Große Verkehrsinfrastrukturen und Gebäudekomplexe unterliegen nicht nur einer potentieller Gefährdung z.B. durch Brandfälle, sondern auch kontinuierlichem Wartungsaufwand
der Brandschutzeinrichtungen. Vor Allem im Alarmfall sind umfangreiche Maßnahmen erforderlich: Feuermelder und Löschsysteme müssen schnellstmöglich kontrolliert werden, d.h. die Einsatzkräfte müssen den Zielort in kürzester Zeit erreichen. Doch oft erschweren veraltete Gebäudepläne in Papierform einen optimalen Einsatz. Auf der anderen Seite sind heutige Gebäudekarten als CAD-Bestandspläne verfügbar. Diese können zum Einsatz eines Indoor-Navigationssystems herangezogen werden.
Zur Navigation außerhalb von Gebäuden existieren bereits zahlreiche Anwendungen. Die Positionierung mit GPS ist ausgereift, und die Kartengrundlage ist durch das Straßennetz
eindeutig definiert. Die Ortung und Navigation innerhalb von Gebäuden wird jedoch erst erforscht. Aufbauend auf den Kenntnissen bisheriger Navigationssysteme wird in dieser
Arbeit ein Datenmodell für Indoor-Anwendungen entwickelt.
Als Grundlage für ein solches Gebäudenavigationssystem wird in dieser Arbeit ein prototypisches Werkzeug zur automatischen Generierung von Routingnetzen auf CAD-Daten vorgestellt. Hierzu werden offene Austauschformate auf ihre Eignung zur Repräsentation gebäudeinterner Verkehrswege hin untersucht. Außerdem werden mathematische Grundlagen zur Wegenetzberechnung zusammengestellt. In diesem Werkzeug kann ein mehrstöckiger Gebäudeplan eingeladen werden. Durch verschiedene geometrische Verfahren können Wegenetze aus dem Gebäudemodell automatisch generiert werden. Eine Exportfunktion ermöglicht deren Nutzung auf einer PDA- Endanwendung. Diese ermöglicht die direkte Kurzwegeberechnung und Anzeige der Route auf dem erzeugten Netzmodell.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit
2 Anwendungsfall und Anforderungsanalyse
2.1 Überblick über das Forschungsvorhaben
2.2 Problematik des Brandalarmablaufes
2.3 Lösungsansatz
3 Grundlagen
3.1 Navigation und Routing
3.1.1 Definition
3.1.2 Geschichte
3.1.3 Heutiger Kenntnisstand
3.2 Einführung in Indoor-Navigation
3.2.1 Positionierung
3.2.2 Routing
3.2.3 Guidance
3.3 Graphentheorie
3.3.1 Einleitung
3.3.2 Definitionen
3.3.3 Beispiel
3.3.4 Speicherung von Graphen im Computer
3.4 Routingalgorithmen
3.4.1 Kürzeste Wege in Graphen
3.4.2 Algorithmus von Dijkstra
3.4.3 A*-Algorithmus
3.4.4 Bidirektionale Verfahren
3.4.5 Routenberechnung im Straßenverkehr
3.5 Zusammenfassung
4 Untersuchung von Gebäudedaten für Routinganwendungen
4.1 Datenaustauschformate für Gebäude
4.1.1 Anforderungen
4.1.2 Datenaustausch im Bauplanungsprozess
4.1.3 Proprietäre Dateiformate
4.1.4 Offene CAD-Dateiformate
4.1.5 XML-Formate
4.2 Vergleich der offenen Austauschformate
5 Indoor-Routing
5.1 Eigenschaften von Wegen
5.2 Definition der Wegekosten
5.3 Berechnung von Weglängen in Polygonen
5.4 Der Vorgang eines Routings
5.5 Graphenmodell
5.6 Modellierung mehrerer Stockwerke
5.7 Wahl des Routingalgorithmus
6 Verfahren der Routingnetzgenerierung
6.1 Manuelle Methoden
6.1.1 Wegpunktenetz
6.1.2 Polygonbasierte Umgebungen
6.2 Automatisierte Methoden
6.2.1 Raummittelpunkte und Türen
6.2.2 Gleichmäßige Rasterung
6.2.3 Quadtrees
6.2.4 Delaunay-Triangulierung und Voronoi-Diagramm
6.2.5 Skelettierung
6.3 Gegenüberstellung der Verfahren
6.3.1 Fazit
7 Entwicklung eines Werkzeugs zur Routingnetzherstellung
7.1 Fachliches Modell
7.1.1 Anwendungsfall
7.1.2 Funktionalitäten
7.1.3 Klassen
7.2 Datenschicht
7.2.1 Das Importformat: gbXML
7.2.2 Das Exportformat: AGF
7.3 Wahl der Programmiersprache
7.4 Verwendete Bibliotheken
7.4.1 .net Framework
7.4.2 CGAL
7.5 Beschreibung der Methoden (Ausschnitt)
7.5.1 Erzeugung eines rasterbasierten Wegenetzes
7.5.2 Erzeugung eines Straight Skeletons
8 Anwendungsbeispiel
8.1 Automatische Generierung eines Wegenetzes
8.2 Durchführung von Routings auf einer Endanwendung
8.3 Ergebnisse
9 Fazit
9.1 Zusammenfassung
9.2 Ausblick
Zielsetzung und Themen
Ziel der Arbeit ist die Untersuchung und Entwicklung von Methoden zur automatisierten Generierung von Wegenetzen innerhalb von Gebäuden auf Basis bestehender CAD-Gebäudedaten, um diese für Indoor-Navigationsanwendungen, insbesondere für Einsatzkräfte, nutzbar zu machen.
- Automatisierte Konvertierung von CAD-Gebäudeplänen in räumliche Datenmodelle für Indoor-Navigation.
- Analyse und Vergleich verschiedener Dateiformate hinsichtlich ihrer Eignung für Routingzwecke.
- Entwicklung eines Software-Prototyps zur Generierung von Graphenstrukturen für Gebäudeumgebungen.
- Anwendung und Test des entwickelten Routing-Tools in einem repräsentativen Gebäudebeispiel.
Auszug aus dem Buch
3.1.1 Definition
Unter Navigation (von lat. navigare: "Führen eines Schiffes") versteht man "die mit einer Standortbestimmung und Streckenauswahl verbundene Bewegung im Raum, insbesondere die Führung von Fahrzeugen auf dem Land, zu Wasser oder in der Luft." [Bollmann und Koch 2002]. Sie ist eine der ältesten Wissenschaften der Menschheit und besteht im Grundsatz aus drei Teilbereichen:
1. Bestimmung der geographischen Position eines Individuums in unbekannter Umgebung durch verschiedene Methoden (positioning, locating).
2. Berechnung des optimalen Weges vom aktuellen Standpunkt zu einem gewünschten Ziel oder Zielgebiet (routing).
3. Führung des Individuums zum Ziel und Halten des optimalen Kurses (guidance).
Zu allen drei Bereichen wurden im Laufe der Geschichte unzählige Methoden, Geräte und Technologien entwickelt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Motivation für moderne Indoor-Navigationssysteme und die Zielsetzung der Arbeit.
2 Anwendungsfall und Anforderungsanalyse: Analysiert die Problematik der Brandalarmierung und definiert Anforderungen für ein Navigationssystem.
3 Grundlagen: Vermittelt theoretische Kenntnisse zu Navigation, Graphentheorie und Routingalgorithmen.
4 Untersuchung von Gebäudedaten für Routinganwendungen: Vergleicht verschiedene Dateiformate im Hinblick auf ihre Tauglichkeit für Routing-Netzwerke.
5 Indoor-Routing: Behandelt die mathematischen und geometrischen Anforderungen an Wegerechnungen in Gebäuden.
6 Verfahren der Routingnetzgenerierung: Diskutiert und vergleicht manuelle und automatisierte Methoden zur Erzeugung von Wegenetzen.
7 Entwicklung eines Werkzeugs zur Routingnetzherstellung: Beschreibt das fachliche Modell, die Implementierung und verwendete Technologien.
8 Anwendungsbeispiel: Demonstriert die praktische Anwendung des generierten Routing-Modells am Beispiel eines Gebäudes.
9 Fazit: Fasst die Ergebnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.
Schlüsselwörter
Indoor-Navigation, Gebäudemodell, Routing, Graphentheorie, CAD, gbXML, Wegnetz, Brandalarm, Gebäudeplanung, Wegesuche, räumliche Daten, AGF, Straight Skeleton, A*-Algorithmus, Dijkstra-Algorithmus
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es grundsätzlich in dieser Arbeit?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Systems zur automatischen Generierung von Wegenetzen in Gebäuden, um Einsatzkräften eine schnelle und präzise Orientierung in Notfällen zu ermöglichen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit verknüpft Gebäudeplanung (CAD/BIM), Graphentheorie, Algorithmen für die Wegesuche und spezifische Anforderungen der Indoor-Navigation.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Erstellung eines Software-Werkzeugs, das aus vorhandenen CAD-Daten von Gebäuden automatisch ein für mobile Endgeräte nutzbares Navigationsmodell generiert.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden Methoden der Graphentheorie, mathematische Verfahren zur Wegberechnung (z.B. Dijkstra, A*) sowie geometrische Algorithmen (z.B. Straight Skeleton) zur Skelettierung von Raumgeometrien verwendet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst eine detaillierte Analyse geeigneter Dateiformate, die mathematische Modellierung von Wegen in Innenräumen und die technische Umsetzung in einem Software-Prototyp.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Indoor-Navigation, Routing, Graphenmodellierung, CAD-Datenaustausch und Gebäudeinformationsmodelle charakterisieren.
Wie unterscheidet sich die Indoor- von der Outdoor-Navigation?
Im Gegensatz zur Outdoor-Navigation mit GPS fehlen im Gebäude standardisierte Netze und Karten, weshalb diese erst aus komplexen Gebäudestrukturen wie Räumen, Türen und Treppen mathematisch abgeleitet werden müssen.
Welche Rolle spielt das gbXML-Format in diesem Projekt?
Das gbXML-Format dient als Importformat, aus dem die notwendigen geometrischen Informationen (Räume, Wände) extrahiert werden, um daraus den für das Routing notwendigen Graphen zu generieren.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. Clemens Portenlänger (Autor:in), 2008, Entwurf und Entwicklung eines Werkzeugs zur automatischen Generierung von Routingnetzen aus Gebäudemodellen, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/286706
