智慧博物館視閾下室內(nèi)定位的技術方法探析

摘 要 室內(nèi)定位技術在智慧博物館的智能庫房管理、智慧展廳導覽、觀眾精準畫像與分析等領域起著基礎且核心的作用。本文梳理了室內(nèi)定位技術的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納了主流室內(nèi)定位技術分類及對比，分析了智慧博物館室內(nèi)定位的內(nèi)涵，著重對博物館觀眾“人”的室內(nèi)定位進行了需求梳理，重點分析與闡述了適用于博物館“人”的室內(nèi)定位之技術，即藍牙信標+地磁+PDR的多模態(tài)融合定位技術，最后結(jié)合實際測試驗證了所選技術方法的可行性，以期為智慧博物館室內(nèi)定位方案提供參考和借鑒。

關鍵詞 智慧博物館 室內(nèi)定位技術 定位方法探析

0 引言

當下，定位及導航服務已深入人心。相較于室外導航，人們70%-80%的時間均處于室內(nèi)[1]，對室內(nèi)定位的需求日益緊迫，尤其隨著“博物館熱”的持續(xù)升溫，觀眾面對博物館這樣一個陌生的大型室內(nèi)空間時更是如此。傳統(tǒng)的標識牌指引已顯落伍，先進室內(nèi)定位技術的運用無疑對博物館觀眾的參觀、導覽乃至大數(shù)據(jù)分析都具有重要的意義。而在智慧博物館的時代背景和建設框架下，博物館對室內(nèi)定位技術提出了更高要求：在廣度上，由物的定位（如藏品定位）擴充到人的定位（如觀眾定位），且更加著重于人的定位數(shù)據(jù)感知;在深度上，定位的精度標準不斷提高，定位數(shù)據(jù)的融合日益深入，定位信息的交互更加多元互通，定位應用范圍日漸廣泛。室內(nèi)定位技術在智慧博物館的智能導覽、智慧展廳、觀眾精準畫像與分析等諸多領域起著基礎且核心的作用。

1 室內(nèi)定位技術的發(fā)展現(xiàn)狀、分類及方法

顧名思義，室內(nèi)定位是相對于室外定位而言的。室外定位最常見的是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和移動運營商的基站定位技術。移動互聯(lián)網(wǎng)時代，在內(nèi)置GPS的移動設備迅速普及的背景下，基于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的室外定位早已成熟和規(guī)?；瘧?，如：谷歌地圖、Here地圖及國內(nèi)的百度地圖等，給人們帶來了極大便利。然而，人們大部分時間處于室內(nèi)，隨著定位更加精細化和個性化，室內(nèi)定位需求日益迫切。但在室內(nèi)環(huán)境中，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)易受到建筑物的遮擋和多徑效應的影響[2]，信號精度會急劇下降;移動通信基站定位技術本身的精度誤差比衛(wèi)星導航更大，亦不能滿足更高的定位需求。因此，專門針對室內(nèi)定位技術方法的研究與應用得到迅猛發(fā)展。

室內(nèi)定位一般是指使用藍牙、紅外、Wi-Fi、RFID、超聲波等單一或綜合技術及其應用系統(tǒng)，以此提供位置服務（LBS），實現(xiàn)室內(nèi)人員和物品的精準物理空間的感知定位。1993年，西門子公司研制了紅外定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)冶金工業(yè)機械設備的準確定位。1996年，美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）制定了E-911[3]定位標準，有力推動了室內(nèi)定位技術的發(fā)展。2003年Anastasi G等人[4]使用藍牙技術開發(fā)了BIPS定位系統(tǒng)，建立了一種室內(nèi)定位的服務框架。2012年，Google公司在谷歌地圖中采用了Wi-Fi室內(nèi)定位技術和室內(nèi)地圖，僅一年就已在北美和歐洲一萬多家大型場館中應用[5]。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)熱潮，RFID定位逐漸興起，貝頻公司利用無線射頻和低頻定位的RFID技術，開發(fā)了RFID區(qū)域人員智能定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了對人員自動識別和區(qū)域性定位。在博物館室內(nèi)定位方面，徐方[6]等人設計了一種基于Wi-Fi的博物館觀眾實時定位系統(tǒng)，位置精度可達厘米級，時間精度可達皮秒級。葉子[7]針對博物館現(xiàn)有導覽系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出了一種綜合性的室內(nèi)定位方法，在此基礎上研究并開發(fā)了基于Android的博物館移動導覽系統(tǒng)，實現(xiàn)了綜合性室內(nèi)定位、數(shù)字化集成展示及信息共享等功能，幫助用戶在博物館內(nèi)實現(xiàn)自助導覽。

室內(nèi)定位技術的分類對厘清室內(nèi)定位技術的發(fā)展沿革乃至未來發(fā)展趨勢具有重要的作用。Hightower和Borriello在2001年就提出了室內(nèi)定位的分類體系以幫助位置服務開發(fā)者在選擇室內(nèi)定位系統(tǒng)時更好地評估定位性能[8]。此后，眾多研究者和技術人員依據(jù)技術不同的發(fā)展時期，分別從不同的角度提出了室內(nèi)定位技術的具體分類（表1）。

相信隨著室內(nèi)定位技術的快速發(fā)展與應用，更多的定位方法會被提出，相應的分類標準也在不斷完善[9]。目前常用的室內(nèi)定位技術既有傳統(tǒng)的經(jīng)典技術，也有層出不窮的新技術。這些室內(nèi)定位技術采用的工作原理主要有鄰近探測法、質(zhì)心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點法、指紋定位法和航位推算法[10]等。主流室內(nèi)定位技術及對比見表2。

2 智慧博物館室內(nèi)定位技術方法探析

傳統(tǒng)的博物館室內(nèi)定位較多局限于“物”的定位，如藏品的位移定位與出入庫管理、柜架定位、運行設備的定位以及其他相關物的定位等，而智慧博物館遵循“以人為本”的“物、人、數(shù)據(jù)”動態(tài)雙向多元信息傳遞模式[11]，在智慧博物館的視閾下，室內(nèi)定位的內(nèi)容不僅包括“物”的定位，且更加注重于“人”的定位和定位“數(shù)據(jù)”的應用。其中，“人”的定位包括館內(nèi)工作人員的定位、來館參觀觀眾的定位以及其他人員的定位。博物館空間錯綜復雜，人們難以快速獲知自身所處的位置和周邊狀況，因此對博物館周邊室外以及室內(nèi)空間的定位需求日漸迫切，對定位精度和響應速度的要求也越來越高。數(shù)據(jù)，毋庸置疑發(fā)揮著賦能博物館“智慧”的支撐性關鍵性作用。在智慧博物館中，數(shù)據(jù)的一個重要來源即直接仰賴于室內(nèi)定位等智能感知技術設備的采集，定位“數(shù)據(jù)”可直接服務于博物館突發(fā)事件處理、應急響應等館內(nèi)管理，更可用于分析觀眾行為、描繪觀眾畫像、科學評價展覽效果、開展智能導覽、監(jiān)控庫房安全、開展智慧庫房管理等諸多應用場景。

相較于傳統(tǒng)的“物”的定位，智慧博物館更注重“人”的定位尤其是觀眾的室內(nèi)定位，針對博物館觀眾開展室內(nèi)定位可直接提升觀展體驗、服務參觀需求，繼而大幅提高博物館服務水平，同時可為博物館累積大量用戶基礎數(shù)據(jù)、為后續(xù)進行個性化信息發(fā)布推送乃至辦展提供重要參考。針對觀眾的博物館室內(nèi)定位需求可以分為導航、導視和導覽三大類，具體描述見表3。

在導航定位方面，智慧博物館致力于實現(xiàn)“室內(nèi)室外一張圖”的無縫鏈接。要實現(xiàn)定位系統(tǒng)“全流程、全覆蓋、高可靠、高精度”的建設目標并保證實時連續(xù)定位，在具體建設層面就要依據(jù)博物館的室內(nèi)與室外多種環(huán)境和時空區(qū)域的特點，在不同的時間和空間維度考慮采用不同的定位技術。同時，通過對國內(nèi)外室內(nèi)定位的方法理論分析和實踐現(xiàn)狀的調(diào)研可知，單純運用某一種室內(nèi)定位技術，在響應時效、適用范圍、定位精度、投入成本等方面難以兼顧，定位效率和質(zhì)量不理想，或精度高但性價比低，或結(jié)構簡單但精度低，不一而足，無法滿足復雜區(qū)域、多變環(huán)境下的要求;融合了兩種技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)相比單一定位技術，在定位精度和穩(wěn)定性方面雖然有了一定提高，且也初步具備了基礎服務能力、可以依托定位系統(tǒng)部署應用層高階服務，但距離智慧博物館全流程、全方位覆蓋的目標還存在一定差距。因此，針對博物館不同的復雜室內(nèi)環(huán)境，靈活綜合運用多種多模態(tài)（三種及以上）的定位技術勢在必行：多種定位技術的綜合運用，可揚長避短，克服單一技術弊端，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，取得最優(yōu)效果。如紅外技術與超聲波技術結(jié)合使用，克服了物體阻隔的缺點、提升了定位效果;藍牙技術結(jié)合地磁等技術，無需過多的環(huán)境部署，在降低成本的同時提升了定位精度。

博物館周邊的室外定位，可使用已有的成熟衛(wèi)星導航系統(tǒng)（如北斗、GPS）。在室內(nèi)定位方面，博物館最重要的產(chǎn)品就是展覽，作為提供這一功能承載地的展廳，無疑占據(jù)了博物館公共開放區(qū)域的較大面積，同時針對博物館觀眾“人”的定位更多也是圍繞展廳進行，由此針對展廳的室內(nèi)定位成為重中之重。而展廳布局通常復雜精細，乃至同一展廳的內(nèi)部布局均有所不同，加之博物館其它各類空間結(jié)構不一、通道走廊交叉分布，需要更適合博物館的室內(nèi)定位技術和更高的定位精度來分辨不同的環(huán)境特征。此外，博物館室內(nèi)定位的場景在多樣化的同時也呈現(xiàn)出碎片化特征，在實際建設中要綜合考量室內(nèi)定位技術的覆蓋范圍、成本、定位精度、可靠性、功耗、響應時間和可擴展性等諸多因素。

如前所述，目前主流的室內(nèi)定位技術中，紅外技術已顯陳舊，不符合智慧博物館對新技術應用的要求，同時受博物館展廳燈光熱源的影響大，且定位成本較高，實際應用中存在一定局限性;超聲波技術定位范圍有限，設備成本較高，僅適用于特定環(huán)境下的室內(nèi)定位;LED可見光技術屬于還未走向成熟穩(wěn)定的應用;超寬帶技術成本高昂、研發(fā)難度大，性價比較低，對于非盈利、公益性的博物館而言負擔較重，現(xiàn)階段亦不現(xiàn)實;RFID電子標簽更多地適用于“物”的定位，如藏品出入庫管理等，針對博物館觀眾“人”的定位稍遜一籌;ZigBee技術的信號受移動和多徑效應的影響很大，且定位精度取決于信號源密度、信道材料質(zhì)量和算法的準確性，造成欲達到較高的精度所耗費成本較高，軟件完善空間較大。經(jīng)綜合衡量，博物館室內(nèi)采用藍牙信標+慣性導航+地磁的無縫多模融合定位方式較為適宜，原因如下：

慣性導航技術（PDR）屬高精度導航定位，同時可全天候工作、不受外部環(huán)境影響而自主導航，抗干擾好，常應用于高精尖軍事領域如火箭和導彈的精確制導等，在軍事裝備技術中占據(jù)著重要地位。頂尖軍工品質(zhì)的背書，加上其技術早已成熟穩(wěn)定，使得PDR在商用民用定位領域一直深受青睞，如在掃地機器人等領域，PDR已經(jīng)得到大量商用，方案較為成熟。近年來，隨著智能手機的普及和微機電系統(tǒng)的發(fā)展，基于智能手機的慣性導航逐漸成為研究和應用的熱點，也為慣性導航實現(xiàn)大規(guī)模民用鋪墊了堅實基礎。在現(xiàn)實應用領域，由于GPS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)在地下、城市高架下、高樓林立處、室內(nèi)和隧道等場所信號微弱、誤差增大，基本不可采信，一般均采用慣性導航技術來實現(xiàn)上述場所的導航定位，實踐應用廣泛成熟。但慣性導航自身也存在缺點，如長期精度較差，誤差會隨著時間累積、需及時矯正等。在實際應用中，常采用藍牙信標與PDR結(jié)合以修正定位參數(shù)，這是因為：得益于智能手機的迅速發(fā)展和藍牙設備的生產(chǎn)制造成本越來越低，使得基于藍牙技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)建設成本相對低廉、使用較為方便，這就為其大規(guī)模推廣應用提供了良好的基礎[12]，藍牙低功耗、低成本，而相比之下，Wi-Fi組合定位成本高[13]，定位精度易受外界環(huán)境的影響。同時，藍牙定位基站是遠距離基站，適合博物館大環(huán)境、大場景的空曠展廳和公共空間安裝。此外，在藍牙與PDR組合定位應用方面，有較多理論算法和實踐案例，如韓琪[14]基于智能手機平臺設計出一種藍牙與PDR融合的定位與軌跡跟蹤算法，并經(jīng)實測，該融合定位算法比單一的PDR算法誤差降低39%;趙菲[15]提出了藍牙和PDR相結(jié)合的室內(nèi)組合定位方案，利用融合算法啟動測量更新和狀態(tài)更新的迭代計算，更新參數(shù)，實現(xiàn)組合定位，實測顯示組合定位方案適合長距離和長時間的定位，具有可行性。同時，為適應博物館不同條件下的復雜空間環(huán)境，實現(xiàn)精確的實時連續(xù)定位，增強數(shù)據(jù)感知和采集力度，從不同技術維度反復矯正定位參數(shù)消弭誤差，適應智慧博物館對定位精度的高要求，可采用地磁技術和PDR+藍牙構建多模態(tài)（三模）融合定位系統(tǒng)。地磁定位利用地球磁場強度在每個位置的唯一性和磁場被建筑材料（金屬結(jié)構）擾動扭曲造成室內(nèi)小磁場的差異性原理來實現(xiàn)準確室內(nèi)定位功能，優(yōu)勢在于成本低廉、無需購置和部署額外硬件，僅僅使用內(nèi)置有地磁傳感器的智能手機即可實現(xiàn)定位，成本很低，精度可靠。但地磁定位獲取的是相對位置，單靠它自身無法立刻獲取初始位置，通常采取其它定位技術（如PDR/藍牙/Wi-Fi）來輔助獲取初始位置，同時，地磁定位的誤差不會隨著時間的增加而產(chǎn)生累積效應，非常適合與慣性導航系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合，可對慣性器件產(chǎn)生的累積誤差進行及時的修正，構成的組合定位系統(tǒng)性價比較高。藍牙信標+慣性導航+地磁的多模態(tài)融合定位技術組合，僅藍牙信標需部署設備基站，其余均無需部署額外硬件，為公益性質(zhì)博物館降低了成本，而在此基礎上又盡可能地提高了室內(nèi)定位精度，這無疑較符合博物館室內(nèi)定位的需要。該技術組合基于多模基站網(wǎng)絡，采用多種傳感器計算和藍牙定位計算組合式定位算法，利用基站信號定位獲取絕對位置信息，減小PDR定位累積誤差，實時校準當前位置，保證室內(nèi)定位的準確性和穩(wěn)定性。在采用上述多模態(tài)融合定位技術的同時，配合博物館官方APP和微信小程序的使用，可為觀眾參觀提供更全面更精準的到館指引、館內(nèi)空間導視、參觀路徑導航、基于精確位置的內(nèi)容推送導覽等智慧化服務。

基于藍牙信標+慣性導航+地磁的無縫多模融合定位技術構建的博物館室內(nèi)定位系統(tǒng)服務主要分為兩方面：一是離線訓練定位模型，二是在線實時定位服務。在數(shù)據(jù)采集及訓練階段，采集功能主要實現(xiàn)空間環(huán)境信息和觀眾行為信息的采集，圖1為地磁數(shù)據(jù)采集示意圖，可選擇待采樣的樓宇和區(qū)域，提前規(guī)劃采樣路徑，沿采樣路徑勻速行走，采集無線信號和地磁信息，采樣器自動收集傳感器數(shù)據(jù)，客戶端軟件按標準數(shù)據(jù)格式將符合定位要求的采樣文件數(shù)據(jù)上傳到定位訓練服務器進行數(shù)據(jù)模型訓練，得出定位模型。在融合實時定位服務階段，客戶端持續(xù)不斷地將采集到的無線信號、藍牙信號、地磁數(shù)據(jù)、方向信息和運動狀態(tài)等信息發(fā)送到系統(tǒng)服務器，服務器將根據(jù)觀眾狀態(tài)進行決策，融合多源信息，返回高精度定位結(jié)果并進行輸出。博物館室內(nèi)定位系統(tǒng)提供地圖基礎服務，服務引擎通過構建“室內(nèi)室外一張圖”的基礎地圖數(shù)據(jù)拓撲結(jié)構，提供網(wǎng)絡分析、地圖交互操作等功能來支撐博物館的室內(nèi)定位，針對博物館內(nèi)各層展廳等指定區(qū)域進行電子地圖繪制與標記，包括加載地圖、設定軌跡路線等，如圖2。

多模態(tài)融合定位技術既可以克服單一技術的劣勢，又能滿足各種復雜室內(nèi)環(huán)境定位和基于位置的應用需求，同時可依據(jù)不同環(huán)境靈活采用與之相契合的定位技術。從數(shù)學角度看，單一傳感器的測量值組成一個測量子空間，而多傳感器融合則是各測量子空間按照一定的法則向信息融合空間投影[16];根據(jù)系統(tǒng)模型及傳感器的噪聲的統(tǒng)計特性假設，將觀測數(shù)據(jù)映射到狀態(tài)矢量空間，如位置、速度、角速度、姿態(tài)和傳感器誤差量等，多傳感器信息融合會根據(jù)觀測數(shù)據(jù)給出一個關于狀態(tài)的最優(yōu)估計量[17]。

針對上述藍牙信標+慣性導航+地磁的多模態(tài)融合定位技術，我們進行了博物館環(huán)境的實際測試。測試地點選擇在博物館s3展廳，首先需布設相關藍牙信標設備，由于設備的位置和數(shù)量直接關乎定位精度，按照測算分析的結(jié)果盡可能合理地布置一定量設備，對多?；具M行了參數(shù)設置和信號檢測調(diào)試，查看當前PDR參數(shù)計算后的信息以及周邊定位基站的信息來驗證定位精度，根據(jù)移動端的定位數(shù)據(jù)回傳和引擎定位坐標計算，查看定位日志，完成參數(shù)調(diào)優(yōu);其次規(guī)劃了單人測試既定路線和各個初始卡位點，同時也進行了多人的“觀眾”點位測試準備。測試開始后，工作人員手持智能手機移動端先按照既定規(guī)劃路徑勻速行走，而后多名工作人員散布在展廳內(nèi)進行來回走動位移，數(shù)據(jù)采集功能模塊支持使用地磁指紋采集，采樣器自動收集傳感器數(shù)據(jù)，將采樣文件上傳到訓練服務器。據(jù)此得到相應測試數(shù)據(jù)，而后計算出測試數(shù)據(jù)和最初規(guī)劃的各點位置坐標的誤差值。測試結(jié)果顯示，基于藍牙信標+慣性導航+地磁的多模態(tài)融合定位技術的室內(nèi)定位精度結(jié)果分布如下：0-3m（比例大于70.00%）;0-5m（比例大于96.00%），精度已基本達到智慧博物館室內(nèi)定位要求。測試證明上述多模態(tài)融合定位技術組合能夠滿足博物館室內(nèi)定位需求，且適合博物館大空間的長距離長時間定位，技術穩(wěn)定，具備在博物館實際應用的可行性（見圖3）。

3 結(jié)語

縱觀室內(nèi)定位技術的發(fā)展，單一技術已不適應越來越復雜的實際定位需求，多模態(tài)多技術的融合組合方案日益成為室內(nèi)定位市場的主角和趨勢。不斷研發(fā)新型定位技術并實現(xiàn)其規(guī)?；逃?、針對現(xiàn)有某一技術進行升級迭代以適應新環(huán)境和高要求、多模態(tài)多技術組合的不斷融合和探索優(yōu)化，成為室內(nèi)定位技術的未來發(fā)展大方向。

室內(nèi)定位技術在智慧博物館建設中的精準應用，不僅可直接助力觀眾參觀導覽及其行為分析，由此采集到的數(shù)據(jù)通過深入挖掘與機器學習等人工智能技術，實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)治理，并可與智慧博物館數(shù)據(jù)中臺融合，下沉為數(shù)據(jù)資產(chǎn)，可進一步分析設備定位、人員定位和物品定位之間的關聯(lián)性，結(jié)合上層應用系統(tǒng)支持可輔助博物館運營決策，如為重要展覽活動提供科學有效的限流措施依據(jù)、突發(fā)事件定位預警及應急響應等，進而有力提升博物館服務與管理的智慧化水平。在此過程中，室內(nèi)定位技術及系統(tǒng)為博物館的智慧化賦能，同時亦彰顯出室內(nèi)定位在智慧博物館體系中的基礎與核心作用。

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作者簡介：楊超（1985—），男，主要研究方向為信息管理及博物館信息化，E-mail：scyc163@163.com。

Analysis of indoor positioning technology in the perspective of Smarter Museum// Yang Chao

Author's Address National Museum of China， E-mail： scyc163@163.com

Abstract Indoor positioning technology plays a basic and core role in intelligent warehouse management， intelligent exhibition hall guidance， audience analysis and accurate portrait in the perspective of Smarter Museum. Firstly， this paper summarizes the development status of indoor positioning technology， summarizes the classification and comparison of mainstream indoor positioning technology， analyzes the connotation of? indoor positioning of Smarter Museum， combs the indoor positioning needs of museum audience， and focuses on the indoor positioning technology suitable for Museum， that is， Bluetooth beacon + geomagnetic + PDR multimodal fusion positioning technology， Finally， the feasibility of the selected technology is verified by the actual test， in order to provide reference for the indoor positioning scheme of the Smarter Museum.

Keywords Smarter Museum， Indoor positioning technology， Analysis of positioning method