LBS與RFID結合實現圖書館室內定位導航方法初探

陳 攀

（國家圖書館，北京100081）

LBS與RFID結合實現圖書館室內定位導航方法初探

陳 攀

（國家圖書館，北京100081）

基于位置的服務與射頻識別技術將成為解決圖書館內用戶及資源的定位導航的關鍵技術。本文從需求、原理、實現方式等方面探討LBS與RFID結合實現圖書館室內定位導航的方法。

LBS；RFID；室內定位導航；圖書館服務

LBS（Location－based Services，基于位置的服務）最早出現于軍事領域，隨后逐漸進入救援、測繪等專業技術領域。近年來，智能移動設備的，LBS逐漸走入人們的日常生活，在旅行、購物、飲食、社交等方方面面發揮著重要作用。隨著公共建筑設施規模的日益擴大，用戶的定位導航需求日益復雜，LBS的發展重點逐漸從室外走入室內，其中室內定位的精度，以及位置服務內容是開發商和用戶關心的核心問題［1］。

LBS未來或許也將成為圖書館的一項重要服務。早在2008年，國家圖書館就意識到了位置服務的重要，并嘗試提供室內導航服務，在館區內通過虛擬現實體驗、基于RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）的智能架位導航等方式，向到館用戶提供導航服務。然而，那時的移動智能設備并不發達，所以這些服務也都是基于臺式電腦系統開發的。現在看來，這些系統漸漸顯示出它們的不足，功能“雞肋”，乏人問津。然而，從感知技術的角度看，RFID確實可以成為圖書館位置服務中重要的組成部分，本文主要就如何利用RFID與LBS結合實現圖書館室內定位導航功能進行初步探討。

1 圖書館室內導航的需求

對于圖書館來說，室內定位導航功能不僅可以解決用戶的定位及位置引導問題，還可能成為資源導航的捷徑，成為用戶行為及需求分析的重要數據來源。

1.1 用戶的室內定位導航

隨著社會的發展進步，圖書館服務越發多樣化，服務場所面積也在逐年擴大，建筑內部的功能分區也更加復雜，用戶服務面臨著服務內容全面揭示難、服務位置引導難、服務質量監督反饋難等多重難題。

傳統的建筑導航方式是通過在建筑物入口或樓層入口處放置大型的平面地圖來完成目的地的導引。而通過圖書館LBS系統，用戶在到館后可以清晰的知道自己在什么位置，并可以了解到自己周邊有哪些服務空間，能獲得哪些服務或者資源，隨即根據用戶需要為其規劃到達目標地點的路徑。對于以高校圖書館為代表的多分館、總分結構的公共文化建筑集群來說，多樓宇間的導航也可以通過LBS來輕松解決。

1.2 文獻資源的定位導航

實現實體館藏的精確導航可以說是圖書館人夢寐以求的追求。近年來，通過RFID技術，許多圖書館已經實現了實體資源的“智能架位導航”。這項功能的作用就是將圖書、書架層板、書架物理坐標三者關聯，并在WEB端提供一張靜態示意圖，以幫助讀者尋找其需要的圖書［2］。有些圖書館選擇引入了Google Map等專業的地圖工具，通過API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）二次開發實現館內導航功能［3］。這在一定程度上滿足了用戶在館內精確查找館藏的需求，但卻并不是現在意義上的LBS服務，而僅是基于WEB端的路徑規劃功能，其最大的弊端是無法對用戶位置進行實時定位，無法提供可移動的查詢服務，以及實時路徑規劃等功能。LBS運用得當可以很好的彌補圖書館現有導航功能的不足，實現真正的資源定位導航。

1.3 對用戶行為及需求的分析

圖書館在開發APP時，可以將LBS作為圖書館移動服務的底層技術，將圖書查詢、數字資源查詢、用戶在線交流等功能與LBS關聯，用戶的查詢、利用行為，以及位置信息將一起被記錄下來，可供館員分析用戶需求。正如百度“遷徙圖”實現的那樣［4］，圖書館通過對用戶行為及用戶需求數據的收集，可以知道用戶從哪兒來，到哪兒去，他們在圖書館做了什么，看了哪些書，聽了哪些講座，以及他們如何看待這些資源與服務。圖書館甚至可以進一步預測不同用戶群體可能的行動軌跡與行為模式，并對用戶進行服務推薦，及時調整文獻采訪計劃，節約圖書館的管理成本及資源建設成本。

2 LBS室內定位導航概述

2.1 LBS概念

LBS的核心功能是為用戶提供當前位置的定位，通過LBS用戶能夠確定自己的位置，可以看到與其所在位置在空間上相關的信息，并與相應的位置信息或內容進行互動。簡單的講，基于位置的服務就是要為用戶解答3個問題：我在哪？我能在這做什么？我對這里怎么看？

LBS系統通常由定位系統、通信網絡、移動服務中心、移動設備4個部分構成。近年，隨著大量廉價、智能的移動設備的出現，LBS系統的開發成本得以大幅下降，移動定位導航服務得以走進人們的日常生活。就一個服務系統而言，定位系統是LBS的基礎，它主要負責獲取移動設備實時的位置信息，決定著LBS的精度；通信網絡則是連接用戶移動設備與服務中心的橋梁，要求能實時準確地傳送用戶請求及服務中心的應答，為LBS系統提供必要的環境支撐；移動服務中心通常由移動應用的內容提供商運營管理，它是LBS系統的功能核心，決定著服務的成敗，隨著移動用戶數量的激增，“內容為王”已漸漸成為移動服務領域的法則［5－6］。

2.2 室內定位技術

實現室內定位導航功能包括定位技術選擇、地圖繪制、APP開發等多個環節。其中，定位技術的選擇與部署是決定定位服務精度和深度的關鍵，合理的定位部署方案將大大節省投入成品，提高定位效率及精度。目前市場上比較成熟可行的定位技術部署方案主要有指紋定位技術、API端定位技術，以及在OS系統中廣泛應用的藍牙定位技術。3種方式的室內定位效果都較好，其中藍牙定位技術目前定位精度最高，但相對來說部署成本略高。

2.2.1 指紋定位技術

指紋定位技術是一種基于WIFI的定位技術。WIFI由無線路由器、無線接入點（AP）和無線網卡組成。WIFI本身并不具備定位功能，但其部署位置卻具備一定的空間固定性，通過建立WIFI位置信息數據庫，可以實現定位。

這里的“指紋”指的是在定位區域構建的與位置信息相關的無線信號強度圖譜。建立位置指紋包含兩個階段：訓練和定位。訓練過程就是將定位區域劃分為均勻的網格，每一個網格對應一個位置指紋；定位時，被定位對象的位置就是距離它最近的位置指紋。指紋定位的優點是定位簡單、方便，無需額外的硬件設備，但是如果AP部署位置變更就需要重新訓練位置指紋，對于信號位置經常發生變化的環境，重復的指紋訓練無疑會增加位置定位的維護費用及難度［7－8］。

2.2.2 API端定位技術

API端定位技術也是一種基于WIFI的定位方式。API是操作系統留給應用程序的調用接口的一些預設函數，應用程序通過API可以使操作系統執行應用程序的命令［9］。在建立WIFI無線路由器位置信息數據庫后，移動設備通過實時獲取周圍WIFI路由器的信號強度及其對應的MAC地址（Media Access Control，物理地址），通過API與應用程序通信，按照一定的模型與應用程序位置數據庫中相關信息關聯，并將計算后的位置信息返回移動設備，從而實現移動設備的定位。這種定位方式要求隨時保證網絡通信的暢通與穩定，并需要應用程序能夠獲取移動設備的MAC地址。

2.2.3 藍牙定位技術

藍牙技術是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，支持點到點、點到多點的數據傳輸，同樣也可以用于室內定位。目前，藍牙定位技術主要應用于OS系統的移動設備，由于OS系統的封閉性，基于WIFI的定位技術都無法在該系統中應用，因此直到2013年蘋果公司發布了基于藍牙的新型定位技術iBeacon，OS系統的移動設備室內定位問題才得以結局。iBeacon可以將手機定位到英尺，設備使用低功耗藍牙技術向周圍發送自己特有的ID，接收到該ID的應用軟件會根據該ID來判斷設備的位置并作出響應［10］。

3 RFID架位導航實現原理及方法

為了更好的探討RFID與LBS結合的可行性，下面首先對RFID架位導航的實現原理及方式進行簡單分析。

3.1 架位導航原理

RFID作為一種通信技術，主要功能是通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據。通過RIFD技術實現的圖書架位導航是一種基于射頻標簽之間位置關聯的導航方式。這種導航的原理非常簡單，首先通過在普通圖書以及書架上加裝RFID標簽，使它們具備可被非接觸式讀寫的特性，從而將普通實物轉換為“智能”實物，然后建立起圖書、書架、閱覽室物理空間三者之間的關聯關系：將圖書與書架通過射頻識別進行位置關聯，以確定圖書與書架的相對位置；將書架位置在閱覽室內的空間坐標通過導航圖描點進行關聯，從而實現單冊圖書在閱覽空間內的準確定位。

3.2 實現方法及步驟

讀者在查詢某冊圖書的架位時，OPAC根據用戶查詢的圖書，從圖書館集成系統中獲取對應的架位號信息，顯示在瀏覽器頁面上，同時生成一個架位發送請求鏈接。當讀者點擊架位請求鏈接時，架位導航服務器收到發送來的請求，會自動判斷請求的來源（查詢機位置），結合架位號信息，生成對應的導航路線。

實現架位導航功能需要完成閱覽室所有圖書RFID標簽轉換、RFID層架標部署、單冊館藏與架標關聯、導航數據庫建庫與描點等步驟。

3.2.1 圖書RFID標簽轉換

圖書RFID標簽轉換時，在圖書上粘貼RFID標簽，并寫入一些必要的信息，如主館藏標識（條碼號）、館代碼、應用類型等。在RFID相關行業標準WH/T 43－2012《圖書館——射頻識別——數據模型》中，標簽數據元素中包含排架地點項，圖書館可以選擇將架位信息寫入該字段；也可以不使用該字段而僅將架位信息寫入架位導航數據庫中。例如北京師范大學圖書館選擇前種方式，而國家圖書館則選用后種方式［3］，兩種方式各有利弊，在此不做贅述。

3.2.2 書架RFID層架標部署

層架標部署就是在閱覽室內普通書架的每個層板上安裝RFID層標簽，并按照館區地理位置對它們進行編碼。架標體系的最小識別單位是“層”，由于RFID識讀方式是“區域讀寫”，識讀區域內的讀取順序是隨機的，因此在書架的一層內RFID系統無法判別圖書擺放的先后順序。有些圖書館為了解決這一問題，會選擇建立輔助排架體系，完成層內的圖書排序［11］。

3.2.3 完成單冊館藏與層架標的關聯

利用采集車對每層架板上的架標與該層每冊圖書進行關聯式點檢，即先采集層板RFID標簽，然后對此層的所有圖書標簽進行采集，采集完成后上傳至RFID數據庫。通常，在架位導航庫建立之初，工作人員需要循環多次進行層標與圖書標簽的關聯點檢，以保證室內的所有圖書都能進入導航系統。

3.2.4 建設架位導航數據庫

架位導航數據庫除包含導航圖片圖層數據外，還需要對位置信息進行描點，并設置編碼及譯碼的規則。例如，國家圖書館的架標體系采用的是字母、數字混合定長編碼，編碼規則要對樓層、閱覽室、方位、架位、層等位置元素進行規定，以確保對導航位置的準確描述。路徑規劃功能的實現則需要事先對每一臺OPAC查詢機的位置進行描點，根據查詢機的MAC地址來規劃到達目標位置的路徑。

4 LBS與RFID結合的方法

4.1 LBS與RFID定位導航功能對比

LBS與RFID兩種技術在用戶定位、路徑規劃、定位精度、地圖繪制，以及使用載體等方面都存在著不同。

在用戶的實時定位功能上，LBS具備壓倒性的優勢，目前較好的室內定位技術部署可以達到2～3米的定位精度，遺憾的是無法做到將讀者引導到閱覽室內的某一書架。而RFID技術雖然可以通過超高頻標簽（圖書標簽、書架標簽、讀者卡標簽）之前的相互關聯實現用戶定位，但目前這種方式投入成本較高，效率較低，短期內在圖書館無法實現應用。

在定位精度問題上，LBS與RFID二者因定位原理的本質不同，不好拿來相提并論。前者的定位精度取決于定位技術的選擇與部署，而后一種方式一旦完成層架標描點，則其定位的是固定坐標，定位準確度完全取決于圖書與層架標的位置關聯是否正確。

在如路徑規劃、地圖繪制等問題上，LBS體現了其在定位導航功能上的專業性，較現有RFID導航在各方面的表現都更為成熟。

就功能的使用載體看，絕大部分用戶習慣通過移動設備（智能手機）使用LBS；雖然目前已有廠商推出了基于RFID系統的查詢APP，但大多數圖書館用戶仍然在使用傳統的WEB端查詢RFID導航信息。

表1 LBS與RFID定位導航功能對比

表1 （續）

4.2 實現方式

綜上所述，兩種導航方式在實現圖書館室內定位導航上各有優劣：LBS系統作為較成熟的社會化產品，其用戶定位導航功能完備，定位精度較好，可以完成對到館讀者的方位引導，將讀者指引到某一服務區域門口，但是卻不能滿足館內單冊實體資源的定位導航需求；基于RFID的導航可以對某冊圖書資源進行精確到層的定位，但卻無法完成用戶的實時定位以及服務區域的指引。因此，在圖書館中LBS與RFID可以作為一對互補的技術，共同實現有圖書館特色的室內定位導航功能：LBS用以實現人的定位、服務區域的定位，而RIFD則可以成為LBS系統的延續，解決讀者找書時“最后1米”的定位問題。

在LBS與RFID兩個系統的銜接問題上，可以有多種解決方式。圖書館既可以利用成熟的LBS產品API進行本館APP的二次開發，也可以將圖書館的RFID架位導航圖提供給LBS廠商，在專業的LBS產品中嵌入圖書館館內地圖。目前，購物中心等公共場所的室內定位導航是通過后一種方式實現的，室內導航在呈現方式上通常包含樓層切換、比例縮放等功能（如圖1）。另外，圖書館也可以選擇兩種解決方式并用，既保留圖書館自身開發APP的自由，同時也通過社會化的產品向潛在的圖書館用戶推廣圖書館內的服務。

圖1 百度地圖、高德地圖的室內導航圖樣例

4.3 實施方法

在圖書館內實現上述方式的定位導航需要分別對LBS系統、RFID系統進行建設。LBS系統建設時要完成定位系統部署、繪圖、描點、APP開發等工作；RFID系統的建設則需要完成標簽轉換、標簽位置關聯、架位庫建庫等工作。部署流程可參考圖2所示。

圖2 圖書館室內定位導航系統部署流程

RFID導航系統的建設方法可參考3.2章節部署，在此不做贅述。其中，3.2.4章節中所述的步驟可簡化，只需制定好架位編碼規則，而繪圖、描點以及路徑規劃等工作則留給LBS系統建設時完成。下面就LBS系統的部署方法做簡要說明。

4.3.1 定位系統的部署

對于已經部署了無線網絡的圖書館，為了提高定位的精度，可能需要增加館內的AP設備；對于尚未部署無線網絡的圖書館，首先要決定使用何種定位技術。目前，在館內同時部署WIFI、藍牙兩種定位系統的費用較高，從性價比考慮可優先選擇通過WIFI實現定位。

使用WIFI部署室內定位系統時要注意如下問題：

（1）AP部署數量越多則WIFI信號覆蓋度越高，定位的精度也會越高。目前廠商推薦的AP部署間隔在6米，此時每個WIFI信號覆蓋范圍約100平米，定位精度可達到3～5米。

（2）采用“指紋”定位時，每一次參照點的變化都需要重新采集指紋，以確保定位導航的準確，如果導航目標變化過于頻繁則會大大提高系統的維護成本，影響服務質量。

（3）AP接入點的變更，如信號強度、部署地點的變化也將影響定位的精度，每次變化都需要重新采集信息。

4.3.2 室內地圖的繪制

室內地圖相比于室外地圖，更注重地圖的精度以及精細化的內部元素的展現。成熟的LBS系統多采用“瓦塊圖”，即將整張地圖按照一定放大等級進行柵格化，并切分為若干小文件，地圖切片后可以有效提高用戶的訪問及下載的效率［12］。室內地圖大多采用二維平面圖，繪制時要充分考慮用戶的認知習慣和使用習慣。對于已有RFID架位導航的圖書館，可將本館的RFID導航平面圖提供給LBS廠商，將室內地圖與建筑物外輪廓地圖進行比對、修正，以保證圖書館的外輪廓及館內細節與LBS廠商提供的地圖框架及坐標一致，避免定位與導航的錯誤。

4.3.3 APP開發

圖書館可以單獨開發用于導航的APP，也可以在已有圖書館APP內嵌入定位導航功能。如果選擇后一種方式，可以考慮在“查詢”功能中通過LBS廠商提供的SDK（Software Development Kit，軟件開發工具包，其中包含API）［13］進行二次開發。查詢系統首先判斷用戶的查詢內容是圖書信息、位置信息，還是閱覽室信息，之后根據查詢內容的不同，指向各自不同的響應系統。

（1）查詢文獻資源信息時，查詢系統把用戶請求發送至OPAC等圖書館查詢系統。OPAC系統在提供書目信息的同時，提供通過RFID系統建立的架位信息，并通過鏈接指向LBS系統。書架定位時忽略書架名稱后面的層信息，相同書架名稱合并為一條位置記錄。最后，系統完成用戶的定位以及前往目的地的路徑規劃。

（2）查詢個人位置，或是某個閱覽室、活動中心位置時，查詢直接指向LBS系統，進行用戶定位，并規劃路徑。LBS系統除定位用戶位置外，還可以為用戶提供當前位置周邊可用的服務，并提供周邊服務的基本信息供用戶選擇所需服務。

查詢系統指向LBS系統時，可以通過接口鏈接跳轉LBS軟件的方式完成定位導航，也可以將LBS系統內嵌在圖書館APP中，在圖書館APP內完成定位導航。前一種方式開發難度及成本相對較小，后一種方式用戶的圖書館體驗則更完整、順暢。

在APP開發中，用戶體驗至關重要，因此，便捷、高效是功能流程設計的重點，越少的接入口，越直接的呈現方式，可能吸引到的用戶越多。

圖3 圖書館室內定位導航功能流程示意圖

4.4 存在的問題

4.4.1 RFID架位信息不準確問題

基于RFID技術的架位信息本身不一定是實時更新的，這取決于RFID架位數據采集方式以及數據更新方式。有些圖書館選擇循環盤點方式，不斷更新架位信息；也有圖書館只對更改位置，或歸還的圖書位置進行采集，而全部盤點可能每年僅進行1～2次。但無論哪種方式，都無法達到架位導航百分之百的準確。以國家圖書館架位導航維護的經驗看，通過循環盤點，架位導航的準確率可以保持在85%～95%之間。目前，仍沒有更好的方案可以在現有技術條件下解決架位信息關聯不準確問題。因此，雖然RFID技術在圖書館已經經歷了近十年的發展，技術越來越成熟，但仍然有大量的圖書館沒有使用其架位導航的功能。

4.4.2 LBS廠商帶給圖書館的風險

一些圖書館會選擇使用某些地圖（例如谷歌地圖）API進行二次開發，但由于一些不可抗力，用戶會因為網絡限制等問題而無法正常使用導航功能，這將迫使圖書館放棄導航功能或是重新制作導航圖以延續導航功能。

由于借助了第三方的力量，圖書館不得不承擔外因變化帶給圖書館定位導航功能的不確定性，與LBS廠商合作的越深入，圖書館對廠商的依賴性越強，則圖書館自身的主控權越小，導航系統的不確定性也越大，這讓我們不得不擔心這一技術是否會因為社會環境的變化而曇花一現。

4.4.3 隱私安全

如果圖書館選擇向LBS廠商開放圖書館查詢系統，則這一定程度上存在著安全及隱私風險。位置、查詢這兩個關鍵詞，可以對用戶行為進行較為全面的描述，簡單的說，讀者在哪，從哪來，到哪去，以及他們在做什么，即將做什么，這一系列的問題，都有可能被圖書館洞悉，如果沒有完善的信用體系建設，沒有完善隱私保障措施，用戶信息的泄露很可能成為這一技術的最大隱患。

5 小 結

目前，室內定位導航技術仍不算十分成熟，但卻非常有實踐的價值。筆者通過調研認為，圖書館現階段已可以考慮小規模實踐室內定位導航技術。從成本投入上看，與成熟廠商的合作，將大大節省建設及維護成本，但必須慎重考慮隱私、安全協議等問題。

本文探討了一種較為可行的室內定位導航實踐方案，但在實施過程中，還要全面評估技術可能存在的風險，根據圖書館的具體需求及建設現狀的特異性，進一步細化調整方案。

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［4］百度地圖遷徙人氣——全國人口的遷徙路書［EB/OL］．http：∥qianxi．baidu．com，2015－07－21．

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［6］王思寧．從室外到室內的微時代［J］．軟件工程師，2012，（10）：10－11．

［7］楊廣龍．基于多模指紋匹配的室內定位系統設計與實現［J］．計算機工程與設計，2013，（5）：1896－1901．

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［9］API［EB/OL］．http：∥baike．baidu．com/subview/16068/5889234．htm？fr＝aladdin，2015－07－21．

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［11］林曉玲，楊明華．RFID圖書管理系統中圖書定位排架方式探析［J］．圖書館論壇，2012，（3）：102－104．

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［13］SDK［EB/OL］．http：∥baike．baidu．com/link？url＝la5JmhFEYPjhKMyop0QVyZzIzA9IdLXzSulB4ma_ POlMWiMII9PpmuuxcYcZqzT5GJowBl_mQR2Gb4UE0a8WjOFfpg－eBg－f3－cjixW02y，2015－07－21．

（本文責任編輯：孫國雷）

LBS and RFID Combined to Achieve Indoor Positioning Navigation Methods of Library

Chen Pan
（National Library，Beijing 100081，China）

LBS and RFID will be the key technology to solve the positioning navigation within the library's users and resources．This paper discussed methods comprising LBS and RFID to achieve indoor positioning navigation of library in terms of demand，principle，implementation．

LBS；RFID；indoor positioning navigation；library service

10．3969/j．issn．1008－0821．2016．02．022

G253.1

A

1008－0821（2016）02－0114－06

2015－10－21

陳 攀（1984－），中文圖書閱覽組組長，館員，研究方向：圖書館學。