Los sistemas de gestión de bases de datos de mapas son programas de software diseñados para almacenar y recuperar información espacial para aplicaciones de navegación y, por lo tanto, son una forma de sistema de información geográfica . Se utilizan ampliamente en localización y navegación, especialmente en aplicaciones automotrices. Además, desempeñan un papel cada vez más importante en las áreas emergentes de servicios basados en la ubicación , funciones de seguridad activa y sistemas avanzados de asistencia al conductor . Estas funciones tienen en común el requisito de una base de datos de mapas a bordo que contenga información que describa la red de carreteras.
Cuando está bien diseñada, una base de datos de mapas permite la indexación y búsqueda rápida de una gran cantidad de datos geográficos.
Los mapas se almacenan como gráficos o matrices bidimensionales de objetos con atributos de ubicación y categoría, donde algunas categorías comunes incluyen parques, carreteras, ciudades y similares.
Una base de datos de mapas representa una red de carreteras junto con las características asociadas. Los proveedores de mapas pueden elegir varios modelos de una red de carreteras como base para formular una base de datos. Comúnmente, un modelo de este tipo comprende elementos básicos (nodos, enlaces y áreas) de la red de carreteras y propiedades de esos elementos (coordenadas de ubicación, forma, direcciones, clase de carretera, rango de velocidad, etc.). Los elementos básicos se denominan características y las propiedades, atributos. También se incluye otra información asociada con la red de carreteras, incluidos puntos de interés, formas de edificios y límites políticos. Esto se muestra esquemáticamente en la imagen adyacente. Los archivos de datos geográficos (GDF) [1] son una descripción estandarizada de dicho modelo.
Cada nodo dentro de un gráfico de mapa representa una ubicación de punto de la superficie de la Tierra y está representado por un par de coordenadas de longitud (lon) y latitud (lat). Cada enlace representa un tramo de carretera entre dos nodos y está representado por un segmento de línea (que corresponde a una sección recta de carretera) o una curva que tiene una forma que generalmente se describe por puntos intermedios (llamados puntos de forma) a lo largo del enlace. Sin embargo, las curvas también pueden representarse por una combinación de centroide (punto o nodo), con un radio y coordenadas polares para definir los límites de la curva. Los puntos de forma se representan por coordenadas lon-lat al igual que los nodos, pero los puntos de forma no sirven para conectar enlaces, como lo hacen los nodos. Las áreas son formas bidimensionales que representan cosas como parques, ciudades, bloques y se definen por sus límites. Estos generalmente están formados por un polígono cerrado , que son formas que indican que un objeto sobre un mapa tiene que tener un límite cercano, lo que significa que el primer vértice debe ser el mismo que el último vértice. (Por ejemplo, para trazar un objeto cuadrado en un mapa, los vértices del polígono se numeran 1, 2, 3, 4, 1, en este orden)
Otro punto para la validación de datos es el punto en el polígono , que ayuda a encontrar puntos que se encuentran fuera de un polígono. Por ejemplo, para unas coordenadas de longitud y latitud particulares en una ciudad, si el punto interseca el polígono en un número impar, entonces está dentro del polígono y es un punto válido; de lo contrario, está fuera del polígono y no es válido.
Los proveedores de mapas generalmente recopilan, agregan y suministran datos en un formato de archivo bien definido y documentado que está específicamente destinado al intercambio de información, por ejemplo, Navteq utiliza el formato de intercambio estándar (SIF) [2] y GDF , mientras que Tele Atlas utiliza una forma propietaria de GDF. [3] Por lo general, está en formato de texto simple ( ASCII ) que consta de campos que las distintas partes que lo manejarán pueden analizar e interpretar fácilmente. El formato portátil permite que las adiciones, eliminaciones y modificaciones se realicen fácilmente mediante programas de edición de texto simples.
Se utiliza una pequeña cantidad de tipos de registros para representar los distintos tipos de datos. Cada tipo de registro consta de una secuencia de campos, que pueden tener una longitud fija o estar delimitados por un carácter de puntuación, como una coma. Por ejemplo, una entidad de enlace podría representarse mediante un registro de la forma:
donde type1 define esto como un tipo de registro de enlace y label sirve como un identificador para distinguir este enlace de todos los demás. Los campos z1 y z2 determinan la separación vertical de este enlace de otros que comparten los nodos correspondientes node1 y node2 . Por lo tanto, un paso elevado a un enlace, por ejemplo, se puede representar como no conectado a ese enlace. Otros tipos de registro se utilizan para representar información de dirección, puntos de forma para un enlace, ciudades y estados, puntos de interés (POI), etc.
El formato de intercambio de una base de datos de mapas no está bien organizado para que lo utilice una unidad de navegación durante el tiempo de ejecución. Los registros están en un orden arbitrario y, por lo tanto, es difícil buscarlos, y los datos, como los nombres de las calles y los valores de las coordenadas, se repiten de un registro a otro. En consecuencia, el contenido de la base de datos se reorganiza en un formato binario más adecuado para la operación en tiempo de ejecución.
Los formatos de tiempo de ejecución suelen ser propietarios, lo que impide la interoperabilidad de mapas entre diferentes sistemas de navegación. Sin embargo, una nueva iniciativa llamada Navigation Data Standard (NDS) es una agrupación industrial de fabricantes de automóviles, proveedores de sistemas de navegación y proveedores de datos de mapas cuyo objetivo es la estandarización del formato de datos utilizado en los sistemas de navegación de automóviles. [4] Las empresas involucradas incluyen TomTom , BMW , Volkswagen , Daimler , Renault , ADIT, Alpine Electronics , Navigon , Bosch , DENSO , Mitsubishi , Harman Becker, Panasonic , PTV, Continental AG , Navteq y Zenrin .
La base de datos es reorganizada por un proveedor de navegación [5] [6] [7] a través de un proceso de compilación que incluye al menos los siguientes cinco pasos:
La comprobación de la coherencia del paso 1 suele ser un proceso muy interactivo e iterativo que puede tardar semanas en completarse. Durante este tiempo, es necesario detectar, investigar y resolver las discrepancias.
En el paso 2, los identificadores se asignan generalmente de forma secuencial a medida que se encuentran entidades de cada tipo. Cualquier cambio que se realice en la base de datos de entrada de una versión a otra afectará la asignación de identificadores a todas las entidades. En consecuencia, hay pocas expectativas de continuidad en la asignación entre versiones.
En el paso 3, cada índice aplicado permite realizar búsquedas rápidas en la base de datos de una manera específica. Un conjunto de índices aplicado a los enlaces se puede ordenar por orden alfabético de los nombres de las calles de los enlaces. Otro conjunto de índices aplicado a los enlaces se puede ordenar según los nodos a los que están conectados para facilitar la planificación de rutas. Otro conjunto de índices aplicado a los nodos se puede ordenar según su orden de aparición a lo largo de una carretera. En algunos de estos casos se puede realizar una búsqueda binaria en lugar de una búsqueda exhaustiva y, en algunos casos, un proceso de búsqueda se puede reemplazar por una simple búsqueda en una tabla.
Para la mayoría de las funciones de navegación es importante tener en el vehículo una base de datos de mapas actualizada, y para algunas funciones es fundamental, especialmente las relacionadas con la seguridad activa. Una estrategia habitual es transferir información actualizada al vehículo siempre que esté disponible a través de un canal inalámbrico. El canal inalámbrico puede ser bidireccional, como Wi-Fi y teléfono celular, de transmisión , como radio satelital, subportadora FM o transmisión de datos ATSC , o una combinación de ambos. En cualquier caso, sería poco práctico o extremadamente ineficiente transmitir toda la nueva base de datos para reemplazar una versión existente, ya que es probable que tenga un tamaño de varios gigabytes.
En lugar de ello, es deseable transferir sólo la información relacionada con los cambios realizados en la base de datos existente. Una dificultad importante es que cualquier cambio realizado en el contenido de una base de datos de mapas generalmente provoca cambios en todos los identificadores de entidad asignados y en todos los índices asignados durante el proceso de compilación. Estos nuevos identificadores e índices permean toda la base de datos compilada, de modo que cualquier conjunto de incrementos probablemente constituirá la mayor parte de la base de datos. Para superar esta dificultad, se han adoptado tres enfoques, que son brevemente 1) compilador integrado 2) almacenamiento de búsqueda lateral 3) mosaicos geográficos.
En este caso, los cambios básicos realizados en el formato de intercambio de la base de datos se transmiten al vehículo. Dichos cambios se representan en forma transaccional, que consiste en adiciones , eliminaciones y reemplazos . Estos cambios se aplican a la base de datos de a bordo existente en formato de intercambio. El formato de intercambio para la base de datos de a bordo se puede almacenar por separado o generar según sea necesario "descompilando" el formato de tiempo de ejecución. A continuación, se compila la base de datos combinada, lo que implica asignar identificadores y aplicar índices.
Es probable que esta compilación integrada requiera un uso intensivo de recursos computacionales y una cantidad considerable de memoria. Sin embargo, no necesita ser interactiva e iterativa como la compilación externa, ya que las comprobaciones de coherencia y la resolución ya se habrán realizado. Además, la compilación integrada se puede realizar en segundo plano, por lo que el tiempo de cálculo no es crítico.
En este caso, los cambios básicos también se transmiten al vehículo, pero se colocan en una ubicación de memoria separada llamada almacenamiento de datos de consulta . Los cambios también se representan en forma transaccional , pero pueden aparecer en cualquier formato conveniente, que no necesariamente sea de intercambio o de tiempo de ejecución. Durante el funcionamiento de la unidad de navegación, se realiza una búsqueda en el almacenamiento de datos de consulta cada vez que se accede a la base de datos principal. A continuación, se aplican todas las transacciones (cambios) que pertenecen a los datos a los que se ha accedido.
La necesidad de examinar el almacén de datos y aplicar cambios para cada acceso a la base de datos, por supuesto, complica los algoritmos de navegación y alarga su tiempo de cálculo. Sin embargo, esto evita la necesidad de un compilador integrado.
En este enfoque, la base de datos del mapa se divide en regiones rectangulares relativamente pequeñas (mosaicos) que forman un mosaico en el mapa. El tamaño de los mosaicos es del orden de 1 km por lado. Estos mosaicos se compilan por separado, de modo que todos los identificadores e índices están condicionados por el mosaico en particular al que se aplican. Los mosaicos que han cambiado debido a cambios básicos en la entidad o atributo de la base de datos se transmiten al vehículo, donde reemplazan al mosaico existente correspondiente.
Reemplazar los mosaicos es considerablemente más simple que la compilación integrada o el uso de un almacén de búsqueda lateral. Sin embargo, puede que no sea eficiente para la transmisión. Un cambio local en las entidades y los atributos, independientemente de su extensión, requiere la transmisión de todo el mosaico que lo contiene. Además, existen efectos de borde en los que un cambio en una entidad dentro de un mosaico afecta a las entidades de los mosaicos vecinos. Es muy posible que una pequeña cantidad de cambios de entidad requiera la transmisión de casi todos los mosaicos, lo que anula el propósito de las actualizaciones incrementales. Estos problemas se pueden solucionar seleccionando el tamaño del mosaico y la frecuencia de actualización.
Varias funciones de navegación, que incluyen seguridad activa, asistencia al conductor y servicios basados en la ubicación, requieren datos que no se consideran parte de una base de datos cartográfica y que probablemente sean suministrados por un proveedor distinto del proveedor de mapas. Dichos datos deben ser referenciados de forma cruzada con las entidades y atributos de la base de datos principal. Sin embargo, dado que los datos auxiliares no se compilan necesariamente con la base de datos principal, se necesitan otros medios para establecer referencias cruzadas, lo que se conoce como adjuntar los datos auxiliares. Dos enfoques comunes son las tablas de referencias específicas de la función y las referencias genéricas.
Las tablas de referencia específicas de funciones proporcionan un medio para adjuntar datos específicos de funciones a una base de datos de mapas producida por cualquier proveedor participante. Dicha tabla se produce de forma colaborativa para respaldar una función específica o una clase de funciones que impliquen un servicio basado en la ubicación, seguridad activa o asistencia avanzada al conductor. Generalmente constará de una lista de elementos de mapas de un tipo específico (por ejemplo, enlaces, intersecciones, ubicaciones de puntos de interés, etc.) junto con atributos de identificación (por ejemplo, nombres de calles, coordenadas de longitud/latitud, etc.). Además, a cada entrada de la tabla se le asigna un identificador único. El conjunto de entradas de una tabla se selecciona generalmente mediante el consenso de todas las partes interesadas. Como cuestión práctica, el resultado representará un pequeño subconjunto de los elementos del tipo dado que están disponibles en las bases de datos de mapas y constará de aquellos que son más importantes para el área de aplicación. Después de que se formula una tabla, es tarea de cada proveedor participante determinar y hacer referencias cruzadas de los elementos en su base de datos de mapas que corresponden a las entradas de la tabla.
Un ejemplo ampliamente utilizado es el estándar TMC para tablas de códigos de ubicación para hacer referencia a datos de tráfico. TMC, que significa Traffic Message Channel (Canal de mensajes de tráfico ), [8] es parte del Sistema de datos de radio (RDS), que se implementa como una modulación de subportadora de una señal de transmisión FM comercial. Las tablas TMC proporcionan principalmente referencias a ubicaciones de puntos a lo largo de las carreteras principales que corresponden a intersecciones con otras carreteras. Una entrada de tabla identifica una ubicación de punto utilizando tanto información contextual (como región, carretera y sección de carretera, nombre de la intersección) como coordenadas aproximadas de longitud/latitud.
Los identificadores asignados a las entradas de una tabla son números enteros de 16 bits y, por lo tanto, tienen un rango de 65536 valores. Esto es demasiado poco para cubrir el mundo, por lo que se formulan tablas separadas para cada país o región de un país. Para una región metropolitana determinada, solo se incluyen las intersecciones a lo largo de autopistas, arterias y algunas carreteras principales. Esto se ilustra en la siguiente figura para el área metropolitana de Detroit. La cobertura está destinada a proporcionar información de asesoramiento de tráfico en carreteras de alto uso. La planificación de rutas basada en el tráfico, por otro lado, requiere la cobertura de todas o casi todas las carreteras principales y, por lo tanto, no está adecuadamente respaldada por las tablas de códigos de ubicación de TMC tal como están formuladas actualmente.
La referencia genérica es un intento de adjuntar datos a cualquier base de datos de mapas mediante el descubrimiento de información de referencia a través de una forma de correspondencia de mapas. Los elementos de datos específicos de la función se asignan a elementos, como puntos, enlaces o áreas, que probablemente solo se aproximan a los elementos de mapa correspondientes en una base de datos de mapas específica. Se realiza una búsqueda en la base de datos de mapas para encontrar el mejor ajuste. Para mejorar el proceso de búsqueda, se añaden elementos vecinos estratégicamente a cada elemento dado para ayudar a garantizar que se encuentre la solución correcta en cada caso. Por ejemplo, si el elemento del mapa es un enlace que conecta dos intersecciones, se podría añadir una o ambas calles transversales para la búsqueda. Con suerte, esto hace que sea poco probable que se produzca una coincidencia incorrecta. Aunque el procedimiento es bastante heurístico, un estándar propuesto llamado Agora describe la estrategia para elegir elementos vecinos para añadir.
Un consorcio europeo llamado ActMAP (Actualize Map) [9] está (en sus palabras) "desarrollando mecanismos estandarizados para actualizar el contenido de la base de datos de mapas existente y permitir la incorporación dinámica de información al mapa digital del vehículo". El consorcio ActMAP está formado por ERTICO (coordinador), BMW, CRF Fiat Research Centre, DaimlerChrysler, Navigon, Navteq, Tele Atlas y Siemens VDO Automotive. Han finalizado la mayor parte de su trabajo y han publicado una serie de informes, que se presentaron al comité ISO TC204 WG3 para su estandarización. Sus informes sirven como un buen punto de partida y referencia para el trabajo de este proyecto. Un problema importante que abordan sus informes es la complejidad de múltiples proveedores de mapas, que utilizan formatos propietarios, junto con múltiples proveedores de datos y múltiples versiones de mapas del vehículo. Lo resuelven utilizando un formato de mapa intermedio abierto expresado con XML y basado en los conceptos de la norma ISO GDF 4.0. Todas las modificaciones de la base de datos de un proveedor se convierten primero a este formato intermedio, se almacenan en un servidor y luego se convierten a cada formato utilizado en los vehículos individuales. Suponen que cada automóvil tiene un mapa de "línea base" de un proveedor de mapas y que esta línea base define identificadores de referencia (por ejemplo, ID de segmento de mapa) para la mayoría de las características que se actualizarán. Para las características sin identificador de referencia en la línea base, proponen utilizar una referencia "genérica" que se descubre heurísticamente mediante la comparación de mapas, como se describe en un estándar propuesto llamado AGORA.
Un problema importante que ActMAP no resuelve directamente es que, para cada nueva versión de la base de datos de mapas de un proveedor, todos los identificadores de referencia suelen reasignarse mediante un proceso de compilación, lo que destruye cualquier correspondencia con los identificadores de versiones anteriores. Esto interfiere gravemente con la capacidad de utilizar actualizaciones incrementales para generar una nueva versión de una base de datos de mapas a partir de una versión anterior. Otro problema que ActMAP no resuelve es la incapacidad de referenciar y caracterizar subsecciones de segmentos de carretera (por ejemplo, curvas, colinas, carriles de maniobra, etc.) para actualizarlos.
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