基于BIM和RSSI的室內定位與導航研究與應用

李鋒，明鏡，唐相楨

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

當前，大型場館、商場、醫院等場景對室內定位和導航的需求日益增長。基于低功耗藍牙設備的接收信號強度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)的室內定位技術成為研究的熱點。周慧敏等研究了使用手機藍牙終端的三角定位法[1]；史瑞瑞等研究了基于RSSI的測距模型、動態系數加權質心定位算法等[2～8]；劉萬青等研究了藍牙定位和航位推算的融合問題[9]，王婷婷等實現了藍牙RSSI值位置指紋庫[10]；楊剛等研究了基于RSSI修正值雙重定位方法[11]。

由于建筑物內部是三維空間，藍牙標簽的布設也是空間化的，因此結合建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的室內定位研究是提升室內定位精度的重要方向之一。簡家林研究了基于ZigBee定位基站定位結合BIM可視化的技術[12]；謝文靜等研究了基于WiFi定位結合室內分層的技術[13]；梁泉等研究了監控動態藍牙終端并實現BIM可視化的方法[14]，S·B·摩西等基于BIM實現藍牙低能量設備的自動配置[15]；路建永等研究了基于Lora基站的室內外切換方法[16]。

本文分析了藍牙設備RSSI的穩定性問題，基于BIM實現藍牙設備布設和采樣點布局，提出基于BIM和RSSI的室內定位算法，開展了算法參數率定實驗，并以某醫院為例進行了技術驗證，實現了基于BIM和RSSI的室內定位與導航。實驗結果證明，該方法提升了室內定位與導航的準確性和有效性。

2 基于BIM和RSSI的室內定位算法

2.1 藍牙信號衰減模型

藍牙無線信號在空中傳播時，通常都會隨著傳輸距離的增加而信號強度逐漸減弱。大量實驗表明，藍牙信號強度值RSSI與距離之間滿足對數正態分布經驗模型。即：

RSSI(d)=RSSI(d0)-10nlg(d)

(1)

其中，RSSI(d)代表傳輸距離為d時，接收端接收到的信號強度值；RSSI(d0)代表傳輸距離為d0時，接收端接收到的信號強度值；通常地，選擇d0=1.0 m，即以距離藍牙發射端的距離為 1.0 m的強度值為參考強度值；n為路徑損耗因子。

在實際中發現，藍牙設備RSSI值在場館的不同地點(辦公室、走廊、電梯廳)以及一天中的不同時段(早晨、上午、中午、下午、晚上)均會有起伏變化。不同地點的強度值變化符合高斯正態分布，記為Xσ，不同時段的變化是一個分段函數，記為Y(t)，考慮這種時空變化，改進式(1)為：

RSSI(d)=RSSI(d0)-10nlg(d)-Xσ-Y(t)

(2)

由此得出由RSSI值計算距離的公式：

(3)

2.2 BIM在室內定位中的作用

藍牙設備接收端距離發射端越遠，則信號穩定性越差，因此在布設藍牙設備時，使得能夠覆蓋空間，而且彼此之間的間距不大于 10 m。

基于BIM對建筑物內部的精準建模，因此可以在BIM中預先設計藍牙設備布設方案，設計相應的采樣點，建立發射端三維位置表和采樣點三維位置表，并給出每個采樣點關聯的最近的 10 m以內的多個發射端及其準確距離d，然后根據式(3)進行藍牙發射端算法參數的率定。

2.3 算法流程

基于BIM和RSSI的室內定位算法流程如圖1所示。

圖1 基于BIM和RSSI的室內定位算法流程圖

在參數率定階段，主要內容是布設藍牙設備(標簽)，結合已知的布設點和采樣之間的距離d，率定式(3)中的4個參數，RSSI(d0)、n、Xσ、Y(t)，其中前3個參數是與藍牙設備相關的，需要逐個率定；Y(t)是一個隨時間變化的變量，可以隨一天中的時間變化逐小時進行計算。主要步驟包括：①構建建筑物BIM；②設置或者測定每個藍牙設備的RSSI(d0)值；③設置或者測定分時段的Y(t)值；④基于BIM實現藍牙三維布設，給出采樣點、發射端的位置關系；⑤在預定的采樣點多次采集RSSI數據；⑥根據采集數據以及預知的d值率定n和Xσ；⑦建立每個藍牙設備的率定參數表。

在實時定位階段，主要內容是根據實時測定點的一系列RSSI值，求出實時測定點對應的空間位置；主要步驟包括：①新的藍牙設備接收端接入；②實時采集該接收端的多個RSSI值；③根據RSSI值對應的藍牙發射參數端RSSI(d0)、n、Xσ、當前時間段Y(t)，求出該RSSI對應的d值；④d≤10.0為有效的接收值，對有效d值進行排序，并找出最小值d1、d2、d3對應的發射端記為S1、S2、S3；⑤根據三邊測量法，求出S1、S2、S3和對應的d1、d2、d3的交點?？梢韵惹蟪鰞蓛上嘟坏慕稽cP、Q、R，然后使用質心算法求得交點坐標；⑥使用其他的有效d值檢驗坐標T，如果合理，則增加到有效定位點中，否則依據當前運動趨勢推斷定位點。計算結果定位點即為室內定位位置，可以實時顯示在BIM中。

基于BIM模型，本方法能夠精確布設藍牙設備和采樣點布局，將采樣點和藍牙發射端的空間距離作為已知值，使用多點位、多時段的參數率定方法提升測距公式的精度，同時考慮多個d值檢驗定位結果，結合定位點序列形成的運動趨勢，可以排除錯誤的定位計算結果，有效避免定位的不穩定性。

3 算法參數率定

基于BIM和RSSI的室內定位技術中，系統的定位精度受多方面因素的影響，如信號傳播的多徑效應、無線信號傳播的距離、傳播中墻壁，門窗，家具，人員流動對信號產生的影響、折射、散射和衍射等。為方便研究以便提高定位系統的性能，必須全面系統地研究與分析定位系統中的一些關鍵性因素以及這些因素與定位精度的相關關系?，F分別對硬件本身信號的穩定性、傳播距離、障礙物，多徑效應進行實驗。

3.1 RSSI(d0)率定實驗

由于接收機搜集到的信號強度值(RSSI)出現了信號波動的情況，現針對基站信號的穩定性，設計了以下實驗方案，以驗證信號強度的穩定性。任選一個藍牙設備作為實驗對象，在d0=1.0 m處接收300次該信號源發射的藍牙無線信號RSSI(d0)，以300次的采樣均值作為RSSI(d0)率定值，結果如圖2所示：

圖2 RSSI(d0)實驗結果

進一步地，距離藍牙發射端不同距離進行RSSI值進行多次測定，然后求均值和標準差；對三個發射端采用同樣的測定方法，結果如表1所示：

不同距離RSSI值實驗結果 表1

從表1中，可以看出，作為參考距離d0=1.0 m，三個藍牙發射端的RSSI(d0)均值和標準差是不同的，這個值與藍牙發射器端本身相關。

3.2 RSSI-d率定實驗

終端與信號發射站之間的距離及環境因素決定了終端所接收到的RSSI值。在環境因素一定的情況下，RSSI值與距離d呈現對數正態分布。如圖3所示。

圖3 RSSI-d關系

根據圖3，當終端越靠近信號發射站時，所接收到的RSSI值越強，信號越穩定，且信號強度值在 3 m內衰減較明顯；隨著距離的增加，信號強度值衰減減弱但波動性逐漸加大，信號強度值越不穩定，因此設定可以參與定位計算的距離閾值為 10 m。同時由于距離閾值之外的信號不穩定，需要基于BIM模型進行藍牙布設點和算法參數采樣點的布局設計。

3.3 與環境相關的n和Xσ率定實驗

在實際應用環境中，由于多徑、繞射、障礙物等因素，室內無線信號的傳播規律是很難進行確定性預測的。由射頻無線信號的傳播衰落模型可知，某一固定位置處來自同一基站的瞬時RSSI在一個穩定的平均RSSI值為中心的范圍內變動，其均值RSSI由此處到信號基站的距離和兩者之間的路徑干擾情況確定。由式(3)，可以結合已知距離d進一步推知具體的n和Xσ數值。

為驗證環境對RSSI值的影響，本文設計了4個場景，分別是戶外無遮擋、辦公區域、木板墻壁、混凝土墻壁；將設備部署在不同的環境下進行實驗，在距信號發射源不同距離(1 m、2 m、3 m、4 m、5 m)處采集300次數據，統計其均值和方差，結果如表2～表5所示。

戶外無遮擋環境相關的n和Xσ實驗 表2

辦公區域環境相關的n和Xσ實驗 表3

木板墻壁環境相關的n和Xσ實驗 表4

混凝土墻壁環境相關的n和Xσ實驗 表5

從實驗中，可以得出：①信號發射源本身是不穩定的。不同的設備在相同的實驗環境下，接收端在相同位置處接收到的信號強度值存在著差異，接收端接收到的信號強度值離散程度越大，其信號強度值越不集中，其波動幅度大，設備本身發射的無線藍牙信號越不穩定；②不同環境對無線信號傳播有影響。相同的發射端在不同的實驗環境中測試統計的信號強度值相差較大，室內環境相關的n和Xσ實驗如表6所示。

不同室內環境下的方差σ2與路徑損耗因子n 表6

3.4 RSSI-t關系率定實驗

在相同環境下，在一天中的不同時段，由于人員流動、氣溫變化等差異，導致RSSI值隨之波動，為了進一步提高RSSI室內定位精度，本文設計了RSSI-t實驗。具體地，對藍牙發射端進行連續采樣，采樣時間段是00：00-24：00，結果如圖4所示。

圖4 RSSI-t關系

根據圖4，一天中，上午時段和下午時段人員活動較大時，信號強度減弱。將相應的RSSI-t關系值轉變為Y(t)，可以在式(3)中起到提升定位精度的效果。

3.5 算法精度測試

依據上述算法及參數率定方法，本文具體實現了基于BIM和RSSI的藍牙布設、算法率定、實際精度驗證，本文方法室內定位精度小于 2 m，與基于RSSI的室內定位方法[4]相比，定位精度提升了12%。

4 實際應用

重慶某醫院坐落于重慶市兩江新區核心區，占地面積200畝，門診大樓面積約4.8萬平方米。針對醫院人流量大、門診樓布局復雜、導醫就診流程煩瑣等特點，基于BIM和RSSI的室內定位技術。本文建立了室內導航定位展示系統，實現基于二維和三維BIM的室內定位導航功能，提供就醫科室快捷導覽和室內外一體化信息可視化展示。

4.1 BIM建模

本文實現了室外三維模型和分層分戶的室內三維一體化建模，如圖5所示。

圖5 某醫院BIM建模

4.2 藍牙標簽布設

基于BIM模型安置藍牙定位標簽，藍牙設備水平間距：一般 4 m～8 m，將藍牙標簽布置到走廊的天花板上或者墻面上。經過多次測量驗證部署位置，門診大樓1層～7層，總計部署731顆藍牙定位標簽。其中1層118顆，2層147顆，3層68顆，4層110顆，5層108顆，6層96顆，7層84顆。在某層布設藍牙標簽的情況如圖6所示。

圖6 基于BIM的藍牙標簽布設

4.3 室內定位與導航應用

患者到達醫院并開啟應用和藍牙后，在3 s內出現定位光標。垂直定位可實現樓層自動判斷，支持室內外定位無縫切換，當用戶偏離導航路線時支持路線重新規劃。遇到電梯、扶梯、樓梯等垂直聯系設施時，屏幕上方會出現相應的標志。如圖7所示。

圖7 基于BIM和RSSI的實時定位導航

5 結 語

基于BIM和RSSI，本文能夠精確布設藍牙設備和采樣點布局，將采樣點和藍牙發射端的空間距離作為已知值，使用多采樣點、多時段的參數率定方法提升測距公式的精度。本文以某醫院為例進行了技術驗證，實驗結果表明，該方法與現有基于RSSI的定位方法相比，在定位精度方面提升了12%，同時有效避免了定位結果的不穩定性。