基于無線通信的高精度室內人員定位系統在博物館信息化建設中的應用

邢更力1,賈 凡,孫 健,畢明浩

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

0 引言

近年來隨著定位與導航技術以及智能終端設備的普及，高精度定位在社會生產生活中的應用愈發廣泛。目前室外定位依賴衛星能夠取得米級甚至亞米級的精度，基本滿足了日常應用需求，但在室內缺少衛星信號的場合，高精度定位應用仍處于起步階段[1]。

博物館是國家文明歷史的教科書，是對廣大人民群眾進行傳統文化教育、歷史文明教育的前沿，目前全國的博物館向全社會實行免費開放，同時廣大人民群眾的文化消費和科技體驗要求日益增強，如何通過信息、智能等現代科技大力提升自身的公共服務質量，讓觀眾獲得更好的文化藝術體驗，成為博物館信息化建設中的重要目標[2]。

在博物館信息化系統中，通過高精度人員定位可以精確測量出各個觀眾的軌跡信息，針對用戶精準推送參觀服務，也可以統計和監控觀眾流量，對博物館自身服務進行提升[3]。因此，有必要在博物館信息化建設中應用高精度室內定位技術，建立高效智能的參觀服務系統，提升博物館的社會服務水平。

本文采用基于無線通信的高精度室內定位技術，實現觀眾智能化服務和博物館綜合管理。

1 基于無線通信的高精度室內人員定位系統總體設計方案

觀眾信息化管理系統根據業務需求功能劃分為自動化票務系統、個性化觀眾導覽系統、公共信息發布系統、基礎信息設施等部分。系統各部分子系統關系如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

個性化觀眾導覽系統具備基于觀眾實時位置信息的展品信息推送、展品/展覽詳細信息查詢、館內游覽路線導航、館內設施使用及區域人流密度情況查詢(衛生間、電梯、餐廳人員密度等)、館內尋人及應急幫助呼叫等針對觀眾體驗的人性化服務功能。

公共信息發布服務系統主要能夠為參展商及場館管理者提供快捷方便的展示信息制作平臺及制作模板。參觀觀眾能夠通過信息發布屏、智能終端設備及館內語音廣播系統獲取場館對外發送的展品信息、展覽預告、疏散引導等公共信息。

基礎信息系統主要實現對信息系統網絡化統一管理，建立統一基礎信息數據庫，對各子系統信息統一存儲、統計、分析；具備對系統各設備進行實時監管、維護。

自動化票務主要實現自助換票、自助退票、票務信息統計、網絡票務預約、票卡運營及維護等功能，同時該子系統還包含人工票務終端，實現輔助團隊、特殊人群換票等功能。觀眾基礎信息庫主要實現對觀眾信息統計、存儲、分析。

2 室內定位系統設計

2.1 定位系統硬件設計

定位系統硬件設備主要包括：智能終端、定位系統、網絡交換設備、系統管理服務器等。

圖2 智能導覽系統硬件框圖

其中無線網絡系統主要包含無線接入、AP接入交換機、用戶接入節點AP管理器(AC)等部分。根據各樓層人流數量分布情況，為保障網絡系統穩定性，每層采用獨立冗余交換機布置，采用光纖雙線匯聚布線，每層布置高性能接入交換機2臺[4]。

網絡數據量計算：每個接入設計接入為50個最終用戶，每個用戶預設2 Mbps帶寬。按照單層最大40個AP計算，設每個用戶在

滿帶寬需求，對單層交換機最大要求總容量為400 Mbps；

2.2 定位系統功能設計

定位功能指標:

1)定位系統定位響應時間小于2 s；

2)二維定位系統平均誤差不超過3米，最大誤差不超過5米；

3)工程允許同時定位人數不小于20000。

智能終端，作為提升博物館人性化服務的重要設備，具有定位、信息推送、智能導航、信息檢索、觀眾互動、在線幫助等諸多功能：

1)可實現展品信息講解功能；

2)館內智能地圖導覽；

3)基于位置信息的業務數據推送；

4)語音導覽；

5)館內尋人；

6)觀眾互動；

7)可回收重復利用

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

普通參觀者可持自帶智能手機，通過刷二維碼的方式將智能導覽系統終端軟件安裝于手機中，并通過連接館內WIFI網絡，從而實現智能導覽服務功能[6-7]。

無智能手機的參觀者，館內提供手持式智能終端設備。參觀者可根據需要自行換取，并通過智能終端設備完成智能導覽服務。

針對兒童、老人等特殊人群。館內提供有腕帶式終端設備，佩戴者家屬可通過掃描二維碼的方式將腕帶終端與手機或手持式終端進行綁定，當發生走散時，用戶可通過尋人功能自行快速地查找到失散親人。

2.2.1 導覽服務管理軟件

與定位系統服務器信息發布服務器共享人員位置信息、展覽信息等。管理員登錄系統后，可對需要發布或推送的信息進行創建、編輯、刪除等操作。

信息內容包括：文字、語音、圖片、視頻等格式。

系統容量：同時在線人數10 000人。

2.2.2 移動終端軟件

移動終端軟件(APP)分為IOS/Android兩個版本。

觀眾通過手機掃描票卡上印刷的二維碼來安裝APP。安裝后，用戶可按照分類查看館內已發布的信息。另外，當用戶處于信息推送點位時，接收服務器自動推送的信息，觀眾可選擇性查看[8]。

另外，觀眾可以通過軟件定位自身位置，以便合理安排游覽路線。

圖3 定位系統網絡框架

3 個性化觀眾導覽子系統設計

個性化觀眾導覽系統提供了便捷的展品/展覽詳細信息查詢、基于位置信息的實時導游語音/畫面/文字推送、館內游覽路線查詢、館內設施/區域使用情況查詢(衛生間、電梯、餐廳人員密度等)、館內尋人及應急幫助呼叫等諸多提升參觀體驗的人性化服務。該類服務數據業務如推送數據、語音信息等均有導覽服務器統一處理[9]。

個性化觀眾導覽子系統軟件主要包括導覽服務管理軟件、定位服務管理軟件、AP設備管理軟件及智能終端軟件四部[10]。

圖4 個性化觀眾導覽子系統框架

3.1 應用軟件設計

3.1.1 導覽服務管理軟件

功能如下：

1)服務器硬件管理

2)導覽應用軟件

(1)展品信息查檢索；

(2)推送信息查詢；

(3)定位數據關聯；

(4)終端請求信息處理；

(5)終端狀態監測及管理。

3.1.2 定位服務軟件

1)服務器硬件管理

2)定位應用軟件

(1)終端掃描；

(2)終端信息記錄；

(3)坐標數據處理；

(4)AP坐標標記；

(5)地圖繪制。

3.1.3 AP設備管理軟件

1)網絡參數設置；

2)設備維修數據記錄；

3)設備在線狀態監控

3.2 智能終端軟件設計

智能終端軟件設計架構如圖5所示。

圖5 智能終端軟件架構

表1 智能終端軟件功能表

4 觀眾信息分析統計子系統設計

觀眾信息分析統計子系統包括基礎信息控制平臺軟件、基礎信息服務管理軟件及數據庫管理軟件。具體功能描述如下：

4.1 基礎信息控制平臺軟件

基礎信息控制平臺軟件運行在監控管理終端設備，具備以下功能：

1)監控顯示各子系統實時推送數據：

監控自動化票務子系統實時數據：票箱余票、在館人數、換票觀眾信息、實時客流量統計等；

監控個性化導覽子系統實時數據：智能終端接入數量、觀眾位置信息、熱門查詢信息、區域人流密度等；

公共信息發布子系統實時數據：信息發布實時監控。

表2 回放統計內容表

2)具備歷史數據回放、檢索、導出:

具備信息統計、分析等功能，具體內容如表2所示。

3)異常狀態報警：

(1)設備異常狀態報警；

(2)觀眾求助報警；

(3)緊急事件(如火災、踩踏等)報警。

4)具備遠程操控管理：

本系統預留與安防監控室遠程控制接口。

5)設備狀態監管：

實時監測所有在線終端設備狀態。對已接入信息化管理系統網絡的硬件設備進行應用層參數配置。

6)擴展服務業務：

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

(2)清場管理：閉館清場時，系統將統計入館和出館觀眾數量，發現未回收的票卡時，系統自動報警提示。

(3)客流管控：根據館內現有人員數量及最大接待能力，控制售票售票環節減少入館人數。

4.2 基礎信息服務管理軟件

1)硬件服務器管理

2)基礎信息服務應用

(1)平臺軟件控制管理；

(2)數據庫管理；

(3)安全管理。

4.3 數據庫管理軟件

數據庫管理軟件用于建立、使用和維護本案各子系統數據庫系統，以便于對整個系統的數據庫統一管理和控制。根據使用功能分類，數控庫管理軟件可分為7部分組成，包括：

1)數據定義；

2)數據操作；

3)數據庫運行管理；

4)數據組織、存儲與管理；

5)數據庫保護；

6)數據庫維護；

7)通信。

5 結束語

通過設計基于無線通信的高精度室內人員定位系統，能夠為博物館管理、觀眾服務帶來質的提升，目前已應用于多個博物館信息化建設中。相比于傳統室內定位應用，本文所述的系統還具有如下特點：

1)采用移動終端互聯技術，提升館內參觀觀眾的高品質服務體驗；

在本系統用，觀眾通過智能導覽終端、個人移動電話等設備接入館內無線網絡系統，實現對用戶的無縫數據漫游，無需專用定位終端，無需重復登錄認證，為觀眾隨時隨地提供所需的位置信息查詢、展品信息檢索、室內地圖導航、互動等，提高了博物館科學化運營的效率，同時提升館內觀眾高品質的服務體驗。

2)采用大數據和云計算技術，實現對觀眾信息行為、展品信息進行深度挖掘、分析。

通過對各系統中運行核心要素建立觀眾信息數據庫、展品信息數據庫，公共信息發布數據庫、票務信息數據庫、設備運行狀態數據庫等，實現對系統中各系統的數據采集、處理、存儲。采用云計算技術對各類型數據庫進行分析、歸納，進一步提高館內服務管理效率、水平，提升觀眾游覽體驗[7]。運用公共信息發布系統通過信息發布制作平臺及信息發布設備，將館內展覽信息及相關信息通過音頻、視頻等多媒體方式向參觀觀眾進行展示。

未來，隨著5G技術和IOT應用的普及，室內定位應用也必然與物聯網相融合，其定位精度和廣度將極大提升，本文所述的室內導航導覽及人員信息化管理系統也必將得到廣泛的應用。在5G通信技術和萬物互聯計算的支持下，城市公共場所數字化管理水平定將呈現飛速進步的趨勢。