医院室内定位导航系统的应用与实现研究

摘要：针对目前在医院患者难以找到科室的问题，研制出一套室内定位导航系统。整个系统分为两个模块：机器端和用户端。机器端系统能够识别使用者的声音，并按照使用者所问的问题进行路径计划，并产生相应的二维码。用户端通过扫描二维码，可以即时地获取使用者的地理信息，并获得相应的导航信息。在此基础上，对指纹识别算法和圆形定位算法进行了研究。采用此方法可以节约医师与患者的工作时间，并能有效提高效率。

关键词：医院;室内定位導航系统;应用分析

随着医疗条件不断改善，医疗资源的不断优化，规模以上的医院科室比较多。患者从停车场到门诊挂号、就诊、缴费、检查，再到办理住院等一系列的诊疗流程，需要花费很多时间和精力。根据调查，首次来医院就诊的患者，无论哪个年龄层，从进医院起，首先会先向到导诊台、服务中心、最近的医院窗口等方式前去寻求帮助;甚至有30%的复诊病人，也会在诊疗过程中通过寻求帮助以找到自己的目标科室。很多医院都会在门诊部设置楼层地图和科室指引标识，以缓解患者迷路、寻找科室困难等问题，但实际的效果并不是特别理想。为了解决上述问题，研制了一套室内导航系统，它不仅可以降低医疗成本，而且可以为病人制定全面的诊疗路径，提升患者的就诊满意度。

一、室内定位导航技术概述

由于室内场景空间变得越来越大，出现了很多综合医院、机场、停车场等场所，越来越需要定位导航。大型超市期望通过室内导航技术为顾客提供即时导航，并根据地理位置进行相应的市场推广。医院期望能够实现对医疗仪器的即时位置，方便在有需求的情况下迅速呼叫，以期能对特定患者进行有效的定位，避免出现不良事故;在患者进入医院后，提供定位导航功能，帮助患者定位并导航，提高患者就诊的满意度。高度危险的化工企业必须进行定位管理，以避免出现安全隐患等。可以说，在零售、餐饮、物流、制造、化工、电力、医疗等领域，都显示出巨大的发展潜力。在这样的大环境下，无线定位技术、蓝牙技术、 RFID定位技术、 UWB定位技术、红外技术、超声波技术等技术相继出现，为各个领域提供了大量的定位技术。技术上的技术基础是无线局域网，利用新型信息采集平台，可以实现信息追踪、监测和定位。无线网络热点的使用不仅可以满足用户的位置要求，而且可以利用 Bluetooth技术完成对用户的定位，它的体积很小，可以直接安装在手机上，而且定位也很准确，不会被视线所干扰，不过，它的成本要高得多，但是它的稳定性也要低得多，很有可能会被噪音所影响。所以，技术工作者首先要了解成本费用，然后再决定使用 Bluetooth技术。射频识别技术是通过无线射频技术实现双向通信交换数据的信息交流，实现识别和定位，它的工作范围很小，通常能达到数十米。但是，这种方法能在几毫秒之内获取位置，而且具有很大的传播距离和更低廉的成本。同时，射频识别技术具有无接触、无视野距离等特点，有望在未来的发展中，作为一种理想的室内位置技术。当前射频识别技术的研究重点与难点是建立传播模型、用户的安全与保密以及国际标准化。射频识别技术的优势在于，体积和成本都很低，但它的使用范围很短，没有通讯功能。

二、系统架构与实现

（一） 平台架构

如图 1 所示，室内定位导航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。

在系统的中心位置，包括了位置引擎的位置服务、地图引擎伺服器及路线计划引擎器。而定位装置，则是利用 iBeacon的无线网络，在后台将使用者的位置数据进行读取，以达到即时、精确的离线型室内定位。在手机、 ipad等智能设备中，整合了加速度计、陀螺仪、罗盘等廉价的惯性测试设备，并将其植入到医院的 APP中，或集成到医院的微信公众号中，实现了导航的功能。定位系统可依据医院的门诊布局配置常用的导航设备，以作为线下入口处的显示器，方便患者在现场进行操作。

（二） 关键技术

1.兴趣点

兴趣点是地理信息系统中的一种概念，它通常被归纳成一个小的地理区域，例如：学校、银行、餐馆、加油站、超市等。每一个 POI都包含了名字、类别、坐标、分类等四种功能，可以让使用者在地图上找到自己想要的位置，并根据地图上的路线来进行规划。对于具有一定地理位置的导航系统而言， POI的数量与质量将直接关系到其使用的效果与实用性。在这个体系中，POI可以分为四个类别：建筑、楼层、科室名称和职能设备。每一个 POI的特定内容包括名称、经度、纬度、楼层和属性，这些数据经过 POI的校准后，根据最初位置的确定，可以根据距离从近到远的顺序进行分类。

2. iBeacon蓝牙信标

iBeacon是苹果公司开发的一种全新的室内定位技术，它使用 Bluetooth BLE4.0以及苹果公司的 iBeacon标准，它能使周围的手机等移动设备探测到 iBeacon发送的蓝牙讯息，从而使其在10 m范围内的位置准确率从数十米提升至1 m。通过使用低功率技术，iBeacon与 UWB、Wi-Fi、RFID等技术具有体积小、续航时间长、价格便宜、高感知能力强等特点，能够在建筑物的任意位置进行安装和维修。采用 iBeacon的蓝牙信号，可以在不破坏医院现有设施的前提下，安装在屋顶和墙壁上，既方便又快速。

3. 3D矢量地图

定位导航系统使用WGS-84的三维矢量图，实现了室内和室外的三维立体立体图的结合，整个医院多个建筑都可以同时显示，可以选择 POI进行导航，并使用 Flash技术将某一特定的地区建立在相应的二维平面上。通过进行加工处理后，得到的影像是一个单一的球形全景图，它可以随着运动方向而转动，并且可以在不同角度和方位角之间自由转换，给人以更为直观的视觉感受。

4. 基于电磁指纹比对的离线定位技术

电磁指纹比对原理：把一个房间划分成几个区域，每个区域都有一种“指纹”。这种“指纹”并非常规的指纹，它还包含了诸如 RSSI的信号强度、方位等方面的特性信息。检测到定位标签的特征信息后，将其与“指纹库”相对应，其中最靠近的一个点就是标签的所在。该方案利用电磁指纹比对技术，在离线定位技术上快速实现了室内定位、准确、不跳闪，不依赖3 G、4 G、Wi-Fi等各种网络。

5.融合定位技术

定位导航系统应用了一种基于人体运动轨迹的预测算法，该算法使用与智能手机本身结合的加速传感器进行步数和步速的检测，然后由指南针和陀螺仪来计算出行走方向，并将步速与轨迹结合起来计算出行人的相对位移量，由此可达到包含 GPS、电磁指纹比对、PDR等多项定位技术的结合，可以使定位方式更好地发挥作用，提高定位精度和鲁棒性，减少定位费用，从而使室内和室外定位之间的无缝结合。

三、室内定位导航技术的分类

（一）超声波定位技术

超声测定位技术包括主测距仪和电子标签两种，在实际定位中，首先通过计算机向各个电子标签发出同频率的信号，再将其反馈回主测距仪，再通过测量电子标签的位置来获得对应的位置。

（二）红外线定位技术

红外线定位技术是利用超声波技术进行定位，利用红外传感器来触发定位信号，再利用参照点超声发射机将超声波发送到被检测的位置，再利用一定的算法和时间进行测距，从而降低了系统的能耗，并能有效地解决超声反射定位中的短程问题。

（三）超宽带无线定位技术

超宽带无线技术是一种以超短脉冲为基础的技术，具有较小的传输功率和较高的穿透力，在没有载波的情况下，采用了室内的定位方法进行比较准确的定位。利用信号到达时间差、双曲线交叉等方法，相关的技术进行超宽频无线定位。

（四）射频识别定位技术

射频标识定位控制技术操作简便，适合自动控制，采用电子标签、射频读写器和数据库共同组成，电子标签和读写器通过空间电磁信号进行信息交流，目前已经广泛地用于各种类型的大型建筑物中，但大多局限于纸面文件系统，要使 射频识别定位技术得到有效的利用，就必须与 WLAN技术协同工作。

四、医院室内定位导航系统应用情况分析

（一）精度设定

在不同的医院空间中，对系统的精度控制要求是不一样的，在某些特殊的医疗场所，仪器的精确度和技术费用都是非常高的。所以，在医院的导航技术选择过程中，必须要考虑到成本的问题，选择出性价比最佳的导航方案，与其他应用结构相比，医院结构更为复杂，有很多独立存在的单元，例如医生的诊疗室、办公室、患者病区、医务室等等，这些地方的位置都是非常精确的。在不改变硬件环境的情况下，由导航系统的技术人员修改软件运算法则，或整合各种不同的软体，提高其效能。

（二）导航应用效果

导航是 GPS最大的优势之一，在人数众多的情况下，能够充分发挥导航系统的作用，在应用医疗设备过程中，导航系统可以缩短寻找设备的时间，促使医护人员可以有更多时间进行紧急的治疗。而且，在日常的体检中，导航可以让医生们更好的选择合适的诊断路线，方便为病人诊断。

（三）自动识别应用

导航系统还具备自动识别功能，它将位置和识别功能相融合，可以向入院進行治疗的患者发放识别装置和手环，手环可以将病人的个人资料输入到导航系统中，对患者身份进行确认，从而方便医生在必要的情况下获得病人的病床号码、年龄、姓名等资料。

（四）接受以及发送信号的方式

技术工作者在进行导航设计时，必须采用射频定位技术以及超带宽定位系统，利用它们来提高系统的稳定性。虽然现在许多医院都使用了光学技术来支持卫星导航，但光通信技术仍旧存在一定的发展潜力，它的安装方法非常的简单，成本也非常低，而且发射源获取也非常快，可以达到较快的传输速度，与其他通信技术相比更加适合应用于医疗机构。

（五）地图导航

现在的医疗设施已经发展到了一定的程度，虽然每个楼层都会布置一张地图，但是因为科室的复杂程度，患者们还是会花费大量的精力来查找自己的目标科室，也会花费更多的精力去找停车位，虽然这些问题和治疗没有任何的关系，但也会让患者的情绪受到影响。所以，要想提高医疗机构的服务质量，就必须要研发出掌上医生等软件，让患者能够知道停车场的位置，并且能够在定位的时候，迅速地标注停车位。在找诊室的过程中，患者还可以使用掌上医生，快速地找到自己想要的诊室，同时在患者较多的诊疗室患者也可以选择不同的诊治路线，这样就不会在等待的过程中浪费太多的精力。导航系统还有其他的服务功能，如向患者发送医疗保健信息，并为病人实时了解周围环境等。为病人提供有关医院周围环境等方面的资料，由于优势比较突出，使得导航设备受到医务工作者和患者的青睐。各种定位技术在医疗机构中的运用，一直还处在实验阶段，直到最近几年，才逐步被采用，但是因为不同定位都有各自的优点和不足，所以要找到最适合自己的方案，并且将它们结合起来，以达到更好的效果。

（六）人员、资产的定位

随着物联网的发展，各种技术不断成熟，各种定位技术的应用越来越方便，对人员和资产的定位也越来越方便。在医疗设备中，配备有源标签，利用无线网络进行实时定位，远程即可了解设备位置、状态，提高工作的工作效率，做好设备的安全和管理。根据病人的具体情况，可以与门禁系统相结合，方便患者在不同的地方进行操作，同时也可以设置警报，如果患者遇到了什么危险，可以通过定位器找到病人，从而防止突发事件。

（七）采集医疗大数据

随着室内定位导航系统的发展，除了可以提供相应的导航技术外，还可以产生海量的医学数据，目前各种大型的数据处理系统已逐渐得到重视，利用内部的 室内定位导航技术可以对科室设置和就医流程进行分析，并依据相关科室的人员分布情况进行智能分诊，通过对应的流程优化提高医院运营效率，提升医院服务满意度。

五、结束语

在医院建设中，各种类型的无线网络建设都在逐步扩大以及完善，为医疗系统的发展带来了巨大变革，为人们提供了极大的方便，但也对医院传统的信息化建设提出了更高的需求，比如医院的物联网、移动医疗系统建设，都离不开室内定位导航技术的支撑，它所涵盖的领域非常广，不仅要有各种硬件设备，还要有各种技术的支撑，要主动整合各种资源，把室内定位技术广泛运用到医院场景中，充分发挥出新技术的优势，更好地服务患者，提高综合利用效率，提高医院的服务质量。

作者单位：邱小清    莆田学院附属医院

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