室内定位技术在智慧图书馆建设中的应用探索

王小宁 马 妍

（首都图书馆 北京 100021）

1 引言

近年来，我国公共图书馆的趋向为：规模大型化，功能全面化，相应带来的结果是室内空间结构的复杂化。随着室内活动空间越来越庞大和复杂，兴趣点（Point of Interest，POI）越来越丰富，读者在这里寻找书籍往往需要花费很长时间，即使检索到了其馆藏地点，但是这个地点在哪里、怎么去，仍旧是个模糊的位置信息；另外，如何在复杂多样的场景中发现图书馆新推出的服务，或找到自己想要去的活动空间，也同时困扰着来此参观的读者和活动管理者。

结合我国图书馆建设发展的实际问题以及国家主管部委的规划指导，笔者分析室内定位技术将在以下方面为智慧图书馆建设发挥更加重要的作用：（1）使读者在室内能精确确认自己的位置，快速找到到达想去地点的最佳路径。（2）在定位的技术支撑下实现个性化的信息推送，以此解决当前图书馆被动式提供消息的不足。（3）采用可视化对象模型及可视化分析方法，展示位置数据中蕴含的读者（单个读者和读者群体）时空行为。（4）挖掘读者和读者群体的阅览行为以及与之关联的人流变化、不同阅览区域的关联关系，为图书馆保障公共安全、优化资源配置提供良好决策支持。

2 室内定位技术应用现状及特点

2.1 室内定位技术在我国的应用现状

室内定位技术已广泛应用于很多行业领域，如商场、博物馆、医院、交通枢纽等，其应用方向主要包括：室内定位跟踪、室内路径导航、导览、行为模式分析等。目前室内定位技术逐渐发展成熟，WiFi、蓝牙4.0、惯性传感器、地磁传感器等技术在主流手机消费中已经得到普及，使得室内定位系统能够以较低的成本实现较高的精度。

2.2 主流室内定位技术的特点

相关资料显示，由于所采用定位技术的差别，定位精度和实施成本等略有不同。表1为当前主流室内定位技术的特点分析。

表1 室内定位技术特点分析

2.3 室内定位技术实现

利用算法融合蓝牙、惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）、地球磁场及地图信息的多源信息融合定位方法，经试验验证表明，静态下定位精度可达2m（60%），动态下定位精度可达1.4m（60%）[1]。该方案采用以磁场定位为核心，辅助行人PDR、蓝牙定位等多种定位手段，利用既有WiFi、4G/5G网络将位置信息传送到服务器，在服务器端完成位置数据的解算，并将位置坐标返回给移动端，完成实时位置坐标的显示。

用户通过微信小程序即可轻松使用，无需佩戴工具、下载APP，对比UWB、zigbee、5G、WiFi等室内定位技术，具有安装维护简单、定位稳定、三维定位、少施工、应用范围广的突出优势。对于图书馆室内环境多楼层、多独立空间以及读者群体特征跨度大、个体流动性不固定等特点，具有良好的可行性及适用性。图1为多源融合室内定位方案的系统构成及实现原理。

图1 多源融合室内定位算法实现方式

系统包括支撑系统运行的相关硬件设施及实现系统功能的系统服务。

硬件设施包括：用于采集地磁场信息的磁场采集装置，通常采用专业的地磁采集装置或具有地磁场传感器的各大主流型号手机；iBeacon蓝牙信标；服务器，为满足较大的并发量需求，系统可能需要3台以上服务器实现负载均衡；良好稳定的网络设施，需要保证手机与定位服务器的数据通信，但不限于图书馆内覆盖的WiFi或移动通信网络；手机，目前读者普遍使用的手机均具备室内定位所需要的传感器需求。

系统服务包括：融合定位算法；3D数字地图技术。

3 室内定位技术在智慧图书馆建设中的应用方案

3.1 应用目标

利用室内定位技术的优势解决读者室内导航及导览需求；通过基于实时位置的信息推送、历史轨迹数据、大数据统计等功能，进一步拓展图书馆空间运营、安全管理等能力。基于室内定位技术应用及大数据统计分析，有助于开拓公共图书馆智慧服务的新模式，有机融合虚拟图书馆与实体空间，从而形成人馆互动，人馆协调，空间、技术、资源、服务协同发展的模式。从虚拟场景到实体场景，从馆藏建设、服务能力建设、馆员智慧化管理能力提高等多方面助力我国公共图书馆向智慧型发展。

3.1.1 室内导航

实现室内实体空间的实时导航，解决用户查找到目的地却难以到达的问题。通过对接图书架位系统，可实现对文献所属书架的精准定位，并提供相应实时导航服务。室内导航可应用于图书馆阅览区、服务区、电子设备等服务设施的导航导览。同时，基于室内定位技术，可判断读者所在具体位置，优先推荐周边的服务设施。当突发自然灾害，如地震和火灾时，读者还可以依据导航线路快速逃生。

3.1.2 个性化推送

在室内定位和用户画像技术的支撑下，及时获取用户所需数据并发送给用户，实现个性化的信息推送[2]。例如：当读者进入某区域时，可以为读者推送可能感兴趣而又未阅读过的信息资源。还可以将图书馆举办的活动信息推送给更多读者，帮助喜好参加图书馆线下活动的读者更好地掌握活动举办时间、参加方式等，以此解决当前图书馆被动式提供消息的不足。

3.1.3 用户画像构建

在读者通过软件进行包括检索、阅览、咨询等行为的过程中，会产生大量的业务操作记录。基于室内定位技术，获取读者的行进轨迹、速度及物理位置，经过与上述业务操作记录相关联，可生成读者的空间行为数据。通过时间、地点、人物、行为、目的、结果等多维度标签，可建立更加完备的用户个体画像。通过深度挖掘用户的个体画像信息与关联信息，构建特征用户画像群体，可完成个体个性化信息推送，提升信息服务质量与有效性，实现对用户的精准服务[3]。

3.1.4 数据分析

将业务数据、用户画像等投影到空间地图中，将图书馆实体空间中的对象与虚拟空间的数据信息相结合，通过数据可视化分析，结合查询、统计功能，直观、多维度地展示读者空间行为数据，深入挖掘读者个体和读者群体的阅览行为、不同阅览区域的关联关系，不同时间点、时间周期及不同时间点之间读者分布及流向变化，为图书馆保障公共安全、优化资源配置提供良好决策支持。

3.2 实现方式

随着互联网技术发展及读者行为习惯的改变，图书馆微信服务平台在图书馆服务体系中扮演着越来越重要的角色。业已成熟的微信小程序软件产品开发，也成为越来越多互联网开发公司的主营业务。与此同时，统一平台的微信小程序，在兼容性、稳定性可以保证的基础上，开发量明显小于分别开发IOS及Android两个平台的软件版本，也将有利于进一步降低图书馆采购预算。而相比下载手机APP，作为主要使用者的读者群体，更加明显地倾向于通过扫码、分享链接等方式打开微信小程序，简单便捷地使用图书馆提供的各项服务（见图2）。

图2 室内定位应用系统实现方式

3.2.1 读者应用端

基于微信小程序开发的室内定位产品可以通过以下几种方式在图书馆线上和线下空间投入使用：

（1）集成至图书馆微信服务大厅等平台，通过单独的服务功能链接，跳转至相应的功能页面。

（2）作为拓展功能集成至其他微信端服务功能页面，如：图书检索、活动报名等，将目的地信息通过数据接口传输参数的方式，发送给室内定位平台，直接调用其室内路径规划及导航功能。

（3）作为拓展功能集成至图书馆网页、触摸屏设备等，如：OPAC检索网站或楼宇导航机等，读者查询完成后，可在网页或设备上生成结果二维码，通过使用手机扫码功能，将目的地同步至手机端的室内定位平台上。

（4）将室内定位平台链接地址或绑定目的地信息的二维码直接投放到展板、海报等线下场景，读者通过手机扫码直接打开服务页面。

3.2.2 管理端

室内定位产品应采用web管理平台，实现室内定位平台的各项管理功能及日志管理、权限管理等系统平台维护功能，便于图书馆管理运维人员的日常操作。而通过采集读者空间行为进行大数据分析的结果可提供可视化图形展示页面及数据接口，用于图书馆运维监控平台、大数据展示系统及大数据统计分析平台等第三方系统。

3.2.3 系统集成

室内定位平台通过对接图书馆管理系统或其他第三方接口，可以实现图书检索、活动报名、阅览室预约等诸多功能，进一步加强图书馆移动端服务能力。而作为主要功能之一的个性化信息推送，则可以对接图书馆已有的数据分析平台、用户管理系统、信息发布系统，或通过室内定位管理平台实现相应的管理功能。

室内定位平台具有独特的空间行为数据分析能力，可提供接口将原始数据或分析结果、可视化图形等提供给指定的第三方系统。

3.3 系统架构

为了适应业务的快速迭代和创新, 室内定位平台应选用开源框架进行微服务架构开发。在标准架构的建设过程中，遵循架构兼容下的统一、可靠稳定、可扩展性等原则，并保持适当的技术前瞻性。

微服务架构具有如下优势：由一组小的微服务组成一个完整的应用；选用更适合的技术去实现每个相对独立的业务；每个微服务之间通过轻量级的通信机制互相沟通；完全去中心化；每个微服务都可以独立部署、发布和升级；故障隔离在每个微服务之内。

4 智慧图书馆室内定位导航应用功能框架

通过观察对比我国公共图书馆的服务模式、提供的服务范围及尚未解决的读者实际需求，本文结合室内定位技术，设计了面向读者的手机端应用及面向管理人员的管理平台：面向读者实现室内定位数字地图、服务查询、信息推送、个人中心功能（见图3）；面向馆员提供时空、行为多维度统计量、变量及相关性分析，对资源配置、信息管理、服务模式等提供决策数据支持（见图4）。

图3 读者应用端功能框架

图4 管理平台功能框架

4.1 读者应用端功能框架解析

4.1.1 数字地图

基于还原图书馆室内结构的数字地图，实现如下功能：

（1）显示实时位置。根据室内定位结算结果，在数字地图中将当前位置坐标实时展示出来，以此作为读者了解自身所处位置及导览导航功能的基础。

（2）位置分享。通过微信好友间的分享功能，在数字地图中同时显示读者及好友的实时位置。

（3）楼宇导览。数字地图中以鸟瞰图的形式显示各服务区、设施名称，点击任一点位可显示其简介信息或作为终点进行路径规划导航。

4.1.2 服务查询

服务查询包括但不限于图书馆馆藏资源、阅览区、服务设施、活动场地等各类信息的查询检索，并对查询结果在室内空间中的物理位置进行路径规划及导航。

（1）阅览室、设施查询。通过管理后台对室内空间的各兴趣点进行坐标设置及信息描述，读者在应用端通过输入关键词查询或在地图、列表中点选的方式选择自己需要的兴趣点了解相关信息或导览。操作流程如图5所示。

图5 阅览室/设施查询

（2）图书检索及架位导航。对接图书馆既有的图书管理系统和图书架位数据，读者在应用端检索馆藏资源，并对资源所在的物理架位进行路径规划及导航。操作流程如图6所示。

图6 图书检索及架位导航

（3）服务/活动查询。对比阅览室、设施等针对具体地点名称的导览需求，读者可能并不了解自己所需的服务所属地点，对此应支持根据服务属性或活动名称等信息进行查询的方式。同样的，对其所处的物理位置，进行路径规划及导航。操作流程如图7所示。

图7 服务/活动查询

4.1.3 信息推送

信息推送指对信息资源的个性化推荐，由传统的被动式展示变为主动式推送，实为主动的检索目标信息，并通过一定的推送方式发送给目标用户。

（1）定点触发推送。这一推送方式是在某一特定条件下实现的推送，根据设定的时间、地点、条件触发推送机制，实现信息的推送。如配合某活动举办，向读者推送活动邀请、调查问卷等；或当读者进入某阅览区时，进行图书推荐等。

（2）智能推送。智能推送包括主动推送和智能推送，这两种推送方式不但能够实现主动推送信息，还能基于用户画像智能化判断用户所需数据，减少不必要的信息冗余。通过识别读者身份信息匹配读者类型，根据后台设置的相关推送策略，为其进行个性化的信息推荐。最后根据读者点击浏览推荐信息的实际数据修正后台的推送策略，提升智能推送的准确性。操作流程如图8所示。

图8 智能推送

4.1.4 个人中心

个人中心主要包括三方面内容，即操作记录：让读者可以快捷地进入自己想要的查询结果，方便操作，同时留给读者历史记录；使用习惯：统计读者移动端功能使用量，使用馆内资源和服务的倾向性等；操作说明：提供所有功能使用说明，减少馆内工作人员的日常培训工作，使外部读者能够快速地了解系统功能。图9为原型示意图。

图9 个人中心内容示意图

4.2 管理平台功能框架解析

4.2.1 地图管理

阅览室、设施、服务点位（POI点位）等导览内容的编辑，包括地图显示名称的命名、简介图文编辑等。根据建立的点位，规划路径网络，并根据馆内实际情况调整（如增减门禁等）修改路径网络。

4.2.2 信息管理

通过富文本或网页链接等形式，编辑信息内容，分别进行定点触发推送和智能推送。如编辑新书推荐信息，选定在图书馆大厅范围内进行统一推送，或根据不同读者类型分别推荐不同书单。操作流程如图10所示。

图10 信息管理

4.2.3 用户管理

读者管理主要指采集读者室内行为数据、在系统内的操作记录或第三方使用记录、读者身份信息等，根据不同参数的选择，为读者个体和群体添加画像标签，定义若干个不同的读者类型，并通过匹配个体读者数据，形成若干个不同特点的读者群体。

账号管理包括新增和编辑不同的管理账号及权限。操作流程如图11所示。

图11 用户管理

4.2.4 数据分析

系统利用所获得的用户数据、位置数据，结合数字地图信息，进行大数据分析计算。用于图书馆日常数据的可视化展示，为工作人员反映实际状况，对决策区域位置提供相应依据；包括客流量分析、用户位置轨迹分析、到馆用户分析、热区分析、用户位置画像分析。

（1）热力图。当读者使用室内定位功能时，系统可记录某一读者在任一时刻的室内位置，通过汇总所有读者的定位数据，通过不同颜色来区分各区域间读者密度，形成任一时刻馆内读者使用的热力图。馆内使用热力图可显示馆内读者到达馆内各区域的频率情况，通过选择不同时间段、不同读者类型之间使用热力图的对比，发现馆内空间的利用情况和读者偏好。

（2）读者流向。按顺序连接同一读者不同时间的室内位置，形成的轨迹即为该读者的室内行进路线。当应用在图书馆场景数据分析时，系统可将所有读者行进路线中经过的阅览区、设施等进行提炼合并，通过不同颜色区分同一路段内同一流向的读者数量，形成馆内任一时段内读者的流向及流量轨迹图。管理者通过对比不同时段和不同读者类型间的读者流向，可了解馆内通道拥挤程度等，为采取相应疏散措施或设施服务分布提供数据支持。

5 结语

室内定位技术早已在许多行业有了很好的应用。传统图书馆强调在线检索服务，但所提供的资源信息模糊，不能很好解决读者诸多需求。室内定位导航的应用将重新定义图书馆，满足读者更多的需求，营造舒适的实体空间，帮助读者更方便地利用图书馆的各项设施与服务。同时，获取分析读者行为，感知读者需求并提供适当的服务，是智慧图书馆建设的关键。基于室内定位技术，可以获取时间、人物、地点、操作的完整事件要素，结合业务流程相关前后节点数据，极大提升读者行为数据获取的有效性和准确性，从而生成更加完备的读者用户画像及室内空间画像。