桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 黃博
我國(guó)一線(xiàn)城市醫(yī)院患者人流量大,醫(yī)護(hù)人員數(shù)量遞增,病區(qū)室內(nèi)定位技術(shù)迫切需求優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航手段。首先敘述了紅外線(xiàn)、慣性導(dǎo)航、超聲波、視覺(jué)定位、WiFi、藍(lán)牙、紫蜂、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別、超寬帶、地磁等定位技術(shù),并進(jìn)行了性能分析。然后介紹了一種將全球定位系統(tǒng)和超寬帶技術(shù)通過(guò)多傳感器技術(shù)結(jié)合的協(xié)同定位系統(tǒng),這種系統(tǒng)大大提高了醫(yī)護(hù)人員在病區(qū)室內(nèi)導(dǎo)航定位的能力。
近些年來(lái),由于新冠疫情的影響,醫(yī)院的病患就診人數(shù)大幅增加,一旦醫(yī)院患者人數(shù)較多時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)患者在病區(qū)迷失方向的情況。在一些大型醫(yī)院這種情況出現(xiàn)的較為普遍。對(duì)于這種情況,有的醫(yī)院采取增加醫(yī)導(dǎo)人員的方法來(lái)應(yīng)對(duì),但是收效甚微。無(wú)論是對(duì)于患者還是醫(yī)護(hù)人員來(lái)說(shuō),用最快時(shí)間到達(dá)診室或者病房既關(guān)系著病患能否及時(shí)得到救治,又關(guān)系著醫(yī)院的運(yùn)行效率。隨著智能手機(jī)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟以及高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,各類(lèi)室內(nèi)定位導(dǎo)航的科技方法、手段,已成為科學(xué)技術(shù)界探討、大型醫(yī)院高級(jí)管理層投資的重點(diǎn),智慧醫(yī)院導(dǎo)航系統(tǒng)就是基于新型的室內(nèi)定位技術(shù),通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+”與醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)行業(yè)的合作[1],結(jié)合醫(yī)院信息系統(tǒng)構(gòu)建的一個(gè)移動(dòng)化、自助化、智能化的院內(nèi)精準(zhǔn)導(dǎo)航服務(wù)體系,實(shí)時(shí)對(duì)接動(dòng)態(tài)就診信息,讓線(xiàn)下的人和物,也能像在線(xiàn)信息一樣被搜索、定位、聯(lián)接,從而為醫(yī)護(hù)人員提供猶如專(zhuān)人引導(dǎo)一般的動(dòng)態(tài)連續(xù)指引。
依據(jù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的不同,室內(nèi)定位技術(shù)通??梢苑譃閮筛鞔箢?lèi):(1)是依賴(lài)于建筑的定位技術(shù)系統(tǒng)。在導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,對(duì)建筑物內(nèi)已有的功能設(shè)備以及建筑物的地圖結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)依賴(lài)性,而根據(jù)所依賴(lài)設(shè)施的不同又可以將依賴(lài)于建筑的定位技術(shù)系統(tǒng)細(xì)分為兩種:一種是需要的基礎(chǔ)設(shè)施有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性;另一種是需要輔助設(shè)備支持,具有固有基礎(chǔ)性設(shè)施。如射頻識(shí)別定位、UWB定位、超聲波定位、紅外線(xiàn)定位、激光定位、ZigBee定位技術(shù)都屬于需要專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn),而WiFi定位、蜂窩定位、藍(lán)牙定位則不需要專(zhuān)業(yè)性的基礎(chǔ)設(shè)施。(2)是獨(dú)立于建筑的定位技術(shù)系統(tǒng),不需要依賴(lài)任何建筑物當(dāng)中的硬件設(shè)施,而是基于一些如慣性導(dǎo)航定位、圖像識(shí)別、方位推算的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。其中,方位推算借助物體的歷史運(yùn)動(dòng)軌跡與移動(dòng)速度等數(shù)據(jù)基于算法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位;利用圖像識(shí)別的定位需要借助視頻圖像數(shù)據(jù)[2]。
在很多大型醫(yī)院僅醫(yī)護(hù)工作人員的數(shù)量就超過(guò)萬(wàn)人,這就給病區(qū)內(nèi)各種醫(yī)療設(shè)施與人員調(diào)動(dòng)的管理帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn),因此,借助科學(xué)技術(shù)在醫(yī)院進(jìn)行導(dǎo)航定位具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
醫(yī)院都會(huì)在明顯位置張貼樓層科室分布圖、通道引導(dǎo)路線(xiàn)圖,但是在人流量很大的情況下,這些引導(dǎo)標(biāo)志所能發(fā)揮的作用非常有限,極大的阻礙了醫(yī)院運(yùn)轉(zhuǎn)效率。在一些特殊區(qū)域由于結(jié)構(gòu)沒(méi)有特殊性導(dǎo)致人員在行走過(guò)程中極易發(fā)生方向錯(cuò)亂,現(xiàn)有的室外導(dǎo)航系統(tǒng)又無(wú)法發(fā)揮作用。例如,大型醫(yī)院的急診病區(qū),醫(yī)護(hù)人員不知被搶救的患者在那個(gè)病房,給醫(yī)護(hù)人員帶來(lái)了很多不便,失去了寶貴搶救時(shí)間,耽誤了醫(yī)療最佳機(jī)遇,導(dǎo)致病人去世的悲劇發(fā)生[3]。
室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)還具有其他重要作用,比如患者可以在出現(xiàn)狀況時(shí)利用導(dǎo)航系統(tǒng)向醫(yī)護(hù)發(fā)出警報(bào),讓醫(yī)護(hù)能快速到達(dá)病房處理患者。又如發(fā)生火災(zāi)這樣的突發(fā)事故時(shí),可以為醫(yī)護(hù)和病患提供路徑優(yōu)化服務(wù),幫助病人縮短撤離時(shí)間,防止發(fā)生踐踏情況,進(jìn)而在保證醫(yī)護(hù)和患者的生命財(cái)產(chǎn)安全中發(fā)揮重要作用[4]。
當(dāng)前,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展,高度集成化的設(shè)備互聯(lián)系統(tǒng)建設(shè)不斷完善,其在醫(yī)院中的應(yīng)用前景愈加廣泛。通過(guò)對(duì)大量醫(yī)療設(shè)備配置有源標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,為醫(yī)護(hù)人員查詢(xún)?cè)O(shè)備使用情況,提高應(yīng)急情況調(diào)配設(shè)備效率帶來(lái)了進(jìn)步空間,能夠讓醫(yī)院的運(yùn)營(yíng)效率獲得極大提升。對(duì)倉(cāng)庫(kù)中價(jià)值昂貴的醫(yī)療設(shè)備標(biāo)配產(chǎn)生廠家的明確標(biāo)簽,醫(yī)療器材管理人員采用室內(nèi)定位系統(tǒng),利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)它們進(jìn)行保管監(jiān)控。同時(shí),為醫(yī)護(hù)人員配備便攜化移動(dòng)終端導(dǎo)航設(shè)備,使醫(yī)護(hù)人員能夠快速?gòu)膫}(cāng)庫(kù)中查找自己緊急需要的醫(yī)療設(shè)備。
依據(jù)實(shí)現(xiàn)原理的區(qū)別,醫(yī)護(hù)人員院內(nèi)定位技術(shù)分為幾個(gè)大類(lèi),包括傳感器定位、射頻信號(hào)定位、多信息融合等,而每一類(lèi)技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)劣性。
3.1.1 紅外線(xiàn)定位
院內(nèi)紅外線(xiàn)定位系統(tǒng)大體上會(huì)由移動(dòng)站與基站子系統(tǒng)構(gòu)成,其中紅外發(fā)射器被安裝在移動(dòng)站上,用于發(fā)射紅外線(xiàn)。在具體應(yīng)用層面,由劍橋大學(xué)AT&LT實(shí)驗(yàn)室利用紅外線(xiàn)技術(shù)研制出了Ac-tiveBadge系統(tǒng),在室內(nèi)場(chǎng)景的定位精度可以達(dá)到6m。紅外線(xiàn)發(fā)射器質(zhì)量輕,容易攜帶,但是存在紅外線(xiàn)穿透力弱的問(wèn)題,碰到固體墻壁時(shí),紅外線(xiàn)就只能提供房間級(jí)別的定位信息傳遞,在狹小室內(nèi),紅外線(xiàn)傳播距離有限,加之其他光照干擾或路徑限制,空間區(qū)域容易產(chǎn)生盲區(qū),進(jìn)而導(dǎo)致定位效果變差。所以,從實(shí)用性思考,紅外線(xiàn)定位技術(shù)可以與其他定位設(shè)備融合使用,充分發(fā)揮紅外線(xiàn)LED室內(nèi)導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)功能[5]。
3.1.2 慣性導(dǎo)航定位
慣導(dǎo)系統(tǒng)確定位置首先由加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù),再通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法推導(dǎo)出目標(biāo)的具體位置。但是慣導(dǎo)系統(tǒng)有一個(gè)缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)誤差會(huì)隨時(shí)間積累,許多科研團(tuán)隊(duì)都在研究如何抵消這一負(fù)面影響,有的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)微機(jī)電技術(shù),將各種運(yùn)動(dòng)傳感器與智能手機(jī)平臺(tái)相結(jié)合來(lái)進(jìn)行行人航機(jī)推算。當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)PDR與地磁、無(wú)線(xiàn)保真高度融合匹配是一個(gè)討論熱烈的研究課題[4]。還有的團(tuán)隊(duì)提出將無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成誤差補(bǔ)償機(jī)制,用于矯正累計(jì)誤差。
3.1.3 超聲波定位
超聲波定位主要利用的是聲波反射產(chǎn)生的時(shí)間差來(lái)推算發(fā)射位置與反射面之間的距離,根據(jù)這一原理研究人員研制出了Active Bat系統(tǒng),在科學(xué)測(cè)試中Active Bat系統(tǒng)定位精度最高可以達(dá)到3cm,這微小的數(shù)據(jù)相對(duì)智能智聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有重要影響。此后,研究人員在Active Bat系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造研制出Cricket室內(nèi)定位系統(tǒng),改變了有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),無(wú)需再特定位置固定大量發(fā)射及接受網(wǎng)站,而是基于超聲波傳輸時(shí)間與射頻控制信號(hào),完成三維、多維定位。當(dāng)然,從成本上來(lái)說(shuō),超聲波定位對(duì)硬件要求更高,因此需要花費(fèi)更多資金投入[6]。
3.1.4 視覺(jué)定位
視覺(jué)定位通過(guò)前置攝像頭來(lái)捕捉周邊環(huán)境特征,根據(jù)大量圖片數(shù)據(jù)以智能算法來(lái)分析目標(biāo)的三維空間位置。已經(jīng)成熟的技術(shù)中,具有代表性的技術(shù):一種是利用了便攜式移動(dòng)設(shè)備,當(dāng)多組單目攝像頭進(jìn)行定位時(shí)能夠具備更高的精度[7];另一種基于圖像密度匹配性和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)原理,采用相機(jī)交會(huì)來(lái)實(shí)現(xiàn)醫(yī)院室內(nèi)定位。借助高性能照相機(jī),獲取像素極高的圖像數(shù)據(jù),讓分析精度增加,進(jìn)而提高了定位準(zhǔn)確性,不過(guò)室內(nèi)環(huán)境是非常多變的,定位系統(tǒng)要持續(xù)保持高精度也是不現(xiàn)實(shí)的。在改進(jìn)方面,一些學(xué)者正嘗試用引入視覺(jué)傳感器的方法完善這一技術(shù)[8]。
無(wú)線(xiàn)信號(hào)定位技術(shù)是利用非接觸雙向數(shù)據(jù)通信方式,通過(guò)通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問(wèn)技術(shù),再連接數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)非接觸式的多項(xiàng)通信,達(dá)到定位的目的。
3.2.1 WiFi定位
就目前而言,常用的WiFi室內(nèi)定位技術(shù)包括2種:一種是根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度變化來(lái)指示距離變化,當(dāng)然信號(hào)衰減與空間距離變化不一定成線(xiàn)性關(guān)系,會(huì)受到如物體遮擋、空氣濕度等的外部因素干擾,所以定位精度是受限的;另一種是基于RSSI位置指紋法的定位技術(shù),這一方法屬于目前使用最為廣泛的WiFi定位類(lèi)型[9]。另外,還有一些相同原理的產(chǎn)品,如美國(guó)的WiFi SLAM以及我國(guó)的“翼周邊”系統(tǒng),它們精度較好但是組成系統(tǒng)的輔助設(shè)施非常多,因此后期的維護(hù)與前期支撐設(shè)備的布設(shè)需要花費(fèi)很多成本,不利于大規(guī)模推廣[10]。
3.2.2 藍(lán)牙和紫蜂定位
藍(lán)牙定位和紫蜂定位的共同點(diǎn)是利用低功耗、短距離的優(yōu)勢(shì),通過(guò)與指紋、質(zhì)心、鄰近等定位技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)度的進(jìn)一步提升。藍(lán)牙和紫蜂定位都擁有能耗低,空間距離短、適用場(chǎng)合范圍廣等特點(diǎn),不過(guò)這兩種定位方法也存在穩(wěn)定性比較差、容易被外界環(huán)境干擾的劣勢(shì)。藍(lán)牙定位依托接收到的信號(hào)強(qiáng)度場(chǎng)來(lái)進(jìn)行空間距離計(jì)算,典型如國(guó)產(chǎn)“尋鹿”微定位系統(tǒng)與iBeacon系統(tǒng),iBeacon由蘋(píng)果公司所開(kāi)發(fā),在很大程度上滿(mǎn)足了低功耗、較高精度這一用戶(hù)需求。當(dāng)前,以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)的諸多定位系統(tǒng)多利用了指紋定位原理,包括改進(jìn)的方案。而隨著藍(lán)牙5.0協(xié)議在2016年的發(fā)布,使得這類(lèi)高精度定位獲得了更好的通信技術(shù)保障。紫峰定位技術(shù)利用鄰近探測(cè)法對(duì)不同盲點(diǎn)間的通信進(jìn)行探測(cè),然后采用模糊聚類(lèi)算法進(jìn)行定位分析,從而獲得米級(jí)精確度的定位結(jié)果[11]。
3.2.3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位
蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù),用在手機(jī)的定位,可對(duì)5G信號(hào)正確檢測(cè),并更具特征通信參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)位置確定。依據(jù)原理不同,其常見(jiàn)定位方法有鄰近探測(cè)法、信號(hào)傳遞時(shí)間差探測(cè)定位。蜂窩網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前通信領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛,其基礎(chǔ)設(shè)施幾乎遍布于任何建筑樓宇當(dāng)中,因此將其應(yīng)用于醫(yī)院室內(nèi)定位導(dǎo)航具有很高的便利性,但其依然存在不足,這是因?yàn)槎ㄎ粫?huì)因時(shí)間同步精度問(wèn)題而產(chǎn)生累計(jì)效應(yīng),使得平均定位準(zhǔn)確性下降。典型如:愛(ài)立信公司提供的OTDOA定位方法精度僅為50m。而如果改為多天線(xiàn)MIMO+TDOA的模式進(jìn)行定位,則能讓精度有一定程度的提高,但這也僅僅只達(dá)到5~10m。隨著通信技術(shù)的進(jìn)步,在5G通信網(wǎng)絡(luò)逐步普及的情況下,其精度有望獲得提升[12]。
3.2.4 射頻識(shí)別定位
射頻識(shí)別技術(shù)通過(guò)對(duì)不同的射頻信號(hào)識(shí)別來(lái)獲取對(duì)應(yīng)目標(biāo)位置,該技術(shù)既具有較長(zhǎng)距離的輻射范圍、能夠繞過(guò)部分阻礙物傳遞信號(hào)的優(yōu)點(diǎn),又具有攜帶方便、定位精度高等技術(shù)特長(zhǎng),但射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度非常敏感,當(dāng)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí),定位精度也會(huì)降低。目前以Spoton系統(tǒng)為代表的射頻識(shí)別系統(tǒng)存在硬件組成較為復(fù)雜并且計(jì)算量較大的問(wèn)題,為解決之一問(wèn)題而采取的技術(shù)手段是改進(jìn)算法,未來(lái)隨著智能算法的不斷改進(jìn),相信這一技術(shù)也會(huì)不斷改進(jìn)[13]。
3.2.5 超寬帶定位
美國(guó)是最早將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于定位導(dǎo)航的國(guó)家,在軍隊(duì)領(lǐng)域獲得了很大的成功,不過(guò)直到2002年才向民用領(lǐng)域開(kāi)放。超寬帶定位具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),構(gòu)成系統(tǒng)的模塊較為簡(jiǎn)單,這有利于降低建造成本,并且具有能耗低、可靠性高、通道容量大等諸多優(yōu)勢(shì),美國(guó)軍用超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)的精度已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí)。超寬帶能夠?qū)崿F(xiàn)通信與定位的一體化,特別是在室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜的條件下,其依然能保持較高的定位能力。在系統(tǒng)相關(guān)的硬件研究方面,Driver2和Aether5專(zhuān)業(yè)級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)了真正意義上的小體積低功耗性能。在硬件系統(tǒng)性能不斷提升的前提下,由Ubisense公司開(kāi)發(fā)的超寬帶實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)能夠在實(shí)5.8~7.2GHz的高頻段工作,進(jìn)一步與多邊定位法、三角定位法結(jié)合使得其室內(nèi)定位精度提升至15cm[14]。
典型如地磁定位技術(shù)利用高精度的地磁探測(cè)儀器對(duì)周邊地磁變化進(jìn)行分析,由于不同區(qū)域地磁強(qiáng)度不同進(jìn)而進(jìn)行室內(nèi)定位,這一原理與WiFi相似,不過(guò)在有限面積內(nèi)地磁的變化是非常有限的,因此這對(duì)探測(cè)器的要求便很高,加之同一地點(diǎn)的地磁并不是恒定的,所以這一定位系統(tǒng)存在較大的誤差。國(guó)外有科學(xué)團(tuán)隊(duì)借助高精度探測(cè)設(shè)備構(gòu)建出的定位系統(tǒng)能夠在地磁環(huán)境穩(wěn)點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精度接近1m的定位。地磁定位的優(yōu)勢(shì)在于在室內(nèi)布置系統(tǒng)比較便捷,其系統(tǒng)可以與其他定位方法融合使用,構(gòu)成多信息定位模型,因而具有較好的研究前景[15]。
隨著導(dǎo)航定位要求的不斷提高,單一的導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)難以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求??蒲腥藛T開(kāi)始大力研究多源融合的導(dǎo)航系統(tǒng),并取得了一定的成果。目前有學(xué)者提出了一種將全球定位系統(tǒng)(GPS)和超寬帶技術(shù)(UWB)通過(guò)多傳感器技術(shù)MARG(Magnetic,Angular,Rate and Gravity)結(jié)合的協(xié)同定位系統(tǒng)[16]。
協(xié)同定位系統(tǒng)中,室內(nèi)定位采用超寬帶定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度的定位,而室外則采用GPS衛(wèi)星定位技術(shù),同時(shí)借助MARG傳感器為GPS系統(tǒng)提供輔助的定位信息,如此一來(lái),GPS與MARG相結(jié)合保證了醫(yī)院門(mén)診樓之外定位的穩(wěn)定性與精確度,由于在門(mén)診樓內(nèi)GPS信號(hào)被物體阻擋,因而信號(hào)十分微弱。此時(shí)定位信號(hào)進(jìn)行切換,為UWB定位作為系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)的全部輸出方,當(dāng)處于室外時(shí)數(shù)據(jù)切換為由GPS全部提供。但在醫(yī)院中往往存在一些特殊空間區(qū)域,屬于室內(nèi)與室外的混合區(qū)域,此時(shí)只靠切換后的GPS或UWB技術(shù)進(jìn)行定位都無(wú)法滿(mǎn)足定位精度的要求,針對(duì)這一問(wèn)題,目前還沒(méi)有比較好的解決方法,還需要科研人員做進(jìn)一步的研究。
本文首先敘述了紅外線(xiàn)、慣性導(dǎo)航、超聲波等定位技術(shù),并進(jìn)行了性能分析。針對(duì)單一的定位導(dǎo)航技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中易出現(xiàn)大面積的盲區(qū),數(shù)據(jù)精度難以滿(mǎn)足用戶(hù)需求的問(wèn)題。介紹了一種將全球定位系統(tǒng)(GPS)和超寬帶技術(shù)(UWB)通過(guò)多傳感器技術(shù)MARG(Magnetic,Angular,Rate and Gravity)結(jié)合的協(xié)同定位系統(tǒng),能夠極大的提高定位系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性,根據(jù)不同環(huán)境特征進(jìn)行無(wú)縫模式切換,在擴(kuò)大定位范圍的同時(shí)避免目標(biāo)丟失。這種系統(tǒng)大大提高了醫(yī)護(hù)人員在病區(qū)室內(nèi)導(dǎo)航定位的能力,但系統(tǒng)自身還有缺陷,需要進(jìn)一步研究。