基于iBeacon技术在医院室内定位导航和无线信息发布系统的研究

高喆，沈洁，汤振华，王诚

1.南京医科大学附属苏州医院，江苏 苏州 215153；2.苏州科技城医院 信息处，江苏 苏州 215153

引言

我院作为一家新建的三级医院，建筑面积18万平方米，科室病区众多，设计日门诊量5000人以上。日常大量门诊患者和家属从停车、挂号、排队就诊、缴费、检查一系列的活动，需要寻找的地点至少要3个以上，虽然已有导诊台服务人员、院内信息发布终端和院内指示标示等辅助措施，但为了提高服务质量，我们需要一套医院室内定位导航系统为大量的患者和家属提供更加高效先进的指引服务。

基于iBeacon（苹果公司开发的一种微定位的技术）技术定位和移动终端展示的定位导航方案符合我院的情况：① 已经完成弱电工程，无意愿二次弱电工程实施；② 部署快捷，成本低廉，使用寿命长；③ 基于医院特殊场景的可定制化的环境；④ 在部署iBeacon定位系统过程中，iBeacon作为移动终端的信息入口的作用也符合医院的在移动端拓展医院其它服务的需求。在移动终端的普及下，院内指引、信息发布、市场化营销等手段在院内并没有完全走到患者手机里，尤其基于社交软件、移动端APP的应用，仅仅是解决了有和无的问题。iBeacon的广播功能，丰富医院信息发布的手段，让医院可以根据院内具体位置。在患者和家属的移动端推送定制化的信息，引导关注医院社交媒体账号，移动APP应用，直接连接到医院的信息发布平台，甚至有独有的市场营销功能[1-2]。

1 系统设计目标

1.1 移动端的医院室内导航

患者可通过掌上医院APP或医院微信公众号，随时进行导航，并通过实用的功能吸引用户，为医院移动应用和社交媒体引流。

1.2 院内流程指引

系统可以根据挂号情况来推测患者可能前往的科室，从而推送相关地点以供选择。在门诊楼，借助室内地图导航功能，不但可以快速找到去一个科室的路径，如果需要到达多个科室，室内导航功能可以结合各科室拥挤情况，规划出最短路径以及最少耗时的路径。另外系统还能够推送预计等待时间与排队信息到移动终端，患者可以自由安排时间，而无需一直在门口排队等待。

1.3 院内基于用户定位的信息发布

根据患者经常询问医护人员的就医问题，对患者的定位进行该科室常见问题相关回答的推送。使患者更多地自主就医，缓解医护人员工作强度，提高工作效率，同时提高医院数字化管理水平，改善就医体验，提高患者对医院的信任度。

1.4 医疗信息知识库

对用户进行经过专业机构审核认证的医疗信息与养生保健知识的精确发布，提高用户的医疗常识，避免当前滥用搜索引擎、选择主观判断而拒绝专业求医的社会风气蔓延。同时还为用户养成健康生活习惯、摒弃生活陋习、预防疾病提供了有力保障，并通过人工智能分析患者感兴趣的知识类型，定向推送，预测用户想知道的，应该知道的内容发布。

1.5 社会化营销平台

通过在护士站、医联体、机场、社区等地布设iBeacon，能够与用户通过微信摇一摇进行互动。用户可通过微信摇一摇抽取就医体验券、折扣券等。通过这种互动，可增加用户对医院的持续关注度，提升医院的影响力。

1.6 用户行为分布大数据分析平台

系统可以通过分析对比HIS、EMR、社交媒体、用户位置信息、浏览院内医疗信息的热点，建立多层次的数据分析模型，帮助医院在资源分配，健康宣教，疾病预防等各方面工作有强大的数据支撑，提供更好的服务。

2 系统架构设计

无线定位是物联网技术中的一项重要技术，在物联网时代拥有广阔的应用前景。蓝牙定位是一种基于接收的信号强度指示的定位方式，成本较低、使用便捷。iBeacon就是基于当前最新的蓝牙低功耗4.0技术的，可以用它来打造一个信号基站，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断，也可得到该基站的推送信息，因此很容易推广普及[3]。

该项技术具有以下特点：① 免配对，苹果在之前对蓝牙设备的控制比较严格，所以只有通过MFI认证过的蓝牙设备才能与iDevice连接，而蓝牙4.0就没有这些限制了；② 定位精准、距离更远，蓝牙4.0之前一般的传输距离在0.1～10 m，而iBeacon信号可以精确到毫米级别，并且最大可支持到50 m的范围；③ 超低功耗，蓝牙4.0又叫低功耗蓝牙，一个普通的纽扣电池可供一个iBeacon基站硬件使用两年；④ 适用广泛，所有搭载有蓝牙4.0以上版本的设备都可以作为iBeacon技术的发射器和接收器[4-6]。系统架构主要包括各种iBeacon设备、定位导航算法引擎、医院内部iBeacon设备管理、信息发布平台以及数据分析平台等。针对实现院内室内定位导航及信息发布的目的，提出了基于iBeacon的室内定位系统方案，由iBeacon信息发布系统、iBeacon基站和移动端3部分组成[7]。其中硬件设备主要是由iBeacon设备组成，这些iBeacon可分别用于室内定位、信息发布以及物联网传感。通过院内各处布设的iBeacon，后台可完成读取用户位置信息等操作。用户通过ios/android终端以及医院微信公众号等与医院信息系统进行对接，如打开关注的医院微信公众号后台即可读取用户的挂号科室信息及病例报告等。用户对接层与业务应用层数据互相传输，业务应用层包括由定位引擎、导航引擎、地图引擎、iBeacon部署平台组成的室内定位导航部分以及由信息发布平台、医疗AI知识库、营销平台、微信公众号管理平台组成的信息发布平台。通过定位导航以及地图引擎，后台可实时获得用户位置信息，并在用户通过终端发出导航请求后进行位置计算，推送定位及导航信息，经由H5展示。比如用户在挂完号后，系统可智能推送您可能想要前往的科室，只要点击科室名称即可进行路线规划。另外通过大数据用户行为分析引擎可将用户偏好、需求等量化、直观化，有针对性地为用户进行信息发布推送，更好地满足用户需求[8]。平台各层构成，见图1。

图1 院内室内定位导航和信息发布管理平台

3 关键算法

采用了基于几何聚类指纹库的约束KNN室内定位模型，首先，根据几何布局结构将室内感兴趣区划分成若干子区域，并设计参考点控制网进行指纹库数据采集，完成离线样本训练；根据定位点与各类指纹库的有效AP最高相同比率决定待定点所处子兴趣区；利用最大相似度确定移动端数据在该类指纹库中的最邻近点，根据该参考点的GSS判别所处RP控制网结构特征，动态选定参数K值，以K构建最佳线段或最佳多边形自适应约束寻找后K-1个邻近参考点，最终KNN算法实现移动终端定位[9-11]。根据医院每层建筑情况，预计定位精度部署iBeacon设备，设计iBeacon部署点位；使用采集工具采集iBeacon广播环境下的RSSI特征值，建立位置和对应特征值数据库；用户使用移动端收集到的RSSI特征值信息发送到后台，经过平滑计算，匹配权重后得到位置坐标信息，在移动端显示[12]。

4 核心业务模块及工作流程

4.1 定位模块及工作流程

4.1.1 iBeacon部署

根据医院布局，和预期定位精度部署iBeacon设备约为1500个左右，同时可以根据地点不同发布不同信息，建立基于蓝牙信号的广播环境。在定位、发布信息的同时，可以把重要位置的环境参数如温度、湿度、空气质量等传回给平台[13]。

4.1.2 数据采集建模

根据医院布局，沿着室内有特征的路径进行信号特征采集和建立定位模型，特征值的数据包含：对应特征的x、y坐标，匹配算法，平滑算法，以及惯性校准算法[14]。

4.1.3 定位

用户使用移动端，每秒钟上传自己位置的蓝牙RSSI特征到定位数据库，经过处理返回对应的地图上的x、y坐标。实施人员通过现场采集iBeacon广播信号对应的位置信息，输入定位引擎，同时把院内真实室内数据转化成矢量数据并生成可以在移动端各个平台展示的地图（图2）。

图2 iBeacon定位

4.2 导航模块及工作流程

医院作为一个特殊的机构，医院的导航服务与其它消费类导航引擎不同，有更多的人性化医疗类提示。其导航提示有更多的医疗信息融入在导航服务部署。在移动端实现的室内定位导航以及停车位导航的服务，见图3。

工作流程主要分为测绘、路径规划、兴趣点（Point of Interest，POI）导航在移动端的实现[15-17]，见图4。

图3 院内服务化导航引擎部署

图4 导航模块工作流程

4.2.1 测绘

（1）根据医院平面图（CAD）绘制在移动端显示的矢量图。

（2）根据患者可能经过的平面路径绘制路网信息。

（3）兴趣点（POI）（如科室，公共设施等）与矢量图绑定。

4.2.2 路径规划

（1）兴趣点（POI）到兴趣点（POI）的路径规划算法执行。

（2）坐标点x、y到兴趣点（POI）的路径规划算法执行。

（3）兴趣点（POI）导航在移动端的实现。

4.3 与医院各个系统对接并嵌入掌上医院与医院微信公众号

4.3.1 定位导航与HIS系统对接

为了实现在医院客户端导航功能，实现人性化的服务，导航模块会自动接受HIS推送给患者可能要去的兴趣点POI，如：付费窗口、科室、公共设施、药房等，患者完成挂号后，只需要在移动端，如：掌上医院APP、微信公众号，点击弹出的POI列表自动指引患者前往，见图5。

图5 HIS系统与定位导航对接

4.3.2 掌上医院APP及微信公众号嵌入和对接

提供了院内的导航服务让患者和家属方便地获悉自己的位置，并提供需要去的位置的导航服务；根据院内信息的发布，在导航过程中，可以推送医院简介、医生介绍、医疗知识等；通过与HIS对接，在患者完成挂号后，推送患者需要的位置，让患者感受如一个专属的导诊员全程提供服务的感觉；通过在停车场的覆盖，用户可以通过客户端记住自己的停车位置，完成诊疗后，可以无障碍的找到自己的车辆；人工智能医疗知识库：在科室信息发布平台上，会根据科室的情况推送默克诊疗手册的基础诊疗知识和患者经常性询问的健教知识，通过智能系统的分析分类后，信息发布平台会根据患者情况预测推送患者最感兴趣的健康知识、养生、康复、医保等相关知识。

5 其他业务模块

5.1 iBeacon部署管理平台

在医院内部和外部，有1500多个iBeacon设备需要管理，在工程实施上，需要一个统一的管理平台管理设备基础信息、维护信息、电量、工作状态、替换、增添并与具体位置所绑定关联相关科室病区。

5.2 iBeacon信息发布营销管理平台

作为重要的一个功能模块，在这个平台上，宣传部门可以迅速的关联iBeacon设备与想要发布的内容。公众号关注、引导、编辑发布内容，统计流量。根据不同地区推送营销方案如：微信摇专家号、膏方优惠等信息，增加医院在社交媒体上的关注度和流量导入。

5.3 用户行为统计分析平台

在记录患者在移动端的交互，在本地分布的情况，病情和感兴趣的信息做统计分析后，形成一套数字化分析模型，为医院决策，资源分配，营销方面提供有力的保障。

6 小结

通过院内定位导航系统的应用，有效提高了医院数字化管理水平，改善了患者就医体验，提高患者对医院的信任度。同时由于减少了医护人员的日常工作量，使医护人员能够更专注于医疗服务的提供，提高了院内工作质量及效率。另外通过医院信息发布系统，能够根据需求为用户推送医疗知识，提高患者自主就医能力以及医疗意识。通过患者对医院微信号的关注，可以达到增加医院流量导入及访问量的目的。然而在给医护人员带来极大便利的同时，也给传统医院的信息化建设带来的前所未有的挑战，如物联网医院的建设、移动医疗的建设、室内定位导航的建设等。随着如今智能手机、医疗物联网应用以及无线网络技术成熟，院内定位导航技术作为一种改善就医体验、提高管理效率的增值应用必然将备受关注。在未来医院的建设中，对业务做好统一规划和建设，才能达到事半功倍的效果，更好的服务患者，提升资源利用率与管理效率。

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