适应固定资产管理的室内定位算法设计

孙泽宇

（广西大学 广西壮族自治区南宁市 530004）

1 引言

随着社会的发展和相关法律法规和行政规定的完善，固定资产管理工作也有了新的要求，不仅需要保证资产信息的正确性和信息更新的及时性，更要关注资产的状态以判断是否需要其他部门对其进行处置，并且很多时候也需要对于资产状况有一个更加直观的展示能力。要将资产账目信息和实际信息实时的联系起来首先需要一个适应固定资产管理的对物体在其存放和使用位置进行定位或能够追踪其运动路径的定位算法，其次需要选择一种具体技术手段来实现此算法，最后还需要将其与固定资产管理系统融合起来才能够实际应用。

现有的广泛使用的固定资产管理系统大多还在采用传统的纸质资产标签或无源RFID 资产标签，而这样的老旧技术存在一些难以解决的问题：首先标签记录的信息和资产实物其实与资产管理系统中的记录是处于分离状态的，这使得其中一方发生的信息变更并不会实际反映到其他各方，因而一旦发生了固定资产管理部门不知情或未授权的资产信息变更（尤其是位置信息变更）就很可能产生一条“账不符实”的记录，混在正确记录中的这些错误记录将会在进行资产盘点或审计时给执行者带来巨大的麻烦和不确定性，且这些错误记录本该对应的资产一旦丢失则很可能既没有线索去查找又没有办法有效追责最终变成一笔坏账。其次，这两种标签均难以对自身可能出现的异常状态（如标签脱落或损毁等）进行应对，使得存在因标签自身的局限性带来上述“账不符实”风险的可能。

因此，可采用某种支持有源标签的技术并在此基础上采用与固定资产管理业务要求和场景相适应的定位算法以通过对安装于资产实物上的资产标签进行定位和追迹来避免固定资产管理部门预想外的资产位置变更带来的风险。同时，有源标签也易于实现自检以判断状态是否异常，固定资产管理系统也可通过标签的统计信息等资料判断标签是否处在异常状况。

2 适应固定资产管理的室内定位算法的思路及构成

室内定位并不是一个新命题，但是在目前的技术水平下虽然出现了采用信号强度、传播时间、信号角度等物理量作为依据，运用临近探测法、质心定位法、三角定位法等位置计算方法，基于无线电波、声波、光波等技术路线的多种多样的室内定位体系，但因为室内环境下定位条件复杂、各方面限制较多而依然没有产生适应多种场景与业务的通用室内定位方案。目前各类室内定位方案大多基于某种技术并且专精于特定的应用场景，而固定资产管理是一种包含多种场景的业务，基于单一算法的室内定位方案很可能会因其固有缺陷导致实际应用中存在业务覆盖区域不完全、覆盖区域内不同位置定位性能不统一、系统建设成本高昂等问题，因此适应固定资产管理的室内定位算法应该考虑组合多种定位算法，合理调度以扬长避短从而针对固定资产管理业务中多样化的场景提供一个性能统一、可避免覆盖死角、定位业务容量大且成本相对低的室内定位方案。

分析处在室内时固定资产的状态属性可以发现：从运动状态来看，固定资产可以分为移动中和放置中（包含一些位置变动不显著的情形）；从所处位置来看，可以分为房间内和非房间的公共区域，房间内主要代表易于找到且相对封闭的空间，而公共区域则主要代表走廊、大堂等相对开放的区域。因此可以先通过划分网格的方式将这两类空间分为两类不同的网格，通过判断资产标签所处网格类型可以得知其所处空间类型，进一步判断所处网格名称可以得知其大致位置；接下来针对放置（静止）状态的资产标签，因其可以持续、稳定的收发信号，故能够收集到较多较为可靠的接收信号强度标识（RSSI）数值，意味着此时采用RSSI 定位法能够实现较好的定位结果；针对运动中的资产标签，即主要是处在公共区域且一定时间内位置变化显著的资产标签，可以直接采用网格定位法进行定位，但是网格定位法精度与网格粒度相关，其他条件相同时很显然粒度越小所需的网格标签越多，布设和维护成本越高，因此有必要采用缩小粒度以外且尽量不增加算法整体复杂度的方式来提高网格定位精度，同时，处在运动状态时能对运动轨迹进行跟踪是有较高实用价值的目标，在这样的约束条件下采用惯性导航模型实现网格内部位置估计是一个较好的方案。

由以上分析可以得知适应固定资产管理的室内定位算法由三个具体实现定位的子算法与相应的算法调度部分组成，其流程图如图1 所示。

图1：适应固定资产管理的室内定位算法流程图

3 定位子算法的实现及改进

上一章中已经明确了需要用到三个具体实现定位的子算法，那么智能化固定资产管理场景对算法的性能大致上有什么要求呢？

在精度方面，针对固定资产定位时的精度主要影响的是现场查找实物的难易程度，因此能够将寻找范围缩小至一两个文件柜程度的米级精度已经够用。

在定位区域方面，需要有能力对所有要求覆盖的区域提供满足业务需求的定位服务。

在定位速度方面，当人工操作发起对某个资产标签的定位请求时，获得定位结果的耗时应该控制在合理范围内，具体来说应该尽量保证在数秒内。当资产标签上电后初始化自身所处位置时，其获得可靠位置结果的时间应当远少于算法判定标签状态异常的阈值。

在算法复杂度方面，与人或有人载具发起定位时主要目的是导航不同，对固定资产的定位需要持续进行，而通常情况下需要接受管理的固定资产数量较多，意味着针对固定资产管理的定位算法其复杂度不应太高以确保在较大的定位服务容量下维持较低的硬件资源开销。

3.1 RSSI定位子算法的原理及改进

使用无线电波定位的技术中，RSSI 定位是最常见的手段，根据现有研究，一般使用修正的路径损耗模型来描述RSSI 与距离的关系且实际应用中通常采用简化形式，公式如下：

式中，A 为接收节点距发射节点为1m 时收到的信号强度，单位是dBm，RSSI(d)单位为dBm。式中A 和n 对于不同设备和环境需要分别测试。

室内环境下直接使用公式将RSSI 转换到距离很多时候会有很大的误差，这是由于室内很多时候存在较强的多径效应或障碍物遮挡造成非视距等干扰要素最终造成同一个位置接收到的RSSI 可能存在较大幅度的波动，因此要根据需求对其进行一定的改进提高其定位精确度和稳定性来满足固定资产管理业务的要求。

既然直接使用接收到的RSSI 进行定位会有上述缺陷，那便可以考虑增加一个RSSI 滤波算法以提高最终用于计算距离的RSSI 值的精度。常用的RSSI 滤波算法有均值滤波、中值滤波、高斯滤波、卡尔曼滤波等，复杂的滤波手段通常能够实现更好的精确度，但是首先其计算量较大，其次计算所需的有效RSSI 数据量往往更多，这意味着需要更长时间收集RSSI 数据。基于固定资产管理业务的要求最终选择采用均值滤波与中值滤波加权混合的方式进行滤波，各滤波方式所采用的权值由单一滤波方式的残差Bias 确定，Bias指RSSI 实际测量值与根据式（1）计算得到的理论值之差，权重ω 取其倒数，如式（2）所示：

滤波计算公式如式（3）所示：

最终，RSSI 定位算法采用经过滤波后得到的RSSI值通过公式（1）计算距离实现定位。

3.2 网格定位子算法的原理及改进

RSSI 定位可以较好的解决实物位置变化不大时的定位需求，但是若实物处于室内不同房间中被搬运或从室外搬运至某个房间的运动过程中时因为剧烈的位置变化导致RSSI也会有较大幅度的变化且资产标签会频繁切换至不同的网关设备，因此难以收集到足够数量的RSSI 数据来进行较为准确的定位，此时换一种思路——不采用对物理量的测量方法来确定位置，而是直接通过已知坐标的基点将空间网格化后通过简单的计算或采用临近法直接确定待测物体所处网格并以此代表实物所处位置，此时定位精度和RSSI 等物理测量值关系不大，主要取决于网格的粒度，并且通过记录网格间的切换历史还能够实现对移动路径的跟踪。

网格定位的原理与室外蜂窝网格定位原理相同，均是由一个坐标确定的基站（网格标签）标记一定范围的物理空间从而建立一个代表了一定实际空间的虚拟网格，通过大量网格标签将物理空间全部标记后就完成了定位网格的搭建。定位时，待定位标签（资产标签）只需要采用临近法判断距离自身最近的网格标签的信息即可确定自身所处位置。

上述单纯的网格定位算法有两个较大的问题，首先是网格标签如何布设，也就是说需要明确一个网格标签标记了多大的物理空间和如何判断是否进入网格；其次是根据对固定资产管理要求的分析，定位算法应该要实现米级精度，如果只依靠网格定位算法即代表网格的粒度是一米，这样的粒度没有多少实际应用的价值，因此需要改进。

针对网格布设问题，可先通过上一节设计的RSSI 定位算法收集所使用的网格标签在室内视距情况下距离与RSSI的对应关系从而明确资产标签通过临近法判断进入网格时所依赖的RSSI 阈值。明确了覆盖范围与其对应的进入网格判断阈值后，布设时应尽量确保网格标签能够处于视距环境下，此时也可以考虑适当采用多个网格标签标记同一块物理空间的方式以提高临近法判断时的可靠性。同时为了避免处在两个网格交界处的资产标签频繁切换所处网格，应当考虑在连续接收到2-3 个满足进入新网格的RSSI 阈值时才触发网格切换。

针对网格定位精度问题，为在尽量不增加定位算法复杂度的前提下满足固定资产管理的要求，考虑使用惯性导航模型位置估计的方式进行网格内部定位。尽管这种做法实际上是对位置进行推算而不是通过测量确定真实位置，但与网格定位搭配时具有以下优点：

（1）不会改变网格定位算法的流程或影响其性能，但可基于惯性导航的原理推测出资产实物在网格内部所处位置与运动方向；

（2）惯性导航模型不依赖外部输入，只依靠时间与初始坐标及速度向量计算物体所处位置，因此不需要额外增加其他硬件设备或对某个物理量的测量；

（3）对固定资产进行惯导模型位置估计不需要考虑其姿态，因此本质上是一个二维环境下的惯导模型，计算量大大降低；

（4）惯导模型的误差随时间积累，即表示在运动速度不变时，网格定位的粒度越小，惯导模型位置估计的精度也越高，从而可以通过合适的粒度与更精确的速度两方面来确保最终的定位精度满足要求；

（5）引入惯导模型可以在资产标签脱落等时提供一个更高效的告警机制并对标签脱落后资产可能到达的位置给出可供参考的范围。

由此，采用了惯导模型位置估计后改进的网格定位算法的精度主要取决于网格的粒度与惯导模型进行计算采用的速度（步长），一般情况下，网格的粒度能支持灵活调整的范围越大，整个定位算法的适应性越强，在此前提下惯导模型计算采用的步长就成了改进的要点。

那么如何获得一个更准确的步长值？可以采用步长自适应算法：当资产标签切换网格时即可根据资产标签通过前一个网格的耗时与网格路径长度计算出此网格内的步长，但是直接将此步长应用于下一个网格内的位置估计时无法应对步长剧烈变化的情况，因此与RSSI 滤波算法同样地，考虑使用新旧步长加权的方式确定用于下一个网格内位置估计的步长。设V为前一个网格惯导模型位置估计所用步长，V为通过了上一个网格后计算出来的上一个网格内的步长，权值ω仍然采用残差Bias的倒数，则权值计算如式（4）所示：

最终计算出来用于当前网格惯导模型位置估计的步长V计算如式（5）所示：

这样一来虽然最终的步长与实际的步长几乎不会相等，但是可以很大程度上排除掉步长剧烈变化带来的时间敏感性功能误触发的问题。

4 适应固定资产管理的室内定位算法的测试及分析

第三章分析了智能化固定资产管理场景对定位算法的要求，但是在实际应用中对于实现算法的具体技术手段肯定也是有要求的：

（1）因使用有源标签且目前难以对其采用电池以外的供能方式，故标签在满足功能性的前提下应尽量小以便安装在更多外形的资产上，且其功耗要低以避免需要频繁更换电池。

（2）需要较好的易用性，容易通过较为通用的终端设备获得和展示定位结果以降低用户的学习成本。

（3）需要一定的抗干扰能力，布设的对固定资产进行定位的网络应尽量不影响到其他数据网络或被其他数据网络的信号严重干扰。

（4）其硬件的布设成本要能够接受，也就是说需要有一定的性价比。

基于以上条件最终选择采用低功耗蓝牙（BLE）技术来实现适应固定资产管理的室内定位算法，相比其他采用无线电波的技术，BLE 具有以下优势：

（1）BLE 芯片和标签能够实现很低的工作能耗，且成品的BLE 标签的外形已经可以小至直径5 厘米，可以通过封装进不同的外壳以安装到不同的位置。

（2）发展至今BLE 设备已经被广泛使用，尤其是其在智能手机上的普及使得使用蓝牙设备对用户来说几乎没有学习成本。

（3）BLE 采用退避算法传输数据，与同频段间其他无线设备的干扰较小。

（4）同样由于BLE 的高普及率，其硬件成本相对较低且可供选择的产品种类繁多。

进行测试前，需要先测试所采用的蓝牙标签在公式（1）中的A 和n 的值，在距蓝牙标签1 米视距情况下的正八边形顶点处各测50 组RSSI 值再将各方向测试结果取均值后再将8 组均值取均值得到最终的A 值约为-53.47，得到A 值后用同样的方式在距蓝牙标签2 米视距情况下测试得到n 的值约为2.07。

得到两值后即可通过公式（1）计算某个RSSI 对应的距离，结合位置已知的蓝牙网关即可得到待定位标签位置，同时也能算出特定距离对应的RSSI 值作为网格定位时判断进入网格的依据。下面选择了一个常见的室内环境对此室内定位算法进行测试，示例图见图2。

图2：适应固定资产管理的室内定位测试示例图

测试前，蓝牙网关及标签预设条件如下：蓝牙网关放置在高度约1 米的木质会议桌上，距外侧玻璃墙约2 米；网格标签1、2、3、5 所标记的网格半径为3 米，对应判定进入网格的信号强度阈值设置为-62dBm，考虑到通道宽度只有2 米，故该值采用略小于根据公式（1）计算出来的理论值-63.3dBm；网格标签4 所标记的网格半径为4 米，判定阈值设置为-65dBm；网格标签1、2、3 粘贴在高度约1.5米的混凝土墙面上，4 和5 放置在地面，蓝牙网关和各网格、资产标签的广播间隔均设置为1 秒。测试流程及目的见表1，测试结果和分析见表2。

表1：适应固定资产管理的室内定位算法测试流程

表2：适应固定资产管理的室内定位算法测试结果

从上述实验结果可以看出算法整体精度能够在合理的设备布设时维持在米级或更好的水准，但1 秒的广播间隔对处在网格定位区域且移动速度较快的情况来说反应速度不够理想，不过能够通过网格的切换及时修正定位方式，不会造成定位失效。另外，在实际使用中类似上图这样的公共区域宽度或长度比房间小且采用的隔断材料对于信号强度的屏蔽效果较弱时存在导致处于房间网格和公共区域网格交界附近的标签所处网格漂移的问题，频繁的网格切换会导致无法进行可靠的定位，需要合理布设设备与划分网格。

5 总结

本文设计的适应固定资产管理的室内定位算法主要是作为固定资产管理系统中的一个模块使用，通过提供资产标签的位置信息以辅助资产管理系统判断资产实际位置和账面记录是否存在不符并作为修正不符的依据。算法性能在精度方面能维持米级精度，反应时间可通过调整蓝牙标签的广播时间来调节以满足不同重要程度区域的需求，定位覆盖范围可较为容易的通过增减蓝牙网关和网格标签来调节，同时算法复杂度不高，在有限的计算资源下理论上具有提供较大容量定位服务的能力。在测试中算法的性能满足固定资产管理场景的需要且与BLE 设备的兼容性良好，实际应用中能保有后者的优点，有较高的实用价值。下一步研究方向：网格切换判定的优化与通过实现网格标签的自组网以减少处于网格交界处附近资产标签所处网格频繁切换的可能，同时提高故障恢复能力，降低定位系统布设难度和维护复杂度。