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Über dieses Buch

Das Buch zeigt verschiedene Ansätze und Verfahren, um alternative Routen in Freiflächen zu berechnen, geospatiale Trajektorien zu vergleichen sowie Strukturen in Gebäuden zu identifizieren. Die Wegefindung in komplexen Umgebungen unterscheidet sich von der in Straßennetzen vor allem dadurch, dass sich eine Person nahezu in alle Richtungen bewegen kann. Das Vorhalten von alternativen Routen für Fußgänger (aber auch für mobile Roboter) in Flughäfen, Krankenhäusern, Messehallen, Parks, Industrieanlagen oder Lagerhallen ermöglicht beispielsweise eine personalisierte Navigation, sodass proaktiv Stau vermieden oder blockierten Bereichen ausgewichen wird.Im ersten Teil des Buches definiert der Autor alternative Routen in komplexen Umgebungen, stellt den Algorithmus zum Berechnen solcher Routen vor und geht auf Qualitätsmetriken sowie Alternativgraphen ein. Im zweiten Teil legt Sebastian Feld unter anderem ein System zum Vergleich von Routen vor, mit dem aus einer Menge von Routen die extremsten Exemplare extrahiert werden können. Schließlich integriert er im dritten Teil des Buches die quantitative Analyse der visuellen Wahrnehmung von Raum in den Kontext alternativer Routen. Damit bietet das Buch einen Werkzeugkasten, der von weiteren ortsbezogenen Anwendungen und Diensten verwendet werden kann.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung
Das vorliegende Buch befasst sich mit alternativen Routen in komplexen Umgebungen. Selbst ohne eine genauere Beschreibung des Begriffs „komplexe Umgebung“ scheinen „alternative Routen“ einen generellen Zweck zu besitzen: sie bieten die Möglichkeit zur Entscheidung. Bevor jedoch alternative Routen beziehungsweise Alternativen im Allgemeinen verwendet werden können, müssen verschiedene Fragen beantwortet werden. Die grundlegendste Frage ist zum einen, ab wann eine Möglichkeit nicht mehr äquivalent ist, sondern alternativ. Zum anderen stellt sich die Frage nach der qualitativen Vergleichbarkeit von Entscheidungsmöglichkeiten. In diesem Kapitel werden die Fragestellungen, die dieses Buch motivieren, vorgestellt und die Beiträge der entsprechenden Kapitel benannt. Anschließend werden die Vorveröffentlichungen, die diesem Buch zugrunde liegen, vorgestellt. Schließlich wird die Struktur des Buches beschrieben.
Sebastian Feld

2. Grundlagen der Navigation in komplexen Umgebungen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird zunächst der Begriff der ortsbezogenen Anwendungen und Dienste eingeführt, worunter die in diesem Buch behandelten alternativen Routen fallen. Es wird abgegrenzt, welche Bereiche solcher Dienste behandelt werden. Anschließend werden die alternativen Routen prosaisch definiert und durch Anwendungsfälle, in denen sie Verwendung finden können, motiviert. In dem vorliegenden Buch werden statt Straßennetze komplexe Umgebungen behandelt, welche zusammen mit ihren unterschiedlichen Kartendarstellungen erläutert werden. Es soll vermittelt werden, weshalb alternative Routen auch außerhalb von Straßennetzen verwendet werden können. Schließlich werden konkrete Anwendungsfälle für alternative Routen in komplexen Umgebungen vorgestellt, was die soeben aufgeführten Themenbereiche kombiniert.
Sebastian Feld

3. Berechnung alternativer Routen in Freiflächen

Zusammenfassung
Wie der Titel des vorliegenden Buches erkennen lässt, fokussiert es sich auf die Berechnung und Verarbeitung alternativer Routen, jedoch nicht wie weithin bekannt in Straßennetzen, sondern in komplexen Umgebungen, was frei begehbare Szenarien wie etwa Parks oder Flughäfen sein können. In diesem Kapitel wird zuerst eine formale Definition für alternative Routen in komplexen Umgebungen gegeben sowie eine effizient zu berechnende Annäherung dieser Definition. Anschließend werden Algorithmen vorgestellt, mit denen solche alternative Routen berechnet werden können. Zusammen stellen diese beiden Beiträge den Ausgangspunkt des vorliegenden Buches dar, da sie bei den folgenden Ideen und Verfahren oft zur Erstellung der Eingabedaten verwendet werden. Nach der Definition alternativer Routen in komplexen Umgebungen sowie der Beschreibung von Algorithmen zum Finden selbiger wird gezeigt, warum die Konzepte der weit fortgeschrittenen Literatur bezüglich alternativer Routen in Straßennetzen nicht uneingeschränkt in komplexen Umgebungen verwendet werden können. Zuerst wird der Stand der Technik bezüglich der Qualität von alternativen Routen und Alternativgraphen strukturiert aufgezeigt. Anschließend wird diskutiert, warum die besagten Maße nicht unverändert im Kontext komplexer Umgebungen verwendet werden können. Ziel dieser Diskussion ist eine Anregung der Entwicklung von Qualitätsmetriken im Umfeld komplexer Umgebungen.
Sebastian Feld

4. Vergleich geospatialer Trajektorien

Zusammenfassung
Im vorliegenden Kapitel werden Ansätze vorgestellt, mit denen geospatiale Trajektorien – zeitliche geordnete Punkte im Raum, wie etwa Pfade innerhalb eines Gebäudes – verglichen werden können. Grundsätzliches Ziel dieser Ansätze ist das Verringern einer potentiell hohen Anzahl von Routen, sodass eine möglichst kleine Menge möglichst unterschiedlicher Routen erhalten bleibt. Dazu wird ein Nebenprodukt der Berechnung alternativer Routen verwendet, um für eine gegebene Menge von Routen eine Rangfolge zu erstellen. Die Routen werden anhand einer Überlastungswahrscheinlichkeit bewertet, sodass je nach Anwendung potentiell stark oder niedrig frequentierte Pfade zurückgegeben werden. Anschließend wird die archetypische Analyse, ein sogenanntes „fuzzy“ Clusteringverfahren, dazu verwendet, eine gegebene Menge von Routen zu gruppieren und je Gruppe einen Repräsentanten auszuwählen. Hierdurch wird die Zahl der Routen ebenfalls stark verringert und es bleibt nur eine im Vorfeld definierte Anzahl an unterschiedlichen Routen über. Im Zuge dieser Betrachtung wurden nicht nur archetypische Routen definiert, sondern es wurde auch das Konzept der archetypischen Distanz entwickelt. Mittels dieses neuartigen Distanzmaßes können nicht nur bestehende Routen miteinander verglichen werden, sondern auch solche, die neu zu einem bestehenden Datensatz hinzukommen, ohne diese mit den bestehenden Routen explizit vergleichen zu müssen. Da Clusteringverfahren stets eine wie auch immer geartete Definition einer Ähnlichkeit beziehungsweise Distanz verwenden, wird im vorliegenden Kapitel mit der Einführung von archetypischen Routen und der archetypischen Distanz eine nichtbinäre Beschreibung von alternativen Routen vorgestellt.
Sebastian Feld

5. Identifizierung von Strukturen in Gebäuden

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird ein stärkerer Fokus auf die zu untersuchende Karte gelegt, also beispielsweise einen Gebäudeplan. Es werden Ansätze vorgestellt, bei denen der räumliche Eindruck für die Analyse von Routen und Karten mit einbezogen werden kann. Es findet somit entweder direkt oder indirekt eine Identifizierung von Strukturen in Gebäuden statt. Dazu wird das Konzept der diskreten Isovisten eingeführt, um eine Annäherung der lokalen Umgebung einer Route zu erhalten. Als Anwendung dieser Informationen sollen gegebene Routen durch ein Gebäude annotiert werden, beispielsweise an Stellen, an denen eine Tür passiert wird. Anschließend werden die Konzepte der zwei vorigen Kapitel mit der grundsätzlichen Idee dieses Kapitels kombiniert: Es werden archetypische alternative Routen unter der Verwendung von Isovisten-Messgrößen berechnet. Demnach entstehen alternative Routen, die sich nicht mehr auf ihre eigene Geometrie beziehen, sondern ausschließlich auf die durchlaufene lokale Umgebung. Schließlich werden Isovisten-Messgrößen mittels der archetypischen Analyse untersucht, jedoch nicht basierend auf Routen, sondern auf dem Gebäudeplan selbst. Es werden sogenannte archetypische Regionen ermittelt, welche zur Annotation von Umgebungsplänen verwendet werden können und eine Interpretation derselben ermöglichen.
Sebastian Feld

6. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung
Alternative Routen kommen nicht nur in Straßennetzen zur Anwendung, sondern auch in komplexen Umgebungen. Potentielle Anwender sind beispielsweise Besucher eines Flughafens mit unterschiedlich viel Zeit bis zum Boarding, Einsatzkräfte der Feuerwehr oder der Polizei, die blockierten Flächen ausweichen müssen, autonome mobile Roboter in Lagerhäusern, die Pakete sammeln und lagern, und Nicht-Spieler-Charaktere in Computerspielen, die auf sinnvolle und gleichzeitig unvorhersehbare Art und Weise agieren. Darüber hinaus kann ein Navigationssystem durch das Präsentieren von alternativen Routen Anwender dazu bringen, einen bereits stark frequentierten Bereich zu umgehen und Überfüllungen proaktiv zu vermeiden. Die beschriebenen Gedanken stellen die Ausgangslage des vorliegenden Buches dar. Sie behandeln Ansätze, die alternative Routen in komplexen Umgebungen definieren, berechnen, vergleichen und für weitere Analysen verwenden. In diesem Kapitel werden die Ergebnisse des vorliegenden Buches zusammengefasst und es wird ein Ausblick auf künftige Forschungsfragen gegeben.
Sebastian Feld
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