论文部分内容阅读
摘 要：室内定位技术在大型商场的应用显现雏形，但精细定位需配备基站、射频等硬件，布设成本较高，研究提出采集平面坐标并计算相对空间位置的空间数据解决方法，单独采集平面电子地图，测算各关键点坐标，将空间位置加密存储于二维码中;并选取智慧园区作为研究对象，通过服务端测算距离及方位，反馈至客户端实现扫码定位及导向，以期提升园区生活体验感，深化园区服务内容。
关键词：二维码;智慧园区;室内定位;导向
中图分类号：TN925.93;TP391.44 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）17-0126-03
Abstract：Indoor positioning technology has been used in the application of large shopping malls，but fine positioning needs to be equipped with base station，radio frequency and other hardware，which produces the high layout costs，this study proposes a solution to collect plane coordinates and calculate the relative spatial position，separately collect the plane electronic map，calculate the coordinates of each key point，store the spatial position encrypted in the two-dimensional code，and select the smart park as the research object. By measuring the distance and orientation of the server，the guidance will be feeded back to the client，so as to improve the efficiency of smart park and deepen the service content of the smart park.
Keywords：two-dimensional code;smart park;indoor positioning;guidance
0 引 言
因城市空間增长，为辅助用户快速到达目的地，路径规划及引导技术逐渐应用于日常生活中。20世纪60年代，相关学者将标志与导向融合，进行了相关技术研究[1]，研究内容涵盖布局优化[2]、虚拟现实应用[3]、数字标志[4，5]等。相关技术的早期应用以室外空间导向为主，随着城市建筑容积率的增长，大型建筑物成为市民衣食住行的重要场所，但建筑结构及功能的愈加复杂，使用户群体无法快速便捷到达目的地，通勤效率低下、体验感差。为解决此类问题，室内地图及导向研究逐步受到相关学者的关注[6，7]，目前已有若干场景利用地图配合北斗定位、GPS、Wi-Fi网络、RFID射频、蓝牙等技术实现室内定位、导航，有条件的地区甚至构建了室内三维模型，并研发相关APP在医院、政府机构等业务场景中尝试应用。
厦门信息港建设发展股份有限公司（以下简称信息港）作为厦门信息集团有限公司控股的大型国有高科技信息产业股份公司，在智慧城市、智慧交通、智慧政务、智能建筑、智慧旅游和IT高端服务等领域取得了长足发展，因公司负责厦门市软件园二、三期智能化建设，所以针对园区访客在楼宇内部的寻址问题，整合现有技术进行攻克，以提升园区内的工作、生活体验感。高精度导航功能及三维建模需基于若干硬件设备，实现耗时较长，且对原有园区建筑增加了改造成本，还可能影响日常运营。以北斗室内定位为例，民用北斗定位结合运营商基站可将精度提升至厘米级，然而卫星信号漂移以及地图POI数据更新不及时等Bug的出现会造成定位极其不准的问题，因此智慧园区楼宇内部的定位有别于基础地理坐标，需确保室内定位系统在卫星信号飘移等情况下稳定可用。本研究提出基于二维码存储空间平面相对位置的解决方案，选取智慧园区为案例，将导向功能嵌入原有公众号，旨在改善园区访客在楼宇内部的寻址困难问题，以信息化提升园区工作生活体验感。
1 技术设计背景
信息港承接了厦门市软件园二期及三期智慧园区项目，鉴于园区是产业发展的载体，可视为小型智慧城市综合体，涵盖信息化基础设施、安全管理、企业和公众服务、产业培育等内容，目前信息港的园区解决方案将智慧园区划分为感知层、通讯层、平台层、应用层、访问层、用户层六个层，其中感知层为获取数据的传感终端，通讯层为终端数据的传输渠道，平台层作为基础支撑提供数据分析，支撑业务应用，应用层涵盖了畅行园区、互联园区、安全园区、生态园区、五星园区和全息园区，访问层为用户访问渠道，用户层则为智慧园区的服务对象，为契合各级用户使用，如图1所示。
其中应用层内的畅行园区从交通畅行、路网分析层面为入园车辆、人员提供导航;互联园区围绕园区网络体系、基础设施建设，包括研发环境、IT服务、5G覆盖、公共Wi-Fi及物联传感网络布设;安全园区以单元网格及视频安防监控、门禁系统等保障入园企业及个人安全;生态园区从可持续发展角度围绕自然环境保护及节能减排，降低园区运行费用;五星园区通过统一切合企业和从业者需求的服务，提升园区服务能级;全息园区基于数据仪表盘形成园区大脑及数字展厅进行可视化展示。在畅行园区服务体系中，目前可通过百度地图、高德地图等电子地图实现路径规划及指引，但由于中小企业规模较小，单一楼宇中的寻址问题常困扰入园访客，为提升园区服务水平，本文提出楼宇内部室内导向解决方案。 2 室内定位导向技术体系设计
室内导向需优先解决室内定位问题，相比较为成熟的室外定位，室内定位未形成规模化的主要原因为精度、施工及定位平台不统一等。首先，室内环境复杂多变，参与定位的设备众多，人们对定位精度的要求也远高于室外，尤其是部分涉及高速移动设备定位的行业，对定位精度以及定位时延的要求较为苛刻。其次，为提升精度，室内定位网络需要在每个楼宇单独部署站点，工作人员需要做大量的沟通工作;加上室内空间的复杂及私密性构造，也大大地增加了布网的工作量。再次，室外定位已形成大而统一的定位平台，如高德地图、百度地图，而室内定位由于刚刚起步，标准还未成熟统一，室内定位平台还不成规模。最后，碎片化的应用场景提高了更新维护室内地图的成本。因此本次室内导向设计将设置预留参考点位置及独立相对坐标，对室内静态对象进行空间编码并将其以二维码的形式嵌入到现有的标志系统中，结合平面电子地图实现室内定位和导向[8];并结合建筑物服务公众号，实现独立信息发布及位置查询。
二维码又称二维条码，其技术原理是将形状特定的几何图形按规律放置在二维平面上，用黑白相间的图形记录用户需要的数据信息。二维码使用计算机内部的“0”“1”二进制的基本逻辑，使用不同形状的几何图形来与二进制对应，从而表达数据信息。二维码自动识别技术在信息存储技术中较为底层，具备可记录信息多、识别方式便利、容错能力强、制作成本低、耐用性高等特点，目前二维码已应用于身份识别、产品溯源、电子票务、电子商务等层面，并在近年地名标志设计中得到广泛应用。
室内导向包括扫码解析、获取当前位置、目标位置选择、相对距离测算、导向展示五个步骤，用户通过移动终端扫描当前所在位置的空间坐标，选择需到达的目标位置，服务端后台测算相对距离，并将信息反馈客户端，然后指引行走方位，实现定位和辅助导向功能。扫码解析基于二维码信息编码技术存储位置信息，包括位置点的高程、空间坐标、关键点名称等;为提高距离测算精度、降低地图对手机内存的占用，空间坐标不涉及与外界坐标的衔接，因此剥离坐标系概念，并采用相对位置，即将平面图的中心点的坐标设置为（0，0，0），以此为参考点采集各关键点坐标。
以厦门市软件园二期观日路为例，选定44号楼为研究对象，选择每层楼宇的电梯、洗手间作为关键点，并生成位置二维码，实现流程如图2所示。
流程包括：
（1）园区楼宇室内平面图采集。基于物业CAD建筑施工图纸，简化楼层平面图，本技术设计将剥离室内三维概念，建筑物以单层建筑为单元，即将楼宇分层，每层作为独立室内空间，以高程数据区分各层。数据库设置楼层集合字段，记录所有楼层的基本信息，包括楼层编号、楼层名等。以层为单位，采集室内地图涵盖的关键点位置，若用户位于一层，目标地位于三层，则客户端先将用户引导至三层再进行方位导向。
（2）基于平面图生成关键点的坐标二维码。因电梯为楼宇显著标志，因此设置一个主电梯口位置为原点，坐标（0，0，0），并以此为参考点计算本层关键点坐标，如洗手间、饮水区、逃生通道入口等。数据库中除关键点，还需设置兴趣点属性，包括楼层号、坐标、描述、公司名称等，并通过唯一标识进行关联，便于后续用户对于目标的查找。关键点空间位置将通過二维码生成工具转变为二维码，张贴于关键点的醒目位置，用户扫码即可获得当前位置坐标点。
（3）设置目标位置，反馈导向距离。通过客户端输入目标点位，搜索词关联数据库中兴趣点，服务端将通过兴趣点映射与搜索条件匹配的若干目标点，客户端确定目标点位即获取目标点空间位置，服务端计算当前位置与目标位置相对距离，并生成导向、反馈至客户端。
为契合园区用户习惯、减少建筑物改造及应用开发成本，室内导向模块将基于软件园区原有的微信公众号，通过该公众号的交通畅行模块，补充对园区内部建筑空间定位及导向的功能服务。
3 结 论
本文基于二维码存储相对空间位置，在原有静态标志的基础上，形成楼宇室内定位导向的思路，并基于软件园区楼宇单层建筑进行了设计与实现。因园区场景较为单一，因此本设计将室内电子地图简化，待室内导向需求的精细化及基础条件更完善时，再深化地图可视化展现模式，或形成面向公司内部的室内办公服务，提升园区的精准化服务水平。
2020年为“十四五”规划开局之年，新基建、5G、移动互联等技术应用将进入高速发展时期，根据信息港对智慧园区的发展定位，未来将更大程度地应用各类传感器及物联网技术，构建感知神经网络，由点到面，采集园区各类状态数据和业务数据;借助多种连接方式（无线、有线）串联园区系统，实现数据互通及业务数据融合，丰富园区一张图可视内涵，为园区事件可控、业务可管奠定基础。因二维码存储量最多可达500多个汉字，本技术设计关键点位置常为洗手间、电梯口、逃生出口等，结合物业清扫记录、设备巡检等业务，可将位置信息融合原有二维码数据库进行字段扩充，充分应用原有物理设备，在短期实现内部寻址服务功能。随着IOT设备的新增，结合三维建模的智能运维，使楼宇内导航成为智慧园区的建设方向，后续将结合室内导向和CIM数字孪生技术，构建园区综合管理模型，对楼宇、设备、服务资源进行可视化管理，实现消耗可视、可诊断、可优化。
因园区可视为小型综合体，该技术进一步可通过以点带面的思路解决社区建筑室内定位问题。二维码存储空间位置存储在全国第二次地名普查的成果转化中得到了初步应用，目前楼门牌、室牌均可通过二维码存储空间位置，并在若干地区升级为“智慧门牌”，将室内导航技术结合楼门牌、室牌等场景，实现社会化功能向更多领域的延伸，如外卖快递员在小区的建筑内导向、停车场寻车导向等，通过低成本的民生场景应用衍生，提升居民生活质量。
参考文献：
[1] LYNCH K. The Image of the City [M].The MIT Press，1960.
[2] 王兆华，黄翔东，杨尉.全相位FFT相位测量法 [J].世界科技研究与发展，2007（4）：28-32+27.
[3] 易学锋，闫利.基于数码相机莫尔效应的位移测量 [J].武汉大学学报（信息科学版），2009，34（4）：427-430.
[4] RI S，FUJIGAKI M，MORIMOTO Y.Sampling Moiré Method for Accurate Small Deformation Distribution Measurement [J].Experimental Mechanics，2010，50（4）：501-508.
[5] RI S，MURAMATSU T，SAKA M，et al. Accuracy of the Sampling Moiré Method and its Application to Deflection Measurements of Large-Scale Structures [J].Experimental Mechanics，2012，52（4）：331-340.
[6] 史辉，曹闻，朱述龙，等.A～*算法的改进及其在路径规划中的应用 [J].测绘与空间地理信息，2009，32（6）：208-211.
[7] 李向荣.基于莫尔条纹法的扭转测量技术研究 [D].吉林：中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所），2006：55-73.
[8] 陈文建，王晓蒙，彭玲，等.一种基于二维码的室内定位方法及其应用 [J].测绘科学，2016，41（7）：215-219+224.
作者简介：罗瑾（1989.11—），女，汉族，福建明溪人，硕士，研究方向：土地、城市规划，智慧城市的应用研究。
关键词：二维码;智慧园区;室内定位;导向
中图分类号：TN925.93;TP391.44 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）17-0126-03
Abstract：Indoor positioning technology has been used in the application of large shopping malls，but fine positioning needs to be equipped with base station，radio frequency and other hardware，which produces the high layout costs，this study proposes a solution to collect plane coordinates and calculate the relative spatial position，separately collect the plane electronic map，calculate the coordinates of each key point，store the spatial position encrypted in the two-dimensional code，and select the smart park as the research object. By measuring the distance and orientation of the server，the guidance will be feeded back to the client，so as to improve the efficiency of smart park and deepen the service content of the smart park.
Keywords：two-dimensional code;smart park;indoor positioning;guidance
0 引 言
因城市空間增长，为辅助用户快速到达目的地，路径规划及引导技术逐渐应用于日常生活中。20世纪60年代，相关学者将标志与导向融合，进行了相关技术研究[1]，研究内容涵盖布局优化[2]、虚拟现实应用[3]、数字标志[4，5]等。相关技术的早期应用以室外空间导向为主，随着城市建筑容积率的增长，大型建筑物成为市民衣食住行的重要场所，但建筑结构及功能的愈加复杂，使用户群体无法快速便捷到达目的地，通勤效率低下、体验感差。为解决此类问题，室内地图及导向研究逐步受到相关学者的关注[6，7]，目前已有若干场景利用地图配合北斗定位、GPS、Wi-Fi网络、RFID射频、蓝牙等技术实现室内定位、导航，有条件的地区甚至构建了室内三维模型，并研发相关APP在医院、政府机构等业务场景中尝试应用。
厦门信息港建设发展股份有限公司（以下简称信息港）作为厦门信息集团有限公司控股的大型国有高科技信息产业股份公司，在智慧城市、智慧交通、智慧政务、智能建筑、智慧旅游和IT高端服务等领域取得了长足发展，因公司负责厦门市软件园二、三期智能化建设，所以针对园区访客在楼宇内部的寻址问题，整合现有技术进行攻克，以提升园区内的工作、生活体验感。高精度导航功能及三维建模需基于若干硬件设备，实现耗时较长，且对原有园区建筑增加了改造成本，还可能影响日常运营。以北斗室内定位为例，民用北斗定位结合运营商基站可将精度提升至厘米级，然而卫星信号漂移以及地图POI数据更新不及时等Bug的出现会造成定位极其不准的问题，因此智慧园区楼宇内部的定位有别于基础地理坐标，需确保室内定位系统在卫星信号飘移等情况下稳定可用。本研究提出基于二维码存储空间平面相对位置的解决方案，选取智慧园区为案例，将导向功能嵌入原有公众号，旨在改善园区访客在楼宇内部的寻址困难问题，以信息化提升园区工作生活体验感。
1 技术设计背景
信息港承接了厦门市软件园二期及三期智慧园区项目，鉴于园区是产业发展的载体，可视为小型智慧城市综合体，涵盖信息化基础设施、安全管理、企业和公众服务、产业培育等内容，目前信息港的园区解决方案将智慧园区划分为感知层、通讯层、平台层、应用层、访问层、用户层六个层，其中感知层为获取数据的传感终端，通讯层为终端数据的传输渠道，平台层作为基础支撑提供数据分析，支撑业务应用，应用层涵盖了畅行园区、互联园区、安全园区、生态园区、五星园区和全息园区，访问层为用户访问渠道，用户层则为智慧园区的服务对象，为契合各级用户使用，如图1所示。
其中应用层内的畅行园区从交通畅行、路网分析层面为入园车辆、人员提供导航;互联园区围绕园区网络体系、基础设施建设，包括研发环境、IT服务、5G覆盖、公共Wi-Fi及物联传感网络布设;安全园区以单元网格及视频安防监控、门禁系统等保障入园企业及个人安全;生态园区从可持续发展角度围绕自然环境保护及节能减排，降低园区运行费用;五星园区通过统一切合企业和从业者需求的服务，提升园区服务能级;全息园区基于数据仪表盘形成园区大脑及数字展厅进行可视化展示。在畅行园区服务体系中，目前可通过百度地图、高德地图等电子地图实现路径规划及指引，但由于中小企业规模较小，单一楼宇中的寻址问题常困扰入园访客，为提升园区服务水平，本文提出楼宇内部室内导向解决方案。 2 室内定位导向技术体系设计
室内导向需优先解决室内定位问题，相比较为成熟的室外定位，室内定位未形成规模化的主要原因为精度、施工及定位平台不统一等。首先，室内环境复杂多变，参与定位的设备众多，人们对定位精度的要求也远高于室外，尤其是部分涉及高速移动设备定位的行业，对定位精度以及定位时延的要求较为苛刻。其次，为提升精度，室内定位网络需要在每个楼宇单独部署站点，工作人员需要做大量的沟通工作;加上室内空间的复杂及私密性构造，也大大地增加了布网的工作量。再次，室外定位已形成大而统一的定位平台，如高德地图、百度地图，而室内定位由于刚刚起步，标准还未成熟统一，室内定位平台还不成规模。最后，碎片化的应用场景提高了更新维护室内地图的成本。因此本次室内导向设计将设置预留参考点位置及独立相对坐标，对室内静态对象进行空间编码并将其以二维码的形式嵌入到现有的标志系统中，结合平面电子地图实现室内定位和导向[8];并结合建筑物服务公众号，实现独立信息发布及位置查询。
二维码又称二维条码，其技术原理是将形状特定的几何图形按规律放置在二维平面上，用黑白相间的图形记录用户需要的数据信息。二维码使用计算机内部的“0”“1”二进制的基本逻辑，使用不同形状的几何图形来与二进制对应，从而表达数据信息。二维码自动识别技术在信息存储技术中较为底层，具备可记录信息多、识别方式便利、容错能力强、制作成本低、耐用性高等特点，目前二维码已应用于身份识别、产品溯源、电子票务、电子商务等层面，并在近年地名标志设计中得到广泛应用。
室内导向包括扫码解析、获取当前位置、目标位置选择、相对距离测算、导向展示五个步骤，用户通过移动终端扫描当前所在位置的空间坐标，选择需到达的目标位置，服务端后台测算相对距离，并将信息反馈客户端，然后指引行走方位，实现定位和辅助导向功能。扫码解析基于二维码信息编码技术存储位置信息，包括位置点的高程、空间坐标、关键点名称等;为提高距离测算精度、降低地图对手机内存的占用，空间坐标不涉及与外界坐标的衔接，因此剥离坐标系概念，并采用相对位置，即将平面图的中心点的坐标设置为（0，0，0），以此为参考点采集各关键点坐标。
以厦门市软件园二期观日路为例，选定44号楼为研究对象，选择每层楼宇的电梯、洗手间作为关键点，并生成位置二维码，实现流程如图2所示。
流程包括：
（1）园区楼宇室内平面图采集。基于物业CAD建筑施工图纸，简化楼层平面图，本技术设计将剥离室内三维概念，建筑物以单层建筑为单元，即将楼宇分层，每层作为独立室内空间，以高程数据区分各层。数据库设置楼层集合字段，记录所有楼层的基本信息，包括楼层编号、楼层名等。以层为单位，采集室内地图涵盖的关键点位置，若用户位于一层，目标地位于三层，则客户端先将用户引导至三层再进行方位导向。
（2）基于平面图生成关键点的坐标二维码。因电梯为楼宇显著标志，因此设置一个主电梯口位置为原点，坐标（0，0，0），并以此为参考点计算本层关键点坐标，如洗手间、饮水区、逃生通道入口等。数据库中除关键点，还需设置兴趣点属性，包括楼层号、坐标、描述、公司名称等，并通过唯一标识进行关联，便于后续用户对于目标的查找。关键点空间位置将通過二维码生成工具转变为二维码，张贴于关键点的醒目位置，用户扫码即可获得当前位置坐标点。
（3）设置目标位置，反馈导向距离。通过客户端输入目标点位，搜索词关联数据库中兴趣点，服务端将通过兴趣点映射与搜索条件匹配的若干目标点，客户端确定目标点位即获取目标点空间位置，服务端计算当前位置与目标位置相对距离，并生成导向、反馈至客户端。
为契合园区用户习惯、减少建筑物改造及应用开发成本，室内导向模块将基于软件园区原有的微信公众号，通过该公众号的交通畅行模块，补充对园区内部建筑空间定位及导向的功能服务。
3 结 论
本文基于二维码存储相对空间位置，在原有静态标志的基础上，形成楼宇室内定位导向的思路，并基于软件园区楼宇单层建筑进行了设计与实现。因园区场景较为单一，因此本设计将室内电子地图简化，待室内导向需求的精细化及基础条件更完善时，再深化地图可视化展现模式，或形成面向公司内部的室内办公服务，提升园区的精准化服务水平。
2020年为“十四五”规划开局之年，新基建、5G、移动互联等技术应用将进入高速发展时期，根据信息港对智慧园区的发展定位，未来将更大程度地应用各类传感器及物联网技术，构建感知神经网络，由点到面，采集园区各类状态数据和业务数据;借助多种连接方式（无线、有线）串联园区系统，实现数据互通及业务数据融合，丰富园区一张图可视内涵，为园区事件可控、业务可管奠定基础。因二维码存储量最多可达500多个汉字，本技术设计关键点位置常为洗手间、电梯口、逃生出口等，结合物业清扫记录、设备巡检等业务，可将位置信息融合原有二维码数据库进行字段扩充，充分应用原有物理设备，在短期实现内部寻址服务功能。随着IOT设备的新增，结合三维建模的智能运维，使楼宇内导航成为智慧园区的建设方向，后续将结合室内导向和CIM数字孪生技术，构建园区综合管理模型，对楼宇、设备、服务资源进行可视化管理，实现消耗可视、可诊断、可优化。
因园区可视为小型综合体，该技术进一步可通过以点带面的思路解决社区建筑室内定位问题。二维码存储空间位置存储在全国第二次地名普查的成果转化中得到了初步应用，目前楼门牌、室牌均可通过二维码存储空间位置，并在若干地区升级为“智慧门牌”，将室内导航技术结合楼门牌、室牌等场景，实现社会化功能向更多领域的延伸，如外卖快递员在小区的建筑内导向、停车场寻车导向等，通过低成本的民生场景应用衍生，提升居民生活质量。
参考文献：
[1] LYNCH K. The Image of the City [M].The MIT Press，1960.
[2] 王兆华，黄翔东，杨尉.全相位FFT相位测量法 [J].世界科技研究与发展，2007（4）：28-32+27.
[3] 易学锋，闫利.基于数码相机莫尔效应的位移测量 [J].武汉大学学报（信息科学版），2009，34（4）：427-430.
[4] RI S，FUJIGAKI M，MORIMOTO Y.Sampling Moiré Method for Accurate Small Deformation Distribution Measurement [J].Experimental Mechanics，2010，50（4）：501-508.
[5] RI S，MURAMATSU T，SAKA M，et al. Accuracy of the Sampling Moiré Method and its Application to Deflection Measurements of Large-Scale Structures [J].Experimental Mechanics，2012，52（4）：331-340.
[6] 史辉，曹闻，朱述龙，等.A～*算法的改进及其在路径规划中的应用 [J].测绘与空间地理信息，2009，32（6）：208-211.
[7] 李向荣.基于莫尔条纹法的扭转测量技术研究 [D].吉林：中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所），2006：55-73.
[8] 陈文建，王晓蒙，彭玲，等.一种基于二维码的室内定位方法及其应用 [J].测绘科学，2016，41（7）：215-219+224.
作者简介：罗瑾（1989.11—），女，汉族，福建明溪人，硕士，研究方向：土地、城市规划，智慧城市的应用研究。