LBS与RFID结合实现图书馆室内定位导航方法初探

陈 攀

（国家图书馆，北京100081）

LBS与RFID结合实现图书馆室内定位导航方法初探

陈 攀

（国家图书馆，北京100081）

基于位置的服务与射频识别技术将成为解决图书馆内用户及资源的定位导航的关键技术。本文从需求、原理、实现方式等方面探讨LBS与RFID结合实现图书馆室内定位导航的方法。

LBS；RFID；室内定位导航；图书馆服务

LBS（Location－based Services，基于位置的服务）最早出现于军事领域，随后逐渐进入救援、测绘等专业技术领域。近年来，智能移动设备的，LBS逐渐走入人们的日常生活，在旅行、购物、饮食、社交等方方面面发挥着重要作用。随着公共建筑设施规模的日益扩大，用户的定位导航需求日益复杂，LBS的发展重点逐渐从室外走入室内，其中室内定位的精度，以及位置服务内容是开发商和用户关心的核心问题［1］。

LBS未来或许也将成为图书馆的一项重要服务。早在2008年，国家图书馆就意识到了位置服务的重要，并尝试提供室内导航服务，在馆区内通过虚拟现实体验、基于RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）的智能架位导航等方式，向到馆用户提供导航服务。然而，那时的移动智能设备并不发达，所以这些服务也都是基于台式电脑系统开发的。现在看来，这些系统渐渐显示出它们的不足，功能“鸡肋”，乏人问津。然而，从感知技术的角度看，RFID确实可以成为图书馆位置服务中重要的组成部分，本文主要就如何利用RFID与LBS结合实现图书馆室内定位导航功能进行初步探讨。

1 图书馆室内导航的需求

对于图书馆来说，室内定位导航功能不仅可以解决用户的定位及位置引导问题，还可能成为资源导航的捷径，成为用户行为及需求分析的重要数据来源。

1.1 用户的室内定位导航

随着社会的发展进步，图书馆服务越发多样化，服务场所面积也在逐年扩大，建筑内部的功能分区也更加复杂，用户服务面临着服务内容全面揭示难、服务位置引导难、服务质量监督反馈难等多重难题。

传统的建筑导航方式是通过在建筑物入口或楼层入口处放置大型的平面地图来完成目的地的导引。而通过图书馆LBS系统，用户在到馆后可以清晰的知道自己在什么位置，并可以了解到自己周边有哪些服务空间，能获得哪些服务或者资源，随即根据用户需要为其规划到达目标地点的路径。对于以高校图书馆为代表的多分馆、总分结构的公共文化建筑集群来说，多楼宇间的导航也可以通过LBS来轻松解决。

1.2 文献资源的定位导航

实现实体馆藏的精确导航可以说是图书馆人梦寐以求的追求。近年来，通过RFID技术，许多图书馆已经实现了实体资源的“智能架位导航”。这项功能的作用就是将图书、书架层板、书架物理坐标三者关联，并在WEB端提供一张静态示意图，以帮助读者寻找其需要的图书［2］。有些图书馆选择引入了Google Map等专业的地图工具，通过API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）二次开发实现馆内导航功能［3］。这在一定程度上满足了用户在馆内精确查找馆藏的需求，但却并不是现在意义上的LBS服务，而仅是基于WEB端的路径规划功能，其最大的弊端是无法对用户位置进行实时定位，无法提供可移动的查询服务，以及实时路径规划等功能。LBS运用得当可以很好的弥补图书馆现有导航功能的不足，实现真正的资源定位导航。

1.3 对用户行为及需求的分析

图书馆在开发APP时，可以将LBS作为图书馆移动服务的底层技术，将图书查询、数字资源查询、用户在线交流等功能与LBS关联，用户的查询、利用行为，以及位置信息将一起被记录下来，可供馆员分析用户需求。正如百度“迁徙图”实现的那样［4］，图书馆通过对用户行为及用户需求数据的收集，可以知道用户从哪儿来，到哪儿去，他们在图书馆做了什么，看了哪些书，听了哪些讲座，以及他们如何看待这些资源与服务。图书馆甚至可以进一步预测不同用户群体可能的行动轨迹与行为模式，并对用户进行服务推荐，及时调整文献采访计划，节约图书馆的管理成本及资源建设成本。

2 LBS室内定位导航概述

2.1 LBS概念

LBS的核心功能是为用户提供当前位置的定位，通过LBS用户能够确定自己的位置，可以看到与其所在位置在空间上相关的信息，并与相应的位置信息或内容进行互动。简单的讲，基于位置的服务就是要为用户解答3个问题：我在哪？我能在这做什么？我对这里怎么看？

LBS系统通常由定位系统、通信网络、移动服务中心、移动设备4个部分构成。近年，随着大量廉价、智能的移动设备的出现，LBS系统的开发成本得以大幅下降，移动定位导航服务得以走进人们的日常生活。就一个服务系统而言，定位系统是LBS的基础，它主要负责获取移动设备实时的位置信息，决定着LBS的精度；通信网络则是连接用户移动设备与服务中心的桥梁，要求能实时准确地传送用户请求及服务中心的应答，为LBS系统提供必要的环境支撑；移动服务中心通常由移动应用的内容提供商运营管理，它是LBS系统的功能核心，决定着服务的成败，随着移动用户数量的激增，“内容为王”已渐渐成为移动服务领域的法则［5－6］。

2.2 室内定位技术

实现室内定位导航功能包括定位技术选择、地图绘制、APP开发等多个环节。其中，定位技术的选择与部署是决定定位服务精度和深度的关键，合理的定位部署方案将大大节省投入成品，提高定位效率及精度。目前市场上比较成熟可行的定位技术部署方案主要有指纹定位技术、API端定位技术，以及在OS系统中广泛应用的蓝牙定位技术。3种方式的室内定位效果都较好，其中蓝牙定位技术目前定位精度最高，但相对来说部署成本略高。

2.2.1 指纹定位技术

指纹定位技术是一种基于WIFI的定位技术。WIFI由无线路由器、无线接入点（AP）和无线网卡组成。WIFI本身并不具备定位功能，但其部署位置却具备一定的空间固定性，通过建立WIFI位置信息数据库，可以实现定位。

这里的“指纹”指的是在定位区域构建的与位置信息相关的无线信号强度图谱。建立位置指纹包含两个阶段：训练和定位。训练过程就是将定位区域划分为均匀的网格，每一个网格对应一个位置指纹；定位时，被定位对象的位置就是距离它最近的位置指纹。指纹定位的优点是定位简单、方便，无需额外的硬件设备，但是如果AP部署位置变更就需要重新训练位置指纹，对于信号位置经常发生变化的环境，重复的指纹训练无疑会增加位置定位的维护费用及难度［7－8］。

2.2.2 API端定位技术

API端定位技术也是一种基于WIFI的定位方式。API是操作系统留给应用程序的调用接口的一些预设函数，应用程序通过API可以使操作系统执行应用程序的命令［9］。在建立WIFI无线路由器位置信息数据库后，移动设备通过实时获取周围WIFI路由器的信号强度及其对应的MAC地址（Media Access Control，物理地址），通过API与应用程序通信，按照一定的模型与应用程序位置数据库中相关信息关联，并将计算后的位置信息返回移动设备，从而实现移动设备的定位。这种定位方式要求随时保证网络通信的畅通与稳定，并需要应用程序能够获取移动设备的MAC地址。

2.2.3 蓝牙定位技术

蓝牙技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，支持点到点、点到多点的数据传输，同样也可以用于室内定位。目前，蓝牙定位技术主要应用于OS系统的移动设备，由于OS系统的封闭性，基于WIFI的定位技术都无法在该系统中应用，因此直到2013年苹果公司发布了基于蓝牙的新型定位技术iBeacon，OS系统的移动设备室内定位问题才得以结局。iBeacon可以将手机定位到英尺，设备使用低功耗蓝牙技术向周围发送自己特有的ID，接收到该ID的应用软件会根据该ID来判断设备的位置并作出响应［10］。

3 RFID架位导航实现原理及方法

为了更好的探讨RFID与LBS结合的可行性，下面首先对RFID架位导航的实现原理及方式进行简单分析。

3.1 架位导航原理

RFID作为一种通信技术，主要功能是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据。通过RIFD技术实现的图书架位导航是一种基于射频标签之间位置关联的导航方式。这种导航的原理非常简单，首先通过在普通图书以及书架上加装RFID标签，使它们具备可被非接触式读写的特性，从而将普通实物转换为“智能”实物，然后建立起图书、书架、阅览室物理空间三者之间的关联关系：将图书与书架通过射频识别进行位置关联，以确定图书与书架的相对位置；将书架位置在阅览室内的空间坐标通过导航图描点进行关联，从而实现单册图书在阅览空间内的准确定位。

3.2 实现方法及步骤

读者在查询某册图书的架位时，OPAC根据用户查询的图书，从图书馆集成系统中获取对应的架位号信息，显示在浏览器页面上，同时生成一个架位发送请求链接。当读者点击架位请求链接时，架位导航服务器收到发送来的请求，会自动判断请求的来源（查询机位置），结合架位号信息，生成对应的导航路线。

实现架位导航功能需要完成阅览室所有图书RFID标签转换、RFID层架标部署、单册馆藏与架标关联、导航数据库建库与描点等步骤。

3.2.1 图书RFID标签转换

图书RFID标签转换时，在图书上粘贴RFID标签，并写入一些必要的信息，如主馆藏标识（条码号）、馆代码、应用类型等。在RFID相关行业标准WH/T 43－2012《图书馆——射频识别——数据模型》中，标签数据元素中包含排架地点项，图书馆可以选择将架位信息写入该字段；也可以不使用该字段而仅将架位信息写入架位导航数据库中。例如北京师范大学图书馆选择前种方式，而国家图书馆则选用后种方式［3］，两种方式各有利弊，在此不做赘述。

3.2.2 书架RFID层架标部署

层架标部署就是在阅览室内普通书架的每个层板上安装RFID层标签，并按照馆区地理位置对它们进行编码。架标体系的最小识别单位是“层”，由于RFID识读方式是“区域读写”，识读区域内的读取顺序是随机的，因此在书架的一层内RFID系统无法判别图书摆放的先后顺序。有些图书馆为了解决这一问题，会选择建立辅助排架体系，完成层内的图书排序［11］。

3.2.3 完成单册馆藏与层架标的关联

利用采集车对每层架板上的架标与该层每册图书进行关联式点检，即先采集层板RFID标签，然后对此层的所有图书标签进行采集，采集完成后上传至RFID数据库。通常，在架位导航库建立之初，工作人员需要循环多次进行层标与图书标签的关联点检，以保证室内的所有图书都能进入导航系统。

3.2.4 建设架位导航数据库

架位导航数据库除包含导航图片图层数据外，还需要对位置信息进行描点，并设置编码及译码的规则。例如，国家图书馆的架标体系采用的是字母、数字混合定长编码，编码规则要对楼层、阅览室、方位、架位、层等位置元素进行规定，以确保对导航位置的准确描述。路径规划功能的实现则需要事先对每一台OPAC查询机的位置进行描点，根据查询机的MAC地址来规划到达目标位置的路径。

4 LBS与RFID结合的方法

4.1 LBS与RFID定位导航功能对比

LBS与RFID两种技术在用户定位、路径规划、定位精度、地图绘制，以及使用载体等方面都存在着不同。

在用户的实时定位功能上，LBS具备压倒性的优势，目前较好的室内定位技术部署可以达到2～3米的定位精度，遗憾的是无法做到将读者引导到阅览室内的某一书架。而RFID技术虽然可以通过超高频标签（图书标签、书架标签、读者卡标签）之前的相互关联实现用户定位，但目前这种方式投入成本较高，效率较低，短期内在图书馆无法实现应用。

在定位精度问题上，LBS与RFID二者因定位原理的本质不同，不好拿来相提并论。前者的定位精度取决于定位技术的选择与部署，而后一种方式一旦完成层架标描点，则其定位的是固定坐标，定位准确度完全取决于图书与层架标的位置关联是否正确。

在如路径规划、地图绘制等问题上，LBS体现了其在定位导航功能上的专业性，较现有RFID导航在各方面的表现都更为成熟。

就功能的使用载体看，绝大部分用户习惯通过移动设备（智能手机）使用LBS；虽然目前已有厂商推出了基于RFID系统的查询APP，但大多数图书馆用户仍然在使用传统的WEB端查询RFID导航信息。

表1 LBS与RFID定位导航功能对比

表1 （续）

4.2 实现方式

综上所述，两种导航方式在实现图书馆室内定位导航上各有优劣：LBS系统作为较成熟的社会化产品，其用户定位导航功能完备，定位精度较好，可以完成对到馆读者的方位引导，将读者指引到某一服务区域门口，但是却不能满足馆内单册实体资源的定位导航需求；基于RFID的导航可以对某册图书资源进行精确到层的定位，但却无法完成用户的实时定位以及服务区域的指引。因此，在图书馆中LBS与RFID可以作为一对互补的技术，共同实现有图书馆特色的室内定位导航功能：LBS用以实现人的定位、服务区域的定位，而RIFD则可以成为LBS系统的延续，解决读者找书时“最后1米”的定位问题。

在LBS与RFID两个系统的衔接问题上，可以有多种解决方式。图书馆既可以利用成熟的LBS产品API进行本馆APP的二次开发，也可以将图书馆的RFID架位导航图提供给LBS厂商，在专业的LBS产品中嵌入图书馆馆内地图。目前，购物中心等公共场所的室内定位导航是通过后一种方式实现的，室内导航在呈现方式上通常包含楼层切换、比例缩放等功能（如图1）。另外，图书馆也可以选择两种解决方式并用，既保留图书馆自身开发APP的自由，同时也通过社会化的产品向潜在的图书馆用户推广图书馆内的服务。

图1 百度地图、高德地图的室内导航图样例

4.3 实施方法

在图书馆内实现上述方式的定位导航需要分别对LBS系统、RFID系统进行建设。LBS系统建设时要完成定位系统部署、绘图、描点、APP开发等工作；RFID系统的建设则需要完成标签转换、标签位置关联、架位库建库等工作。部署流程可参考图2所示。

图2 图书馆室内定位导航系统部署流程

RFID导航系统的建设方法可参考3.2章节部署，在此不做赘述。其中，3.2.4章节中所述的步骤可简化，只需制定好架位编码规则，而绘图、描点以及路径规划等工作则留给LBS系统建设时完成。下面就LBS系统的部署方法做简要说明。

4.3.1 定位系统的部署

对于已经部署了无线网络的图书馆，为了提高定位的精度，可能需要增加馆内的AP设备；对于尚未部署无线网络的图书馆，首先要决定使用何种定位技术。目前，在馆内同时部署WIFI、蓝牙两种定位系统的费用较高，从性价比考虑可优先选择通过WIFI实现定位。

使用WIFI部署室内定位系统时要注意如下问题：

（1）AP部署数量越多则WIFI信号覆盖度越高，定位的精度也会越高。目前厂商推荐的AP部署间隔在6米，此时每个WIFI信号覆盖范围约100平米，定位精度可达到3～5米。

（2）采用“指纹”定位时，每一次参照点的变化都需要重新采集指纹，以确保定位导航的准确，如果导航目标变化过于频繁则会大大提高系统的维护成本，影响服务质量。

（3）AP接入点的变更，如信号强度、部署地点的变化也将影响定位的精度，每次变化都需要重新采集信息。

4.3.2 室内地图的绘制

室内地图相比于室外地图，更注重地图的精度以及精细化的内部元素的展现。成熟的LBS系统多采用“瓦块图”，即将整张地图按照一定放大等级进行栅格化，并切分为若干小文件，地图切片后可以有效提高用户的访问及下载的效率［12］。室内地图大多采用二维平面图，绘制时要充分考虑用户的认知习惯和使用习惯。对于已有RFID架位导航的图书馆，可将本馆的RFID导航平面图提供给LBS厂商，将室内地图与建筑物外轮廓地图进行比对、修正，以保证图书馆的外轮廓及馆内细节与LBS厂商提供的地图框架及坐标一致，避免定位与导航的错误。

4.3.3 APP开发

图书馆可以单独开发用于导航的APP，也可以在已有图书馆APP内嵌入定位导航功能。如果选择后一种方式，可以考虑在“查询”功能中通过LBS厂商提供的SDK（Software Development Kit，软件开发工具包，其中包含API）［13］进行二次开发。查询系统首先判断用户的查询内容是图书信息、位置信息，还是阅览室信息，之后根据查询内容的不同，指向各自不同的响应系统。

（1）查询文献资源信息时，查询系统把用户请求发送至OPAC等图书馆查询系统。OPAC系统在提供书目信息的同时，提供通过RFID系统建立的架位信息，并通过链接指向LBS系统。书架定位时忽略书架名称后面的层信息，相同书架名称合并为一条位置记录。最后，系统完成用户的定位以及前往目的地的路径规划。

（2）查询个人位置，或是某个阅览室、活动中心位置时，查询直接指向LBS系统，进行用户定位，并规划路径。LBS系统除定位用户位置外，还可以为用户提供当前位置周边可用的服务，并提供周边服务的基本信息供用户选择所需服务。

查询系统指向LBS系统时，可以通过接口链接跳转LBS软件的方式完成定位导航，也可以将LBS系统内嵌在图书馆APP中，在图书馆APP内完成定位导航。前一种方式开发难度及成本相对较小，后一种方式用户的图书馆体验则更完整、顺畅。

在APP开发中，用户体验至关重要，因此，便捷、高效是功能流程设计的重点，越少的接入口，越直接的呈现方式，可能吸引到的用户越多。

图3 图书馆室内定位导航功能流程示意图

4.4 存在的问题

4.4.1 RFID架位信息不准确问题

基于RFID技术的架位信息本身不一定是实时更新的，这取决于RFID架位数据采集方式以及数据更新方式。有些图书馆选择循环盘点方式，不断更新架位信息；也有图书馆只对更改位置，或归还的图书位置进行采集，而全部盘点可能每年仅进行1～2次。但无论哪种方式，都无法达到架位导航百分之百的准确。以国家图书馆架位导航维护的经验看，通过循环盘点，架位导航的准确率可以保持在85%～95%之间。目前，仍没有更好的方案可以在现有技术条件下解决架位信息关联不准确问题。因此，虽然RFID技术在图书馆已经经历了近十年的发展，技术越来越成熟，但仍然有大量的图书馆没有使用其架位导航的功能。

4.4.2 LBS厂商带给图书馆的风险

一些图书馆会选择使用某些地图（例如谷歌地图）API进行二次开发，但由于一些不可抗力，用户会因为网络限制等问题而无法正常使用导航功能，这将迫使图书馆放弃导航功能或是重新制作导航图以延续导航功能。

由于借助了第三方的力量，图书馆不得不承担外因变化带给图书馆定位导航功能的不确定性，与LBS厂商合作的越深入，图书馆对厂商的依赖性越强，则图书馆自身的主控权越小，导航系统的不确定性也越大，这让我们不得不担心这一技术是否会因为社会环境的变化而昙花一现。

4.4.3 隐私安全

如果图书馆选择向LBS厂商开放图书馆查询系统，则这一定程度上存在着安全及隐私风险。位置、查询这两个关键词，可以对用户行为进行较为全面的描述，简单的说，读者在哪，从哪来，到哪去，以及他们在做什么，即将做什么，这一系列的问题，都有可能被图书馆洞悉，如果没有完善的信用体系建设，没有完善隐私保障措施，用户信息的泄露很可能成为这一技术的最大隐患。

5 小 结

目前，室内定位导航技术仍不算十分成熟，但却非常有实践的价值。笔者通过调研认为，图书馆现阶段已可以考虑小规模实践室内定位导航技术。从成本投入上看，与成熟厂商的合作，将大大节省建设及维护成本，但必须慎重考虑隐私、安全协议等问题。

本文探讨了一种较为可行的室内定位导航实践方案，但在实施过程中，还要全面评估技术可能存在的风险，根据图书馆的具体需求及建设现状的特异性，进一步细化调整方案。

［1］（西）费拉罗，（土）克蒂哈诺格卢．LBS应用开发［M］．李丽，译．北京：人民邮电出版社，2012：1．

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［4］百度地图迁徙人气——全国人口的迁徙路书［EB/OL］．http：∥qianxi．baidu．com，2015－07－21．

［5］李勇，徐小涛，杨志红，等．位置信息服务（LBS）关键技术及应用［M］．北京：人民邮电出版社，2013：10．

［6］王思宁．从室外到室内的微时代［J］．软件工程师，2012，（10）：10－11．

［7］杨广龙．基于多模指纹匹配的室内定位系统设计与实现［J］．计算机工程与设计，2013，（5）：1896－1901．

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［9］API［EB/OL］．http：∥baike．baidu．com/subview/16068/5889234．htm？fr＝aladdin，2015－07－21．

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［11］林晓玲，杨明华．RFID图书管理系统中图书定位排架方式探析［J］．图书馆论坛，2012，（3）：102－104．

［12］张兰．室内地图研究初探［J］．测绘与空间地理信息，2013，（9）：43－47．

［13］SDK［EB/OL］．http：∥baike．baidu．com/link？url＝la5JmhFEYPjhKMyop0QVyZzIzA9IdLXzSulB4ma_ POlMWiMII9PpmuuxcYcZqzT5GJowBl_mQR2Gb4UE0a8WjOFfpg－eBg－f3－cjixW02y，2015－07－21．

（本文责任编辑：孙国雷）

LBS and RFID Combined to Achieve Indoor Positioning Navigation Methods of Library

Chen Pan
（National Library，Beijing 100081，China）

LBS and RFID will be the key technology to solve the positioning navigation within the library's users and resources．This paper discussed methods comprising LBS and RFID to achieve indoor positioning navigation of library in terms of demand，principle，implementation．

LBS；RFID；indoor positioning navigation；library service

10．3969/j．issn．1008－0821．2016．02．022

G253.1

A

1008－0821（2016）02－0114－06

2015－10－21

陈 攀（1984－），中文图书阅览组组长，馆员，研究方向：图书馆学。