DE102010030715B4

DE102010030715B4 - Verfahren und Vorrichtung zur effizienten Berechnung von Routen

Info

Publication number: DE102010030715B4
Application number: DE102010030715.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Kolanko; Christian Münzner
Original assignee: Preh Car Connect GmbH
Current assignee: Joynext GmbH
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2030-07-01
Also published as: DE102010030715A1

Abstract

Verfahren zum Berechnen einer optimalen Route, die von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt führt und Segmente aufweist, von denen jedes einem Verkehrsweg zugeordnet ist, wobei jedem der Verkehrswege ein Rang aus einer Mehrzahl von Rängen und eine Berechnungsebene aus einer Mehrzahl von Berechnungsebenen zugeordnet sind, das Verfahren einen A*-Algorithmus verwendet und das Verfahren die nachstehenden Schritte aufweist:
a) Berechnen einer vorberechneten Route, die vom Startpunkt zum Zielpunkt führt, auf einer ersten Berechnungsebene,
b) Positionieren einer ersten Mehrzahl von Orientierungspunkten auf der vorberechneten Route,
c) Nachberechnen der vorberechneten Route auf einer zweiten Berechnungsebene unter Verwendung der ersten Mehrzahl von Orientierungspunkten, sodass eine erste nachberechnete Route bereitgestellt wird, wobei die erste Berechnungsebene höher als die zweite Berechnungsebene ist,
d) Berechnen der optimalen Route unter Verwendung der vorberechneten Route und der ersten nachberechneten Route und
e) Ausgeben der optimalen Route.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die effiziente Berechnung und Planung von Routen von einer Startposition zu einem nutzerdefinierten Ziel mithilfe eines Navigationsgerätes mit geringer Speicherkapazität.
Hintergrund der Erfindung
Zur Routenberechnung werden in Navigationsgeräten verschiedene Verfahren und Rechenalgorithmen verwendet, wie der von Edsger W. Dijkstra entwickelte und nach seinem Erfinder benannte oder der A* Algorithmus von Hart, Nilsson und Raphael. Diese Algorithmen dienen der Berechnung von kürzesten Pfaden zwischen einem Startknoten und einem oder mehreren beliebigen Knoten in einem Graphen mit positivem Kantengewicht.
In der Graphentheorie, die unter anderem auch Anwendung bei der Routenberechnung findet, besteht ein Graph aus einer Menge von Knotenpunkten, kurz Knoten genannt, welche durch Kanten verbunden sind. Als Kantengewicht bezeichnet man in der Graphentheorie eine der entsprechenden Kante zugeordnete reelle Zahl. Die reelle Zahl kann eine Entfernung oder eine Zeitspanne ausdrücken. Die Kante wird vollständig durch die Knoten beschrieben, die sie verbindet. Ist eine Entfernung unter Verwendung von Graphen zu berechnen, benötigt man zusätzliche Informationen zu jeder Kante. Diese Information wird bei der Routenberechnung als Attribut bezeichnet.
In Navigationsgeräten für Fahrzeuge liegt das Straßennetz in Form von digitalen Kartendaten in einer Straßennetz-Datenbank vor. In dieser Datenbank ist das aktuelle Straßennetz in Form von Knoten, die im weitesten Sinn Straßenkreuzungen entsprechen und Segmenten oder Pfaden nachgebildet. Die Segmente stehen für die Verbindungen zwischen den Knoten. Jedes Segment, als Verbindung zwischen zwei Knoten, stellt eine Straße oder einen Straßenabschnitt dar. Zusätzlich beinhaltet die Straßennetz-Datenbank Information zu Fahrtrichtungen und Abbiegeregeln zum nachgebildeten Straßennetz. Das bedeutet, dass zu jedem Straßenabschnitt hinterlegt ist, aus welcher Richtung in diesen Straßenabschnitt eingefahren bzw. in welche Richtung aus dem Abschnitt herausgefahren werden kann.
US 5 938 720 A beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen einer Route von einem Standort zu einem Ziel, wobei basierend auf dem A*-Algorithmus eine beidseitige Suche ausgeführt wird. Das heißt, zwei Routen werden gleichzeitig erzeugt, eine von dem Standort zu dem Ziel und eine von dem Ziel zu dem Standort.
Ferner offenbart DE 37 190 17 A1 ein Verfahren zum Bestimmen einer Fahrtroute zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt, welche innerhalb eines digital gespeicherten Straßennetzes gelegen sind, wobei das Straßennetz in wenigstens zwei Ebenen unterschiedlicher Maschendichte und Gebietsgröße zerlegt wird.
Weiterhin beschreibt DE 10 2009 045 039 A1 eine Navigationseinrichtung zum Suchen nach einer Route von einem Abfahrtspunkt zu einem Ziel, wobei die Navigationseinrichtung eine Informationsspeichereinheit aufweist, die Kartendaten in einer hierarchischen Struktur speichert. Die Kartendaten zumindest einer Hierarchiestufe werden ausgenommen.
US 2006/0 178 819 A1 offenbart ein Routenplanungssystem zum effizienten Bestimmen einer Route zwischen einem Ausgangspunkt und einem Ziel. Das Routenplanungssystem arbeitet mit Routendaten, die in rechteckige Raster aufgeteilt sind, wobei die Routendaten entsprechend einer Hierarchie gegliedert sind.
Ferner beschreibt DE 103 49 263 A1 ein Verfahren zum Bestimmen einer für die Planung einer optimalen Gesamtroute geeigneten Zerlegung eines Straßennetzes aus Kanten und Knoten, bei dem ein reduziertes Netz gebildet wird, indem Teilrouten durch Routenkanten ersetzt werden.
Weiterhin offenbart US 2003/0 028 319 A1 ein Verfahren, bei dem ein Routenberechnungsprogramm angepasst wird, so dass mindestens eine Route zwischen einem ersten Ort und einem zweiten Ort in einem Straßennetz gefunden wird, wobei das Routenberechnungsprogramm einen zu dem ersten Ort gehörenden ersten Suchbaum und einen zu dem zweiten Ort gehörenden zweiten Suchbaum aufweist.
Aus dem veröffentlichten Patent EP 1 681 539 B1 ist ein „Verfahren zum Berechnen der kürzesten Punkt zu Punkt Pfade von einem externen Speicher” zur Verwendung in einem Computer bekannt. Mithilfe dieses Verfahrens sollen die Berechnungszeiten von Routen verkürzt werden. Dazu werden ergänzend zu den Informationen, die in der digitalen Straßenkarte enthalten sind, Geländemarken eingeführt. Diese Geländemarken werden auf der Basis des Straßennetzes festgelegt oder können dynamisch bestimmt werden. Alle Entfernungen zwischen diesen Geländemarken und Knoten der Straßenkarte werden berechnet und als Basis für spätere Routenkalkulationen im externen Festspeicher abgelegt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass für dessen Ausführung ein System mit Speichermitteln großer Speicherkapazität, wie beispielsweise bei einem Computer, zur Verfügung stehen muss. Navigationsgeräte und deren Komponenten, beispielsweise für den Einsatz in einem Fahrzeug sollen kostengünstig sein, um den Anschaffungspreis des Gerätes gering zu halten.
Deshalb besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Berechnung einer optimalen Route von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt bereitzustellen, das bei Berücksichtigung von Nutzeroptionen die Routenberechnung effizient gestaltet und dem Nutzer des Navigationsgerätes im Ergebnis der Routenberechnung optimale Routen ausgibt. Wobei optimal im Sinne der Erfindung einer kurzen, ökonomischen oder schnellen Route entsprechen oder für eine Route ohne Mautkosten stehen kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung geht von einem Navigationsgerät aus, welches eine Eingabe- und Ausgabeeinheit, Speichermittel, ein Positionsschätzmodul, eine Straßennetz-Datenbank sowie einen Routenkalkulator umfasst. Das Navigationsgerät ist mit einem Empfänger für TMC-Verkehrsmeldungen und einer GPS-Antenne, zur Bestimmung der aktuellen Position, verbunden. In der Straßennetz-Datenbank ist das aktuelle Straßennetz in Form von Knoten, die im weitesten Sinn Straßenkreuzungen entsprechen und Segmenten, welche für Verbindungen zwischen Kreuzungen stehen, nachgebildet. Jedes Segment, als Verbindung zwischen zwei Knoten, stellt somit einen Straßenabschnitt dar. Jeder Straßenabschnitt verursacht Kosten, die durch das Passieren des betroffenen Abschnittes entstehen, diese Kosten sind ebenfalls in der Straßennetz-Datenbank hinterlegt. Ferner beinhaltet diese Datenbank Information zu Fahrtrichtungen und Abbiegeregeln zu den nachgebildeten Straßenabschnitten und Kreuzungen. Die Straßennetz-Datenbank kann ein einzelnes Modul des Navigationsgerätes sein, aber auch Bestandteil eines anderen, wie zum Beispiel den Speichermitteln.
Die Eingabe- und Ausgabeeinheit dient beispielsweise der benutzerdefinierten Eingabe des Fahrtzieles, von Fahroptionen, Zwischenzielen und einer visuellen Ausgabe der berechneten Fahrtroute, Fahrtrichtungsangaben zur Routenführung entlang der berechneten Route. Fahroptionen werden durch den Nutzer des Navigationsgerätes festgelegt, sie umfassen Eingaben wie zum Beispiel: schnellste Route zum Ziel, kürzeste Route zum Ziel, ökonomische Route zum Ziel, Zwischenziele aber auch Meideoptionen. Zu diesen Meideoptionen zählen: Autobahn oder Maut-Vignettenstraßen, Fähren, Umweltzonen meiden.
Mit dem Positionsschätzmodul wird mithilfe der über GPS empfangenen Daten die Position des Navigationsgerätes ermittelt und aktualisiert.
Der Routenkalkulator dient, ausgehend von der aktuellen Position, der Berechnung einer Fahrtroute zur nutzerdefinierten Zielposition. Dabei berücksichtigt der Routenkalkulator, im weiteren als Kalkulator bezeichnet, vom Nutzer die eingegebenen Meideoptionen, Zwischenziele und empfangene Verkehrsmeldungen. Der Routenkalkulator verwendet bei seinen Routenberechnungen nach einem speziellen Verfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung den A* Algorithmus derart, dass der Routenkalkulator trotz limitierter Kapazität der Speichermittel als Ergebnis der Berechnungen zu einer optimalen Route für den Nutzer mit einer neuen Qualität kommt. Diese neue Qualität der berechneten Route besteht darin, dass beispielsweise bei der Berechnung einer wirklich kurzen Route mehr Abkürzungsmöglichkeiten berücksichtigt werden, als bei bisher bekannten Navigationssystemen. Zusätzlich geht der Routenkalkulator bei der vorliegenden Erfindung trotzdem weitestgehend ressourcenschonend hinsichtlich Rechenaufwand und daraus resultierendem Speicherbedarf vor.
Die Speichermittel, die flüchtige und nichtflüchtige Bereiche umfassen, verfügen nur über eine begrenzte Speicherkapazität. Die Speichermittel beinhalten Bereiche, in denen, beispielsweise die über TCM empfangenen Verkehrsmeldungen, ermittelte Routendaten und Daten der über GPS ermittelten aktuellen Position abgelegt sind. Im flüchtigen Bereich der Speichermittel werden Berechnungsergebnisse des Routenkalkulator abgelegt, welche somit für eine Rekalkulation zur Verfügung stehen. Ebenso kann die Straßenkarten-Datenbank in einem Bereich der Speichermittel gespeichert sein.
Wie auch in der EP 1 681 539 B1 wird bei der vorliegenden Erfindung der A*-Algorithmus benutzt, dieser verwendet eine Heuristik, eine Schätzfunktion zur Bestimmung eines kürzesten Pfades zwischen Knoten. Bei der vorliegenden Erfindung wird mit mithilfe des A* Algorithmus verifiziert, welches Segment der Graphen bei der Routenberechnung als Nächstes zu betrachten ist. Dazu werden die Kosten der entsprechenden Segmente betrachtet und geschätzte Kosten bis zum Ziel. Standardmäßig wird zur Schätzung als Teil der Routenberechnung nur das Routenziel benutzt. Um eine schnelle Routenberechnung zu ermöglichen, werden Verkehrswege, wie beispielsweise Straßen des Straßennetzes vom Datenlieferanten in verschiedene Ränge unterteilt. Die Eingruppierung der Verkehrswege erfolgt entsprechend ihrer Verkehrsbedeutung. Zu den Lieferanten von Geodaten zählen die Firmen Navteq und Teleatlas. Die Geodaten werden zur Berechnung und Darstellung von Routen sowie von Straßenkarten verwendet. Die Klassifizierung kann eine unterschiedliche Anzahl von Rängen beinhalten, in die die verschiedenen Verkehrswege eingeteilt werden. Eine Eingruppierung der Verkehrswege kann zum Beispiel wie folgt aussehen:

– Rang 0 – Feldwege, Straßen in Wohngebieten, Parkplätze etc.
– Rang 1: – kleine Straßen, Nebenstraßen
– Rang 2: – normale Straßen, Hauptstraßen
– Rang 3: – Bundesstraßen, Autobahnauffahrten und Abfahrten, sowie andere wichtige große Straßen
– Rang 4: – Autobahnen, Autobahnkreuze.

Zusätzlich zu den Rängen, nachfolgend als Rangordnung von Verkehrswegen bezeichnet, werden bei der Berechnung von Routen sogenannte Berechnungsebenen verwendet. Diese Berechnungsebenen umfassen die Segmente der Verkehrswege der verschiedenen Ränge und sie sind ein Ausdruck für deren Digitalisierungsqualität. So umfasst Berechnungsebene 0 Daten zu allen digitalisierten Verkehrswegen. In einer niedrigeren Berechnungsebene sind mehr Verkehrswege als in einer höheren digitalisiert, somit beinhaltet ein niedrigere Berechnungsebene mehr Abkürzungsmöglichkeiten für eine Route, mit denen der Routenverlauf berechnet werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung werden fünf Berechnungsebenen betrachtet. Es sind aber auch andere Einteilungen mit mehr oder weniger Berechnungsebenen möglich. Je niedriger eine Berechnungsebene desto besser ist ihre Digitalisierungsqualität. Ein Beispiel für die Einteilung der Berechnungsebenen kann wie folgt aussehen:

– Berechnungsebene 4: enthält nur Rang 4 Segmente
– Berechnungsebene 3: enthält Rang 4 bis Rang 3 Segmente
– Berechnungsebene 2: enthält Rang 4 bis Rang 2 Segmente
– Berechnungsebene 1: enthält Rang 4 bis Rang 1 Segmente
– Berechnungsebene 0: enthält Rang 4 bis Rang 0 Segmente

Die Berechnungsebene 4 enthält beispielsweise nur Rang 4 Segmente, in dem nur Autobahnen und Autobahnauffahrten digitalisiert vorliegen, aber keine Autobahnabfahrten.
Bei der Routenberechnung wird bei den bekannten Routenberechnungsverfahren im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ausgehend von der aktuellen Position nur ein Eintrittspunkt, ein Knoten gesucht, um in das höherrangige Straßennetz zu gelangen. Zur Berechnung der eigentlichen Route zum Zielpunkt liegen dann nur noch die, des höherrangigen Straßennetzes zugrunde, um den Rechenaufwand gering zu halten. Daraus folgt, dass mögliche Abkürzungen bei der Routenkalkulation nicht betrachtet werden. Dies kann auch zu nachstehend beschriebenem Problem führen.
Hat der Nutzer des Navigationsgerätes Meideoptionen für die Routenberechnung definiert, können diese nicht immer auf dem höherrangigen Straßennetz umgesetzt werden. Zu diesen Meideoptionen gehören zum Beispiel das Meiden von:

– Autobahnen
– Mautstraßen
– Vignettenstraßen
– Beachtung von TMC-Nachrichten
– Umfahren von Umweltzonen
– sowie die Berechnung einer wirklich kurzen Route.

In diesen Fällen wäre es wäre es wünschenswert direkt auf einem niederrangigen Straßennetz zu rechnen, was jedoch einen höheren Speicherbedarf und Berechnungsaufwand zur Folge hätte und deshalb nicht realisierbar ist. Somit ist das Ergebnis einer herkömmlichen Routenberechnung nur bedingt optimal.
Aus diesen Gründen führt der besondere Routenkalkulator bei der vorliegenden Erfindung ein spezielles Berechnungsverfahren durch, das aus einer Schätzung der Route zum Ziel, einer groben Vorberechnung der Route vom Startpunkt zum Zielpunkt und mindestens einer Nachberechnung besteht. Vorberechnungen finden bei der vorliegenden Erfindung auf einer höheren Berechnungsebenen statt als Nachberechnungen. Die Ergebnisse und die Orientierungspunkte werden in den Speichermitteln zwischengespeichert, damit sie auch zu einer automatischen Nachberechnung zur Verfügung stehen, sollte der Nutzer des Navigationsgerätes die berechnete Route verlassen haben. Mit diesem Verfahren wird eine optimale Route berechnet, wenn auch nur Speichermittel mit geringer Speicherkapazität zur Verfügung stehen.
Eine Prüfeinrichtung überwacht, ob noch eine Berechnungsebene für die Nachberechnung zur Verfügung steht, die der Routenkalkulator bisher noch nicht berücksichtigt hat.
In einer Ausführungsform der Erfindung bildet die Vorberechnung der Route, die beispielsweise auf der Basis der aktuellen Position oder einer vom Nutzer definierten Startposition zum Zielpunkt erfolgt und deren Ergebnis zur Routenführung des Nutzers zum Ziel verwendet wird, die Grundlage für mindestens eine Nachberechnung. Bei der vorliegenden Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform die Nachberechnung nur zweimal wiederholt, um den Rechenaufwand sinnvoll einzuschränken und das Verfahren mit einer geringen Speicherkapazität ausführen zu können. Mit den Nachberechnungen werden die Ergebnisse der vorberechneten Route detailliert. Dadurch kann dem Nutzer eine optimale Route zum Ziel zur Verfügung gestellt werden. Bei der Vorberechnung und den Nachberechnungen werden unterschiedliche Ränge der Verkehrswege benutzt und als Ergebnis dieser Berechnungen können sich die berechneten Routen der Vorberechnung und Nachberechnung unterscheiden, sie können sogar gänzlich verschieden sein.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand von Figuren, einem Ausführungsbeispiel und den Ansprüchen beschrieben.
1: schematische Darstellung eines Navigationsgerätes mit einem Routenkalkulator
2A–D: beispielhafter Ablauf der Routenberechnung
3: Ermittlung der Heuristik in Punkt P
4: Flussdiagramm zum Ablauf einer Routenberechnung
Die 1 zeigt den schematischen Aufbau des Navigationsgerätes 1 mit einem besonderen Routenkalkulator 6 der das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. In der 1 sind zur Wahrung der Übersichtlichkeit nur die für die zur Erläuterung der Erfindung notwendigen Bestandteile enthalten, wobei ein Navigationsgerät 1 mit einem Routenkalkulator 6 entsprechend der Erfindung noch weitere Bestandteile umfassen kann. Die Speichermittel 2, die Straßennetz-Datenbank 3, die Ein- und Ausgabeeinheit 4 und das Positionsschätzmodul 5 sind in das Navigationsgerätes 1 integriert, das den erfindungsgemäßen Routenkalkulator 6 umfasst. Es ist auch möglich, dass einzelne Komponenten nicht Bestandteil vom Navigationsgerät 1 sind, sondern mit diesem verbunden. Die Straßennetz-Datenbank 3 kann auch ein Element der Speichermittel 2 sein.
Die 2A bis D veranschaulicht in einzelnen Schritten, wie die Route während der Berechnung vom Routenkalkulator aufgebaut wird. Die einzelnen Schritte der Routenberechnung berücksichtigen Segmente von Verkehrswegen, wie Straßen, die auf unterschiedlichen Berechnungsebenen liegen. In 2 sind Straßen und Knoten auf Berechnungsebene 0, sowie Straßen und Knoten auf Berechnungsebene 1 dargestellt. Das in 2A bis 2D vom Routenkalkulator 6 ausgeführte Beispiel der Routenberechnung beinhaltet eine Vorberechnung, ein Positionieren von Orientierungspunkten sowie eine Nachberechnung einer Route vom Startpunkt S zum Zielpunkt Z, in 2D. Die digitalisierten Daten der Berechnungsebene 0 umfassen mehr Verzweigungen als die Daten der Berechnungsebene 1. Die Orientierungspunkte, die in 2B auf der vorberechneten Route vom Routenkalkulator 6 platziert werden, sind in allen Teilen der 2 und 3 durch Fähnchen gekennzeichnet. Die Orientierungspunkte entsprechend 2B liegen an Knoten der vorberechneten Route, die einen Übergang zu einer höheren Berechnungsebene der Verkehrswege, mit weniger Verzweigungen darstellen. Das ist aber nur eine Möglichkeit der Platzierung von Orientierungspunkten auf einer vorberechneten Route, andere sind ebenfalls denkbar. Zum Beispiel können die Orientierungspunkte vom Routenkalkulator 6 auf den Berechnungsebenen in unterschiedlichen Entfernungen gesetzt werden. Sinnvoll ist es für die Platzierung der Orientierungspunkte in einer höheren Berechnungsebene einen größeren Abstand zu wählen. Beispielsweise beträgt in einer Ausführungsform der Erfindung auf Berechnungsebene 4 die Entfernung zwischen Orientierungspunkten 50 km und auf Berechnungsebene 1 nur ca. 1 km.
Bei der Vorberechnung ist es das Ziel des Routenkalkulators 6 so schnell wie möglich auf die höchstmögliche Berechnungsebene zu kommen, dazu sucht der Routenkalkulator 6 einen Knoten einer Straße oder eines Straßensegmentes, der einen Eintrittspunkt, eine Verbindung zu einer höheren Berechnungsebene besitzt.
In den Daten der Orientierungspunkte sind die Kosten zum Ziel und die Abstände zwischen den Punkten hinterlegt.
Die 2A stellt die Vorberechnung der Route dar. Der Routenkalkulator 6 berechnet gleichzeitig von Startpunkt S und Zielpunkt Z aus, anhand von Kosten die Route. Der Startpunkt S der Berechnung muss nicht dem Startpunkt der Route entsprechen.
Diese beinhaltet beispielhaft Straßen und Knoten auf Berechnungsebene 0 und auf Berechnungsebene 1. Die 2C zeigt eine Nachberechnung des Routenkalkulators 6, die an der Startposition und Zielposition beginnen. Die Orientierungspunkte dienen der Berechnung einer Heuristik. Der Routenkalkulator 6 sucht Straßensegmente einer niedrigeren Berechnungsebene und bestimmt deren Kosten. Der Routenkalkulator 6 entwickelt an dem Knoten die Route weiter, dessen Kosten im Vergleich zu den Kosten anderer betrachteter Knoten geringer ausfallen, zum Vergleich dazu nutzt er eine spezielle Heuristik.
Die 2D zeigt den Verlauf der nachberechneten Route, deren Verlauf sich von der vorberechneten Route in 2A unterscheidet.
3 stellt schematisch die Ermittlung einer Heuristik in einem Punkt P als Schritt der Routennachberechnung dar. Bei der Berechnung werden Teilstrecken aufgebaut, der Punkt P ist der Endpunkt einer solchen Teilstrecke. Die Kosten dieser Teilstrecke bis Punkt P sind bekannt, Kosten c1 bis c4.
Es gibt Segmente, deren Kosten bei der Routennachberechnung bekannt sind, beispielsweise die Kosten c1 bis c4, K2 und K1, weil sie vom Routenkalkulator 6 bereits berechnet, aus den Speichermitteln oder der Straßenkarten-Datenbank entnommen wurden. An den verschiedenen Knoten, hier am Punkt P, nimmt der Routenkalkulator 6 eine Kostenabschätzung, die Heuristik, mithilfe einer Luftlinie bis zu den Orientierungspunkten OP2 und OP3 vor. Die Entfernung zwischen dem Punkt P und den Orientierungspunkten OP2 und OP3 ermittelt der Routenkalkulator 6 mithilfe der, in der Straßenkarten-Datenbank, hinterlegten Geodaten. Weitere Punkte P im Straßennetz, nicht dargestellt, werden vom Routenkalkulator 6 zum Vergleich betrachtet, um zu entscheiden, an welchem Punkt die Route weiter entwickelt werden soll.
Die Kosten H3 und H2 ergeben sich aus einer geschätzten Zeit zur Überwindung der Entfernung zwischen dem Punkt P und den Orientierungspunkten OP2 und OP3. Mit einem anschließenden Vergleich der Gesamtkosten der Route von Startpunkt S über Punkt P zu Orientierungspunkt OP3, der in diesem Fall der, vom Nutzer definierten Zielposition entspricht, entscheidet der Routenkalkulator, welches der Segmente im Routenverlauf zum Zielpunkt zu verwenden ist.
Die Idee der speziellen vom Routenkalkulator 6 verwendeten Heuristik besteht darin, dass entlang der vorberechneten Route auf höherrangigem Straßennetz Orientierungspunkte festgelegt werden. Dabei wird für jeden Orientierungspunkt die Lage gespeichert, wie hoch die Kosten vom Orientierungspunkt bis zum Ziel sind und wie weit der Orientierungspunkt vom vorhergehenden Orientierungspunkt auf der Route entfernt ist.
Für die beim A*-Algorithmus notwendige Entscheidung, welcher Punkt als Nächstes zu entwickeln ist, wird bei der vorliegenden Erfindung für jeden bzw. eine Auswahl dieser Punkte folgende Heuristik verwendet: Gesamtkosten = Kosten vom Start + Wichtung·(gespeicherte Kosten zum Ziel) + g (Distanz der zu entwickelnden Straße vom gespeicherten Punkt)·(geschätzte Kosten pro Wegstrecke).
Entsprechend 3 sind die Kosten vom Start die Kosten c1 bis c4, die gespeicherten Kosten zum Ziel K1 und K2. Der Routenkalkulator 6 bestimmt mittels Straßenkarten-Datenbank die Distanz der zu entwickelnden Straße oder einem ihrer Segmente vom gespeicherten Punkt P und er schätzt die Kosten für die Überwindung dieser Wegstrecke. Die Funktion g ist abhängig von der Distanz der betrachteten Orientierungspunkte zueinander. Ist der Abstand von P zum betrachteten Orientierungspunkt OP zu groß, wird der Abstand von Punkt P zum betrachteten Orientierungspunkt OP höher gewichtet. Dadurch tritt algorithmisch eine gewisse Orientierung an der alten, vorberechneten Route ein, ohne harte Grenzen zu ziehen. Die Wichtung ist abhängig von den gewählten Meideoptionen.
Für die geschätzten Kosten pro Wegstrecke werden die Kosten auf Basis der vorberechneten Route verwendet.
Diese Heuristik wird nun stufenweise in den verschiedenen Berechnungsebeneneingesetzt. Zusätzlich wird sie für ein schnelle automatische Neuberechnung, zum Beispiel zurück zur alten Route angewendet, wenn der Nutzer des Navigationsgerätes 1 von der berechneten Route abweicht, aber keinen neuen Zielpunkt eingegeben hat.
Der Ablauf kann zyklisch wiederholt werden. Eine beispielhafte Berechnung durch den Routenkalkulator 6 kann zu Beginn z. B. Berechnungsebene 0 verwenden mit den Segmenten von Rang 4 bis 0. Mit fortschreitender Entfernung von Startpunkt der Berechnung und Zielpunkt werden nur noch Segmente von Rang 4 bis 1 von Berechnungsebene 1 verwendet, anschließend Berechnungsebenen mit Segmenten von Rang 4 bis Rang 2, Rang 4 bis Rang 3, Rang 4 bis Rang 4.
Bei der Routenberechnung kann vom Routenkalkulator 6 zum Zweck der Optimierung der Route eine Beschränkung der maximal zu verwendenden Berechnungsebene vorgenommen werden. Mit der Beschränkung der Berechnungsebene der Vorberechnung erfolgt auch eine Beschränkung der Berechnungsebene der Nachberechnung, da die Nachberechnung immer auf einer niedrigeren Ebene erfolgt als die Vorberechnung. Das heißt, es stehen bei der Berechnung mehr Segmente zu Verfügung. Zum Beispiel stehen bei Verwendung von maximaler Berechnungsebene 3 gegen über Berechnungsebene 4, neben den Autobahnsegmenten beispielsweise auch Bundesstraßen zur Verfügung.
Eine Beschränkung der Berechnungsebene wird beispielsweise vom Routenkalkulator 6 vorgenommen, wenn der Nutzer Autobahnen oder Mautstraßen meiden will oder wenn die Zielposition zu nah ist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird vom Routenkalkulator 6 nie auf Berechnungsebene 0 nachgerechnet, da vermieden werden soll, dass der Nutzer des Navigationsgerätes 1 beispielsweise über Feldwege geführt wird.
Segmente mit Berechnungsebene 4 besitzen in den digitalen Daten besser aufgelöste Segmente auf der Ebene von Berechnungsebene 3 Segmenten. In einem weiteren Nachberechnungsschritt könnte nun eine weitere Beschränkung auf maximal Berechnungsebene 2 durchgeführt werden. 4 gibt den vereinfachten Ablauf einer Routenberechnung wieder. Nachdem der Systemstart des Navigationsgerätes 1 durch den Nutzer und der Eingabe der Zielposition an der Ein- und Ausgabeeinheit 4 erfolgt ist, ermittelt das Positionsschätzmodul 5 mithilfe der über GPS empfangenen Daten und anhand des in der Straßenkarten-Datenbank 3 hinterlegten Straßennetzes die aktuelle Position des Navigationsgerätes 1. Über den TMC-Empfänger werden Verkehrsmeldungen empfangen, die bei der Routenberechnung durch den Routenkalkulator 6 berücksichtigt werden können. Vom Routenkalkulator 6 wird eine erste Route bestimmt und dem Nutzer an der Ein- und Ausgabeeinheit 4 zur Navigation vom Startpunkt zum Zielpunkt zur Verfügung gestellt. Diese Vorberechnung muss nicht zwangsläufig mit dem Startpunkt der Routenführung, entsprechend der ermittelten aktuellen Position ansetzen. Der Routenkalkulator 6 führt diese aber im Wesentlichen auf einer höheren Berechnungsebene als die Nachberechnung aus.
Zur Routenberechnung werden vom Routenkalkulator 6 die Kosten der einzelnen Segmente der Route, die durch Knoten begrenzt werden bestimmt. Die Bestimmung erfolgt entweder mithilfe der Daten, die in der Straßenkarten-Datenbank hinterlegt sind oder auch durch Schätzung der Kosten. Auf der vorberechneten Route werden vom Routenkalkulator Orientierungspunkte positioniert. Die Daten der Orientierungspunkte umfassen ihre Position auf der Route und die Abstände zu den anderen Orientierungspunkten. An diesen Orientierungspunkten entwickelt der Routenkalkulator 6 die Route weiter, indem er einen Kostenvergleich mithilfe der Heuristik entsprechend 3 vorgenommen hat.
Der Routenkalkulator 6 absolviert, bei der vorliegenden Erfindung, mindestens eine Nachberechnung auf einer niedrigen Berechnungsebene, als bei der Vorberechnung. Der Routenkalkulator 6 führt in einer besonderen Ausführung der Erfindung wie in 4 dargestellt zwei Routennachberechnungen durch, somit wird der Rechenaufwand sinnvoll beschränkt und somit die vorhandene Kapazität der Speichermittel 2 nicht überschrittenen. Wenn mehr als zwei Routennachberechnungen durchgeführt werden, steigt der Rechenaufwand und die Speicherkapazität wird stärker belastet.
Die Ausgabe der nachberechneten Route kann sich von vorberechneter Route unterscheiden, wenn bessere Alternativen vorhanden sind.

Claims

Verfahren zum Berechnen einer optimalen Route, die von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt führt und Segmente aufweist, von denen jedes einem Verkehrsweg zugeordnet ist, wobei jedem der Verkehrswege ein Rang aus einer Mehrzahl von Rängen und eine Berechnungsebene aus einer Mehrzahl von Berechnungsebenen zugeordnet sind, das Verfahren einen A*-Algorithmus verwendet und das Verfahren die nachstehenden Schritte aufweist: a) Berechnen einer vorberechneten Route, die vom Startpunkt zum Zielpunkt führt, auf einer ersten Berechnungsebene, b) Positionieren einer ersten Mehrzahl von Orientierungspunkten auf der vorberechneten Route, c) Nachberechnen der vorberechneten Route auf einer zweiten Berechnungsebene unter Verwendung der ersten Mehrzahl von Orientierungspunkten, sodass eine erste nachberechnete Route bereitgestellt wird, wobei die erste Berechnungsebene höher als die zweite Berechnungsebene ist, d) Berechnen der optimalen Route unter Verwendung der vorberechneten Route und der ersten nachberechneten Route und e) Ausgeben der optimalen Route.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Überprüfungsschritt ausgeführt wird, sodass festgestellt wird, ob eine dritte Berechnungsebene zur Verfügung steht, und wenn eine dritte Berechnungsebene zur Verfügung steht, eine zweite Mehrzahl von Orientierungspunkten auf der ersten nachberechneten Route positioniert wird, die erste nachberechnete Route unter Verwendung der zweiten Mehrzahl von Orientierungspunkten nachberechnet wird, sodass eine zweite nachberechnete Route bereitgestellt wird und die optimale Route unter Berücksichtigung der zweiten nachberechneten Route berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem empfangene Verkehrsmeldungen beim Berechnen der vorberechneten Route, beim Nachberechnen der vorberechneten Route und beim Nachberechnen der nachberechneten Route berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Orientierungspunkte auf der vorberechneten Route, die einer höheren Berechnungsebene zugeordnet ist, eine Entfernung entlang der Route zueinander aufweisen, welche größer ist als eine Entfernung, welche die Orientierungspunkte auf einer vorberechneten Route, die einer niedrigeren Berechnungsebene zugeordnet ist, zueinander aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Orientierungspunkte zwischengespeichert werden.
Vorrichtung zum Berechnen einer optimalen Route, die von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt führt und Segments aufweist, von denen jedes einem Verkehrsweg zugeordnet ist, wobei jedem der Verkehrswege ein Rang aus einer Mehrzahl von Rängen und eine Berechnungsebene aus einer Mehrzahl von Berechnungsebenen zugeordnet sind, beim Berechnen ein A*-Algorithmus verwendet wird und die Vorrichtung aufweist: a) einen Routenkalkulator, der zum Berechnen einer vorberechneten Route, die vom Startpunkt zum Zielpunkt führt, auf einer ersten Berechnungsebene, zum Positionieren einer ersten Mehrzahl von Orientierungspunkten auf der vorberechneten Route, zum Nachberechnen der vorberechneten Route auf einer zweiten Berechnungsebene, unter Verwendung der ersten Mehrzahl von Orientierungspunkten, wobei die erste Berechnungsebene höher als die zweite Berechnungsebene ist, sodass eine erste nachberechnete Route bereitgestellt wird, und zum Berechnen der optimalen Route aus der vorberechneten Route und der nachberechneten Route eingerichtet ist, und b) eine Ein- und Ausgabeeinheit, die zum Ausgeben der optimalen Route eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, welche eine Prüfeinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen Überprüfungsschritt auszuführen, sodass festgestellt wird, ob eine dritte Berechnungsebene für ein Nachberechnen der ersten nachberechneten Route zur Verfügung steht, und wenn eine dritte Berechnungsebene zur Verfügung steht, ist der Routenkalkulator dazu eingerichtet, eine zweite Mehrzahl von Orientierungspunkten auf der ersten nachberechneten Route zum Nachberechnen der ersten nachberechneten Route zu positionieren, unter Verwendung der zweiten Mehrzahl von Orientierungspunkten, sodass eine zweite nachberechnete Route zum Berechnen der optimalen Route unter Berücksichtigung der zweiten nachberechneten Route bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher der Routenkalkulator dazu eingerichtet ist, die Orientierungspunkte auf einer vorberechneten Route, die einer höheren Berechnungsebene zugeordnet ist, in größerem Abstand zueinander entlang der vorberechneten Route zu positionieren als die Orientierungspunkte einer vorberechneten Route, die einer niedrigeren Berechnungsebene zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, welche ein Speichermittel mit geringer Speicherkapazität aufweist, das zum Zwischenspeichern der Orientierungspunkte eingerichtet ist.