ParkingRobot/docs/superpowers/specs/2026-08-05-em-observation-web-visualization-design.md

EM 轨迹闭环观察与独立网页可视化设计

1. 背景与目标

现有 TrajectoryObservationMovementTest 从 MDCS 读取实时定位和带符号纵向速度，重复执行 EM 规划并显示最新轨迹。它是规划观察闭环，不向底盘、转向、电机、制动或档位接口发送命令。

EMPlanner 已修正两类纵向滚动规划语义：

1. RollingContinuation 的滚动视界末点不再被强制当作静止停车点。
2. jerk 变量只对应真实相邻时间节点之间的区间，不为滚动轨迹最后一个点之后不存在的后继点施加或展示虚假的 jerk 约束。

本次工作修改 MovementTest 观察任务，使实车环境可以直接验证这些语义；同时新增可复用、可独立升级的本机网页可视化类库。网页提供全局路径、方向分段、LS、ST、曲率、速度、加速度、加加速度、规划配置及周期历史。现有测试继续保持 OBSERVE_ONLY。

2. 范围与非目标

2.1 范围

• 保持实车定位/速度输入和滚动重规划，不增加任何车辆控制输出。
• 支持完整多方向段观察，在可靠确认车辆实际运动方向后顺序推进至下一段。
• 在鸟瞰图中显示完整全局路径，并高亮当前 EM 规划方向段及本轮时域覆盖区间。
• 增加独立 TrajectoryPlanningVisualization 类库，供当前及未来规划测试复用。
• 提供只监听本机回环地址的实时网页看板。
• 保留原生 Painter 作为显式可选的兼容显示方式。
• 保留用户已调整的 MovementTest 默认运行参数，并同步设置对象、测试与文档：
  • SolverTimeoutSeconds = 5.0 s
  • MaximumOsqpIterations = 100000
  • TimeHorizonSeconds = 2.0 s
  • OutputTimeStepSeconds = 0.10 s

2.2 非目标

• 不实现轨迹跟踪、档位控制、底盘写入或自动驾驶闭环。
• 不开放局域网或公网访问。
• 不用网页按钮强制切换方向段。
• 不记录无限历史，不默认写入磁盘，不实现实验回放文件格式。
• 不修改 EMPlanner 的约束、权重、容差或已确认的滚动规划语义。

3. 总体架构

新增独立类库：

ClumsyPilot/TrajectoryPlanningVisualization/
├── TrajectoryPlanningVisualization.csproj
├── Contracts/                 # 不可变快照、曲线、配置和状态 DTO
├── Runtime/                   # 回环 HTTP/SSE 服务、最新帧和有界历史
└── Web/                       # 内嵌 HTML/CSS/JavaScript 科研风前端

现有观察模块新增 EM 适配层：

ClumsyPilot/ParkrobTrajplanner/tarjplanner_movementtest/
├── TrajectoryObservationVisualizationAdapter.cs
├── TrajectoryObservationSegmentTracker.cs
└── 现有 MovementTest、Pipeline、Contracts、Diagnostics、Presentation

依赖方向固定为：

EM / Map / PathSmoothing / MovementTest
                  │
                  ▼
TrajectoryObservationVisualizationAdapter
                  │  只发布通用不可变快照
                  ▼
TrajectoryPlanningVisualization
                  │
                  ▼
localhost browser

可视化类库不得引用 EMPlanner、MDCS、ClumsyCore、Painter 或 MovementTest。MovementTest 负责生命周期和浏览器打开行为；类库只返回本机访问 URI。

主项目通过 ProjectReference 引用新类库，并排除对子项目源码的重复编译。插件发布流程必须包含新增程序集及其必要依赖。网页资源作为程序集嵌入资源发布，不依赖 CDN、Node.js 或外网。

类库和主项目均继续以 netstandard2.0 为目标框架并使用 C# 10。JSON 使用仓库现有的 Newtonsoft.Json 13.0.4；不引入 ASP.NET Core、Kestrel 或新的前端包。由于 Windows HttpListener 可能要求额外的 HTTP.sys URL ACL，运行时使用 TcpListener(IPAddress.Loopback, port) 实现本功能所需的受限 HTTP/1.1 GET 与 SSE 子集，不依赖管理员预注册。

4. 可视化类库公共边界

类库只暴露三个主要生命周期操作：

visualization.Start(options);
visualization.Publish(snapshot);
visualization.Stop();

Start 返回包含随机会话令牌的完整本机 URI。Publish 必须是非阻塞操作：用原子替换保存最新不可变快照，不等待序列化、网络、浏览器或绘图。Stop 取消服务任务、关闭连接并释放端口；重复调用安全。

快照分为两类：

• 静态快照：地图边界、障碍物、全局粗路径、Local G2 路径、全部方向段、换向点和冻结后的生效配置。每次会话只生成并传输一次。
• 动态快照：实车状态、当前段、当前/上一轮轨迹、当前采样点、本轮规划结果、交接指标和诊断摘要。

服务只绑定 127.0.0.1。页面和事件接口均校验随机会话令牌。服务最多接受两个浏览器客户端，额外连接被拒绝。前端静态资源通过普通 HTTP 获取，动态帧通过 Server-Sent Events 发送；客户端断开或读取缓慢时丢弃旧帧，不对发布者形成反压。请求解析器只接受 GET，请求头上限为 16 KiB，首行/请求头读取超时为 2 s；其他方法返回 405，未知路径返回 404，令牌错误返回 403。

5. 资源与性能约束

• 默认网页刷新率为 10 Hz，与 ObserverPeriodSeconds 解耦。
• 最新动态帧容量固定为 1；新帧覆盖旧帧。
• 只保留当前轮和上一轮的完整轨迹点。
• 周期历史默认保留最近 60 轮，历史项只含摘要，不含完整轨迹。
• 地图占用信息、全局路径、方向段和配置不进入重复动态帧。
• 地图占用栅格编码为行优先 bitset（每格 1 bit）并由浏览器单个 Canvas 绘制；不得为每个占用格创建 JSON 对象、SVG 节点或 Painter 对象。
• 没有浏览器客户端时不重复序列化相同动态帧。
• 网页关闭或变慢不能改变重规划周期、求解器超时或规划结果。
• EnableWebVisualization=false 时不启动服务、不创建网页快照或历史缓冲。
• 任何网页服务、快照转换或前端异常均被隔离：记录一次中文诊断并关闭本次网页输出，规划观察继续运行。

6. MovementTest 配置

新增公开字段：

EnableWebVisualization = false
AutoOpenWebVisualization = true
WebVisualizationPort = 0
WebRefreshRateHz = 10
VisualizationHistoryCycleLimit = 60
EnableNativePainterVisualization = false
DirectionConfirmationSpeedMetersPerSecond = 0.02
DirectionConfirmationSamples = 3
GearSwitchProjectionToleranceMeters = 0.50
GearSwitchStopHoldSeconds = 0.20

校验规则：开关字段不需数值校验；端口为 0 或 1024..65535；刷新率、历史容量、速度阈值、投影容差和等待时间必须为有限正值；连续确认样本数必须为正整数。

端口为 0 时选择空闲回环端口。启动成功后，完整带令牌 URI 同时写入 MDCS UI 状态和控制台；AutoOpenWebVisualization=true 时由 MovementTest 尝试打开默认浏览器。打开失败只报告地址，不中止观察。

原生 Painter 与网页独立控制。EnableNativePainterVisualization=false 时不取得或刷新 World、LS、ST Painter，避免与浏览器重复绘图。两种显示都关闭时，规划循环和控制台诊断仍工作。

自动打开浏览器只由 MovementTest 主机调用 Process.Start，类库本身不读取桌面环境或启动外部进程。该调用必须捕获异常；Windows 服务会话或无桌面环境中只打印完整 URI。

7. 多方向段观察状态机

现有硬编码 segmentIndex = 0 改为只允许顺序前进的活动段状态机。

7.1 正常规划

• 活动段初始为第 0 段。
• 每轮请求使用活动段索引、方向及同段上一条已发布轨迹。
• 只有同一 SegmentIndex 和 TravelDirection 的上一条轨迹可以作为软参考。
• 网页与原生 Painter 均从同一个活动段状态读取高亮和 LS/ST 投影对象。

7.2 换向确认

到达 GearSwitchApproach 后：

1. 车辆位姿必须能在 GearSwitchProjectionToleranceMeters 内投影到换向点邻域。
2. 带符号实际速度绝对值必须不超过 EM 生效配置的 StopSpeedToleranceMetersPerSecond，并持续至少 GearSwitchStopHoldSeconds。
3. 状态机进入“等待下一方向实际运动”状态。
4. 随后实际速度绝对值必须至少为 DirectionConfirmationSpeedMetersPerSecond，符号与下一段一致，且车辆可投影到下一段起始区域。
5. 条件连续满足 DirectionConfirmationSamples 次后，活动段从 N 切换到 N+1。

零速时方向不明确，状态机保持原段；瞬时反号、位置不匹配、丢失定位或不连续样本都会清零确认计数。状态机不得跳段、自动回退或跨越两个换向点。

切段时创建新的分段规划协调状态，清除可执行的旧段发布轨迹；旧轨迹仅作为网页历史证据保留，不传入新段 EM 请求。新段首次规划前网页显示“已确认换向，等待下一段首条轨迹”。

8. 网页信息架构与视觉规范

界面采用已确认的科研绘图风：纯白背景、浅灰细网格、细坐标轴、0.8–1.2 px 曲线、低饱和语义色和论文式多子图。当前轨迹为蓝色实线，上一轮为灰色虚线，交接点和换向点为橙色，红色只表示真实越界或失败。

页面说明、状态、告警、按钮和配置名称使用中文。坐标变量、单位和数学符号保留领域惯例，例如 s (m)、t (s)、κ (m⁻¹)、v (m/s)、a (m/s²)、j (m/s³)。

8.1 路径总览

• 地图、障碍物、粗路径、完整 Local G2 全局路径和实车位姿。
• 已完成方向段为灰色细实线，当前段为蓝色细实线，未来方向段为浅灰虚线。
• 换向点使用带顺序编号的橙色菱形。
• 当前 EM 距离/时间视界实际覆盖区间使用更深蓝色叠加。
• 当前和上一轮 EM 轨迹叠加，并以橙色标出绝对时间交接位置。
• 显示活动 SegmentIndex、前进/倒车方向、纵向模式、终端类型、规划耗时和轨迹年龄。

8.2 LS / ST

• l(s_ref)：将当前已发布 EM 轨迹投影到完整活动方向段后，横向偏移随共享方向段 ReferenceS 的变化。
• PathS(t)：当前规划时域内的实际局部 PathS 随 TimeFromStart 的变化，这是 ST 求解结果使用的坐标。
• 两类横轴必须使用不同标签，网页不得把方向段 ReferenceS 与每轮从局部起点累计的 PathS 混为一谈。
• 标明方向段索引、方向、边界类型和投影失败数。
• LS/ST 只展示当前活动方向段，不跨换向边界拼接。

8.3 曲率与运动学

• κ(s) 与 κ(t)。
• v(t)、a(t)、j(t) 与 yaw rate(t)。
• 对应生效限制以细虚线绘制。
• j[i] 表示真实区间 [tᵢ,tᵢ₊₁)；jerk 曲线点数严格为轨迹点数减一。最后一个轨迹点不绘制伪造的 j=0，而标注“末点后无时间区间”。
• 同图展示实际带符号车速与当前选中轨迹点速度。

纵向加速度与 jerk 由当前主程序集内的 EM Adapter 读取 EmTrajectoryPoint 的现有内部字段并转换成通用曲线 DTO；不为可视化修改 EMPlanner 的公共契约。

8.4 周期历史

最近 VisualizationHistoryCycleLimit 个周期展示：周期号、时间、成功/失败、是否发布、规划耗时、段索引、方向、纵向模式、终端类型、末端速度、末端加速度和失败原因摘要。

8.5 生效配置

配置页只展示本次冻结后真正传给规划器的值，不读取启动后的可编辑字段。每个条目包含中文名称、原始字段名、数值和单位：

• 调度：重规划周期、ST 时域、输出步长、距离视界、求解超时、交接前视时间和状态最大年龄。
• OSQP：最大外层迭代、最大 OSQP 迭代、绝对/相对/严格残差容差、warm start、polish 和 native verbose。
• 车辆与安全：长、宽、安全余量、最大曲率或最小转弯半径。
• 纵向限制与权重：前进/倒车速度、加速度、减速度、jerk、横向加速度、曲率变化率、停车速度容差、零速保持时间及全部 ST 权重。
• 横向限制、走廊参数和全部 LS 权重。
• 地图边界、分辨率、障碍物数量和快照版本。
• 当前地图、参考路径、车辆状态、当前轨迹和上一轨迹 ID。
• 可视化刷新、历史容量和换向确认参数。

9. 滚动规划专项诊断

网页必须把规划语义与数值结果分开显示：

• RollingContinuation 或 ApproachStopBoundary：显示“滚动末端停车硬约束：未启用”，并展示实际末端 v/a。滚动末速为零不单独判定失败，因为车辆状态或最优结果仍可能产生零速；关键证据是纵向模式没有启用精确停车约束。
• ExactStopAtBoundary：显示真实 Goal 或 GearSwitch 停车锚点、稳定段起点和零速稳定区间。
• jerk 图只显示真实区间，末点显示“不适用”，避免把缺失的末端后继区间解释为加加速度约束。
• 当前轮和上一轮按 EffectiveAtUtc + TimeFromStart 对齐，在交接时刻插值并展示世界坐标 Δposition、共享方向段上的 ΔReferenceS、Δv 和 Δa。不得直接比较两轮各自从局部起点累计的 PathS；任一轨迹无法投影到共享方向段时，ΔReferenceS 显示“不可用”。
• 交接指标仅作为观察诊断，不改变规划、发布或执行状态。

10. 错误处理与状态显示

• 可视化启动失败：记录一次中文错误，规划观察继续。
• 快照中单个字段不可用：对应值显示“不可用”，其他图继续刷新。
• 浏览器超过两个预期刷新周期没有收到新帧：显示“数据已过期”及最后时间戳，不把旧值伪装成实时状态。
• 换向确认失败：保持当前段，显示位置、停车保持、速度方向或连续样本中未满足的条件。
• EM 新周期失败：保留上一条成功轨迹，醒目显示本轮状态与未改写的原始失败原因。
• 服务或快照转换异常：本次网页输出熔断关闭，不自动循环重启。浏览器前端异常只在该标签页显示“页面绘图异常”并停止该页重绘；由于服务只接受 GET 且页面没有反向控制通道，前端异常不通知或关闭主进程服务，规划继续且服务器最终由 TestStop() 回收。
• TestStop()：取消规划观察、停止发布、关闭 HTTP/SSE、释放端口；仍连接的页面显示“会话已结束”。

11. 测试策略

11.1 独立可视化类库

新增独立验证宿主，覆盖：

• 类库不引用 MDCS、ClumsyCore、Painter 或 EMPlanner。
• 快照不可变与 JSON 序列化稳定。
• Publish 非阻塞且最新帧容量为 1。
• 历史严格受容量限制。
• 服务只监听回环地址并校验令牌。
• 原始 TCP HTTP 解析器拒绝超大请求头、非 GET 方法、未知路径和错误令牌。
• 慢客户端不阻塞发布者。
• 静态快照不重复进入动态帧。
• 启停、重复停止和端口释放。
• 内嵌页面包含中文说明、科研坐标单位和所有必需页签。

11.2 EM Adapter 与观察任务

扩展 EMPlannerVerificationHost 的 trajectory-observation 检查：

• 生效配置来自冻结快照，并包含本节规定的全部参数组。
• MovementTest、settings 默认值和 README 对 5.0 s / 100000 / 2.0 s / 0.10 s 保持一致。
• rolling、approach、exact-stop 三种模式映射正确。
• jerk 区间数等于轨迹点数减一，末点没有伪造区间。
• 当前/上一轮绝对时间对齐和 Δposition/ΔReferenceS/Δv/Δa 计算正确，且不直接比较两轮局部 PathS。
• 多方向路径完整输出，活动段和当前视界高亮。
• 换向状态机必须满足位置、停车保持和连续方向样本才顺序推进。
• 切段后不复用旧方向段轨迹。
• 可视化关闭时不启动服务或构造快照。
• 网页异常不会终止观察循环。
• 源码审计继续确认没有底盘写方法。

11.3 集成与实车验收

运行：

dotnet run --project ClumsyPilot/tests/TrajectoryPlanningVisualizationVerificationHost/TrajectoryPlanningVisualizationVerificationHost.csproj
dotnet run --project ClumsyPilot/tests/EMPlannerVerificationHost/EMPlannerVerificationHost.csproj -- trajectory-observation
dotnet run --project ClumsyPilot/tests/EMPlannerVerificationHost/EMPlannerVerificationHost.csproj -- em-all
dotnet build ClumsyPilot/ClumsyPilot.csproj -p:ExcludeLegacyAutoAvoidance=true

实车观察清单：

1. 开启网页、关闭原生 Painter，确认页面地址、令牌和中文科研风界面。
2. 确认全局路径所有方向段可见，当前段和本轮规划视界高亮。
3. 观察 RollingContinuation -> ApproachStopBoundary -> ExactStopAtBoundary，确认滚动末点未显示停车硬约束。
4. 确认 j(t) 最后一个区间结束于最后一个轨迹点之前，不出现虚假 point-21 后继区间或 JerkLimitExceeded。
5. 在真实换向场景确认状态机先等待停车，再以连续实际运动方向样本推进至下一段。
6. 断开或关闭浏览器，确认规划周期和耗时无异常变化。
7. 停止 MovementTest，确认服务退出、端口释放且无底盘命令。

12. 完成标准

• 独立类库、EM Adapter、多段观察和网页看板均按上述边界实现。
• 所有自动化验证通过，主项目构建成功。
• 页面使用中文说明和科研绘图规范，数学符号与单位准确。
• 滚动末端语义、jerk 区间语义和换向分段高亮均能由页面直接观察。
• 可视化关闭或失败时不改变 EM 规划行为。
• 源码和运行时证据均证明 OBSERVE_ONLY 不变。
• 插件包包含 ClumsyPilot.dll、TrajectoryPlanningVisualization.dll、固定 OSQP 运行时及许可证，且没有遗漏新增托管依赖。