疾者走出家门、接受教育和实现就业、融入社会生活的基本前提。在具体出行的时候，盲人不能完全依赖定位设备，仍旧需要借助盲杖等工具。能够准确告知当前位置、周围事物、如何换乘公交车，以及提供必要的报警求助功能，这都是盲人导航上的实用需求。

三、导航定位终端的设计与开发

1.功能设计

根据调查结果，综合分析残障人的出行模式和实际需求，同时为满足未来不同消费群体的需要，对视残障人士用手持定位终端系统在功能上进行了产品系列化设计(如表1所示)。

表1 手持定位终端产品功能设计

2.导航定位终端系统体系结构设计

导航定位终端系统的总体结构设计如下(如图1所示)：

开发中选择多普达P800作为终端硬件开发平台，软件选择微软dotNet平台和Microsoft eMbedded Visual C++4.0和PocketPC 2003 SDK。针对嵌入式设备的特点，本研究结合GIS应用程序的需求将GIS平台重新设计，开发并形成了自主嵌入式GIS引擎ZmapMobile。

图1 导航定位终端系统总体结构图

ZmapMobile的数据结构为移动式(嵌入式)设备量身定做，结构紧凑、精炼，更适合在资源紧缺的移动式(嵌入式)设备上使用。其组件文件结构如表2所示。

表2 ZmapMobile引擎的文件结构

表2中，空间数据和属性数据的分开存储使逻辑结构更加清晰，有助于优化空间数据索引，提高查询和空间计算效率。风格文件的单独存储，则可以方便、灵活地实现风格改变。

导航定位终端系统功能模块设计为以下几个部分：

1)POI信息查询与路径计算模块;

2)GPS信号接收及数据解析，包括GPS串口的读取和GPS NEMA0183语句的解析;

3)语音引导模块，包括文本读取、语音合成、TTS的实现等;

4)GSM短信功能的实现;

5)紧急求助模块;

6)系统设置维护模块，解决由于操作不慎改变了系统设置，或终端不能正常工作时，通过“一键恢复”恢复至系统初始设置。

四、示范应用

按手持定位终端原理开发的样机在集成测试工作完成后，课题组先后请专业人士、残奥会盲人门球队员以及参与问卷调查的部分盲人朋友试用样机，通过试用对定位功能和语音功能进行完善。试用人员反映，手持定位终端的定位和公交查询功能很实用，功能菜单采用语音播报这种无障碍设计方法可以有效解决无视力或低视力情况下终端功能的选择和使用。报警求助的功能是必须的，遇险时及时、准确地告知自己的亲人，借助通话和定位功能得到帮助和导引，摆脱险境，使得盲人朋友出行时更加放心和自信。希望通话功能和收音机功能作为基本配置功能在终端上提供，另外由于嘈杂的外界环境干扰，使用中终端语音播报的音量要再大一些。

五、结束语

面向视残障人士导航定位终端系统的研究与设计以无障碍化服务理念为指导，采用调查、研究、创新、集成与示范应用相结合的方法，研究开发了移动终端平台上的嵌入式GIS搜索引擎，设计并开发集成了面向视残障人士使用的导航定位终端系统，通过示范应用对导航定位终端进行了改进和完善，并验证了这一研究和设计成果，能够帮助视残障人士解决出行中随时知道所在位置和公共交通路线选择这两个关键问题，是出行和生活上的好帮手。另外，通过本研究，对视残障人士出行中的关键问题、出行方式选择、自助出行信息化服务中的技术难点等在广度和深度上都有了更为深刻的认识，为今后视残障导航定位终端的实用化完善和推广奠定了基础。

［1］ 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法［M］.北京：科学出版社，2003.

［2］ 戚正伟.嵌入式GIS开发及应用(21世纪高等学校嵌入式系统专业规划教材)［M］.北京：清华大学出版社，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

樊文锋(1970—)，男，河北枣强人，硕士，工程师，主要研究方向为航空与航天摄影测量、遥感、地理信息系统应用开发等。