桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 黃博

我國一線城市醫(yī)院患者人流量大，醫(yī)護(hù)人員數(shù)量遞增，病區(qū)室內(nèi)定位技術(shù)迫切需求優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航手段。首先敘述了紅外線、慣性導(dǎo)航、超聲波、視覺定位、WiFi、藍(lán)牙、紫蜂、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、射頻識別、超寬帶、地磁等定位技術(shù)，并進(jìn)行了性能分析。然后介紹了一種將全球定位系統(tǒng)和超寬帶技術(shù)通過多傳感器技術(shù)結(jié)合的協(xié)同定位系統(tǒng)，這種系統(tǒng)大大提高了醫(yī)護(hù)人員在病區(qū)室內(nèi)導(dǎo)航定位的能力。

近些年來，由于新冠疫情的影響，醫(yī)院的病患就診人數(shù)大幅增加，一旦醫(yī)院患者人數(shù)較多時，往往會出現(xiàn)患者在病區(qū)迷失方向的情況。在一些大型醫(yī)院這種情況出現(xiàn)的較為普遍。對于這種情況，有的醫(yī)院采取增加醫(yī)導(dǎo)人員的方法來應(yīng)對，但是收效甚微。無論是對于患者還是醫(yī)護(hù)人員來說，用最快時間到達(dá)診室或者病房既關(guān)系著病患能否及時得到救治，又關(guān)系著醫(yī)院的運行效率。隨著智能手機、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟以及高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，各類室內(nèi)定位導(dǎo)航的科技方法、手段，已成為科學(xué)技術(shù)界探討、大型醫(yī)院高級管理層投資的重點，智慧醫(yī)院導(dǎo)航系統(tǒng)就是基于新型的室內(nèi)定位技術(shù)，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”與醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)行業(yè)的合作[1]，結(jié)合醫(yī)院信息系統(tǒng)構(gòu)建的一個移動化、自助化、智能化的院內(nèi)精準(zhǔn)導(dǎo)航服務(wù)體系，實時對接動態(tài)就診信息，讓線下的人和物，也能像在線信息一樣被搜索、定位、聯(lián)接，從而為醫(yī)護(hù)人員提供猶如專人引導(dǎo)一般的動態(tài)連續(xù)指引。

1 醫(yī)院病區(qū)常用導(dǎo)航定位技術(shù)

依據(jù)實現(xiàn)基礎(chǔ)的不同，室內(nèi)定位技術(shù)通常可以分為兩各大類：（1）是依賴于建筑的定位技術(shù)系統(tǒng)。在導(dǎo)航定位實現(xiàn)過程中，對建筑物內(nèi)已有的功能設(shè)備以及建筑物的地圖結(jié)構(gòu)具有很強依賴性，而根據(jù)所依賴設(shè)施的不同又可以將依賴于建筑的定位技術(shù)系統(tǒng)細(xì)分為兩種：一種是需要的基礎(chǔ)設(shè)施有很強的專業(yè)性；另一種是需要輔助設(shè)備支持，具有固有基礎(chǔ)性設(shè)施。如射頻識別定位、UWB定位、超聲波定位、紅外線定位、激光定位、ZigBee定位技術(shù)都屬于需要專業(yè)性很強的基礎(chǔ)設(shè)施來實現(xiàn)，而WiFi定位、蜂窩定位、藍(lán)牙定位則不需要專業(yè)性的基礎(chǔ)設(shè)施。（2）是獨立于建筑的定位技術(shù)系統(tǒng)，不需要依賴任何建筑物當(dāng)中的硬件設(shè)施，而是基于一些如慣性導(dǎo)航定位、圖像識別、方位推算的技術(shù)來實現(xiàn)定位。其中，方位推算借助物體的歷史運動軌跡與移動速度等數(shù)據(jù)基于算法來實現(xiàn)定位；利用圖像識別的定位需要借助視頻圖像數(shù)據(jù)[2]。

2 醫(yī)院室內(nèi)導(dǎo)航定位定義及應(yīng)用價值

在很多大型醫(yī)院僅醫(yī)護(hù)工作人員的數(shù)量就超過萬人，這就給病區(qū)內(nèi)各種醫(yī)療設(shè)施與人員調(diào)動的管理帶來了極大的挑戰(zhàn)，因此，借助科學(xué)技術(shù)在醫(yī)院進(jìn)行導(dǎo)航定位具有很高的應(yīng)用價值。

2.1 醫(yī)護(hù)人員定位導(dǎo)航

醫(yī)院都會在明顯位置張貼樓層科室分布圖、通道引導(dǎo)路線圖，但是在人流量很大的情況下，這些引導(dǎo)標(biāo)志所能發(fā)揮的作用非常有限，極大的阻礙了醫(yī)院運轉(zhuǎn)效率。在一些特殊區(qū)域由于結(jié)構(gòu)沒有特殊性導(dǎo)致人員在行走過程中極易發(fā)生方向錯亂，現(xiàn)有的室外導(dǎo)航系統(tǒng)又無法發(fā)揮作用。例如，大型醫(yī)院的急診病區(qū)，醫(yī)護(hù)人員不知被搶救的患者在那個病房，給醫(yī)護(hù)人員帶來了很多不便，失去了寶貴搶救時間，耽誤了醫(yī)療最佳機遇，導(dǎo)致病人去世的悲劇發(fā)生[3]。

室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)還具有其他重要作用，比如患者可以在出現(xiàn)狀況時利用導(dǎo)航系統(tǒng)向醫(yī)護(hù)發(fā)出警報，讓醫(yī)護(hù)能快速到達(dá)病房處理患者。又如發(fā)生火災(zāi)這樣的突發(fā)事故時，可以為醫(yī)護(hù)和病患提供路徑優(yōu)化服務(wù)，幫助病人縮短撤離時間，防止發(fā)生踐踏情況，進(jìn)而在保證醫(yī)護(hù)和患者的生命財產(chǎn)安全中發(fā)揮重要作用[4]。

2.2 資產(chǎn)物流的定位

當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，高度集成化的設(shè)備互聯(lián)系統(tǒng)建設(shè)不斷完善，其在醫(yī)院中的應(yīng)用前景愈加廣泛。通過對大量醫(yī)療設(shè)備配置有源標(biāo)簽來實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，為醫(yī)護(hù)人員查詢設(shè)備使用情況，提高應(yīng)急情況調(diào)配設(shè)備效率帶來了進(jìn)步空間，能夠讓醫(yī)院的運營效率獲得極大提升。對倉庫中價值昂貴的醫(yī)療設(shè)備標(biāo)配產(chǎn)生廠家的明確標(biāo)簽，醫(yī)療器材管理人員采用室內(nèi)定位系統(tǒng)，利用無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對它們進(jìn)行保管監(jiān)控。同時，為醫(yī)護(hù)人員配備便攜化移動終端導(dǎo)航設(shè)備，使醫(yī)護(hù)人員能夠快速從倉庫中查找自己緊急需要的醫(yī)療設(shè)備。

3 常見醫(yī)院室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的分析

依據(jù)實現(xiàn)原理的區(qū)別，醫(yī)護(hù)人員院內(nèi)定位技術(shù)分為幾個大類，包括傳感器定位、射頻信號定位、多信息融合等，而每一類技術(shù)都有其獨特的優(yōu)劣性。

3.1 基于傳感器的院內(nèi)定位技術(shù)

3.1.1 紅外線定位

院內(nèi)紅外線定位系統(tǒng)大體上會由移動站與基站子系統(tǒng)構(gòu)成，其中紅外發(fā)射器被安裝在移動站上，用于發(fā)射紅外線。在具體應(yīng)用層面，由劍橋大學(xué)AT＆LT實驗室利用紅外線技術(shù)研制出了Ac-tiveBadge系統(tǒng)，在室內(nèi)場景的定位精度可以達(dá)到6m。紅外線發(fā)射器質(zhì)量輕，容易攜帶，但是存在紅外線穿透力弱的問題，碰到固體墻壁時，紅外線就只能提供房間級別的定位信息傳遞，在狹小室內(nèi)，紅外線傳播距離有限，加之其他光照干擾或路徑限制，空間區(qū)域容易產(chǎn)生盲區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致定位效果變差。所以，從實用性思考，紅外線定位技術(shù)可以與其他定位設(shè)備融合使用，充分發(fā)揮紅外線LED室內(nèi)導(dǎo)航的優(yōu)勢功能[5]。

3.1.2 慣性導(dǎo)航定位

慣導(dǎo)系統(tǒng)確定位置首先由加速度計、陀螺儀等傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)融合算法推導(dǎo)出目標(biāo)的具體位置。但是慣導(dǎo)系統(tǒng)有一個缺點是數(shù)據(jù)誤差會隨時間積累，許多科研團(tuán)隊都在研究如何抵消這一負(fù)面影響，有的研究團(tuán)隊通過微機電技術(shù)，將各種運動傳感器與智能手機平臺相結(jié)合來進(jìn)行行人航機推算。當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)，進(jìn)一步實現(xiàn)PDR與地磁、無線保真高度融合匹配是一個討論熱烈的研究課題[4]。還有的團(tuán)隊提出將無線局域網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成誤差補償機制，用于矯正累計誤差。

3.1.3 超聲波定位

超聲波定位主要利用的是聲波反射產(chǎn)生的時間差來推算發(fā)射位置與反射面之間的距離，根據(jù)這一原理研究人員研制出了Active Bat系統(tǒng)，在科學(xué)測試中Active Bat系統(tǒng)定位精度最高可以達(dá)到3cm，這微小的數(shù)據(jù)相對智能智聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有重要影響。此后，研究人員在Active Bat系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造研制出Cricket室內(nèi)定位系統(tǒng)，改變了有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無需再特定位置固定大量發(fā)射及接受網(wǎng)站，而是基于超聲波傳輸時間與射頻控制信號，完成三維、多維定位。當(dāng)然，從成本上來說，超聲波定位對硬件要求更高，因此需要花費更多資金投入[6]。

3.1.4 視覺定位

視覺定位通過前置攝像頭來捕捉周邊環(huán)境特征，根據(jù)大量圖片數(shù)據(jù)以智能算法來分析目標(biāo)的三維空間位置。已經(jīng)成熟的技術(shù)中，具有代表性的技術(shù)：一種是利用了便攜式移動設(shè)備，當(dāng)多組單目攝像頭進(jìn)行定位時能夠具備更高的精度[7]；另一種基于圖像密度匹配性和運動恢復(fù)原理，采用相機交會來實現(xiàn)醫(yī)院室內(nèi)定位。借助高性能照相機，獲取像素極高的圖像數(shù)據(jù)，讓分析精度增加，進(jìn)而提高了定位準(zhǔn)確性，不過室內(nèi)環(huán)境是非常多變的，定位系統(tǒng)要持續(xù)保持高精度也是不現(xiàn)實的。在改進(jìn)方面，一些學(xué)者正嘗試用引入視覺傳感器的方法完善這一技術(shù)[8]。

3.2 無線信號室內(nèi)定位

無線信號定位技術(shù)是利用非接觸雙向數(shù)據(jù)通信方式，通過通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，再連接數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)非接觸式的多項通信，達(dá)到定位的目的。

3.2.1 WiFi定位

就目前而言，常用的WiFi室內(nèi)定位技術(shù)包括2種：一種是根據(jù)接收信號的強度變化來指示距離變化，當(dāng)然信號衰減與空間距離變化不一定成線性關(guān)系，會受到如物體遮擋、空氣濕度等的外部因素干擾，所以定位精度是受限的；另一種是基于RSSI位置指紋法的定位技術(shù)，這一方法屬于目前使用最為廣泛的WiFi定位類型[9]。另外，還有一些相同原理的產(chǎn)品，如美國的WiFi SLAM以及我國的“翼周邊”系統(tǒng)，它們精度較好但是組成系統(tǒng)的輔助設(shè)施非常多，因此后期的維護(hù)與前期支撐設(shè)備的布設(shè)需要花費很多成本，不利于大規(guī)模推廣[10]。

3.2.2 藍(lán)牙和紫蜂定位

藍(lán)牙定位和紫蜂定位的共同點是利用低功耗、短距離的優(yōu)勢，通過與指紋、質(zhì)心、鄰近等定位技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)度的進(jìn)一步提升。藍(lán)牙和紫蜂定位都擁有能耗低，空間距離短、適用場合范圍廣等特點，不過這兩種定位方法也存在穩(wěn)定性比較差、容易被外界環(huán)境干擾的劣勢。藍(lán)牙定位依托接收到的信號強度場來進(jìn)行空間距離計算，典型如國產(chǎn)“尋鹿”微定位系統(tǒng)與iBeacon系統(tǒng)，iBeacon由蘋果公司所開發(fā)，在很大程度上滿足了低功耗、較高精度這一用戶需求。當(dāng)前，以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)的諸多定位系統(tǒng)多利用了指紋定位原理，包括改進(jìn)的方案。而隨著藍(lán)牙5.0協(xié)議在2016年的發(fā)布，使得這類高精度定位獲得了更好的通信技術(shù)保障。紫峰定位技術(shù)利用鄰近探測法對不同盲點間的通信進(jìn)行探測，然后采用模糊聚類算法進(jìn)行定位分析，從而獲得米級精確度的定位結(jié)果[11]。

3.2.3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位

蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，用在手機的定位，可對5G信號正確檢測，并更具特征通信參數(shù)來實現(xiàn)位置確定。依據(jù)原理不同，其常見定位方法有鄰近探測法、信號傳遞時間差探測定位。蜂窩網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前通信領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，其基礎(chǔ)設(shè)施幾乎遍布于任何建筑樓宇當(dāng)中，因此將其應(yīng)用于醫(yī)院室內(nèi)定位導(dǎo)航具有很高的便利性，但其依然存在不足，這是因為定位會因時間同步精度問題而產(chǎn)生累計效應(yīng)，使得平均定位準(zhǔn)確性下降。典型如：愛立信公司提供的OTDOA定位方法精度僅為50m。而如果改為多天線MIMO＋TDOA的模式進(jìn)行定位，則能讓精度有一定程度的提高，但這也僅僅只達(dá)到5～10m。隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，在5G通信網(wǎng)絡(luò)逐步普及的情況下，其精度有望獲得提升[12]。

3.2.4 射頻識別定位

射頻識別技術(shù)通過對不同的射頻信號識別來獲取對應(yīng)目標(biāo)位置，該技術(shù)既具有較長距離的輻射范圍、能夠繞過部分阻礙物傳遞信號的優(yōu)點，又具有攜帶方便、定位精度高等技術(shù)特長，但射頻識別技術(shù)對信號強度非常敏感，當(dāng)信號不穩(wěn)定時，定位精度也會降低。目前以Spoton系統(tǒng)為代表的射頻識別系統(tǒng)存在硬件組成較為復(fù)雜并且計算量較大的問題，為解決之一問題而采取的技術(shù)手段是改進(jìn)算法，未來隨著智能算法的不斷改進(jìn)，相信這一技術(shù)也會不斷改進(jìn)[13]。

3.2.5 超寬帶定位

美國是最早將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于定位導(dǎo)航的國家，在軍隊領(lǐng)域獲得了很大的成功，不過直到2002年才向民用領(lǐng)域開放。超寬帶定位具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，構(gòu)成系統(tǒng)的模塊較為簡單，這有利于降低建造成本，并且具有能耗低、可靠性高、通道容量大等諸多優(yōu)勢，美國軍用超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)的精度已經(jīng)達(dá)到厘米級。超寬帶能夠?qū)崿F(xiàn)通信與定位的一體化，特別是在室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜的條件下，其依然能保持較高的定位能力。在系統(tǒng)相關(guān)的硬件研究方面，Driver2和Aether5專業(yè)級芯片實現(xiàn)了真正意義上的小體積低功耗性能。在硬件系統(tǒng)性能不斷提升的前提下，由Ubisense公司開發(fā)的超寬帶實時定位系統(tǒng)能夠在實5.8～7.2GHz的高頻段工作，進(jìn)一步與多邊定位法、三角定位法結(jié)合使得其室內(nèi)定位精度提升至15cm[14]。

3.3 地磁定位

典型如地磁定位技術(shù)利用高精度的地磁探測儀器對周邊地磁變化進(jìn)行分析，由于不同區(qū)域地磁強度不同進(jìn)而進(jìn)行室內(nèi)定位，這一原理與WiFi相似，不過在有限面積內(nèi)地磁的變化是非常有限的，因此這對探測器的要求便很高，加之同一地點的地磁并不是恒定的，所以這一定位系統(tǒng)存在較大的誤差。國外有科學(xué)團(tuán)隊借助高精度探測設(shè)備構(gòu)建出的定位系統(tǒng)能夠在地磁環(huán)境穩(wěn)點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精度接近1m的定位。地磁定位的優(yōu)勢在于在室內(nèi)布置系統(tǒng)比較便捷，其系統(tǒng)可以與其他定位方法融合使用，構(gòu)成多信息定位模型，因而具有較好的研究前景[15]。

4 基于UWB的協(xié)同定位系統(tǒng)

隨著導(dǎo)航定位要求的不斷提高，單一的導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)難以滿足用戶的需求?？蒲腥藛T開始大力研究多源融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，并取得了一定的成果。目前有學(xué)者提出了一種將全球定位系統(tǒng)（GPS）和超寬帶技術(shù)（UWB）通過多傳感器技術(shù)MARG（Magnetic，Angular，Rate and Gravity）結(jié)合的協(xié)同定位系統(tǒng)[16]。

協(xié)同定位系統(tǒng)中，室內(nèi)定位采用超寬帶定位技術(shù)，實現(xiàn)室內(nèi)高精度的定位，而室外則采用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，同時借助MARG傳感器為GPS系統(tǒng)提供輔助的定位信息，如此一來，GPS與MARG相結(jié)合保證了醫(yī)院門診樓之外定位的穩(wěn)定性與精確度，由于在門診樓內(nèi)GPS信號被物體阻擋，因而信號十分微弱。此時定位信號進(jìn)行切換，為UWB定位作為系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)的全部輸出方，當(dāng)處于室外時數(shù)據(jù)切換為由GPS全部提供。但在醫(yī)院中往往存在一些特殊空間區(qū)域，屬于室內(nèi)與室外的混合區(qū)域，此時只靠切換后的GPS或UWB技術(shù)進(jìn)行定位都無法滿足定位精度的要求，針對這一問題，目前還沒有比較好的解決方法，還需要科研人員做進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)語

本文首先敘述了紅外線、慣性導(dǎo)航、超聲波等定位技術(shù)，并進(jìn)行了性能分析。針對單一的定位導(dǎo)航技術(shù)在應(yīng)用過程中易出現(xiàn)大面積的盲區(qū)，數(shù)據(jù)精度難以滿足用戶需求的問題。介紹了一種將全球定位系統(tǒng)（GPS）和超寬帶技術(shù)（UWB）通過多傳感器技術(shù)MARG（Magnetic，Angular，Rate and Gravity）結(jié)合的協(xié)同定位系統(tǒng)，能夠極大的提高定位系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)性，根據(jù)不同環(huán)境特征進(jìn)行無縫模式切換，在擴大定位范圍的同時避免目標(biāo)丟失。這種系統(tǒng)大大提高了醫(yī)護(hù)人員在病區(qū)室內(nèi)導(dǎo)航定位的能力，但系統(tǒng)自身還有缺陷，需要進(jìn)一步研究。