基于BIM和RSSI的室内定位与导航研究与应用

李锋，明镜，唐相桢

(重庆市勘测院，重庆 401121)

1 引 言

当前，大型场馆、商场、医院等场景对室内定位和导航的需求日益增长。基于低功耗蓝牙设备的接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)的室内定位技术成为研究的热点。周慧敏等研究了使用手机蓝牙终端的三角定位法[1]；史瑞瑞等研究了基于RSSI的测距模型、动态系数加权质心定位算法等[2～8]；刘万青等研究了蓝牙定位和航位推算的融合问题[9]，王婷婷等实现了蓝牙RSSI值位置指纹库[10]；杨刚等研究了基于RSSI修正值双重定位方法[11]。

由于建筑物内部是三维空间，蓝牙标签的布设也是空间化的，因此结合建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的室内定位研究是提升室内定位精度的重要方向之一。简家林研究了基于ZigBee定位基站定位结合BIM可视化的技术[12]；谢文静等研究了基于WiFi定位结合室内分层的技术[13]；梁泉等研究了监控动态蓝牙终端并实现BIM可视化的方法[14]，S·B·摩西等基于BIM实现蓝牙低能量设备的自动配置[15]；路建永等研究了基于Lora基站的室内外切换方法[16]。

本文分析了蓝牙设备RSSI的稳定性问题，基于BIM实现蓝牙设备布设和采样点布局，提出基于BIM和RSSI的室内定位算法，开展了算法参数率定实验，并以某医院为例进行了技术验证，实现了基于BIM和RSSI的室内定位与导航。实验结果证明，该方法提升了室内定位与导航的准确性和有效性。

2 基于BIM和RSSI的室内定位算法

2.1 蓝牙信号衰减模型

蓝牙无线信号在空中传播时，通常都会随着传输距离的增加而信号强度逐渐减弱。大量实验表明，蓝牙信号强度值RSSI与距离之间满足对数正态分布经验模型。即：

RSSI(d)=RSSI(d0)-10nlg(d)

(1)

其中，RSSI(d)代表传输距离为d时，接收端接收到的信号强度值；RSSI(d0)代表传输距离为d0时，接收端接收到的信号强度值；通常地，选择d0=1.0 m，即以距离蓝牙发射端的距离为 1.0 m的强度值为参考强度值；n为路径损耗因子。

在实际中发现，蓝牙设备RSSI值在场馆的不同地点(办公室、走廊、电梯厅)以及一天中的不同时段(早晨、上午、中午、下午、晚上)均会有起伏变化。不同地点的强度值变化符合高斯正态分布，记为Xσ，不同时段的变化是一个分段函数，记为Y(t)，考虑这种时空变化，改进式(1)为：

RSSI(d)=RSSI(d0)-10nlg(d)-Xσ-Y(t)

(2)

由此得出由RSSI值计算距离的公式：

(3)

2.2 BIM在室内定位中的作用

蓝牙设备接收端距离发射端越远，则信号稳定性越差，因此在布设蓝牙设备时，使得能够覆盖空间，而且彼此之间的间距不大于 10 m。

基于BIM对建筑物内部的精准建模，因此可以在BIM中预先设计蓝牙设备布设方案，设计相应的采样点，建立发射端三维位置表和采样点三维位置表，并给出每个采样点关联的最近的 10 m以内的多个发射端及其准确距离d，然后根据式(3)进行蓝牙发射端算法参数的率定。

2.3 算法流程

基于BIM和RSSI的室内定位算法流程如图1所示。

图1 基于BIM和RSSI的室内定位算法流程图

在参数率定阶段，主要内容是布设蓝牙设备(标签)，结合已知的布设点和采样之间的距离d，率定式(3)中的4个参数，RSSI(d0)、n、Xσ、Y(t)，其中前3个参数是与蓝牙设备相关的，需要逐个率定；Y(t)是一个随时间变化的变量，可以随一天中的时间变化逐小时进行计算。主要步骤包括：①构建建筑物BIM；②设置或者测定每个蓝牙设备的RSSI(d0)值；③设置或者测定分时段的Y(t)值；④基于BIM实现蓝牙三维布设，给出采样点、发射端的位置关系；⑤在预定的采样点多次采集RSSI数据；⑥根据采集数据以及预知的d值率定n和Xσ；⑦建立每个蓝牙设备的率定参数表。

在实时定位阶段，主要内容是根据实时测定点的一系列RSSI值，求出实时测定点对应的空间位置；主要步骤包括：①新的蓝牙设备接收端接入；②实时采集该接收端的多个RSSI值；③根据RSSI值对应的蓝牙发射参数端RSSI(d0)、n、Xσ、当前时间段Y(t)，求出该RSSI对应的d值；④d≤10.0为有效的接收值，对有效d值进行排序，并找出最小值d1、d2、d3对应的发射端记为S1、S2、S3；⑤根据三边测量法，求出S1、S2、S3和对应的d1、d2、d3的交点。可以先求出两两相交的交点P、Q、R，然后使用质心算法求得交点坐标；⑥使用其他的有效d值检验坐标T，如果合理，则增加到有效定位点中，否则依据当前运动趋势推断定位点。计算结果定位点即为室内定位位置，可以实时显示在BIM中。

基于BIM模型，本方法能够精确布设蓝牙设备和采样点布局，将采样点和蓝牙发射端的空间距离作为已知值，使用多点位、多时段的参数率定方法提升测距公式的精度，同时考虑多个d值检验定位结果，结合定位点序列形成的运动趋势，可以排除错误的定位计算结果，有效避免定位的不稳定性。

3 算法参数率定

基于BIM和RSSI的室内定位技术中，系统的定位精度受多方面因素的影响，如信号传播的多径效应、无线信号传播的距离、传播中墙壁，门窗，家具，人员流动对信号产生的影响、折射、散射和衍射等。为方便研究以便提高定位系统的性能，必须全面系统地研究与分析定位系统中的一些关键性因素以及这些因素与定位精度的相关关系。现分别对硬件本身信号的稳定性、传播距离、障碍物，多径效应进行实验。

3.1 RSSI(d0)率定实验

由于接收机搜集到的信号强度值(RSSI)出现了信号波动的情况，现针对基站信号的稳定性，设计了以下实验方案，以验证信号强度的稳定性。任选一个蓝牙设备作为实验对象，在d0=1.0 m处接收300次该信号源发射的蓝牙无线信号RSSI(d0)，以300次的采样均值作为RSSI(d0)率定值，结果如图2所示：

图2 RSSI(d0)实验结果

进一步地，距离蓝牙发射端不同距离进行RSSI值进行多次测定，然后求均值和标准差；对三个发射端采用同样的测定方法，结果如表1所示：

不同距离RSSI值实验结果 表1

从表1中，可以看出，作为参考距离d0=1.0 m，三个蓝牙发射端的RSSI(d0)均值和标准差是不同的，这个值与蓝牙发射器端本身相关。

3.2 RSSI-d率定实验

终端与信号发射站之间的距离及环境因素决定了终端所接收到的RSSI值。在环境因素一定的情况下，RSSI值与距离d呈现对数正态分布。如图3所示。

图3 RSSI-d关系

根据图3，当终端越靠近信号发射站时，所接收到的RSSI值越强，信号越稳定，且信号强度值在 3 m内衰减较明显；随着距离的增加，信号强度值衰减减弱但波动性逐渐加大，信号强度值越不稳定，因此设定可以参与定位计算的距离阈值为 10 m。同时由于距离阈值之外的信号不稳定，需要基于BIM模型进行蓝牙布设点和算法参数采样点的布局设计。

3.3 与环境相关的n和Xσ率定实验

在实际应用环境中，由于多径、绕射、障碍物等因素，室内无线信号的传播规律是很难进行确定性预测的。由射频无线信号的传播衰落模型可知，某一固定位置处来自同一基站的瞬时RSSI在一个稳定的平均RSSI值为中心的范围内变动，其均值RSSI由此处到信号基站的距离和两者之间的路径干扰情况确定。由式(3)，可以结合已知距离d进一步推知具体的n和Xσ数值。

为验证环境对RSSI值的影响，本文设计了4个场景，分别是户外无遮挡、办公区域、木板墙壁、混凝土墙壁；将设备部署在不同的环境下进行实验，在距信号发射源不同距离(1 m、2 m、3 m、4 m、5 m)处采集300次数据，统计其均值和方差，结果如表2～表5所示。

户外无遮挡环境相关的n和Xσ实验 表2

办公区域环境相关的n和Xσ实验 表3

木板墙壁环境相关的n和Xσ实验 表4

混凝土墙壁环境相关的n和Xσ实验 表5

从实验中，可以得出：①信号发射源本身是不稳定的。不同的设备在相同的实验环境下，接收端在相同位置处接收到的信号强度值存在着差异，接收端接收到的信号强度值离散程度越大，其信号强度值越不集中，其波动幅度大，设备本身发射的无线蓝牙信号越不稳定；②不同环境对无线信号传播有影响。相同的发射端在不同的实验环境中测试统计的信号强度值相差较大，室内环境相关的n和Xσ实验如表6所示。

不同室内环境下的方差σ2与路径损耗因子n 表6

3.4 RSSI-t关系率定实验

在相同环境下，在一天中的不同时段，由于人员流动、气温变化等差异，导致RSSI值随之波动，为了进一步提高RSSI室内定位精度，本文设计了RSSI-t实验。具体地，对蓝牙发射端进行连续采样，采样时间段是00：00-24：00，结果如图4所示。

图4 RSSI-t关系

根据图4，一天中，上午时段和下午时段人员活动较大时，信号强度减弱。将相应的RSSI-t关系值转变为Y(t)，可以在式(3)中起到提升定位精度的效果。

3.5 算法精度测试

依据上述算法及参数率定方法，本文具体实现了基于BIM和RSSI的蓝牙布设、算法率定、实际精度验证，本文方法室内定位精度小于 2 m，与基于RSSI的室内定位方法[4]相比，定位精度提升了12%。

4 实际应用

重庆某医院坐落于重庆市两江新区核心区，占地面积200亩，门诊大楼面积约4.8万平方米。针对医院人流量大、门诊楼布局复杂、导医就诊流程烦琐等特点，基于BIM和RSSI的室内定位技术。本文建立了室内导航定位展示系统，实现基于二维和三维BIM的室内定位导航功能，提供就医科室快捷导览和室内外一体化信息可视化展示。

4.1 BIM建模

本文实现了室外三维模型和分层分户的室内三维一体化建模，如图5所示。

图5 某医院BIM建模

4.2 蓝牙标签布设

基于BIM模型安置蓝牙定位标签，蓝牙设备水平间距：一般 4 m～8 m，将蓝牙标签布置到走廊的天花板上或者墙面上。经过多次测量验证部署位置，门诊大楼1层～7层，总计部署731颗蓝牙定位标签。其中1层118颗，2层147颗，3层68颗，4层110颗，5层108颗，6层96颗，7层84颗。在某层布设蓝牙标签的情况如图6所示。

图6 基于BIM的蓝牙标签布设

4.3 室内定位与导航应用

患者到达医院并开启应用和蓝牙后，在3 s内出现定位光标。垂直定位可实现楼层自动判断，支持室内外定位无缝切换，当用户偏离导航路线时支持路线重新规划。遇到电梯、扶梯、楼梯等垂直联系设施时，屏幕上方会出现相应的标志。如图7所示。

图7 基于BIM和RSSI的实时定位导航

5 结 语

基于BIM和RSSI，本文能够精确布设蓝牙设备和采样点布局，将采样点和蓝牙发射端的空间距离作为已知值，使用多采样点、多时段的参数率定方法提升测距公式的精度。本文以某医院为例进行了技术验证，实验结果表明，该方法与现有基于RSSI的定位方法相比，在定位精度方面提升了12%，同时有效避免了定位结果的不稳定性。