中国室内导航系统应用研究分析*——基于CiteSpace 知识图谱的可视化分析

张全富，张亚明，朱晓丽

（云南师范大学，云南 昆明 650500）

0 引言

近年来，随着物联网、大数据、人工智能等现代信息技术的不断发展，基于位置的服务（Location Based Services，LBS）需求越来越多。全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）作为一种普适且成熟的定位方案可以在室外场景下发挥重要作用，实现实时定位与导航[1]；而在室内场景下，全球卫星导航系统由于建筑物遮挡等原因难以发挥作用。基于位置的室内导航技术不仅能快速解决用户的定位及位置引导问题，还将成为各类资源推荐系统和智慧化应用的基础，目前已引起诸多学者的关注[2]。

文献[3]中Avariento 等人研发了一种新型室内定位系统，支持室内外定位有机结合，能够实现室内外导航和寻路的无缝连接；文献[4]提出了一种室内外定位导航系统，可以实现室内位置指纹的自动标注和导航图构建，对行人进行导航；文献[5]基于蓝牙的iBeacon 信标节点与移动终端进行室内定位，解决室内定位“最后一公里”的问题；文献[6]首先采用基于低功耗蓝牙的iBeacon 技术计算用户位置坐标，其次利用路径规划算法根据用户偏好规划不同路径进行导航，方便学生在校园中快捷高效地出行。文献[7]论述了校园室内导航系统的3 种类型：第1 种仅需定位（查询当前位置信息），不需导航；第2 种既需定位又要导航，则系统先进行定位再进行路径规划，同时系统会推荐周围相关服务；第3 种是在图书馆中将LBS 和射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）结合使用。这些室内导航系统的应用进一步推动了室内导航技术的发展。

从上述研究可以看到，在物联网迅速发展的背景下，室内导航的应用研究已成为信息社会的热点研究内容之一[8-9]。为了理清近二十年来我国室内导航的研究脉络、研究现状和研究趋势，本文采用陈超美博士开发的CiteSpace 可视化分析软件，对2000—2020 年间国内室内导航研究相关文献进行梳理和可视化分析，旨在呈现近二十年来我国室内定位、导航及应用系统的研究现状，分析其存在的问题，明确未来的研究方向和研究视角，丰富国内室内导航系统的研究成果。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

为了全面掌握我国室内导航系统的研究现状，本文将国内论文收录最多和规模最大的中文数据库CNKI 作为本文来源数据库。由于室内导航技术在不同文献中的名称有所不同，如文献[10]和文献[11]所述，“室内导航”有时也被称为“室内引导”或“室内指引”。因此本文将“室内导航”“室内指引”“室内引导”3 个词作为主题词进行检索，时间跨度为2000 年至2020 年，经筛选后，得到325 篇有效中文文献，利用CNKI 快捷导出上述文献数据，导出格式为Refwork 格式，再利用CiteSpace 软件对这些数据进行可视化分析。

1.2 研究方法

本文采用文献分析法和词频分析法，并且借助软件CiteSpace（V.5.8.R1）进行可视化分析。从近20 年发文量、所选文献的关键词共现知识图谱、关键词聚类知识图谱、关键词被引频次和中心性统计、关键词发展时区知识图谱、作者合作网络知识图谱以及研究机构知识图谱等方面来反映文献内部特征，梳理并总结我国室内导航及应用研究现状，并在分析研究趋势的同时给出建议。

2 研究与分析

2.1 发文量统计

通过对近20 年该领域发文量的统计分析，可以了解每年该领域发文情况，把握相关研究趋势。经查询，2000—2020 年有关室内导航研究的发文量如图1 所示。

从图1 可以看到，2000—2020 年间有关室内导航研究的年发文量整体呈现增长趋势，这充分说明有关室内导航的研究越来越受到研究人员的重视。从发文数量上看，近20 年有关室内导航领域的研究大致可分为3 个阶段。

图1 2000—2020 年发文量

（1）萌芽阶段（2000—2005 年）。这一阶段发文量特点是从无到有，实现了零的突破，在2000—2003 年，室内导航相关主题的发文量为0，直到2004年才首次出现有关这一主题的两篇文章，表明有研究人员开始室内导航研究。

（2）波动增长阶段（2006—2014 年）。这一阶段发文量呈波动式增长，2006 年到2009 年虽然一直都有相关研究的发表，但是数量较少，从2010年开始发文量明显增多，2014 年发文量突破20 篇。从这一数据可以看出，越来越多的研究人员加入到室内导航研究领域。

（3）蓬勃发展阶段（2015 年至今）。这一阶段的相关研究整体呈现蓬勃发展趋势，从2015 年开始年发文量不低于35 篇，最近两年的年发文量已持续接近50 篇。这一阶段室内导航研究论文的持续涌现，既是LBS 需求日益增长的必然体现，又是室内导航研究意义与价值的重要体现，而所有这些不仅得益于全球室内位置服务产业的蓬勃发展，还得益于我国政府对室内外定位技术的高度重视。

2.2 关键词分析

2.2.1 关键词共现分析

关键词可以快速、准确地反映论文的主题和重点，它在某一研究领域文献中出现的频次能够反映某时间段内研究者所共同关注的话题，也就是整个研究领域的热点话题。关键词是对论文的核心概括，对论文关键词进行分析可以对文章的主题进行窥探。同时通过共现频次，可以分析多个关键词之间的联系。本文选取了前20 个高频关键词术语进行分析，结果如表1 所示。

从表1 可以看到，在选取的20 个关键词术语中，被引频次较高的包括“室内导航”“室内定位”“室内定位导航”“路径规划”“a*算法”“室内地图”“位置服务”等词。其中，“室内导航”被引频次为132，中心性为0.85，频次和中心性为最高，表明该研究领域最受关注的是室内导航；其次是“室内定位”，频次和中心性分别为43 和0.32；之后是“室内定位导航”“路径规划”和“a*算法”，其出现频次分别为14，12 和10。由此可知，“室内导航”和“室内定位”一直是室内导航领域的研究热点，并受到更多学者的关注。

通过分析可以进一步发现，研究者对室内导航的研究主要分为两个层面。一个是室内导航的具体应用层面，如表1中被引频次较高的关键词术语，“路径规划”“室内地图”“位置服务”“智能手机”“室内设计”等都属于室内导航的具体应用；另一个是支撑室内导航应用的技术层面，如表1 中的“二维码”“室内定位技术”“可见光通信”“卡尔曼滤波”“Ibeacon”（一种低耗能蓝牙技术）“slam”（同时定位与地图构建算法）等都可归于该技术层面。此外，被引频次最高的“室内导航”“室内定位”“室内定位导航”均既可归于技术层面，又可归于应用层面。总之，随着时间的推移，室内导航研究越发受到重视，与之相关的文献也越来越多，内容和主题也越来越丰富。

表1 关键词被引频次和中心性

图2 为关键词共现知识图谱。图谱显示，室内导航系统关键词共现网络中共有节点（N）343 个，连线（E）524 条，其网络密度（Density）是0.008 9，从整体上看，关键词共现知识图谱节点相对较密。其中的节点大小表示研究数量的多少，节点既可以反映关键词在该领域所选论文中出现的频次，又可以表示该领域的研究热点，所以“室内导航”作为图2 中最大的节点，说明国内学者在该领域对这一主题的研究数量与规模最大。“室内定位”是仅次于前者的较大节点，也属于该领域研究热点。此外，如“路径规划”“室内定位导航”“室内地图”等这些关键词的共现，共同表明了2000—2020 年室内导航领域的核心研究内容，也就是该领域的研究热点，其他关键词如“智能手机”“位置服务”“二维码”“室内空间”“卫星导航”“高精度定位”等关键词紧随其后出现。图2 表明该研究领域的视野广泛，未局限于狭小的范围中，并且该研究领域关注的热点内容也深入分散到不同的分支，也就是说，室内导航系统在环境中的应用和室内导航技术得到了充分发展，室内导航开始在智慧环境的构建中，体现日益重要的作用和地位。

图2 关键词共现知识图谱

2.2.2 关键词聚类分析

为了使关键词的共现结果更加全面且具有说服力，本研究在得到关键词共现网络后，设置聚类参数对其进行聚类且定义关键词作为聚类名，如图3所示，最终得到10 个聚类：#0 室内导航、#1 室内定位、#2 室内地图、#3a*算法、#4slam、#5 室内定位系统、#6 卫星导航、#7 传感器、#8 三维建模、#9 室内空间。聚类编号越小，说明该关键词聚类效果越好，中心性越强。

从图3 可知，聚类模块值Q=0.970 6，Q值大于0.3 意味着划分出来的聚类结构显著；平均轮廓值S=1，S>0.7 说明聚类是高效率且令人信服的，而且S值越接近1，说明聚类的同质性越高。“室内导航”“室内定位”“室内地图”“a*算法”“slam”“室内定位系统”“卫星导航”等多个聚类折射出，近20 年来中国室内导航系统的热点问题。从图3可知，各聚类标签之间相互交叉且存在相似性，从这些相互交叉、类似的关键词可以看出，室内导航的研究主题和内容具有多样性和交叉性。

图3 关键词聚类知识图谱

2.3 关键词时区图分析

关键词共现知识图谱和聚类知识图谱虽能反映该领域的研究热点和关键词间的聚类情况，但无法直观获取关键词具体的时间发展脉络，了解其发展过程。为了进一步研究室内导航系统研究热点的分布和演进方向，利用CiteSpace 生成关键词时区知识图谱进行分析，具体如图4 所示。

图4 中的每个小圆圈代表一个关键词，底部的时间代表在本次文献数据集中该关键词首次出现的年份，若后期年份再次出现该关键词，那么该关键词会在首次出现的位置频次上加1，后期关键词重现几次则在关键词首次出现位置上频次加几。图中关键词所对应的底部年份代表该关键词首次出现的时间，年份从左往右逐渐递增。

从图4 可以看出，对本次使用的论文数据集而言，“室内导航”首次出现于2004 年，之后该关键词不断重现，频次不断叠加至2004 年首次出现的“室内导航”上，因此2004 年处的节点最大。从2004年起，由关键词“室内导航”延伸的节点众多，且该关键词与各节点间联系紧密，表明在本次使用的论文数据集中，提到该关键词的频率较高。而2000—2009 年这一时期出现的高频词较少，主要为“室内导航”，而且“室内导航”延伸出来的分支也较少，但分支节点间连线较粗，说明这一时期研究的贡献强度较大，研究的深度有所加强。2010—2020 年，“室内定位”“室内定位导航”“智能手机”“室内地图”“路径规划”等关键词频次较高，且这些关键词与后续其他年份节点的连线较多，说明这些关键词是当前研究的热点内容，也是后续研究的基础，并且这一时期的关键词呈现多样化、多元化的趋势。时区图为梳理室内导航系统的应用研究提供了极大帮助。

图4 关键词时区知识图谱

2.4 作者及研究机构合作网络分析

通过作者和研究机构的合作性分析可以探测某一研究主题研究力量的分布，以及研究基地、研究团队形成情况和作者间的研究趋同性。

在CiteSpace 可视化分析软件中设置节点类型为“author”，进行作者合作网络知识图谱分析，可视化结果如图5 所示。

图5 作者合作网络知识图谱

作者合作网络知识图谱中，各作者间有线条连接的表明该类作者间有合作或者有联系，这些作者的观点往往是相类似的，他们的研究在某一程度上具有趋同性。例如，任鹏博、孙士涵、王国庆等学者之间存在网络连接，是因为他们通过合作研究分析了基于监督的室内机器人导航系统[12]；刘建业、倪磊、曾庆化、庄瞳等学者之间存在网络连接，是因为他们通过合作研究分析了室内微型无人机导航的相关技术，并且以综述的形式进行了论述[13]，此外，学者刘建业近年来发表了4 篇室内导航领域的相关文章；学者刘厚泉和赵新云之间存在网络连接是因为二者合作探索了基于概念格的室内导航模型，实现个性化的导航服务，并且学者刘厚泉等人近年来发表了3 篇有关室内导航领域的文章；其余的，如吴升和张恒才、刘林和唐强、杨悦和李毅、郑修一和吴晓刚、刘武平和熊维茜等学者两两之间有网络连接也是因为存在合作关系或者发表了共同研究。此外，如文献[14]和文献[15]所述，室内导航系统的具体应用可以有效推动定位导航技术在室内智慧环境构建的发展。

在CiteSpace 可视化分析软件中设置节点类型为“Institution”，进行研究机构合作网络知识图谱分析，可视化结果如图6 所示。

图6 为研究机构合作网络知识图谱，从该图谱可知，室内导航领域的研究者主要分布在高校和社会研究机构，其中高校单位主要涉及北京邮电大学、中国矿业大学计算机科学与技术学院、上海交通大学航空航天学院、武汉大学、南京航空航天大学电子信息工程学院、南京航空航天大学理学院、中国科学技术大学计算机科学与技术学院、西北工业大学图书馆等，社会研究机构主要涉及国家测绘地理信息局地图技术审查中心、赛迪顾问装备产业研究中心、北京超图软件股份有限公司等。所有这些研究单位和机构共同凝聚成室内导航系统的主要研究基地，推动了室内导航研究的进一步提升和突破。从研究机构主要分布来看，研究团队主要集中在科研力量比较强大的科研院校，同时可以看到，图6中各研究机构之间没有明显连接，表明研究机构基本上都是独立研究、各自为战，不同研究机构之间缺乏合作。

图6 研究机构合作网络知识图谱

3 结论及建议

3.1 结论

本文利用CiteSpace 可视化分析软件分析了2000 年至2020 年发表的以“室内导航”“室内引导”“室内指引”为主题的研究文献，绘制了可视化知识图谱，梳理了近20 年该领域的研究成果，发现国内相关研究呈现以下特点：

（1）通过年发文量整体分析得出，近十年来，随着物联网等现代信息技术不断发展，LBS 需求不断增长，室内导航技术引起学者高度关注，相关研究不断增多，国内文献发表量逐年递增，进一步丰富了室内导航领域的研究成果。

（2）在研究热点方面，目前关于室内定位导航领域的研究大致可分为应用层面和技术层面，应用层面主要集中于将定位导航技术用于路径规划以及基于智能手机的室内导航等，而技术层面主要集中于定位导航技术本身以及算法等室内导航的支撑技术方面。尤其要强调的是，同属于应用层面和技术层面且出现频次最大的主题词是“室内导航”和“室内定位”，该主题一直是室内导航领域的研究热点，并受到众多学者的关注。

（3）在研究者和机构合作关系方面，从相关知识图谱的分析可以看到，当前涉足该领域的研究人员和研究机构较多，但研究内容仍有待系统化。从热点关键词分布可以看到，相关研究主题比较宽泛，但缺乏深层次的理论分析。从核心发文作者、研究机构的合作知识图谱可以看出，研究者之间缺乏合作意识，不同研究机构之间缺乏合作互通，不利于相关研究的深入展开以及各项研究成果的推广。

3.2 建 议

第一，应积极将室内导航的技术研究与应用研究进行结合。

从表1 中可以看出，当前室内导航的研究主要分为应用和技术两个层面。研究者多对其某一方面进行研究探索，鲜少将其进行结合研究，这明显不利于研究的深入和推广。因此，建议研究人员将应用与技术两方面进行融合研究，在开展技术研究的同时，不要忽视不同应用场景的需求，以及技术研究成果在具体应用中的探索。另外，在展开应用层面的研究时不要忽视相关支撑技术的研究，在具体应用研究中，需要通过不断提高技术水平实现应用系统性能的提升。

第二，应充分发挥室内导航系统研究者各自的优势并加强合作研究。

从研究机构合作网络知识图谱可知，室内导航系统研究的主要力量为高校研究者和社会研究机构。高校研究者多偏向理论研究，而社会研究机构更重视工程应用。因此，高校研究者和社会机构研究人员之间应加强合作，互相取长补短。这不仅有利于智慧环境构建中的室内导航技术的研究，还可以进一步推动室内导航系统在不同场景下的应用探索。

第三，应积极开展室内外定位导航结合技术的探索研究。

从关键词时区知识图谱可以看出，室内定位导航的研究基本局限于室内定位技术以及室内导航技术的独立研究，室外定位导航技术研究同样仅局限于室外区域导航及定位技术的研究，室内外导航不具备连续性、贯通性。随着全球室内位置服务产业的快速发展，LBS 应用对室内定位导航提出了更高的要求，实现室内外导航技术的连续贯通已成趋势，因此，未来可以对室内导航技术进行拓展，将室内外导航技术有效结合，实现导航数据的同步以及导航系统整体最优化。