室內(nèi)定位技術(shù)在智慧圖書館建設中的應用探索

王小寧 馬 妍

（首都圖書館 北京 100021）

1 引言

近年來，我國公共圖書館的趨向為：規(guī)模大型化，功能全面化，相應帶來的結(jié)果是室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的復雜化。隨著室內(nèi)活動空間越來越龐大和復雜，興趣點（Point of Interest，POI）越來越豐富，讀者在這里尋找書籍往往需要花費很長時間，即使檢索到了其館藏地點，但是這個地點在哪里、怎么去，仍舊是個模糊的位置信息；另外，如何在復雜多樣的場景中發(fā)現(xiàn)圖書館新推出的服務，或找到自己想要去的活動空間，也同時困擾著來此參觀的讀者和活動管理者。

結(jié)合我國圖書館建設發(fā)展的實際問題以及國家主管部委的規(guī)劃指導，筆者分析室內(nèi)定位技術(shù)將在以下方面為智慧圖書館建設發(fā)揮更加重要的作用：（1）使讀者在室內(nèi)能精確確認自己的位置，快速找到到達想去地點的最佳路徑。（2）在定位的技術(shù)支撐下實現(xiàn)個性化的信息推送，以此解決當前圖書館被動式提供消息的不足。（3）采用可視化對象模型及可視化分析方法，展示位置數(shù)據(jù)中蘊含的讀者（單個讀者和讀者群體）時空行為。（4）挖掘讀者和讀者群體的閱覽行為以及與之關聯(lián)的人流變化、不同閱覽區(qū)域的關聯(lián)關系，為圖書館保障公共安全、優(yōu)化資源配置提供良好決策支持。

2 室內(nèi)定位技術(shù)應用現(xiàn)狀及特點

2.1 室內(nèi)定位技術(shù)在我國的應用現(xiàn)狀

室內(nèi)定位技術(shù)已廣泛應用于很多行業(yè)領域，如商場、博物館、醫(yī)院、交通樞紐等，其應用方向主要包括：室內(nèi)定位跟蹤、室內(nèi)路徑導航、導覽、行為模式分析等。目前室內(nèi)定位技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，WiFi、藍牙4.0、慣性傳感器、地磁傳感器等技術(shù)在主流手機消費中已經(jīng)得到普及，使得室內(nèi)定位系統(tǒng)能夠以較低的成本實現(xiàn)較高的精度。

2.2 主流室內(nèi)定位技術(shù)的特點

相關資料顯示，由于所采用定位技術(shù)的差別，定位精度和實施成本等略有不同。表1為當前主流室內(nèi)定位技術(shù)的特點分析。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)特點分析

2.3 室內(nèi)定位技術(shù)實現(xiàn)

利用算法融合藍牙、慣性導航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）、地球磁場及地圖信息的多源信息融合定位方法，經(jīng)試驗驗證表明，靜態(tài)下定位精度可達2m（60%），動態(tài)下定位精度可達1.4m（60%）[1]。該方案采用以磁場定位為核心，輔助行人PDR、藍牙定位等多種定位手段，利用既有WiFi、4G/5G網(wǎng)絡將位置信息傳送到服務器，在服務器端完成位置數(shù)據(jù)的解算，并將位置坐標返回給移動端，完成實時位置坐標的顯示。

用戶通過微信小程序即可輕松使用，無需佩戴工具、下載APP，對比UWB、zigbee、5G、WiFi等室內(nèi)定位技術(shù)，具有安裝維護簡單、定位穩(wěn)定、三維定位、少施工、應用范圍廣的突出優(yōu)勢。對于圖書館室內(nèi)環(huán)境多樓層、多獨立空間以及讀者群體特征跨度大、個體流動性不固定等特點，具有良好的可行性及適用性。圖1為多源融合室內(nèi)定位方案的系統(tǒng)構(gòu)成及實現(xiàn)原理。

圖1 多源融合室內(nèi)定位算法實現(xiàn)方式

系統(tǒng)包括支撐系統(tǒng)運行的相關硬件設施及實現(xiàn)系統(tǒng)功能的系統(tǒng)服務。

硬件設施包括：用于采集地磁場信息的磁場采集裝置，通常采用專業(yè)的地磁采集裝置或具有地磁場傳感器的各大主流型號手機；iBeacon藍牙信標；服務器，為滿足較大的并發(fā)量需求，系統(tǒng)可能需要3臺以上服務器實現(xiàn)負載均衡；良好穩(wěn)定的網(wǎng)絡設施，需要保證手機與定位服務器的數(shù)據(jù)通信，但不限于圖書館內(nèi)覆蓋的WiFi或移動通信網(wǎng)絡；手機，目前讀者普遍使用的手機均具備室內(nèi)定位所需要的傳感器需求。

系統(tǒng)服務包括：融合定位算法；3D數(shù)字地圖技術(shù)。

3 室內(nèi)定位技術(shù)在智慧圖書館建設中的應用方案

3.1 應用目標

利用室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)勢解決讀者室內(nèi)導航及導覽需求；通過基于實時位置的信息推送、歷史軌跡數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，進一步拓展圖書館空間運營、安全管理等能力。基于室內(nèi)定位技術(shù)應用及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，有助于開拓公共圖書館智慧服務的新模式，有機融合虛擬圖書館與實體空間，從而形成人館互動，人館協(xié)調(diào)，空間、技術(shù)、資源、服務協(xié)同發(fā)展的模式。從虛擬場景到實體場景，從館藏建設、服務能力建設、館員智慧化管理能力提高等多方面助力我國公共圖書館向智慧型發(fā)展。

3.1.1 室內(nèi)導航

實現(xiàn)室內(nèi)實體空間的實時導航，解決用戶查找到目的地卻難以到達的問題。通過對接圖書架位系統(tǒng)，可實現(xiàn)對文獻所屬書架的精準定位，并提供相應實時導航服務。室內(nèi)導航可應用于圖書館閱覽區(qū)、服務區(qū)、電子設備等服務設施的導航導覽。同時，基于室內(nèi)定位技術(shù)，可判斷讀者所在具體位置，優(yōu)先推薦周邊的服務設施。當突發(fā)自然災害，如地震和火災時，讀者還可以依據(jù)導航線路快速逃生。

3.1.2 個性化推送

在室內(nèi)定位和用戶畫像技術(shù)的支撐下，及時獲取用戶所需數(shù)據(jù)并發(fā)送給用戶，實現(xiàn)個性化的信息推送[2]。例如：當讀者進入某區(qū)域時，可以為讀者推送可能感興趣而又未閱讀過的信息資源。還可以將圖書館舉辦的活動信息推送給更多讀者，幫助喜好參加圖書館線下活動的讀者更好地掌握活動舉辦時間、參加方式等，以此解決當前圖書館被動式提供消息的不足。

3.1.3 用戶畫像構(gòu)建

在讀者通過軟件進行包括檢索、閱覽、咨詢等行為的過程中，會產(chǎn)生大量的業(yè)務操作記錄。基于室內(nèi)定位技術(shù)，獲取讀者的行進軌跡、速度及物理位置，經(jīng)過與上述業(yè)務操作記錄相關聯(lián)，可生成讀者的空間行為數(shù)據(jù)。通過時間、地點、人物、行為、目的、結(jié)果等多維度標簽，可建立更加完備的用戶個體畫像。通過深度挖掘用戶的個體畫像信息與關聯(lián)信息，構(gòu)建特征用戶畫像群體，可完成個體個性化信息推送，提升信息服務質(zhì)量與有效性，實現(xiàn)對用戶的精準服務[3]。

3.1.4 數(shù)據(jù)分析

將業(yè)務數(shù)據(jù)、用戶畫像等投影到空間地圖中，將圖書館實體空間中的對象與虛擬空間的數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)可視化分析，結(jié)合查詢、統(tǒng)計功能，直觀、多維度地展示讀者空間行為數(shù)據(jù)，深入挖掘讀者個體和讀者群體的閱覽行為、不同閱覽區(qū)域的關聯(lián)關系，不同時間點、時間周期及不同時間點之間讀者分布及流向變化，為圖書館保障公共安全、優(yōu)化資源配置提供良好決策支持。

3.2 實現(xiàn)方式

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及讀者行為習慣的改變，圖書館微信服務平臺在圖書館服務體系中扮演著越來越重要的角色。業(yè)已成熟的微信小程序軟件產(chǎn)品開發(fā)，也成為越來越多互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)公司的主營業(yè)務。與此同時，統(tǒng)一平臺的微信小程序，在兼容性、穩(wěn)定性可以保證的基礎上，開發(fā)量明顯小于分別開發(fā)IOS及Android兩個平臺的軟件版本，也將有利于進一步降低圖書館采購預算。而相比下載手機APP，作為主要使用者的讀者群體，更加明顯地傾向于通過掃碼、分享鏈接等方式打開微信小程序，簡單便捷地使用圖書館提供的各項服務（見圖2）。

圖2 室內(nèi)定位應用系統(tǒng)實現(xiàn)方式

3.2.1 讀者應用端

基于微信小程序開發(fā)的室內(nèi)定位產(chǎn)品可以通過以下幾種方式在圖書館線上和線下空間投入使用：

（1）集成至圖書館微信服務大廳等平臺，通過單獨的服務功能鏈接，跳轉(zhuǎn)至相應的功能頁面。

（2）作為拓展功能集成至其他微信端服務功能頁面，如：圖書檢索、活動報名等，將目的地信息通過數(shù)據(jù)接口傳輸參數(shù)的方式，發(fā)送給室內(nèi)定位平臺，直接調(diào)用其室內(nèi)路徑規(guī)劃及導航功能。

（3）作為拓展功能集成至圖書館網(wǎng)頁、觸摸屏設備等，如：OPAC檢索網(wǎng)站或樓宇導航機等，讀者查詢完成后，可在網(wǎng)頁或設備上生成結(jié)果二維碼，通過使用手機掃碼功能，將目的地同步至手機端的室內(nèi)定位平臺上。

（4）將室內(nèi)定位平臺鏈接地址或綁定目的地信息的二維碼直接投放到展板、海報等線下場景，讀者通過手機掃碼直接打開服務頁面。

3.2.2 管理端

室內(nèi)定位產(chǎn)品應采用web管理平臺，實現(xiàn)室內(nèi)定位平臺的各項管理功能及日志管理、權(quán)限管理等系統(tǒng)平臺維護功能，便于圖書館管理運維人員的日常操作。而通過采集讀者空間行為進行大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可提供可視化圖形展示頁面及數(shù)據(jù)接口，用于圖書館運維監(jiān)控平臺、大數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺等第三方系統(tǒng)。

3.2.3 系統(tǒng)集成

室內(nèi)定位平臺通過對接圖書館管理系統(tǒng)或其他第三方接口，可以實現(xiàn)圖書檢索、活動報名、閱覽室預約等諸多功能，進一步加強圖書館移動端服務能力。而作為主要功能之一的個性化信息推送，則可以對接圖書館已有的數(shù)據(jù)分析平臺、用戶管理系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)，或通過室內(nèi)定位管理平臺實現(xiàn)相應的管理功能。

室內(nèi)定位平臺具有獨特的空間行為數(shù)據(jù)分析能力，可提供接口將原始數(shù)據(jù)或分析結(jié)果、可視化圖形等提供給指定的第三方系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

為了適應業(yè)務的快速迭代和創(chuàng)新, 室內(nèi)定位平臺應選用開源框架進行微服務架構(gòu)開發(fā)。在標準架構(gòu)的建設過程中，遵循架構(gòu)兼容下的統(tǒng)一、可靠穩(wěn)定、可擴展性等原則，并保持適當?shù)募夹g(shù)前瞻性。

微服務架構(gòu)具有如下優(yōu)勢：由一組小的微服務組成一個完整的應用；選用更適合的技術(shù)去實現(xiàn)每個相對獨立的業(yè)務；每個微服務之間通過輕量級的通信機制互相溝通；完全去中心化；每個微服務都可以獨立部署、發(fā)布和升級；故障隔離在每個微服務之內(nèi)。

4 智慧圖書館室內(nèi)定位導航應用功能框架

通過觀察對比我國公共圖書館的服務模式、提供的服務范圍及尚未解決的讀者實際需求，本文結(jié)合室內(nèi)定位技術(shù)，設計了面向讀者的手機端應用及面向管理人員的管理平臺：面向讀者實現(xiàn)室內(nèi)定位數(shù)字地圖、服務查詢、信息推送、個人中心功能（見圖3）；面向館員提供時空、行為多維度統(tǒng)計量、變量及相關性分析，對資源配置、信息管理、服務模式等提供決策數(shù)據(jù)支持（見圖4）。

圖3 讀者應用端功能框架

圖4 管理平臺功能框架

4.1 讀者應用端功能框架解析

4.1.1 數(shù)字地圖

基于還原圖書館室內(nèi)結(jié)構(gòu)的數(shù)字地圖，實現(xiàn)如下功能：

（1）顯示實時位置。根據(jù)室內(nèi)定位結(jié)算結(jié)果，在數(shù)字地圖中將當前位置坐標實時展示出來，以此作為讀者了解自身所處位置及導覽導航功能的基礎。

（2）位置分享。通過微信好友間的分享功能，在數(shù)字地圖中同時顯示讀者及好友的實時位置。

（3）樓宇導覽。數(shù)字地圖中以鳥瞰圖的形式顯示各服務區(qū)、設施名稱，點擊任一點位可顯示其簡介信息或作為終點進行路徑規(guī)劃導航。

4.1.2 服務查詢

服務查詢包括但不限于圖書館館藏資源、閱覽區(qū)、服務設施、活動場地等各類信息的查詢檢索，并對查詢結(jié)果在室內(nèi)空間中的物理位置進行路徑規(guī)劃及導航。

（1）閱覽室、設施查詢。通過管理后臺對室內(nèi)空間的各興趣點進行坐標設置及信息描述，讀者在應用端通過輸入關鍵詞查詢或在地圖、列表中點選的方式選擇自己需要的興趣點了解相關信息或?qū)в[。操作流程如圖5所示。

圖5 閱覽室/設施查詢

（2）圖書檢索及架位導航。對接圖書館既有的圖書管理系統(tǒng)和圖書架位數(shù)據(jù)，讀者在應用端檢索館藏資源，并對資源所在的物理架位進行路徑規(guī)劃及導航。操作流程如圖6所示。

圖6 圖書檢索及架位導航

（3）服務/活動查詢。對比閱覽室、設施等針對具體地點名稱的導覽需求，讀者可能并不了解自己所需的服務所屬地點，對此應支持根據(jù)服務屬性或活動名稱等信息進行查詢的方式。同樣的，對其所處的物理位置，進行路徑規(guī)劃及導航。操作流程如圖7所示。

圖7 服務/活動查詢

4.1.3 信息推送

信息推送指對信息資源的個性化推薦，由傳統(tǒng)的被動式展示變?yōu)橹鲃邮酵扑停瑢崬橹鲃拥臋z索目標信息，并通過一定的推送方式發(fā)送給目標用戶。

（1）定點觸發(fā)推送。這一推送方式是在某一特定條件下實現(xiàn)的推送，根據(jù)設定的時間、地點、條件觸發(fā)推送機制，實現(xiàn)信息的推送。如配合某活動舉辦，向讀者推送活動邀請、調(diào)查問卷等；或當讀者進入某閱覽區(qū)時，進行圖書推薦等。

（2）智能推送。智能推送包括主動推送和智能推送，這兩種推送方式不但能夠?qū)崿F(xiàn)主動推送信息，還能基于用戶畫像智能化判斷用戶所需數(shù)據(jù)，減少不必要的信息冗余。通過識別讀者身份信息匹配讀者類型，根據(jù)后臺設置的相關推送策略，為其進行個性化的信息推薦。最后根據(jù)讀者點擊瀏覽推薦信息的實際數(shù)據(jù)修正后臺的推送策略，提升智能推送的準確性。操作流程如圖8所示。

圖8 智能推送

4.1.4 個人中心

個人中心主要包括三方面內(nèi)容，即操作記錄：讓讀者可以快捷地進入自己想要的查詢結(jié)果，方便操作，同時留給讀者歷史記錄；使用習慣：統(tǒng)計讀者移動端功能使用量，使用館內(nèi)資源和服務的傾向性等；操作說明：提供所有功能使用說明，減少館內(nèi)工作人員的日常培訓工作，使外部讀者能夠快速地了解系統(tǒng)功能。圖9為原型示意圖。

圖9 個人中心內(nèi)容示意圖

4.2 管理平臺功能框架解析

4.2.1 地圖管理

閱覽室、設施、服務點位（POI點位）等導覽內(nèi)容的編輯，包括地圖顯示名稱的命名、簡介圖文編輯等。根據(jù)建立的點位，規(guī)劃路徑網(wǎng)絡，并根據(jù)館內(nèi)實際情況調(diào)整（如增減門禁等）修改路徑網(wǎng)絡。

4.2.2 信息管理

通過富文本或網(wǎng)頁鏈接等形式，編輯信息內(nèi)容，分別進行定點觸發(fā)推送和智能推送。如編輯新書推薦信息，選定在圖書館大廳范圍內(nèi)進行統(tǒng)一推送，或根據(jù)不同讀者類型分別推薦不同書單。操作流程如圖10所示。

圖10 信息管理

4.2.3 用戶管理

讀者管理主要指采集讀者室內(nèi)行為數(shù)據(jù)、在系統(tǒng)內(nèi)的操作記錄或第三方使用記錄、讀者身份信息等，根據(jù)不同參數(shù)的選擇，為讀者個體和群體添加畫像標簽，定義若干個不同的讀者類型，并通過匹配個體讀者數(shù)據(jù)，形成若干個不同特點的讀者群體。

賬號管理包括新增和編輯不同的管理賬號及權(quán)限。操作流程如圖11所示。

圖11 用戶管理

4.2.4 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)利用所獲得的用戶數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字地圖信息，進行大數(shù)據(jù)分析計算。用于圖書館日常數(shù)據(jù)的可視化展示，為工作人員反映實際狀況，對決策區(qū)域位置提供相應依據(jù)；包括客流量分析、用戶位置軌跡分析、到館用戶分析、熱區(qū)分析、用戶位置畫像分析。

（1）熱力圖。當讀者使用室內(nèi)定位功能時，系統(tǒng)可記錄某一讀者在任一時刻的室內(nèi)位置，通過匯總所有讀者的定位數(shù)據(jù)，通過不同顏色來區(qū)分各區(qū)域間讀者密度，形成任一時刻館內(nèi)讀者使用的熱力圖。館內(nèi)使用熱力圖可顯示館內(nèi)讀者到達館內(nèi)各區(qū)域的頻率情況，通過選擇不同時間段、不同讀者類型之間使用熱力圖的對比，發(fā)現(xiàn)館內(nèi)空間的利用情況和讀者偏好。

（2）讀者流向。按順序連接同一讀者不同時間的室內(nèi)位置，形成的軌跡即為該讀者的室內(nèi)行進路線。當應用在圖書館場景數(shù)據(jù)分析時，系統(tǒng)可將所有讀者行進路線中經(jīng)過的閱覽區(qū)、設施等進行提煉合并，通過不同顏色區(qū)分同一路段內(nèi)同一流向的讀者數(shù)量，形成館內(nèi)任一時段內(nèi)讀者的流向及流量軌跡圖。管理者通過對比不同時段和不同讀者類型間的讀者流向，可了解館內(nèi)通道擁擠程度等，為采取相應疏散措施或設施服務分布提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語

室內(nèi)定位技術(shù)早已在許多行業(yè)有了很好的應用。傳統(tǒng)圖書館強調(diào)在線檢索服務，但所提供的資源信息模糊，不能很好解決讀者諸多需求。室內(nèi)定位導航的應用將重新定義圖書館，滿足讀者更多的需求，營造舒適的實體空間，幫助讀者更方便地利用圖書館的各項設施與服務。同時，獲取分析讀者行為，感知讀者需求并提供適當?shù)姆眨侵腔蹐D書館建設的關鍵。基于室內(nèi)定位技術(shù)，可以獲取時間、人物、地點、操作的完整事件要素，結(jié)合業(yè)務流程相關前后節(jié)點數(shù)據(jù)，極大提升讀者行為數(shù)據(jù)獲取的有效性和準確性，從而生成更加完備的讀者用戶畫像及室內(nèi)空間畫像。