CN105072681A - 一种基于室内空间位置的定位系统的部署装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于室内空间位置的定位系统的部署装置，其能够基于室内定位环境进行空间位置分析，将基于位置的服务引进人们的室内生活。其包括室内空间数据处理单元、定位信息特点分析单元、部署方案确定单元；室内空间数据处理单元，收集数据、概念建模、数据处理并实现室内地图制作、将制作好的室内地图进行栅格化和切片处理并执行符合OGC标准的地图服务发布；定位信息特点分析单元，对定位系统的应用环境和室内的空间位置特性进行分析，根据室内应用场景的功能和定位精度的需求，采取信号源配置及部署方案；部署方案确定单元，选取定位技术和定位算法，并结合实际的室内应用功能场景，进行信号源的部署。还提供了一种部署方法。

Description

一种基于室内空间位置的定位系统的部署装置及方法

技术领域

本发明属于基于室内空间位置的定位系统的技术领域，具体地涉及一种基于室内空间位置的定位系统的部署装置，以及部署方法。

背景技术

随着全球卫星定位技术、地理信息系统及互联网技术的飞速发展，数据业务和多媒体业务的快速增加，通信网络以及移动终端设备的迅速普及，人们对于室内位置服务的需求也与日俱增。精确的室内位置服务，能够对可用空间和库存物质实现高效地管理，可以为警察、消防人员、医务工作人员导航来完成特定的室内任务。精确的室内位置服务是普适计算(PervasiveComputing)研究中的一个核心组成部分。因此，室内定位具有广阔的应用前景，正逐步成为多种学科领域的研究热点。

目前我国的室内LBS(LocationBasedService，定位服务)研究基本还是处于室内定位技术和室内定位算法的研究阶段。从事室内定位技术研究的机构以高校和科研院所为主，如国内的清华大学和北京大学，两所高校都成立了普适计算研究实验室，主要从事基本的定位方法以及各种定位算法等方面的研究，而从事室内LBS系统研发的机构却较少。

不合理的网络部署往往会严重影响室内位置服务系统的功能实现。实际应用中，网络的部署往往是渐进式的。即先部署一部分，再根据需要部署下一部分，根据需求决定部署的传感器网络的类型、节点的位置和数量。在网络部署中，通常都要考虑如何部署才能满足应用功能需求的定位精度与区域。因此，亟需这样一种基于室内空间位置的定位系统的部署装置及方法，其能够基于室内定位环境进行空间位置分析，将基于位置的服务引进人们的室内生活。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于室内空间位置的定位系统的部署装置，其能够基于室内定位环境进行空间位置分析，将基于位置的服务引进人们的室内生活。

本发明的技术解决方案是：这种基于室内空间位置的定位系统的部署装置，其包括室内空间数据处理单元、定位信息特点分析单元、部署方案确定单元；

室内空间数据处理单元，其配置来收集地图制作时所需的数据、通过概念建模来明确地图上需要体现的地理实体类型及其几何形式、对室内环境原始数据进行数据处理并实现室内地图制作、将制作好的室内地图进行栅格化和切片处理并执行符合OGC标准的地图服务发布；

定位信息特点分析单元，其配置来对定位系统的应用环境和室内的空间位置特性进行分析，根据室内应用场景的功能和定位精度的需求，采取信号源配置及部署方案；

部署方案确定单元，其配置来选取定位技术和定位算法，并结合实际的室内应用功能场景，进行信号源的部署。

还提供了一种基于室内空间位置的定位系统的部署方法，包括以下步骤：

(1)室内空间数据处理：收集地图制作时所需的数据、通过概念建模来明确地图上需要体现的地理实体类型及其几何形式、对室内环境原始数据进行数据处理并实现室内地图制作、将制作好的室内地图进行栅格化和切片处理并执行符合OGC标准的地图服务发布；

(2)分析定位信息特点：对定位系统的应用环境和室内的空间位置特性进行分析，根据室内应用场景的功能和定位精度的需求，采取信号源配置及部署方案；

(3)确定部署方案：选取定位技术和定位算法，并结合实际的室内应用功能场景，进行信号源的部署。

本发明通过室内空间数据处理单元来收集数据、制作室内地图、发布符合OGC标准的地图服务，通过定位信息特点分析单元来对定位系统的应用环境和室内的空间位置特性进行分析、根据室内应用场景的功能和定位精度的需求采取信号源配置及部署方案，通过部署方案确定单元选取定位技术和定位算法、进行信号源的部署，因此能够基于室内定位环境进行空间位置分析，将基于位置的服务引进人们的室内生活。

附图说明

图1为根据本发明的基于室内空间位置的定位系统的部署方法的流程图；

图2为根据本发明的室内地图制作的流程示意图；

图3为根据本发明的信号源部署图。

具体实施方式

这种基于室内空间位置的定位系统的部署装置，其包括室内空间数据处理单元、定位信息特点分析单元、部署方案确定单元；

室内空间数据处理单元，其配置来收集地图制作时所需的数据、通过概念建模来明确地图上需要体现的地理实体类型及其几何形式、对室内环境原始数据进行数据处理并实现室内地图制作、将制作好的室内地图进行栅格化和切片处理并执行符合OGC标准的地图服务发布；

定位信息特点分析单元，其配置来对定位系统的应用环境和室内的空间位置特性进行分析，根据室内应用场景的功能和定位精度的需求，采取信号源配置及部署方案；

部署方案确定单元，其配置来选取定位技术和定位算法，并结合实际的室内应用功能场景，进行信号源的部署。

与室外环境相比，室内环境要复杂得多，建筑物的布局、内部结构、材料、装饰装修情况等都会对室内定位的效果产生影响。不同的应用对定位精度有着不同的要求。室内环境本身比较小，一般来说要求定位精度比较高才能够满足应用需要。室内定位系统除了定位物体之外，还要求能够跟踪运动物体判断行进方向以及判断静止物体的朝向，如人员的面向位置。因此本发明的定位技术优选为ZigBee定位技术，所述定位系统包括定位器、室内位置传感器、室内位置传输模块、定位服务器。ZigBee技术是一种新兴的低速率、短距离无线传感器网络技术，它有自己的无线电标准。数据通过无线电波以接力的方式从一个传感器传到另一个传感器，数千个微小的传感器相互通信相互一协调实现定位。ZigBee网络通信效率非常高而且传感器能耗很低。ZigBee的技术特点是低功耗、低成木、短时延、高容量、高安全。当然，也可以采用其它定位技术，例如WiFi、FRID(RadioFrequencyIdentification，射频识别)、蓝牙、红外线、超声波、超宽带等定位技术。通过计算定位的位置点与已知的相关地物点的角度、距离等参数，推得室内需定位点的位置信息。

如图1所示，还提供了一种基于室内空间位置的定位系统的部署方法，包括以下步骤：

(1)室内空间数据处理：收集地图制作时所需的数据、通过概念建模来明确地图上需要体现的地理实体类型及其几何形式、对室内环境原始数据进行数据处理并实现室内地图制作、将制作好的室内地图进行栅格化和切片处理并执行符合OGC标准的地图服务发布；

(2)分析定位信息特点：对定位系统的应用环境和室内的空间位置特性进行分析，根据室内应用场景的功能和定位精度的需求，采取信号源配置及部署方案；

(3)确定部署方案：选取定位技术和定位算法，并结合实际的室内应用功能场景，进行信号源的部署。

本发明通过室内空间数据处理单元来收集数据、制作室内地图、发布符合OGC标准的地图服务，通过定位信息特点分析单元来对定位系统的应用环境和室内的空间位置特性进行分析、根据室内应用场景的功能和定位精度的需求采取信号源配置及部署方案，通过部署方案确定单元选取定位技术和定位算法、进行信号源的部署，因此能够基于室内定位环境进行空间位置分析，将基于位置的服务引进人们的室内生活。

另外，所述步骤(1)的通过概念建模来明确地图上需要体现的地理实体类型及其几何形式为：

采用建筑CAD电子图作为室内地图制作的数据依据(现代建筑设计多采用CAD制图,因此可以采用信息较为丰富的建筑CAD电子图纸作为室内地图制作的数据依据)；

对室内地物属性进行采集与编辑(这样在制图过程中，才能将地图属性与地图元素进行关联，形成具备完整地图属性的室内地图)；

分析室内环境中的实体集、各实体集的空间和属性特征，及其空间数据与非空间数据的逻辑组织方式，将室内环境中的实体集抽象成建筑物、楼层及通道要素(建筑物(building)：表示某个室内环境，以一个唯一的ID号来标识。楼层(floor)：表示建筑物中的某一层，以一个唯一的ID号来标识。通道要素(inter_floor_link):表示层间导航拓扑数据，来自于连接由跨楼层要素(如电梯、手扶梯等)抽象成的点的多线，采用单独的表保存，以一个唯一的ID号来识别，需要保存其与上下层连接处的点的属性数据)。

另外，如图2所示，所述步骤(1)的对室内环境原始数据进行数据处理并实现室内地图制作包括：

格式转换：利用ArcGIS地图数据处理软件，将建筑CAD电子图转换为可编辑的各楼层平面矢量图shapefile(*.shp)，平面矢量图包括数据转换和注记转换，数据转换将建筑CAD电子图中的几何类型(点、多线、多边形)转换成平面矢量图参考线图层，注记转换将建筑CAD电子图中的文字注记转换成平面矢量图注记点图层；

数据预处理：将平面矢量图参考线图层的矢量数据进行整理，删除多余点、线、面要素，以供后续的地图制图使用；

地图制图：根据用户需求和室内地图概念建模，来确定地图制图所需的图层，并分别对每一图层的地图要素进行采集、编码与绘制，同时导入属性表进行关联，赋予地图属性，从而绘制出完整的地图数据；

地图配准：采用控制点的简单投影转换模式，通过ArcGIS地图数据处理软件定义坐标投影，启动配准环境，将室内地图边缘的突出控制点(即图中的识别点)与室外地图的地理空间绝对坐标(即图中的地标点)建立联系，从而确立室内空间的绝对坐标系统，完成室内地图配准；

地图配色与整饰：对配准之后的室内地图，进行要素的颜色设置的美化工作，并为特定的室内要素进行符号化，以突显地图中重要的设施与场所，最后输出符合要求的多楼层、多图层的室内地图。

另外，所述步骤(1)的将制作好的室内地图进行栅格化和切片处理并执行符合OGC标准的地图服务发布为：

室内地图的瓦块图大小为256×256像素，层数为3～4级；切图时按照分辨率为像素0.6m、0.3m、0.15m、0.075m将平面矢量图栅格化，然后进行切割；瓦片按〈level〉〈tileY〉〈tileX〉.png形式命名，其中level表示瓦放大级别(从0开始)，tileY表示行号数，tileX表示列号数，行、列号均从0开始。

另外，所述步骤(2)的室内应用场景的功能包括：

定位功能，其定位精度为3～5m。定位是室内位置服务系统最基本的功能，是实现提供一系列基于空间地理位置的个性化信息推荐、紧急救助、数字导游、数字娱乐等多种信息增值服务的地基，可以广泛的应用于军事、交通、物流、医疗、民生等各领域。贴近生活的位置服务定位功能应用实例很多，如在商场内，可以对店铺财产、设备进行跟踪，实现有效的管理并防止盗窃。在医院内，可以在后端定位服务器界面看见医生的实时位置信息,当有急诊需要找到医护人员时,就可以通过定位服务器发出指令信息到医务人员,医务人员收到提示信息后，及时处理。而针对一些特殊病人诸如婴幼儿、老人等没有自理能力的病患,定位技术实时监控能有效防止婴幼儿偷盗和老人走失事件的发生。在煤矿中，可以实时定位工人在井下的位置，当发生矿难时，指导对工人的及时疏散与救援。因此，基于定位功能的信号源部署时要完全覆盖所要监测的区域，并且传感节点之间能够彼此互连，避免网络割裂或覆盖漏洞的出现，定位精度一般在3～5m左右。

导航功能，其定位精度为1～3m。室内导航就像一双明亮的眼睛，不仅可以用于在一些陌生或复杂的室内环境中(例如飞机场、会议室、展览厅、企业、医院、博物馆等室内区域)引导使用者，而且可以将程序用于导航机器人引导视觉或身体上有残疾的人通过安全通道。导航是室内位置服务的主要目的之一，而室内路网模型是导航的基本组成骨架。因此，基于导航功能的信号源部署时要以室内路网为依据，针对路径及路径点分布位置着重部署。定位精度一般在1～3m左右。

热点服务功能，其定位精度为1～3m。在位置服务系统应用的现实场景中经常会遇到这样的需求，在划定的整个定位目标区域内设定一些热点区域，当移动终端设备进入热点区域内，系统对移动终端的定位精度和准确度要求比热点区域之外的明显提高。例如在室内环境中，某商店要对顾客进行实时定位和消费信息统计，当顾客正在柜台附近购物时，系统所需定位精度为1米，定位准确率为100％；当顾客在远离柜台的商店区域内闲逛时，对定位精度的需求可降低为3米，并且定位准确率也不需要那么高，此时柜台就相当于室内定位场景中的热点区域。整个定位目标区域可能包含很多热点区域，即区域内定位精度和准确度的需求不统一。

位置服务中的热点服务通过收集浏览者的停留位置信息、时间信息，可以分析出热点展品种类、浏览者兴趣趋势及购物模式，引导商家开发产品方向，往往用于商业热点区域、用户生活热点范围等。具体实现方法是获取商户或用户的位置信息，利用聚类分析法，进一步讨论其空间分布的具体特征，讨论用户位置是否聚集于某范围或某一类商户是否聚集于某一特定空间范围内，进而提供相应的服务。因此，基于热点功能的信号源部署时要以每个热点区域(如某个商店柜台)为一个单元部署，保证定位精度在1～3m左右。

电子围栏功能，其定位精度为1～3m。电子围栏主要应用于移动或固定资产的防盗、报警，关爱对象的安全、保护等。例如对于传染病患者可以监控其移动范围使其不超出规定的区域,减少感染的区域范围。对于存放贵重物品的房间可以设立电子围栏，当物品未经允许移动出设定区域时，系统自动报警。因此，基于电子围栏功能的信号源部署时要以规定的区域为边界进行重点部署，保证所监控的边界区域范围无死角，定位精度在1～3m左右。

另外，位置指纹算法的精确度在实现室内定位功能时(如顾客导览应用中)是可以接受的，但是在实现导航功能、热点服务功能和电子围栏服务功能时满足不了需求。因此，在整个需要定位的室内区域采用位置指纹算法进行信号源(ZigBee设备)部署，进行大范围的粗粒度定位；而在需要导航、热点服务、电子围栏服务的区域(如路网、展台、保密室等)采用邻近算法进行信号源部署，进行小范围的精确定位。如图3所示，所述步骤(3)的信号源部署为：

基于定位功能的部署，对图3所示的实验场景整个一层进行基于定位功能的部署，其总面积为412m²，网络接入设备由多个(图3中为4个)室内位置传输模块(ZR)担任(ZR的个数根据部署功能类型进行部署，具体按面积和环境特点设定，“定位功能部署”的网络接入设备通讯距离为30m，要完全覆盖所要监测的区域，并且传感节点之间能够彼此互连，避免网络割裂或覆盖漏洞的出现，经过测试，在整个实验区域都可以收到定位信息即可)，移动终端设备由定位器担任，定位算法为位置指纹算法(位置指纹算法定位是近年来比较流行的一种定位方式，这种定位方法使用较少的读写器设备，能比较有效的降低室内无线信号多径效应对定位精度的影响。同时，可以方便地在终端设备上实现，有利于保护用户隐私。缺点是前期离线阶段工作量大。位置指纹算法的定位精度一般在3～5米，50％的概率在4米以内)。ZR的具体部署位置如图3所示。经过测试，在整个实验区域都可以收到定位信息，定位精度在3～5m左右，可以满足需求。

基于导航功能的部署，对实验区域的走廊进行基于导航功能的部署，网络接入设备由多个(图3中为10个)室内位置传感器(ZS)担任(导航功能部署”要以室内路网为依据，针对路径及路径点分布位置进行选取，设备部署间隔根据定位精度需求而定，如精度要求在1m左右，则部署间隔选取为2m)，移动终端设备由定位器担任，定位算法为邻近信息法(邻近信息法是三种定位算法中最简单、最容易实现，也是目前市场上应用最广泛的定位算法。邻近信息法的定位精度和准确度都比较高，但所需的传感设备多。由于每台传感设备的作用范围是可以调节的，因此邻近信息法的定位精度也是可变的。作用范围调的越小，定位精度就越高。一般来说，对于2-D场景的定位，邻近信息法可以达到0.5米的定位精度，而且定位准确度接近100％。在实际应用场景中，传感设备的作用范围应该依据所需的定位精度而定)；ZS的具体部署位置如图3中走廊区域所示，ZS设备部署间隔根据定位精度需求而定，如精度要求在1m左右，则部署间隔选取为2m。经过测试，在走廊区域的定位精度在1m左右，可以满足需求，进行室内精确导航。

基于热点服务功能的部署，对实验区域的展厅进行基于热点服务功能的部署，网络接入设备由多个(图3中为20个)室内位置传感器(ZS)担任(“热点功能部署”要以每个热点区域(如某个商店柜台)为一个单元部署，根据热点的数量及位置而定)，移动终端设备由定位器担任，定位算法为邻近信息法。ZS的具体部署位置如图3中展厅区域所示，ZS的数量及位置是根据展厅内展台的数量及位置而定。经过测试，在展台区域的定位精度在1m左右，可以满足需求，提供室内热点服务。

基于电子围栏服务功能的部署，对实验区域的保密室进行基于电子围栏服务功能的部署，网络接入设备由多个(图3中为9个)室内位置传感器(ZS)担任(“电子围栏功能部署”要以指定安全区域为边界进行重点部署，保证所监控的边界区域范围无死角，设备部署间隔根据定位精度需求而定，如精度要求在1m左右，则部署间隔选取为2m)，移动终端设备由定位器担任，定位算法为邻近信息法。ZS的具体部署位置如图3中保密室区域所示，ZS的位置是根据保密室的边界进行部署，ZS设备部署间隔根据定位精度需求而定，如精度要求在1m左右，则部署间隔选取为2m。经过测试，在保密室区域的定位精度在1m左右，可以满足需求，提供电子围栏服务。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于室内空间位置的定位系统的部署装置，其特征在于：其包括室内空间数据处理单元、定位信息特点分析单元、部署方案确定单元；室内空间数据处理单元，其配置来收集地图制作时所需的数据、通过概念建模来明确地图上需要体现的地理实体类型及其几何形式、对室内环境原始数据进行数据处理并实现室内地图制作、将制作好的室内地图进行栅格化和切片处理并执行符合OGC标准的地图服务发布；

定位信息特点分析单元，其配置来对定位系统的应用环境和室内的空间位置特性进行分析，根据室内应用场景的功能和定位精度的需求，采取信号源配置及部署方案；

部署方案确定单元，其配置来选取定位技术和定位算法，并结合实际的室内应用功能场景，进行信号源的部署。

2.根据权利要求1所述的基于室内空间位置的定位系统的部署装置，其特征在于：所述定位技术为ZigBee定位技术，所述定位系统包括定位器、室内位置传感器、室内位置传输模块、定位服务器。

3.一种基于室内空间位置的定位系统的部署方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)室内空间数据处理：收集地图制作时所需的数据、通过概念建模来明确地图上需要体现的地理实体类型及其几何形式、对室内环境原始数据进行数据处理并实现室内地图制作、将制作好的室内地图进行栅格化和切片处理并执行符合OGC标准的地图服务发布；

(2)分析定位信息特点：对定位系统的应用环境和室内的空间位置特性进行分析，根据室内应用场景的功能和定位精度的需求，采取信号源配置及部署方案；

(3)确定部署方案：选取定位技术和定位算法，并结合实际的室内应用功能场景，进行信号源的部署。

4.根据权利要求3所述的基于室内空间位置的定位系统的部署方法，其特征在于：所述步骤(1)的通过概念建模来明确地图上需要体现的地理实体类型及其几何形式为：

采用建筑CAD电子图作为室内地图制作的数据依据；对室内地物属性进行采集与编辑；分析室内环境中的实体集、各实体集的空间和属性特征，及其空间数据与非空间数据的逻辑组织方式，将室内环境中的实体集抽象成建筑物、楼层及通道要素。

5.根据权利要求4所述的基于室内空间位置的定位系统的部署方法，其特征在于：所述步骤(1)的对室内环境原始数据进行数据处理并实现室内地图制作包括：

格式转换：利用ArcGIS地图数据处理软件，将建筑CAD电子图转换为可编辑的各楼层平面矢量图，平面矢量图包括数据转换和注记转换，数据转换将建筑CAD电子图中的几何类型转换成平面矢量图参考线图层，注记转换将建筑CAD电子图中的文字注记转换成平面矢量图注记点图层；

数据预处理：将平面矢量图参考线图层的矢量数据进行整理，删除多余点、线、面要素，以供后续的地图制图使用；

地图制图：根据用户需求和室内地图概念建模，来确定地图制图所需的图层，并分别对每一图层的地图要素进行采集、编码与绘制，同时导入属性表进行关联，赋予地图属性，从而绘制出完整的地图数据；

地图配准：采用控制点的简单投影转换模式，通过ArcGIS地图数据处理软件定义坐标投影，启动配准环境，将室内地图边缘的突出控制点与室外地图的地理空间绝对坐标建立联系，从而确立室内空间的绝对坐标系统，完成室内地图配准；

地图配色与整饰：对配准之后的室内地图，进行要素的颜色设置的美化工作，并为特定的室内要素进行符号化，以突显地图中重要的设施与场所，最后输出符合要求的多楼层、多图层的室内地图。

6.根据权利要求5所述的基于室内空间位置的定位系统的部署方法，其特征在于：所述步骤(1)的将制作好的室内地图进行栅格化和切片处理并执行符合OGC标准的地图服务发布为：

室内地图的瓦块图大小为256×256像素，层数为3～4级；切图时按照分辨率为像素0.6m、0.3m、0.15m、0.075m将平面矢量图栅格化，然后进行切割；瓦片按〈level〉〈tileY〉〈tileX〉.png形式命名，其中level表示瓦放大级别，tileY表示行号数，tileX表示列号数，行、列号均从0开始。

7.根据权利要求6所述的基于室内空间位置的定位系统的部署方法，其特征在于：所述步骤(2)的室内应用场景的功能包括：

定位功能，其定位精度为3～5m；

导航功能，其定位精度为1～3m；

热点服务功能，其定位精度为1～3m；

电子围栏功能，其定位精度为1～3m。

8.根据权利要求7所述的基于室内空间位置的定位系统的部署方法，其特征在于：所述步骤(3)的信号源部署为：

基于定位功能的部署，网络接入设备由多个室内位置传输模块担任，移动终端设备由定位器担任，定位算法为位置指纹算法；

基于导航功能的部署，网络接入设备由多个室内位置传感器担任，移动终端设备由定位器担任，定位算法为邻近信息法；

基于热点服务功能的部署，网络接入设备由多个室内位置传感器担任，移动终端设备由定位器担任，定位算法为邻近信息法；

基于电子围栏服务功能的部署，网络接入设备由多个室内位置传感器担任，移动终端设备由定位器担任，定位算法为邻近信息法。