基于新型室内定位技术的智慧医院导航系统架构与实现

江苏省中医院/南京中医药大学附属医院 信息数据中心，江苏 南京 210029

引言

医院门诊区域每天需要接待大量的就医患者，是人群高度集中且流动性较强的场所，也是医院日常管理工作的重要环节。然而，患者来院后面对复杂而陌生的环境，在办理就医手续、前往诊室看诊、做各项检查治疗的时候，经常需要不断长时间寻找下一个目的科室[1]。据统计，即使大部分医院在门诊设有楼层分布图和科室引导标志，患者中仍有约三分之一的人会前往咨询台或直接找医护人员寻求帮助，而其中约42%的问题与地点位置及就医流程相关[2]。随着门诊量的不断提升，加上就诊时间相对集中，仍旧有大量患者在就医过程中发生迷路、站立等候、无序、长时间滞留等问题，极大地降低了就医体验的满意度。同时，医院在维护秩序时也消耗了大量的人力成本，且无法对患者流量信息进行收集、处理和再利用。

随着智能手机、医疗物联网应用以及无线网络技术的成熟，高精度位置服务产业发展迅猛。传统卫星定位系统,如全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、北斗定位系统，在室外空旷环境拥有较高的定位精度,但因很容易受到遮挡或干扰，导致其在室内环境定位不准甚至无法定位[3]。为解决此问题，新型的室内定位技术的相关研究已成为近年来定位导航领域的热点之一。

智慧医院导航系统就是基于新型的室内定位技术，通过互联网+与医疗卫生服务行业的合作[4]，结合医院信息系统构建的一个移动化、自助化、智能化的院内精准导航服务体系，实时对接动态就诊信息，让线下的人和物，也能像在线信息一样被搜索、定位、联接，从而为患者提供动犹如专人引导一般的动态连续指引；同时为医院延伸服务窗口，有效疏导及分流就诊人群，切实降低医院导诊投入，提高医院管理效率和综合形象。本文根据江苏省中医院（后文中简称我院）信息化建设中的实际经验，对智慧医院导航系统的架构与实现进行了探讨，并针对涉及的最新室内定位技术进行了较为全面的介绍。

1 系统架构与实现

1.1 平台架构

如图1所示，本系统的架构主要分为定位云平台、定位设备和定位终端三大部分。

图1 系统架构图

其中，作为本系统的核心部分，定位云平台包含定位引擎服务器、地图引擎服务器和路径规划引擎服务器[5]。而定位设备则是通过院内iBeacon蓝牙信标等硬件的部署，在后台完成对移动端用户位置信息的读取操作[6]，从而实现实时、精准的离线型室内定位。

定位终端的线上入口主要包括集成有加速度计、陀螺仪和指南针等低成本惯性测量单元的手机、iPad等智能移动客户端，通过将核心功能模块嵌入到医院官方APP或者集成到医院微信公众号的模式，在移动终端能够便捷的启用导航相关功能。同时，也可根据医院门诊区域的构造部署业内通用的导航机作为线下入口的显示终端，供患者现场操作使用。

1.2 关键技术

1.2.1 兴趣点

兴趣点（Point of Interest，POI）是地理信息系统中的一个术语，泛指一切可以抽象为点的地理对象，如学校、银行、餐馆、加油站、超市等。每个POI包含名称、类别、坐标、分类四方面信息，能及时地提醒用户路况分支及周边建筑的详尽信息，也能方便地在导航中查到所需要的各个地方，选择最为便捷和通畅的道路来进行路径规划。对导航系统这样一个含地理位置的信息系统来说，POI的数量和质量直接影响到系统的使用友好度和实用价值。

在本系统中，POI大致上可分为楼栋、楼层、科室名称以及功能设施四大类。每个POI的具体信息内容包括名称、经度、纬度、楼层和属性，通过对上述信息进行专业的POI校准，可在确认初始定位后，将各POI按照由近至远自动进行排序。

1.2.2 iBeacon蓝牙信标

iBeacon是苹果公司推出的一项新型室内定位技术，采用了Bluetooth BLE 4.0和苹果公司标准iBeacon协议，可以让附近的手机等移动电子设备检测到由一个iBeacon信号发射器发出的蓝牙信号，通过软硬件结合的方式将室内定位精度从原来的几十米提高到一米以内。

由于采用了低功耗的技术，iBeacon相比传统的UWB、Wi-Fi、RFID等技术有着设备体积小、续航能力强、价格低廉和感知能力强的特性，可灵活布置在楼宇的任何地点，后期的维护和升级也非常方便[7]。在本系统中，iBeacon蓝牙信标直接部署在天花板里或者墙顶上，方便快捷的同时不会对医院现有设施造成任何损坏。

1.2.3 3D矢量地图

本系统采用符合国际标准WGS-84规范的3D向量地图，室内外地图融合，全院区多楼栋统一展示，可在地图上点选POI进行导航，并通过Flash方法将全景图像中的特定区域构建到二维平面的对应区域；经过处理之后的图像就是一个单场景的球型全景图[8]，地图可随前进方向自动旋转，并可任意切换视角和方位角，带来更加真实直观的体验。

1.2.4 基于电磁指纹比对的离线定位技术

电磁指纹比对的基本概念：将室内环境分为若干块，每一块都有一个特定的“指纹”。该“指纹”并不是传统意义上的指纹，而是例如该位置的信号强度RSSI值、方向等特征信息。测出待定位标签的特征信息后与“指纹库”进行匹配，最接近的一个位置指纹即为该标签的位置[9]。本系统通过采用基于电磁指纹比对的离线定位技术，实现了室内定位的迅速、精准、不跳闪[10]，且不依赖3G、4G、Wi-Fi等任何形式的网络连接。

1.2.5 融合定位技术

本系统采用了行人航迹推算（Pedestrian Dead Reckon，PDR）技术，即利用集成到智能移动终端自身平台的加速度计来测量步数和步行速度，再通过指南针和陀螺仪确定航向，融合步速和航向进行行人相对位移量的推算[11]，从而实现了含GPS、电磁指纹比对、PDR等多种定位技术的融合定位模式，进而达到优势互补，提高定位精度、鲁棒性，降低定位成本[12]，实现了室内外定位的无缝融合。

1.3 核心功能

如图2所示，智慧医院导航系统可深入到实际就诊中的挂号、看诊、检查、治疗、取药等各个环节，能快速定位到目的科室位置，并根据实际的室内布局情况规划最少耗时的路径[13]，通过室内外地图的无缝融合，提供跨楼层和跨楼栋的实时导航和全程语音播报。即便患者不在医院，也可以自动搜索相应路线，并进行模拟导航。

图2 系统工作流程图

支持电梯模式、扶梯模式等多元最适路径规划，直接显示于地图上供使用者选择；同时，为不同需求的患者提供了智能最优路径推荐，如针对门诊低楼层智能推荐楼梯模式或手扶梯模式、对高楼层推荐电梯模式、对轮椅患者推荐无障碍通道模式等。

1.4 功能实现界面

如图3所示，医院微信公众号、医院官方APP作为线上导航的集成入口，患者挂号成功后，系统实时调用患者诊疗科室的位置名称，对接动态就诊信息；患者则可通过点击自动弹出的通知框来调用导航功能，通过系统为患者或其家属规划最短及最少耗时的路线[14]，准确、快速地导引到下一个流程点的位置。

图3 自动导航

如图4所示，患者可主动通过分类搜索页面、语音搜索关键字或直接在地图上点选的方式，手动搜索相关目的地，并规划最佳路径进行实时导航。

图4 用户自搜索导航

患者也可通过扫描导航大屏上生成的二维码在手机端获取目的地的室内导航信息，并开启查询线程，获取前往目的地的路径[15]，转而进行手机实时动态导航。

2 研究方法和结果分析

2.1 研究对象

首先是针对系统上线前后患者的寻路用时进行分析。智慧医院导航系统于2019年7月至12月陆续在我院门诊区域推广使用，故而我们从我院2019年6月的患者中随机抽取1000名作为传统模式下观察对象（对照组），纳入标准为：患者年龄在40岁及以下，在HIS中办理过挂号手续且就诊科室在门诊2～5楼区域。同时，从我院2020年6月的患者中随机抽取1000名作为系统上线后的观察对象（实验组），纳入标准为：在就诊期间使用过智慧导航系统，且导航的目的地科室在门诊2～5楼区域。无论是常规组还是实验组，在抽取数据时均保证其中500名患者的就诊时间在8:00～10:00或者14:00～15:00（高峰期），另外500名患者的就诊时间在其他时间段（平峰期）。

传统模式下，单个患者寻路用时=到达诊区的登记时间-挂号完成时间，其中登记时间和挂号时间数据均来自于我院HIS；系统上线后，患者的寻路用时=选取观察对象导航功能的使用时间，此数据可利用导航系统后台的地图时间分布表直接统计。

此外，我们还采集了2019年6月及2020年6月的每诊区所需导医人数和日门诊量两项数据并进行了对比和研究。其中，每诊区安排的导医数来源于我院管理资料，门诊量数据则从我院HIS中直接获取。

2.2 统计分析

本研究采用SPSS 25.0软件工具进行分析，计量资料以均数±标准差（±s）表示，取95%置信区间。其中，患者寻路用时采用单因素ANOVA检验，日门诊量则采用配对样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2.3 研究结果

从表1可见，无论是高峰期还是平峰期，对照组和实验组的寻路用时均存在显著差异，且该差异有统计学意义（P＜0.01）。此外，两组间均方的对比可以说明，高峰期寻路用时的降低效果相较平峰期的更为显著，数据模型对该指标变化具备解释能力。从表2可见，系统上线之后，门诊每诊区安排的导医数降低了50%，同时日门诊量存在显著性的上升（P＜0.01）。

表1 系统上线前后寻路用时对比

表2 系统上线前后导医数及日门诊量对比

3 讨论

如图5所示，快速、精准、自助的智慧医院导航服务代替了传统低效的人工问询，极大缩短了患者的寻路用时，且缩短效果在门诊高峰期时尤为显著；这也在很大程度上节约了门诊导医环节的人力成本，使得门诊工作人员得以从繁杂、重复的地点咨询工作中解脱出来，将更多的精力集中在患者的救治方面[16]。虽然智慧导航系统不能作为医院门诊量增加的直接原因，但是，系统的应用使得我院在工作人员精简的前提下得以应对日益增长的门诊量，从而在很大程度上提高了门诊的接诊能力，也间接地为门诊量的提升提供了巨大的助力。

图5 研究结果对比图

此外，本文在分析患者寻路用时的研究方法上，采取了一定程度的创新。

首先，相较同类研究的纯文字叙述而言，本研究从我院信息系统中抽取了足量真实数据并进行了统计学的分析比对，配合以直观的图表说明，极大地增强了说服力和可信度。

其次，在观察对象的筛选方面，由于使用智慧导航系统的多为年轻人，为保证系统上线前后的对比人群总体上在同一年龄段，故将对照组随机抽取的患者的年龄段定义在了40周岁及以下。此外，特将观察对象的就诊地点选取在了我院患者较为集中的门诊2～5楼区域，以保证研究更具备代表价值。

最后，本研究采取了分时段采集数据、对比分析的模式。从HIS的统计数据可以得知，我院8:00～10:00以及14:00～15:00是门诊量的峰值，满足这些时间段的患者更容易遇到人流量大、寻路难、无人解答的情形，这也意味着分时段的寻路时间研究会更精细、更具比对价值。

4 结论

新型室内定位技术使得智慧医院导航系统得以成功架构与实现。该系统在我院上线以来运行稳定，成功地覆盖了患者就诊的全流程，基本上实现了患者寻路、咨询业务的数字化，切实优化了门诊流程，为就诊者营造了一个便利、良好、有序的就医环境，减少了门诊就诊者的隐性投诉和医患纠纷[17]，取得了良好的运营效果，在全面提升医院公共服务技术水平和形象档次方面，具有重大意义。

室内定位技术作为当前热门研究领域，将来很可能会有新的定位方法或者新的无线介质诞生[18]，这必将把室内定位技术带入一个全新的领域。同时，随着智慧医院建设的不断推进，以及新型的物联网医疗系统的逐渐完善[19]，围绕整个门诊流程的硬件配置将更为先进和复杂，患者对就诊中信息种类、数量、及时性和方便性的要求也会越来越高[20]。在此背景下，如何持续优化智慧医院导航系统，使之与医院的特色诊疗流程相契合，让医院门诊的流程管理更加系统化、规范化、整体化，是需要今后进一步探讨的问题。