李司宇

（北京市北京建筑大學，北京110000）

1 概述

目前，室內定位技術主要包括基于iBeacon 的藍牙技術，基于RFID 的射頻技術，基于Wi-Fi 的指紋定位技術，超聲波技術以及UWB超寬帶技術等。但由于城市化進程不斷加快，大型建筑物結構越來越復雜，單一的定位方案不足以滿足定位需要，因此諸多專家學者將研究轉移到多種定位方法融合上，發(fā)揮各自方法的優(yōu)勢以實現(xiàn)更好的定位效果。但這種方案耗能快，耗費人力物力，會產生大量的成本。而建筑信息模型對于結構復雜的建筑物不僅可以提供真實且直觀的三維定位場景，其中蘊含的空間信息也可以為室內定位提供輔助支持。

2 室內定位的研究現(xiàn)狀

2.1 基于iBeacon 的室內定位技術

iBeacon 是apple 公司在2013 年發(fā)布的一種基于低功耗藍牙的室內定位技術，其工作方式是通過低功耗藍牙的通信功能讓附近的移動端設備檢測到由iBeacon 信標發(fā)出的藍牙信號，通過軟件和硬件的結合以提高室內定位的精度。事實上，iBeacons 技術更像一種典型的基于網(wǎng)絡鄰近性的服務，移動端設備將根據(jù)與某個網(wǎng)絡節(jié)點的距離來獲取數(shù)據(jù)。從定位方法來看，藍牙定位主要使用三邊定位算法。目前，藍牙定位技術由于其低成本，低功耗，安全性高的優(yōu)點已經在國內如醫(yī)院、工廠、會展、智慧大樓、博物館、展覽館、幼兒園、養(yǎng)老院、監(jiān)獄等領域被廣泛應用，并提供了較為完善的室內定位解決方案。

2.2 基于Wi-Fi 的室內定位技術

Wi-Fi 定位技術是目前相對成熟且應用較廣的一種室內定位技術，近幾年成為眾多研究機構的室內定位首選方案。Wi-Fi 的定位機制和藍牙定位類似，都是基于RSSI 的定位方法，但Wi-Fi 信號由于其單天線、帶寬小以及較為復雜的室內信號傳播環(huán)境使得傳統(tǒng)的基于到達時間/到達時間差（TOA/TDOA）的測距方法難以實現(xiàn)，而如果部署可定向的天線設備又會產生較高費用。因此，Wi-Fi 一般采用位置指紋法進行定位。Wi-Fi 定位可以實現(xiàn)復雜的大范圍定位，方便組網(wǎng)，很容易架設在現(xiàn)有的無線Wi-Fi 網(wǎng)絡。目前在醫(yī)療領域、游樂場、車間、大型購物商場等需要定位導航的室內場景已經開始得到廣泛應用。用戶在使用智能手機時開啟過Wi-Fi、移動蜂窩網(wǎng)絡，就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術具有便于擴展、可自動更新數(shù)據(jù)、成本低的優(yōu)勢，因此最先實現(xiàn)了規(guī)模化。

2.3 基于RFID的射頻定位技術

RFID（radio frequency Identification，射頻識別）技術是一種非接觸的非視距（NLOS）技術，用于檢測特定區(qū)域內標簽的存在。它使用無線電波從射頻兼容集成電路（即射頻識別標簽）傳輸信息。該技術硬件主要由RFID閱讀器和RFID標簽組成。RFID 閱讀器與可檢測范圍內的標簽進行通信，并將從標簽收集的信息發(fā)送到主機。需要監(jiān)視的對象由RFID標簽標記。RFID標簽是一種帶天線的集成電路。每個RFID標簽都有一個唯一的標識符（ID）。RFID標簽可以分為主動標簽和被動標簽。主動標簽由自己的電池供電，因此可以在更遠的距離內檢測到。無源RFID標簽在沒有電池的情況下工作，它接收來自RFID閱讀器的RF 信號并作出響應。隨著技術的進步和自身特點的提高，RFID 技術已經成功地應用于室內定位。

2.4 超聲波定位

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

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高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術。UWB 定位技術主要包括接收器、參考標簽和主動標簽，標簽發(fā)射UWB 信號，但電磁波傳輸過程中會產生大量的噪聲干擾，接收器收到后過濾信號后并將噪聲過濾以獲得有效的信號值，最終利用中央處理單元進行測距定位。UWB具有較強的抗干擾能力、較高的傳輸速率、耗能低等諸多優(yōu)勢，可以有效避免現(xiàn)有的基于RSSI 定位技術所面臨的“穿墻問題”。并且，超寬帶定位的精度可以高達十幾厘米，在眾多無線定位技術中具有較大的優(yōu)勢，但目前超寬帶技術還處于發(fā)展階段，相關定位算法還有待改進。

3 空間信息在室內定位中的應用

3.1 空間信息的提取與三維路網(wǎng)的構建

由于建筑結構復雜性，現(xiàn)有的基于RSSI 的室內定位技術在定位場景大多會存在信號衰減的問題，造成“穿墻”、“飛天”等不合理的定位結果。雖然UWB超寬帶技術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模型中提取出構建路網(wǎng)所需的數(shù)據(jù)，包括樓梯、電梯、房間、門等節(jié)點的信息。根據(jù)提取的節(jié)點類型，將信息分為幾何信息、語義信息和拓撲信息，存儲在PostgreSQL數(shù)據(jù)庫中。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫中三維路網(wǎng)模型信息的存儲結構如表1 所示。節(jié)點坐標信息的提取是將BIM模型轉換為*.obj 格式，然后導入Blender V2.78，這是一個免費的開源三維創(chuàng)建工具包，支持整個三維流水線的建模、裝配、動畫、仿真、渲染、合成和運動跟蹤。最后，利用WebGL在三維BIM場景中實現(xiàn)了室內道路網(wǎng)絡模型的可視化。三維道路網(wǎng)的骨架如圖1 所示。

表1 PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫中部分三維路網(wǎng)地圖模型信息的存儲結構

圖1 室內路網(wǎng)節(jié)點的單層分布

作為室內定位導航的應用場景，室內路網(wǎng)模型的構建不僅考慮了路網(wǎng)的可視化效果，還考慮了如何與室內定位導航相結合。由于路網(wǎng)模型是從室內拓撲關系中抽象出來的，因此在室內路網(wǎng)模型中，用戶的室內位置可能不是完全定位的。因此，本文提出在室內三維路網(wǎng)中增加位置節(jié)點，確定用戶與室內地圖模型的相對位置關系，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，作為后續(xù)室內導航工作的基礎。如圖所示。同時，為了更好的匹配用戶的位置信息，我們考慮行人的步行習慣。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)點之間的距離設置為0.5m；在垂直方向，我們在樓梯的每個臺階上設置一個位置節(jié)點。除了匹配用戶的位置信息外，位置節(jié)點還可以用來估計用戶的步行距離。常用的室內路徑計算方法通常采用網(wǎng)格或節(jié)點模型來計算當前節(jié)點與目的地之間的歐氏距離。但在實際應用中，歐元距離不能完全代表用戶的步行距離，盡管在實際路徑規(guī)劃中，用戶的步行距離比歐元距離具有更好的參考價值。因此，本文通過計算用戶路徑中位置節(jié)點之間的間隔數(shù)來估計用戶所需的步行距離。步行距離是節(jié)點之間的間隔數(shù)乘以步長0.5m，如圖2 所示。

3.2 基于空間信息約束的室內定位方法

空間信息約束方法主要利用地圖中墻、門的幾何拓撲信息和三維真實地圖中的位置點進行校正。通過提取建筑物信息，建立三維室內道路網(wǎng)絡模型，將行人運動軌跡抽象為道路網(wǎng)絡，并將其顯示在道路中間。根據(jù)行人習慣，在路網(wǎng)上每隔0.5m設置一個行人點，將行人可以到達的位置抽象為一個點。然后，利用空間兩點距離公式，將測試點與數(shù)據(jù)庫中的位置點進行匹配，得到SA1 到SAn的距離，如圖5 所示。使用數(shù)據(jù)庫中的門節(jié)點或臺階點節(jié)點（x0，y0，z0）投影和校準計算的初始坐標（xt，yt，zt）。公式如下：

最后將初始位置A修改為最近的目標點，實現(xiàn)室內地圖對定位結果的空間信息約束，提高定位精度以用于室內路徑導航。圖3是空間信息約束的示意圖。

圖2 室內路網(wǎng)中待匹配步行節(jié)點的單層分布

圖3 空間信息約束示意圖

4 結論

本文概述了目前幾種主流的室內定位方法，同時提出了一種空間信息約束方法作為輔助定位。雖然目前室內定位領域的發(fā)展已經較為成熟，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雖然尚處于發(fā)展階段，但由于其低成本與豐富的室內語義信息仍然會成為室內定位技術研究的重要一環(huán)。