孫澤宇

（廣西大學 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530004）

1 引言

隨著社會的發(fā)展和相關法律法規(guī)和行政規(guī)定的完善，固定資產(chǎn)管理工作也有了新的要求，不僅需要保證資產(chǎn)信息的正確性和信息更新的及時性，更要關注資產(chǎn)的狀態(tài)以判斷是否需要其他部門對其進行處置，并且很多時候也需要對于資產(chǎn)狀況有一個更加直觀的展示能力。要將資產(chǎn)賬目信息和實際信息實時的聯(lián)系起來首先需要一個適應固定資產(chǎn)管理的對物體在其存放和使用位置進行定位或能夠追蹤其運動路徑的定位算法，其次需要選擇一種具體技術手段來實現(xiàn)此算法，最后還需要將其與固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)融合起來才能夠?qū)嶋H應用。

現(xiàn)有的廣泛使用的固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)大多還在采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)資產(chǎn)標簽或無源RFID 資產(chǎn)標簽，而這樣的老舊技術存在一些難以解決的問題：首先標簽記錄的信息和資產(chǎn)實物其實與資產(chǎn)管理系統(tǒng)中的記錄是處于分離狀態(tài)的，這使得其中一方發(fā)生的信息變更并不會實際反映到其他各方，因而一旦發(fā)生了固定資產(chǎn)管理部門不知情或未授權的資產(chǎn)信息變更（尤其是位置信息變更）就很可能產(chǎn)生一條“賬不符實”的記錄，混在正確記錄中的這些錯誤記錄將會在進行資產(chǎn)盤點或?qū)徲嫊r給執(zhí)行者帶來巨大的麻煩和不確定性，且這些錯誤記錄本該對應的資產(chǎn)一旦丟失則很可能既沒有線索去查找又沒有辦法有效追責最終變成一筆壞賬。其次，這兩種標簽均難以對自身可能出現(xiàn)的異常狀態(tài)（如標簽脫落或損毀等）進行應對，使得存在因標簽自身的局限性帶來上述“賬不符實”風險的可能。

因此，可采用某種支持有源標簽的技術并在此基礎上采用與固定資產(chǎn)管理業(yè)務要求和場景相適應的定位算法以通過對安裝于資產(chǎn)實物上的資產(chǎn)標簽進行定位和追跡來避免固定資產(chǎn)管理部門預想外的資產(chǎn)位置變更帶來的風險。同時，有源標簽也易于實現(xiàn)自檢以判斷狀態(tài)是否異常，固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)也可通過標簽的統(tǒng)計信息等資料判斷標簽是否處在異常狀況。

2 適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位算法的思路及構成

室內(nèi)定位并不是一個新命題，但是在目前的技術水平下雖然出現(xiàn)了采用信號強度、傳播時間、信號角度等物理量作為依據(jù)，運用臨近探測法、質(zhì)心定位法、三角定位法等位置計算方法，基于無線電波、聲波、光波等技術路線的多種多樣的室內(nèi)定位體系，但因為室內(nèi)環(huán)境下定位條件復雜、各方面限制較多而依然沒有產(chǎn)生適應多種場景與業(yè)務的通用室內(nèi)定位方案。目前各類室內(nèi)定位方案大多基于某種技術并且專精于特定的應用場景，而固定資產(chǎn)管理是一種包含多種場景的業(yè)務，基于單一算法的室內(nèi)定位方案很可能會因其固有缺陷導致實際應用中存在業(yè)務覆蓋區(qū)域不完全、覆蓋區(qū)域內(nèi)不同位置定位性能不統(tǒng)一、系統(tǒng)建設成本高昂等問題，因此適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位算法應該考慮組合多種定位算法，合理調(diào)度以揚長避短從而針對固定資產(chǎn)管理業(yè)務中多樣化的場景提供一個性能統(tǒng)一、可避免覆蓋死角、定位業(yè)務容量大且成本相對低的室內(nèi)定位方案。

分析處在室內(nèi)時固定資產(chǎn)的狀態(tài)屬性可以發(fā)現(xiàn)：從運動狀態(tài)來看，固定資產(chǎn)可以分為移動中和放置中（包含一些位置變動不顯著的情形）；從所處位置來看，可以分為房間內(nèi)和非房間的公共區(qū)域，房間內(nèi)主要代表易于找到且相對封閉的空間，而公共區(qū)域則主要代表走廊、大堂等相對開放的區(qū)域。因此可以先通過劃分網(wǎng)格的方式將這兩類空間分為兩類不同的網(wǎng)格，通過判斷資產(chǎn)標簽所處網(wǎng)格類型可以得知其所處空間類型，進一步判斷所處網(wǎng)格名稱可以得知其大致位置；接下來針對放置（靜止）狀態(tài)的資產(chǎn)標簽，因其可以持續(xù)、穩(wěn)定的收發(fā)信號，故能夠收集到較多較為可靠的接收信號強度標識（RSSI）數(shù)值，意味著此時采用RSSI 定位法能夠?qū)崿F(xiàn)較好的定位結果；針對運動中的資產(chǎn)標簽，即主要是處在公共區(qū)域且一定時間內(nèi)位置變化顯著的資產(chǎn)標簽，可以直接采用網(wǎng)格定位法進行定位，但是網(wǎng)格定位法精度與網(wǎng)格粒度相關，其他條件相同時很顯然粒度越小所需的網(wǎng)格標簽越多，布設和維護成本越高，因此有必要采用縮小粒度以外且盡量不增加算法整體復雜度的方式來提高網(wǎng)格定位精度，同時，處在運動狀態(tài)時能對運動軌跡進行跟蹤是有較高實用價值的目標，在這樣的約束條件下采用慣性導航模型實現(xiàn)網(wǎng)格內(nèi)部位置估計是一個較好的方案。

由以上分析可以得知適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位算法由三個具體實現(xiàn)定位的子算法與相應的算法調(diào)度部分組成，其流程圖如圖1 所示。

圖1：適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位算法流程圖

3 定位子算法的實現(xiàn)及改進

上一章中已經(jīng)明確了需要用到三個具體實現(xiàn)定位的子算法，那么智能化固定資產(chǎn)管理場景對算法的性能大致上有什么要求呢？

在精度方面，針對固定資產(chǎn)定位時的精度主要影響的是現(xiàn)場查找實物的難易程度，因此能夠?qū)ふ曳秶s小至一兩個文件柜程度的米級精度已經(jīng)夠用。

在定位區(qū)域方面，需要有能力對所有要求覆蓋的區(qū)域提供滿足業(yè)務需求的定位服務。

在定位速度方面，當人工操作發(fā)起對某個資產(chǎn)標簽的定位請求時，獲得定位結果的耗時應該控制在合理范圍內(nèi)，具體來說應該盡量保證在數(shù)秒內(nèi)。當資產(chǎn)標簽上電后初始化自身所處位置時，其獲得可靠位置結果的時間應當遠少于算法判定標簽狀態(tài)異常的閾值。

在算法復雜度方面，與人或有人載具發(fā)起定位時主要目的是導航不同，對固定資產(chǎn)的定位需要持續(xù)進行，而通常情況下需要接受管理的固定資產(chǎn)數(shù)量較多，意味著針對固定資產(chǎn)管理的定位算法其復雜度不應太高以確保在較大的定位服務容量下維持較低的硬件資源開銷。

3.1 RSSI定位子算法的原理及改進

使用無線電波定位的技術中，RSSI 定位是最常見的手段，根據(jù)現(xiàn)有研究，一般使用修正的路徑損耗模型來描述RSSI 與距離的關系且實際應用中通常采用簡化形式，公式如下：

式中，A 為接收節(jié)點距發(fā)射節(jié)點為1m 時收到的信號強度，單位是dBm，RSSI(d)單位為dBm。式中A 和n 對于不同設備和環(huán)境需要分別測試。

室內(nèi)環(huán)境下直接使用公式將RSSI 轉(zhuǎn)換到距離很多時候會有很大的誤差，這是由于室內(nèi)很多時候存在較強的多徑效應或障礙物遮擋造成非視距等干擾要素最終造成同一個位置接收到的RSSI 可能存在較大幅度的波動，因此要根據(jù)需求對其進行一定的改進提高其定位精確度和穩(wěn)定性來滿足固定資產(chǎn)管理業(yè)務的要求。

既然直接使用接收到的RSSI 進行定位會有上述缺陷，那便可以考慮增加一個RSSI 濾波算法以提高最終用于計算距離的RSSI 值的精度。常用的RSSI 濾波算法有均值濾波、中值濾波、高斯濾波、卡爾曼濾波等，復雜的濾波手段通常能夠?qū)崿F(xiàn)更好的精確度，但是首先其計算量較大，其次計算所需的有效RSSI 數(shù)據(jù)量往往更多，這意味著需要更長時間收集RSSI 數(shù)據(jù)?；诠潭ㄙY產(chǎn)管理業(yè)務的要求最終選擇采用均值濾波與中值濾波加權混合的方式進行濾波，各濾波方式所采用的權值由單一濾波方式的殘差Bias 確定，Bias指RSSI 實際測量值與根據(jù)式（1）計算得到的理論值之差，權重ω 取其倒數(shù)，如式（2）所示：

濾波計算公式如式（3）所示：

最終，RSSI 定位算法采用經(jīng)過濾波后得到的RSSI值通過公式（1）計算距離實現(xiàn)定位。

3.2 網(wǎng)格定位子算法的原理及改進

RSSI 定位可以較好的解決實物位置變化不大時的定位需求，但是若實物處于室內(nèi)不同房間中被搬運或從室外搬運至某個房間的運動過程中時因為劇烈的位置變化導致RSSI也會有較大幅度的變化且資產(chǎn)標簽會頻繁切換至不同的網(wǎng)關設備，因此難以收集到足夠數(shù)量的RSSI 數(shù)據(jù)來進行較為準確的定位，此時換一種思路——不采用對物理量的測量方法來確定位置，而是直接通過已知坐標的基點將空間網(wǎng)格化后通過簡單的計算或采用臨近法直接確定待測物體所處網(wǎng)格并以此代表實物所處位置，此時定位精度和RSSI 等物理測量值關系不大，主要取決于網(wǎng)格的粒度，并且通過記錄網(wǎng)格間的切換歷史還能夠?qū)崿F(xiàn)對移動路徑的跟蹤。

網(wǎng)格定位的原理與室外蜂窩網(wǎng)格定位原理相同，均是由一個坐標確定的基站（網(wǎng)格標簽）標記一定范圍的物理空間從而建立一個代表了一定實際空間的虛擬網(wǎng)格，通過大量網(wǎng)格標簽將物理空間全部標記后就完成了定位網(wǎng)格的搭建。定位時，待定位標簽（資產(chǎn)標簽）只需要采用臨近法判斷距離自身最近的網(wǎng)格標簽的信息即可確定自身所處位置。

上述單純的網(wǎng)格定位算法有兩個較大的問題，首先是網(wǎng)格標簽如何布設，也就是說需要明確一個網(wǎng)格標簽標記了多大的物理空間和如何判斷是否進入網(wǎng)格；其次是根據(jù)對固定資產(chǎn)管理要求的分析，定位算法應該要實現(xiàn)米級精度，如果只依靠網(wǎng)格定位算法即代表網(wǎng)格的粒度是一米，這樣的粒度沒有多少實際應用的價值，因此需要改進。

針對網(wǎng)格布設問題，可先通過上一節(jié)設計的RSSI 定位算法收集所使用的網(wǎng)格標簽在室內(nèi)視距情況下距離與RSSI的對應關系從而明確資產(chǎn)標簽通過臨近法判斷進入網(wǎng)格時所依賴的RSSI 閾值。明確了覆蓋范圍與其對應的進入網(wǎng)格判斷閾值后，布設時應盡量確保網(wǎng)格標簽能夠處于視距環(huán)境下，此時也可以考慮適當采用多個網(wǎng)格標簽標記同一塊物理空間的方式以提高臨近法判斷時的可靠性。同時為了避免處在兩個網(wǎng)格交界處的資產(chǎn)標簽頻繁切換所處網(wǎng)格，應當考慮在連續(xù)接收到2-3 個滿足進入新網(wǎng)格的RSSI 閾值時才觸發(fā)網(wǎng)格切換。

針對網(wǎng)格定位精度問題，為在盡量不增加定位算法復雜度的前提下滿足固定資產(chǎn)管理的要求，考慮使用慣性導航模型位置估計的方式進行網(wǎng)格內(nèi)部定位。盡管這種做法實際上是對位置進行推算而不是通過測量確定真實位置，但與網(wǎng)格定位搭配時具有以下優(yōu)點：

（1）不會改變網(wǎng)格定位算法的流程或影響其性能，但可基于慣性導航的原理推測出資產(chǎn)實物在網(wǎng)格內(nèi)部所處位置與運動方向；

（2）慣性導航模型不依賴外部輸入，只依靠時間與初始坐標及速度向量計算物體所處位置，因此不需要額外增加其他硬件設備或?qū)δ硞€物理量的測量；

（3）對固定資產(chǎn)進行慣導模型位置估計不需要考慮其姿態(tài)，因此本質(zhì)上是一個二維環(huán)境下的慣導模型，計算量大大降低；

（4）慣導模型的誤差隨時間積累，即表示在運動速度不變時，網(wǎng)格定位的粒度越小，慣導模型位置估計的精度也越高，從而可以通過合適的粒度與更精確的速度兩方面來確保最終的定位精度滿足要求；

（5）引入慣導模型可以在資產(chǎn)標簽脫落等時提供一個更高效的告警機制并對標簽脫落后資產(chǎn)可能到達的位置給出可供參考的范圍。

由此，采用了慣導模型位置估計后改進的網(wǎng)格定位算法的精度主要取決于網(wǎng)格的粒度與慣導模型進行計算采用的速度（步長），一般情況下，網(wǎng)格的粒度能支持靈活調(diào)整的范圍越大，整個定位算法的適應性越強，在此前提下慣導模型計算采用的步長就成了改進的要點。

那么如何獲得一個更準確的步長值？可以采用步長自適應算法：當資產(chǎn)標簽切換網(wǎng)格時即可根據(jù)資產(chǎn)標簽通過前一個網(wǎng)格的耗時與網(wǎng)格路徑長度計算出此網(wǎng)格內(nèi)的步長，但是直接將此步長應用于下一個網(wǎng)格內(nèi)的位置估計時無法應對步長劇烈變化的情況，因此與RSSI 濾波算法同樣地，考慮使用新舊步長加權的方式確定用于下一個網(wǎng)格內(nèi)位置估計的步長。設V為前一個網(wǎng)格慣導模型位置估計所用步長，V為通過了上一個網(wǎng)格后計算出來的上一個網(wǎng)格內(nèi)的步長，權值ω仍然采用殘差Bias的倒數(shù)，則權值計算如式（4）所示：

最終計算出來用于當前網(wǎng)格慣導模型位置估計的步長V計算如式（5）所示：

這樣一來雖然最終的步長與實際的步長幾乎不會相等，但是可以很大程度上排除掉步長劇烈變化帶來的時間敏感性功能誤觸發(fā)的問題。

4 適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位算法的測試及分析

第三章分析了智能化固定資產(chǎn)管理場景對定位算法的要求，但是在實際應用中對于實現(xiàn)算法的具體技術手段肯定也是有要求的：

（1）因使用有源標簽且目前難以對其采用電池以外的供能方式，故標簽在滿足功能性的前提下應盡量小以便安裝在更多外形的資產(chǎn)上，且其功耗要低以避免需要頻繁更換電池。

（2）需要較好的易用性，容易通過較為通用的終端設備獲得和展示定位結果以降低用戶的學習成本。

（3）需要一定的抗干擾能力，布設的對固定資產(chǎn)進行定位的網(wǎng)絡應盡量不影響到其他數(shù)據(jù)網(wǎng)絡或被其他數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的信號嚴重干擾。

（4）其硬件的布設成本要能夠接受，也就是說需要有一定的性價比。

基于以上條件最終選擇采用低功耗藍牙（BLE）技術來實現(xiàn)適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位算法，相比其他采用無線電波的技術，BLE 具有以下優(yōu)勢：

（1）BLE 芯片和標簽能夠?qū)崿F(xiàn)很低的工作能耗，且成品的BLE 標簽的外形已經(jīng)可以小至直徑5 厘米，可以通過封裝進不同的外殼以安裝到不同的位置。

（2）發(fā)展至今BLE 設備已經(jīng)被廣泛使用，尤其是其在智能手機上的普及使得使用藍牙設備對用戶來說幾乎沒有學習成本。

（3）BLE 采用退避算法傳輸數(shù)據(jù)，與同頻段間其他無線設備的干擾較小。

（4）同樣由于BLE 的高普及率，其硬件成本相對較低且可供選擇的產(chǎn)品種類繁多。

進行測試前，需要先測試所采用的藍牙標簽在公式（1）中的A 和n 的值，在距藍牙標簽1 米視距情況下的正八邊形頂點處各測50 組RSSI 值再將各方向測試結果取均值后再將8 組均值取均值得到最終的A 值約為-53.47，得到A 值后用同樣的方式在距藍牙標簽2 米視距情況下測試得到n 的值約為2.07。

得到兩值后即可通過公式（1）計算某個RSSI 對應的距離，結合位置已知的藍牙網(wǎng)關即可得到待定位標簽位置，同時也能算出特定距離對應的RSSI 值作為網(wǎng)格定位時判斷進入網(wǎng)格的依據(jù)。下面選擇了一個常見的室內(nèi)環(huán)境對此室內(nèi)定位算法進行測試，示例圖見圖2。

圖2：適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位測試示例圖

測試前，藍牙網(wǎng)關及標簽預設條件如下：藍牙網(wǎng)關放置在高度約1 米的木質(zhì)會議桌上，距外側玻璃墻約2 米；網(wǎng)格標簽1、2、3、5 所標記的網(wǎng)格半徑為3 米，對應判定進入網(wǎng)格的信號強度閾值設置為-62dBm，考慮到通道寬度只有2 米，故該值采用略小于根據(jù)公式（1）計算出來的理論值-63.3dBm；網(wǎng)格標簽4 所標記的網(wǎng)格半徑為4 米，判定閾值設置為-65dBm；網(wǎng)格標簽1、2、3 粘貼在高度約1.5米的混凝土墻面上，4 和5 放置在地面，藍牙網(wǎng)關和各網(wǎng)格、資產(chǎn)標簽的廣播間隔均設置為1 秒。測試流程及目的見表1，測試結果和分析見表2。

表1：適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位算法測試流程

表2：適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位算法測試結果

從上述實驗結果可以看出算法整體精度能夠在合理的設備布設時維持在米級或更好的水準，但1 秒的廣播間隔對處在網(wǎng)格定位區(qū)域且移動速度較快的情況來說反應速度不夠理想，不過能夠通過網(wǎng)格的切換及時修正定位方式，不會造成定位失效。另外，在實際使用中類似上圖這樣的公共區(qū)域?qū)挾然蜷L度比房間小且采用的隔斷材料對于信號強度的屏蔽效果較弱時存在導致處于房間網(wǎng)格和公共區(qū)域網(wǎng)格交界附近的標簽所處網(wǎng)格漂移的問題，頻繁的網(wǎng)格切換會導致無法進行可靠的定位，需要合理布設設備與劃分網(wǎng)格。

5 總結

本文設計的適應固定資產(chǎn)管理的室內(nèi)定位算法主要是作為固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)中的一個模塊使用，通過提供資產(chǎn)標簽的位置信息以輔助資產(chǎn)管理系統(tǒng)判斷資產(chǎn)實際位置和賬面記錄是否存在不符并作為修正不符的依據(jù)。算法性能在精度方面能維持米級精度，反應時間可通過調(diào)整藍牙標簽的廣播時間來調(diào)節(jié)以滿足不同重要程度區(qū)域的需求，定位覆蓋范圍可較為容易的通過增減藍牙網(wǎng)關和網(wǎng)格標簽來調(diào)節(jié)，同時算法復雜度不高，在有限的計算資源下理論上具有提供較大容量定位服務的能力。在測試中算法的性能滿足固定資產(chǎn)管理場景的需要且與BLE 設備的兼容性良好，實際應用中能保有后者的優(yōu)點，有較高的實用價值。下一步研究方向：網(wǎng)格切換判定的優(yōu)化與通過實現(xiàn)網(wǎng)格標簽的自組網(wǎng)以減少處于網(wǎng)格交界處附近資產(chǎn)標簽所處網(wǎng)格頻繁切換的可能，同時提高故障恢復能力，降低定位系統(tǒng)布設難度和維護復雜度。