淺談空間信息在室內(nèi)定位中的可行性

李司宇

（北京市北京建筑大學(xué)，北京110000）

1 概述

目前，室內(nèi)定位技術(shù)主要包括基于iBeacon 的藍(lán)牙技術(shù)，基于RFID 的射頻技術(shù)，基于Wi-Fi 的指紋定位技術(shù)，超聲波技術(shù)以及UWB超寬帶技術(shù)等。但由于城市化進(jìn)程不斷加快，大型建筑物結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，單一的定位方案不足以滿足定位需要，因此諸多專家學(xué)者將研究轉(zhuǎn)移到多種定位方法融合上，發(fā)揮各自方法的優(yōu)勢(shì)以實(shí)現(xiàn)更好的定位效果。但這種方案耗能快，耗費(fèi)人力物力，會(huì)產(chǎn)生大量的成本。而建筑信息模型對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物不僅可以提供真實(shí)且直觀的三維定位場(chǎng)景，其中蘊(yùn)含的空間信息也可以為室內(nèi)定位提供輔助支持。

2 室內(nèi)定位的研究現(xiàn)狀

2.1 基于iBeacon 的室內(nèi)定位技術(shù)

iBeacon 是apple 公司在2013 年發(fā)布的一種基于低功耗藍(lán)牙的室內(nèi)定位技術(shù)，其工作方式是通過低功耗藍(lán)牙的通信功能讓附近的移動(dòng)端設(shè)備檢測(cè)到由iBeacon 信標(biāo)發(fā)出的藍(lán)牙信號(hào)，通過軟件和硬件的結(jié)合以提高室內(nèi)定位的精度。事實(shí)上，iBeacons 技術(shù)更像一種典型的基于網(wǎng)絡(luò)鄰近性的服務(wù)，移動(dòng)端設(shè)備將根據(jù)與某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的距離來獲取數(shù)據(jù)。從定位方法來看，藍(lán)牙定位主要使用三邊定位算法。目前，藍(lán)牙定位技術(shù)由于其低成本，低功耗，安全性高的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)如醫(yī)院、工廠、會(huì)展、智慧大樓、博物館、展覽館、幼兒園、養(yǎng)老院、監(jiān)獄等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并提供了較為完善的室內(nèi)定位解決方案。

2.2 基于Wi-Fi 的室內(nèi)定位技術(shù)

Wi-Fi 定位技術(shù)是目前相對(duì)成熟且應(yīng)用較廣的一種室內(nèi)定位技術(shù)，近幾年成為眾多研究機(jī)構(gòu)的室內(nèi)定位首選方案。Wi-Fi 的定位機(jī)制和藍(lán)牙定位類似，都是基于RSSI 的定位方法，但Wi-Fi 信號(hào)由于其單天線、帶寬小以及較為復(fù)雜的室內(nèi)信號(hào)傳播環(huán)境使得傳統(tǒng)的基于到達(dá)時(shí)間/到達(dá)時(shí)間差（TOA/TDOA）的測(cè)距方法難以實(shí)現(xiàn)，而如果部署可定向的天線設(shè)備又會(huì)產(chǎn)生較高費(fèi)用。因此，Wi-Fi 一般采用位置指紋法進(jìn)行定位。Wi-Fi 定位可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位，方便組網(wǎng)，很容易架設(shè)在現(xiàn)有的無線Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。目前在醫(yī)療領(lǐng)域、游樂場(chǎng)、車間、大型購(gòu)物商場(chǎng)等需要定位導(dǎo)航的室內(nèi)場(chǎng)景已經(jīng)開始得到廣泛應(yīng)用。用戶在使用智能手機(jī)時(shí)開啟過Wi-Fi、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術(shù)具有便于擴(kuò)展、可自動(dòng)更新數(shù)據(jù)、成本低的優(yōu)勢(shì)，因此最先實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；?。

2.3 基于RFID的射頻定位技術(shù)

RFID（radio frequency Identification，射頻識(shí)別）技術(shù)是一種非接觸的非視距（NLOS）技術(shù)，用于檢測(cè)特定區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽的存在。它使用無線電波從射頻兼容集成電路（即射頻識(shí)別標(biāo)簽）傳輸信息。該技術(shù)硬件主要由RFID閱讀器和RFID標(biāo)簽組成。RFID 閱讀器與可檢測(cè)范圍內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行通信，并將從標(biāo)簽收集的信息發(fā)送到主機(jī)。需要監(jiān)視的對(duì)象由RFID標(biāo)簽標(biāo)記。RFID標(biāo)簽是一種帶天線的集成電路。每個(gè)RFID標(biāo)簽都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符（ID）。RFID標(biāo)簽可以分為主動(dòng)標(biāo)簽和被動(dòng)標(biāo)簽。主動(dòng)標(biāo)簽由自己的電池供電，因此可以在更遠(yuǎn)的距離內(nèi)檢測(cè)到。無源RFID標(biāo)簽在沒有電池的情況下工作，它接收來自RFID閱讀器的RF 信號(hào)并作出響應(yīng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和自身特點(diǎn)的提高，RFID 技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于室內(nèi)定位。

2.4 超聲波定位

不同于前述定位技術(shù)，超聲波定位是一種基于機(jī)械波的定位方式，其可以在氣體、液體和固體中傳播，主要利用超聲波的測(cè)距方法，并根據(jù)距離通過算法來計(jì)算出待測(cè)物體的位置，超聲波測(cè)距主要有反射式測(cè)距法和單項(xiàng)測(cè)距法兩種方案。其中，反射式測(cè)距法就是向待測(cè)物體發(fā)射超聲波，同時(shí)接收被測(cè)物體產(chǎn)生的回波，利用發(fā)射波與回?fù)艿臅r(shí)間間隔得到待測(cè)距離。而單向測(cè)距法可以實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)測(cè)距，將不少于三個(gè)且不在同一直線上的接收器部署完成，就可以求出被測(cè)物的具體位置。雖然超聲波定位可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)厘米級(jí)精度，但是其定位范圍容易受到傳輸過程中信號(hào)衰減的影響。

2.5 UWB超寬帶定位

UWB（UltraWideBand，超寬帶）是一種以極低功率在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。UWB 定位技術(shù)主要包括接收器、參考標(biāo)簽和主動(dòng)標(biāo)簽，標(biāo)簽發(fā)射UWB 信號(hào)，但電磁波傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲干擾，接收器收到后過濾信號(hào)后并將噪聲過濾以獲得有效的信號(hào)值，最終利用中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位。UWB具有較強(qiáng)的抗干擾能力、較高的傳輸速率、耗能低等諸多優(yōu)勢(shì)，可以有效避免現(xiàn)有的基于RSSI 定位技術(shù)所面臨的“穿墻問題”。并且，超寬帶定位的精度可以高達(dá)十幾厘米，在眾多無線定位技術(shù)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，但目前超寬帶技術(shù)還處于發(fā)展階段，相關(guān)定位算法還有待改進(jìn)。

3 空間信息在室內(nèi)定位中的應(yīng)用

3.1 空間信息的提取與三維路網(wǎng)的構(gòu)建

由于建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，現(xiàn)有的基于RSSI 的室內(nèi)定位技術(shù)在定位場(chǎng)景大多會(huì)存在信號(hào)衰減的問題，造成“穿墻”、“飛天”等不合理的定位結(jié)果。雖然UWB超寬帶技術(shù)及融合定位可以有效避免這種問題，但由于其較高的成本仍然無法被廣泛使用。建筑地圖包含著豐富的幾何和語義信息，是三維室內(nèi)地圖模型中空間信息的理想來源。因此，我們從前面建立的BIM模型中提取出構(gòu)建路網(wǎng)所需的數(shù)據(jù)，包括樓梯、電梯、房間、門等節(jié)點(diǎn)的信息。根據(jù)提取的節(jié)點(diǎn)類型，將信息分為幾何信息、語義信息和拓?fù)湫畔?，存?chǔ)在PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中三維路網(wǎng)模型信息的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如表1 所示。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息的提取是將BIM模型轉(zhuǎn)換為*.obj 格式，然后導(dǎo)入Blender V2.78，這是一個(gè)免費(fèi)的開源三維創(chuàng)建工具包，支持整個(gè)三維流水線的建模、裝配、動(dòng)畫、仿真、渲染、合成和運(yùn)動(dòng)跟蹤。最后，利用WebGL在三維BIM場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)模型的可視化。三維道路網(wǎng)的骨架如圖1 所示。

表1 PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中部分三維路網(wǎng)地圖模型信息的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

圖1 室內(nèi)路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的單層分布

作為室內(nèi)定位導(dǎo)航的應(yīng)用場(chǎng)景，室內(nèi)路網(wǎng)模型的構(gòu)建不僅考慮了路網(wǎng)的可視化效果，還考慮了如何與室內(nèi)定位導(dǎo)航相結(jié)合。由于路網(wǎng)模型是從室內(nèi)拓?fù)潢P(guān)系中抽象出來的，因此在室內(nèi)路網(wǎng)模型中，用戶的室內(nèi)位置可能不是完全定位的。因此，本文提出在室內(nèi)三維路網(wǎng)中增加位置節(jié)點(diǎn)，確定用戶與室內(nèi)地圖模型的相對(duì)位置關(guān)系，并將用戶的位置信息鏈接到路網(wǎng)模型中最近的位置節(jié)點(diǎn)，作為后續(xù)室內(nèi)導(dǎo)航工作的基礎(chǔ)。如圖所示。同時(shí)，為了更好的匹配用戶的位置信息，我們考慮行人的步行習(xí)慣。在水平方向，行人平均步數(shù)約為0.5m，因此我們將走廊中節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)置為0.5m；在垂直方向，我們?cè)跇翘莸拿總€(gè)臺(tái)階上設(shè)置一個(gè)位置節(jié)點(diǎn)。除了匹配用戶的位置信息外，位置節(jié)點(diǎn)還可以用來估計(jì)用戶的步行距離。常用的室內(nèi)路徑計(jì)算方法通常采用網(wǎng)格或節(jié)點(diǎn)模型來計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與目的地之間的歐氏距離。但在實(shí)際應(yīng)用中，歐元距離不能完全代表用戶的步行距離，盡管在實(shí)際路徑規(guī)劃中，用戶的步行距離比歐元距離具有更好的參考價(jià)值。因此，本文通過計(jì)算用戶路徑中位置節(jié)點(diǎn)之間的間隔數(shù)來估計(jì)用戶所需的步行距離。步行距離是節(jié)點(diǎn)之間的間隔數(shù)乘以步長(zhǎng)0.5m，如圖2 所示。

3.2 基于空間信息約束的室內(nèi)定位方法

空間信息約束方法主要利用地圖中墻、門的幾何拓?fù)湫畔⒑腿S真實(shí)地圖中的位置點(diǎn)進(jìn)行校正。通過提取建筑物信息，建立三維室內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)模型，將行人運(yùn)動(dòng)軌跡抽象為道路網(wǎng)絡(luò)，并將其顯示在道路中間。根據(jù)行人習(xí)慣，在路網(wǎng)上每隔0.5m設(shè)置一個(gè)行人點(diǎn)，將行人可以到達(dá)的位置抽象為一個(gè)點(diǎn)。然后，利用空間兩點(diǎn)距離公式，將測(cè)試點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的位置點(diǎn)進(jìn)行匹配，得到SA1 到SAn的距離，如圖5 所示。使用數(shù)據(jù)庫(kù)中的門節(jié)點(diǎn)或臺(tái)階點(diǎn)節(jié)點(diǎn)（x0，y0，z0）投影和校準(zhǔn)計(jì)算的初始坐標(biāo)（xt，yt，zt）。公式如下：

最后將初始位置A修改為最近的目標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)地圖對(duì)定位結(jié)果的空間信息約束，提高定位精度以用于室內(nèi)路徑導(dǎo)航。圖3是空間信息約束的示意圖。

圖2 室內(nèi)路網(wǎng)中待匹配步行節(jié)點(diǎn)的單層分布

圖3 空間信息約束示意圖

4 結(jié)論

本文概述了目前幾種主流的室內(nèi)定位方法，同時(shí)提出了一種空間信息約束方法作為輔助定位。雖然目前室內(nèi)定位領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但考慮到成本、精度、部署便捷性仍有諸多發(fā)展空間，基于空間約束信息的定位技術(shù)雖然尚處于發(fā)展階段，但由于其低成本與豐富的室內(nèi)語義信息仍然會(huì)成為室內(nèi)定位技術(shù)研究的重要一環(huán)。