基于無(wú)線通信的高精度室內(nèi)人員定位系統(tǒng)在博物館信息化建設(shè)中的應(yīng)用

邢更力1,賈 凡,孫 健,畢明浩

(1.公安部第一研究所，北京 100000; 2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

近年來(lái)隨著定位與導(dǎo)航技術(shù)以及智能終端設(shè)備的普及，高精度定位在社會(huì)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。目前室外定位依賴衛(wèi)星能夠取得米級(jí)甚至亞米級(jí)的精度，基本滿足了日常應(yīng)用需求，但在室內(nèi)缺少衛(wèi)星信號(hào)的場(chǎng)合，高精度定位應(yīng)用仍處于起步階段[1]。

博物館是國(guó)家文明歷史的教科書(shū)，是對(duì)廣大人民群眾進(jìn)行傳統(tǒng)文化教育、歷史文明教育的前沿，目前全國(guó)的博物館向全社會(huì)實(shí)行免費(fèi)開(kāi)放，同時(shí)廣大人民群眾的文化消費(fèi)和科技體驗(yàn)要求日益增強(qiáng)，如何通過(guò)信息、智能等現(xiàn)代科技大力提升自身的公共服務(wù)質(zhì)量，讓觀眾獲得更好的文化藝術(shù)體驗(yàn)，成為博物館信息化建設(shè)中的重要目標(biāo)[2]。

在博物館信息化系統(tǒng)中，通過(guò)高精度人員定位可以精確測(cè)量出各個(gè)觀眾的軌跡信息，針對(duì)用戶精準(zhǔn)推送參觀服務(wù)，也可以統(tǒng)計(jì)和監(jiān)控觀眾流量，對(duì)博物館自身服務(wù)進(jìn)行提升[3]。因此，有必要在博物館信息化建設(shè)中應(yīng)用高精度室內(nèi)定位技術(shù)，建立高效智能的參觀服務(wù)系統(tǒng)，提升博物館的社會(huì)服務(wù)水平。

本文采用基于無(wú)線通信的高精度室內(nèi)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)觀眾智能化服務(wù)和博物館綜合管理。

1 基于無(wú)線通信的高精度室內(nèi)人員定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

觀眾信息化管理系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求功能劃分為自動(dòng)化票務(wù)系統(tǒng)、個(gè)性化觀眾導(dǎo)覽系統(tǒng)、公共信息發(fā)布系統(tǒng)、基礎(chǔ)信息設(shè)施等部分。系統(tǒng)各部分子系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

個(gè)性化觀眾導(dǎo)覽系統(tǒng)具備基于觀眾實(shí)時(shí)位置信息的展品信息推送、展品/展覽詳細(xì)信息查詢、館內(nèi)游覽路線導(dǎo)航、館內(nèi)設(shè)施使用及區(qū)域人流密度情況查詢(衛(wèi)生間、電梯、餐廳人員密度等)、館內(nèi)尋人及應(yīng)急幫助呼叫等針對(duì)觀眾體驗(yàn)的人性化服務(wù)功能。

公共信息發(fā)布服務(wù)系統(tǒng)主要能夠?yàn)閰⒄股碳皥?chǎng)館管理者提供快捷方便的展示信息制作平臺(tái)及制作模板。參觀觀眾能夠通過(guò)信息發(fā)布屏、智能終端設(shè)備及館內(nèi)語(yǔ)音廣播系統(tǒng)獲取場(chǎng)館對(duì)外發(fā)送的展品信息、展覽預(yù)告、疏散引導(dǎo)等公共信息。

基礎(chǔ)信息系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理，建立統(tǒng)一基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)各子系統(tǒng)信息統(tǒng)一存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析；具備對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管、維護(hù)。

自動(dòng)化票務(wù)主要實(shí)現(xiàn)自助換票、自助退票、票務(wù)信息統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)票務(wù)預(yù)約、票卡運(yùn)營(yíng)及維護(hù)等功能，同時(shí)該子系統(tǒng)還包含人工票務(wù)終端，實(shí)現(xiàn)輔助團(tuán)隊(duì)、特殊人群換票等功能。觀眾基礎(chǔ)信息庫(kù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)觀眾信息統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、分析。

2 室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括：智能終端、定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、系統(tǒng)管理服務(wù)器等。

圖2 智能導(dǎo)覽系統(tǒng)硬件框圖

其中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包含無(wú)線接入、AP接入交換機(jī)、用戶接入節(jié)點(diǎn)AP管理器(AC)等部分。根據(jù)各樓層人流數(shù)量分布情況，為保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定性，每層采用獨(dú)立冗余交換機(jī)布置，采用光纖雙線匯聚布線，每層布置高性能接入交換機(jī)2臺(tái)[4]。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量計(jì)算：每個(gè)接入設(shè)計(jì)接入為50個(gè)最終用戶，每個(gè)用戶預(yù)設(shè)2 Mbps帶寬。按照單層最大40個(gè)AP計(jì)算，設(shè)每個(gè)用戶在

滿帶寬需求，對(duì)單層交換機(jī)最大要求總?cè)萘繛?00 Mbps；

2.2 定位系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

定位功能指標(biāo):

1)定位系統(tǒng)定位響應(yīng)時(shí)間小于2 s；

2)二維定位系統(tǒng)平均誤差不超過(guò)3米，最大誤差不超過(guò)5米；

3)工程允許同時(shí)定位人數(shù)不小于20000。

智能終端，作為提升博物館人性化服務(wù)的重要設(shè)備，具有定位、信息推送、智能導(dǎo)航、信息檢索、觀眾互動(dòng)、在線幫助等諸多功能：

1)可實(shí)現(xiàn)展品信息講解功能；

2)館內(nèi)智能地圖導(dǎo)覽；

3)基于位置信息的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)推送；

4)語(yǔ)音導(dǎo)覽；

5)館內(nèi)尋人；

6)觀眾互動(dòng)；

7)可回收重復(fù)利用

根據(jù)智能終端使用人群的不同，可分為腕帶式設(shè)備、手持式設(shè)備及其他設(shè)備三類[5]。

普通參觀者可持自帶智能手機(jī)，通過(guò)刷二維碼的方式將智能導(dǎo)覽系統(tǒng)終端軟件安裝于手機(jī)中，并通過(guò)連接館內(nèi)WIFI網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)覽服務(wù)功能[6-7]。

無(wú)智能手機(jī)的參觀者，館內(nèi)提供手持式智能終端設(shè)備。參觀者可根據(jù)需要自行換取，并通過(guò)智能終端設(shè)備完成智能導(dǎo)覽服務(wù)。

針對(duì)兒童、老人等特殊人群。館內(nèi)提供有腕帶式終端設(shè)備，佩戴者家屬可通過(guò)掃描二維碼的方式將腕帶終端與手機(jī)或手持式終端進(jìn)行綁定，當(dāng)發(fā)生走散時(shí)，用戶可通過(guò)尋人功能自行快速地查找到失散親人。

2.2.1 導(dǎo)覽服務(wù)管理軟件

與定位系統(tǒng)服務(wù)器信息發(fā)布服務(wù)器共享人員位置信息、展覽信息等。管理員登錄系統(tǒng)后，可對(duì)需要發(fā)布或推送的信息進(jìn)行創(chuàng)建、編輯、刪除等操作。

信息內(nèi)容包括：文字、語(yǔ)音、圖片、視頻等格式。

系統(tǒng)容量：同時(shí)在線人數(shù)10 000人。

2.2.2 移動(dòng)終端軟件

移動(dòng)終端軟件(APP)分為IOS/Android兩個(gè)版本。

觀眾通過(guò)手機(jī)掃描票卡上印刷的二維碼來(lái)安裝APP。安裝后，用戶可按照分類查看館內(nèi)已發(fā)布的信息。另外，當(dāng)用戶處于信息推送點(diǎn)位時(shí)，接收服務(wù)器自動(dòng)推送的信息，觀眾可選擇性查看[8]。

另外，觀眾可以通過(guò)軟件定位自身位置，以便合理安排游覽路線。

圖3 定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架

3 個(gè)性化觀眾導(dǎo)覽子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

個(gè)性化觀眾導(dǎo)覽系統(tǒng)提供了便捷的展品/展覽詳細(xì)信息查詢、基于位置信息的實(shí)時(shí)導(dǎo)游語(yǔ)音/畫(huà)面/文字推送、館內(nèi)游覽路線查詢、館內(nèi)設(shè)施/區(qū)域使用情況查詢(衛(wèi)生間、電梯、餐廳人員密度等)、館內(nèi)尋人及應(yīng)急幫助呼叫等諸多提升參觀體驗(yàn)的人性化服務(wù)。該類服務(wù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如推送數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信息等均有導(dǎo)覽服務(wù)器統(tǒng)一處理[9]。

個(gè)性化觀眾導(dǎo)覽子系統(tǒng)軟件主要包括導(dǎo)覽服務(wù)管理軟件、定位服務(wù)管理軟件、AP設(shè)備管理軟件及智能終端軟件四部[10]。

圖4 個(gè)性化觀眾導(dǎo)覽子系統(tǒng)框架

3.1 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 導(dǎo)覽服務(wù)管理軟件

功能如下：

1)服務(wù)器硬件管理

2)導(dǎo)覽應(yīng)用軟件

(1)展品信息查檢索；

(2)推送信息查詢；

(3)定位數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；

(4)終端請(qǐng)求信息處理；

(5)終端狀態(tài)監(jiān)測(cè)及管理。

3.1.2 定位服務(wù)軟件

1)服務(wù)器硬件管理

2)定位應(yīng)用軟件

(1)終端掃描；

(2)終端信息記錄；

(3)坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理；

(4)AP坐標(biāo)標(biāo)記；

(5)地圖繪制。

3.1.3 AP設(shè)備管理軟件

1)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置；

2)設(shè)備維修數(shù)據(jù)記錄；

3)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)控

3.2 智能終端軟件設(shè)計(jì)

智能終端軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能終端軟件架構(gòu)

表1 智能終端軟件功能表

4 觀眾信息分析統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觀眾信息分析統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)包括基礎(chǔ)信息控制平臺(tái)軟件、基礎(chǔ)信息服務(wù)管理軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。具體功能描述如下：

4.1 基礎(chǔ)信息控制平臺(tái)軟件

基礎(chǔ)信息控制平臺(tái)軟件運(yùn)行在監(jiān)控管理終端設(shè)備，具備以下功能：

1)監(jiān)控顯示各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)推送數(shù)據(jù)：

監(jiān)控自動(dòng)化票務(wù)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：票箱余票、在館人數(shù)、換票觀眾信息、實(shí)時(shí)客流量統(tǒng)計(jì)等；

監(jiān)控個(gè)性化導(dǎo)覽子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：智能終端接入數(shù)量、觀眾位置信息、熱門(mén)查詢信息、區(qū)域人流密度等；

公共信息發(fā)布子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：信息發(fā)布實(shí)時(shí)監(jiān)控。

表2 回放統(tǒng)計(jì)內(nèi)容表

2)具備歷史數(shù)據(jù)回放、檢索、導(dǎo)出:

具備信息統(tǒng)計(jì)、分析等功能，具體內(nèi)容如表2所示。

3)異常狀態(tài)報(bào)警：

(1)設(shè)備異常狀態(tài)報(bào)警；

(2)觀眾求助報(bào)警；

(3)緊急事件(如火災(zāi)、踩踏等)報(bào)警。

4)具備遠(yuǎn)程操控管理：

本系統(tǒng)預(yù)留與安防監(jiān)控室遠(yuǎn)程控制接口。

5)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管：

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有在線終端設(shè)備狀態(tài)。對(duì)已接入信息化管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用層參數(shù)配置。

6)擴(kuò)展服務(wù)業(yè)務(wù)：

(1)布展建議：根據(jù)觀眾游覽習(xí)慣，針對(duì)不同觀眾受群及不同類型的展覽，向管理者提供最優(yōu)的布展方式及信息展示方式，并提供最優(yōu)建議依據(jù)。

(2)清場(chǎng)管理：閉館清場(chǎng)時(shí)，系統(tǒng)將統(tǒng)計(jì)入館和出館觀眾數(shù)量，發(fā)現(xiàn)未回收的票卡時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警提示。

(3)客流管控：根據(jù)館內(nèi)現(xiàn)有人員數(shù)量及最大接待能力，控制售票售票環(huán)節(jié)減少入館人數(shù)。

4.2 基礎(chǔ)信息服務(wù)管理軟件

1)硬件服務(wù)器管理

2)基礎(chǔ)信息服務(wù)應(yīng)用

(1)平臺(tái)軟件控制管理；

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)管理；

(3)安全管理。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件

數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件用于建立、使用和維護(hù)本案各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理和控制。根據(jù)使用功能分類，數(shù)控庫(kù)管理軟件可分為7部分組成，包括：

1)數(shù)據(jù)定義；

2)數(shù)據(jù)操作；

3)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行管理；

4)數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)與管理；

5)數(shù)據(jù)庫(kù)保護(hù)；

6)數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)；

7)通信。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)基于無(wú)線通信的高精度室內(nèi)人員定位系統(tǒng)，能夠?yàn)椴┪镳^管理、觀眾服務(wù)帶來(lái)質(zhì)的提升，目前已應(yīng)用于多個(gè)博物館信息化建設(shè)中。相比于傳統(tǒng)室內(nèi)定位應(yīng)用，本文所述的系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)：

1)采用移動(dòng)終端互聯(lián)技術(shù)，提升館內(nèi)參觀觀眾的高品質(zhì)服務(wù)體驗(yàn)；

在本系統(tǒng)用，觀眾通過(guò)智能導(dǎo)覽終端、個(gè)人移動(dòng)電話等設(shè)備接入館內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的無(wú)縫數(shù)據(jù)漫游，無(wú)需專用定位終端，無(wú)需重復(fù)登錄認(rèn)證，為觀眾隨時(shí)隨地提供所需的位置信息查詢、展品信息檢索、室內(nèi)地圖導(dǎo)航、互動(dòng)等，提高了博物館科學(xué)化運(yùn)營(yíng)的效率，同時(shí)提升館內(nèi)觀眾高品質(zhì)的服務(wù)體驗(yàn)。

2)采用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀眾信息行為、展品信息進(jìn)行深度挖掘、分析。

通過(guò)對(duì)各系統(tǒng)中運(yùn)行核心要素建立觀眾信息數(shù)據(jù)庫(kù)、展品信息數(shù)據(jù)庫(kù)，公共信息發(fā)布數(shù)據(jù)庫(kù)、票務(wù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)。采用云計(jì)算技術(shù)對(duì)各類型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析、歸納，進(jìn)一步提高館內(nèi)服務(wù)管理效率、水平，提升觀眾游覽體驗(yàn)[7]。運(yùn)用公共信息發(fā)布系統(tǒng)通過(guò)信息發(fā)布制作平臺(tái)及信息發(fā)布設(shè)備，將館內(nèi)展覽信息及相關(guān)信息通過(guò)音頻、視頻等多媒體方式向參觀觀眾進(jìn)行展示。

未來(lái)，隨著5G技術(shù)和IOT應(yīng)用的普及，室內(nèi)定位應(yīng)用也必然與物聯(lián)網(wǎng)相融合，其定位精度和廣度將極大提升，本文所述的室內(nèi)導(dǎo)航導(dǎo)覽及人員信息化管理系統(tǒng)也必將得到廣泛的應(yīng)用。在5G通信技術(shù)和萬(wàn)物互聯(lián)計(jì)算的支持下，城市公共場(chǎng)所數(shù)字化管理水平定將呈現(xiàn)飛速進(jìn)步的趨勢(shì)。