張興曄

中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司

0 引言

隨著智能手機(jī)的普及，互聯(lián)網(wǎng)公司的飛速發(fā)展，基于GPS定位的室外位置服務(wù)已經(jīng)深入人們的生活，使人們在陌生的環(huán)境下依然隨時可以快速精準(zhǔn)地找到目的地。當(dāng)人們處于大型商場、會展等場所時，面對并不熟悉的內(nèi)部環(huán)境，同樣渴望位置服務(wù)來繼續(xù)提高其出行效率。因此，如何找到適用于室內(nèi)的定位技術(shù)，是一件亟待解決的事情。

相較之下，會展中心是一個城市中人流量集中、業(yè)務(wù)量大，且地形多變的建筑體。尤其是會展中心在空間上有著“空”和“大”的顯著特點，展廳不但高、跨度也大，同時基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、地下停車場等配套空間位置復(fù)雜，對于參展人員和觀眾等在如此復(fù)雜的空間中如何精確、高效地找到所需的目標(biāo)地址，是本方案研究的重點，因此在該場景下研究及實現(xiàn)智能室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)具有重大意義。

1 室內(nèi)定位技術(shù)簡介

當(dāng)前常用的室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)有四種：

（1）WIFI定位：WIFI定位依靠AP與手機(jī)的通信來實現(xiàn)，雖然目前公共場所的WIFI已普及，但單個AP的設(shè)備成本依然不便宜，AP部署更多的是考慮WIFI的信號覆蓋面，遠(yuǎn)達(dá)不到三角定位算法要求的部署規(guī)范。要獲得較精準(zhǔn)的定位，需大量采集點位信號建立數(shù)據(jù)庫，通過信號點的強(qiáng)度與數(shù)據(jù)庫的匹配度來確定手機(jī)的位置。由于WIFI信號極易受環(huán)境的影響，且需要大量的人工進(jìn)行定期維護(hù)，導(dǎo)致該技術(shù)難以發(fā)展，且精度只能達(dá)到5-10米。

（2）藍(lán)牙定位：藍(lán)牙定位主要依靠藍(lán)牙信標(biāo)與智能手機(jī)的通信。藍(lán)牙信標(biāo)不停的對外廣播自己的ID，終端獲得附近信標(biāo)的ID后會從云端后臺拉取ID對應(yīng)的位置信息，并估算與各信標(biāo)之間的距離。因此，只需要終端附近有三個或以上信標(biāo)，就可以計算出終端的具體位置。

（3）慣性定位：這是一種純客戶端的技術(shù)，主要利用移動終端慣性傳感器采集的運(yùn)動數(shù)據(jù)，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息，基于航位推測法，經(jīng)過各種運(yùn)算得到終端的位置信息。但終端難以保證時刻處于勻速運(yùn)動的狀態(tài)，隨著距離和時間的增加，定位的誤差會不斷累積。

（4）地磁定位：地磁定位技術(shù)通過捕捉“室內(nèi)地球磁場”的特征來實現(xiàn)定位。通過手機(jī)端的地磁傳感器采集室內(nèi)不同位置的磁場數(shù)據(jù)，從而匹配出手機(jī)在空間中的相對位置。但地磁信號本身易受室內(nèi)環(huán)境變化的影響，從而對位置的獲取產(chǎn)生較大影響。

以上四種定位技術(shù)的特點從經(jīng)濟(jì)性、精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性幾個方面來比較的結(jié)果如表1所示。

表1 定位技術(shù)對比

目前主流的藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)可以簡單分為兩大類：基于指紋匹配的定位技術(shù)和基于測距的三角定位技術(shù)。

（1）指紋定位技術(shù)：基于指紋匹配的定位技術(shù)由離線與在線兩個階段構(gòu)成。離線階段即指紋庫采集階段，首先進(jìn)行定位區(qū)域的網(wǎng)格劃分，然后采集不同網(wǎng)格的信號特征值，將采集得到的信號建立定位指紋庫，特征值可為RSSI或者距離等信息。在線階段即指紋定位階段，測量信號特征值，將測量的信號特征值與指紋庫中的預(yù)存信息進(jìn)行指紋匹配，根據(jù)匹配算法得到終端坐標(biāo)位置。

特點：需在前期采集指紋數(shù)據(jù)，建立指紋數(shù)據(jù)庫。指紋數(shù)據(jù)易受環(huán)境變化影響，若場內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場改造，原始的指紋數(shù)據(jù)庫將不再適用，將會造成定位結(jié)果的混亂。

適用場景：小體量、層高偏高、室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的場景。

（2）三角定位技術(shù)：基于測距的定位算法，主要是根據(jù)場內(nèi)設(shè)備所發(fā)射的RSSI建立距離轉(zhuǎn)化模型。在實時定位的過程中，當(dāng)手機(jī)終端進(jìn)入藍(lán)牙設(shè)備覆蓋的范圍時，可以接收到周邊無數(shù)個設(shè)備的RSSI，通過手機(jī)終端內(nèi)置的藍(lán)牙掃描算法多次篩選出RSSI值最大的三個設(shè)備，并獲取其對應(yīng)的坐標(biāo)點，再通過其他的一些輔助方法來計算出終端的當(dāng)前位置。

特點：室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，而藍(lán)牙作為2.4GHZ高頻信號，會受到較大的干擾，為獲得很高的定位精度，算法需對手機(jī)實時獲取到的RSSI值進(jìn)行多次獲取來平滑結(jié)果，造成定位計算時長的增加。優(yōu)點是在室內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化時，定位結(jié)果的精準(zhǔn)性受到的影響非常小。

適用場景：超大體量、室內(nèi)環(huán)境變化大的場景。

由于會展的建筑體量大，且因展館內(nèi)的地面隨時布展，環(huán)境變化大且頻繁，綜合考慮人力成本、時間成本、定位延時等因素，三角定位技術(shù)較適用于會展中心的室內(nèi)定位。

綜上所述，藍(lán)牙具有功耗低、安全性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點，現(xiàn)在的智能手機(jī)都帶有藍(lán)牙模塊，加上大的廠商如蘋果、騰訊對基于藍(lán)牙的Ibeacon（蘋果公司提出的低功耗藍(lán)牙技術(shù)）定位技術(shù)的支持，設(shè)計一套基于低功耗藍(lán)牙室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)是個很好的選擇。

2 系統(tǒng)簡介

本案例以深圳國際會展中心為試點，深圳國際會展中心位于深圳市寶安區(qū)福海街道，建筑面積160萬平方米，展廳面積40萬平方米，是集展覽、會議、活動（賽事、演藝等）、餐飲、商業(yè)等于一體的超大型會展綜合體。通過在展廳、廊道、登錄廳、地下停車場部署藍(lán)牙設(shè)備，構(gòu)建藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)，搭建云服務(wù)平臺和智能終端，實現(xiàn)會展中心智能室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)由藍(lán)牙信標(biāo)、云服務(wù)平臺（電子地圖數(shù)據(jù)及定位算法）、智能終端三個重要部分組成。

（1）藍(lán)牙信標(biāo)：部署在室內(nèi)，做為定位基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，向外發(fā)送自己的MAC（Media Access Control Address，媒體存取控制位址）地址等ID信息及RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信號強(qiáng)度指示）等信號特征。

（2）云服務(wù)：存儲定位算法及電子地圖數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)為應(yīng)用提供地圖數(shù)據(jù)、藍(lán)牙信標(biāo)點位數(shù)據(jù)等服務(wù)。

（3）智能終端：通過獲取到的定位數(shù)據(jù)以及用戶應(yīng)用操作提供停、尋車等基于位置的服務(wù)。

3.2 硬件選型

實現(xiàn)室內(nèi)定位的前提是在整個建筑的全部室內(nèi)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙信號覆蓋?？紤]到會展中心的室內(nèi)環(huán)境及對美觀的要求，在硬件的采用上，選擇了具有一定防水性能的室內(nèi)信標(biāo)，信標(biāo)信息如表2所示。

表2 硬件技術(shù)參數(shù)

4 系統(tǒng)實施

考慮到微信的普及性及用戶使用導(dǎo)航的便利性，本次導(dǎo)航應(yīng)用的研究決定搭載微信小程序。

4.1 藍(lán)牙信標(biāo)部署

4.1.1 點位設(shè)計

（1）展館內(nèi)

綜合考慮展館內(nèi)的環(huán)境，展館中間區(qū)域的點位需沿著地溝設(shè)計。鑒于地溝蓋板的密封性，按點位間隔5米的標(biāo)準(zhǔn)呈直線型設(shè)計。同時，考慮到密閉空間的防潮，溝內(nèi)藍(lán)牙點位需考慮防水性能好的設(shè)備。展館靠近各進(jìn)出門的點位沿著門墻，按間隔6米一個點位的標(biāo)準(zhǔn)呈直線型設(shè)計，無須特別考慮防水。

圖1 展廳點位設(shè)計圖

（2）展館外步行區(qū)域

展館外的連廊等步行區(qū)域，寬度約為30米以上。6米以內(nèi)的過道單條線性部署，大于6米的過道采用交叉部署的原則，該區(qū)域的點位最終按6米的線性點位間隔，9米的交叉點位設(shè)計。如圖2所示。

圖2 展館連廊區(qū)域點位設(shè)計圖

（3）停車場

因停車場存在開車及步行兩種導(dǎo)航需求，而開車的速度較步行快很多，因此在停車場的點位設(shè)計上，需要做加密處理。經(jīng)反復(fù)測試，最終將藍(lán)牙點位的間隔設(shè)為4米，點位沿著車道呈直線型設(shè)計。

4.1.2 設(shè)備安裝

根據(jù)藍(lán)牙信標(biāo)的信號發(fā)射特點，最好的安裝方式是吸頂式安裝在5米以內(nèi)的天花板上。但現(xiàn)實往往難以達(dá)到理想的條件，需要因地制宜，參照點位設(shè)計在天花板、墻壁、立柱、扶梯或地上尋找合適的安裝位置?，F(xiàn)選取幾處典型說明針對性的處理方式。

（1）7米高的吊頂

會展中心一樓的走廊為典型的超高吊頂，層高約7米，超出藍(lán)牙信標(biāo)覆蓋的最佳距離不多。該區(qū)域依然采用天花板吸頂式安裝，安裝前將對應(yīng)的天花板區(qū)域用抹布除塵，用3M強(qiáng)力膠將藍(lán)牙信標(biāo)固定。

（2）10米以上空高的區(qū)域

會展中心二樓的連廊區(qū)域為典型的空高吊頂，整個層高在20米以上，完全超出藍(lán)牙信標(biāo)吸頂部署的操作范疇，該區(qū)域便在地面處尋找安裝點。直接安裝于地面會影響用戶行走，存在安全隱患，若安裝于兩側(cè)圍欄面，則會影響美觀。最終選擇在步梯外側(cè)及欄桿底部安裝，設(shè)備與地面保持平行，同樣采用3M膠粘的方式。

4.2 地圖服務(wù)搭建

定位導(dǎo)航系統(tǒng)的呈現(xiàn)需要精準(zhǔn)的地圖進(jìn)行支撐，而制作精準(zhǔn)的地圖則需要準(zhǔn)確、完善的現(xiàn)場資料信息。參照CAD圖紙對現(xiàn)場進(jìn)行核實比對，然后采用wgs84坐標(biāo)系進(jìn)行地圖的繪制工作。地圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理完成后，再進(jìn)行引擎調(diào)用及處理，生成輕量的2D、3D矢量地圖，供前端程序調(diào)用。

4.3 終端功能實現(xiàn)

實時計算智能終端精準(zhǔn)位置的最終目的是為了實現(xiàn)用戶從A點到達(dá)B點的路徑指引。本次研究主要圍繞地圖展示、實時導(dǎo)航、位置分享等核心的位置服務(wù)功能，結(jié)合用戶在場景內(nèi)差異化的需求，實現(xiàn)人性化的智能導(dǎo)航服務(wù)。

4.3.1 地圖展示

用戶可通過小程序掃碼的形式進(jìn)入導(dǎo)航地圖。定位完成后，用戶在可進(jìn)行場館地圖查看，POI信息查詢等功能，并支持手動對地圖進(jìn)行360度的旋轉(zhuǎn)、平移、任意比例的放大、縮小等操作。

4.3.2 便捷檢索

為滿足用戶找得到的基本訴求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了以下幾種便捷檢索方式，如周邊查詢、POI查詢、關(guān)鍵字查詢、歷史搜索等。用戶可結(jié)合個人的使用習(xí)慣和偏好進(jìn)行信息檢索，以滿足不同使用場景的需要。

4.3.3 實時導(dǎo)航

選定目的地后，可進(jìn)入實時導(dǎo)航。整個導(dǎo)航過程中，在關(guān)鍵節(jié)點特別是需要轉(zhuǎn)彎的地方，伴隨語音提示轉(zhuǎn)向信息。同時，在場內(nèi)定位成功后，用戶可將自己當(dāng)前定位或某個POI的位置，通過微信發(fā)送給朋友。

4.3.4 尋車導(dǎo)航

針對會展中心尋車難的問題，將藍(lán)牙定位導(dǎo)航系統(tǒng)與車位引導(dǎo)系統(tǒng)打通，為用戶提供自助便捷的尋車服務(wù)。用戶可隨時隨地通過微信小程序?qū)崿F(xiàn)查詢附近空車位、找車、找最近客梯最近出口等服務(wù)。主要實現(xiàn)了號牌尋車和找空車位功能。

5 實施難點及解決方案

深圳國際會展中心的室內(nèi)導(dǎo)航實施難點在于整個項目的面積非常龐大，場景復(fù)雜多變，層高過高且整體空曠，導(dǎo)致無法按常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)來部署設(shè)備，容易出現(xiàn)跳點、卡頓等現(xiàn)象，影響整體的定位導(dǎo)航體驗。通過程序優(yōu)化、硬件部署等進(jìn)行了優(yōu)化，避免跳點、卡頓等現(xiàn)象。

（1）設(shè)備部署難點及解決方案

難點：會展中心的行業(yè)特性注定了其展館區(qū)域存在展臺不固定、可變動性大的特點，并且展館內(nèi)的天花板與地面的高度差在12米以上。藍(lán)牙設(shè)備無法部署于展館內(nèi)的天花板上。若采用在開展前將設(shè)備側(cè)貼于展臺上的部署方式，則存在臨時布展設(shè)備壓力大，反復(fù)拆裝人力成本高，且設(shè)備可能會大量遺失的問題。

解決方案：將藍(lán)牙信標(biāo)部署于館內(nèi)的分布均勻的地溝內(nèi)。

考慮到地溝內(nèi)的環(huán)境及蓋板材質(zhì)對信號的阻隔，設(shè)計將藍(lán)牙信標(biāo)鋪在覆蓋地溝的蓋板反面。設(shè)備間隔5米布設(shè)一個，信號值調(diào)高一個級別，且所有信標(biāo)采用天線方向為平行的防水設(shè)備，最大限度減少藍(lán)牙信號的衰減。如圖3所示。

圖3 展館內(nèi)設(shè)備部署圖

（2）定位點飄移及解決方案

難點：由于藍(lán)牙信標(biāo)的信號是周期性廣播的，當(dāng)同一封閉空間內(nèi)的信標(biāo)數(shù)量較多時，極其造成相互間的干擾，使得定位計算獲取到的位置信息變化較多，所以在測試中發(fā)現(xiàn)手機(jī)靜止不動時，定位點一直在地圖上跳動，跳動范圍在3-10米。

解決方案：在定位算法中融入慣性定位算法，并優(yōu)選更多信號點來參與計算，判斷手機(jī)是否進(jìn)行了移動等，迅速解決了定位點飄移的現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

結(jié)合深圳國際會展中心復(fù)雜多變的室內(nèi)環(huán)境，反復(fù)分析用戶在室內(nèi)的實際需求，基于藍(lán)牙定位技術(shù)實現(xiàn)了智能化的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)。經(jīng)實際測試使用，該系統(tǒng)在90%以上的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了1-2米的定位精準(zhǔn)度，在部分安裝設(shè)備不理想的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了3-5米的定位精準(zhǔn)度，且展館在布展后無須任何信號調(diào)整、設(shè)備補(bǔ)點等維護(hù)性工作，亦可達(dá)到2米左右的定位精度。大大滿足了為布展、開展、逛展等群體提供目的地指引的室內(nèi)定位導(dǎo)航需求。

該室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的獨立性及高兼容性，使得其可以輕松接入會展運(yùn)營方、展會主辦方的宣傳窗口，從而為自己的宣傳平臺賦能。進(jìn)而提高了會展運(yùn)營方及展會主辦方信息化系統(tǒng)建設(shè)的能力、提升自己的品牌形象。