地质博物馆室内三维高精度智能导览系统的优化研究

近年来，随着人们对旅游、文化、科技等领域的需求不断增加，室内展馆作为一种重要的旅游资源和文化载体，受到了越来越多的关注和欢迎。室内展馆通常具有丰富的展品和信息，涵盖了各种领域的知识和内容，为游客提供了一种视觉、听觉、触觉等多方面的体验和享受。然而，室内展馆展馆的空间复杂、环境复杂、人流量大、导览服务不足等，给游客的导览和参观带来了一定的困难和不便。为了解决这些问题，提高游客的导览质量和效率，提升游客的满意度和忠诚度，室内导航定位技术作为一种有效的技术手段，受到了越来越多的研究和应用。

本项目在已完成的桂林理工大学地质博物馆智能导览系统的基础上，从定位精度优化、游客体验优化和后台管理优化的视角开展本项的研究，以期达到以下的研究目的：

1、探索UWB技术在复杂空间布局的室内场景下应用的技术可行性和有效性。UWB作为一种新的微观尺度的定位技术，与GPS和北斗等大尺度的定位技术不同，能够实现三维空间的厘米级定位精度，然而针对室内的游客导览的应用十分有限，本项目通过在桂林理工大学地址博物馆的产品实验，探索和检验UWB技术在具有复杂空间结构的室内定位应用场景的可行性和有效性，为其他相关的智慧旅游的定位技术的拓展应用提供借鉴。

2、为博物馆管理人员的决策提供参考依据。通过与博物馆管理人员深度访谈和已有文献的研究成果，基于智能导览系统的游客时空行为大数据的分析和挖掘，设计和开发博物馆智能导览系统，能够深度解析和捕捉游客的行为偏好，为博物馆的管理和展品的空间布局等决策提供参考。

3、优化室内博物馆智能导览系统游客体验。服务质量对于旅游业具有“生命线”意义, 是目的地提升形象和声誉, 保持竞争力和获得成功的重要因素, 因此,如何优化用户的体验感对博物馆的发展具有重要意义。

项目组前期以桂林理工大学地质博物馆，基于UWB三维高精度的定位技术，以博物馆一楼大厅和恐龙馆为研究案例地，根据博物馆的空间布局和网络通讯条件，部署完成定位基站定位设备，实现了设备之间的计算机通讯功能，开发博物馆智能导览系统前端APP的智能导览功能，同步开发了后台的定位引擎的基本定位信息的调用功能，目前基本实现了博物馆智能导览系统的硬件部署、网络通信和软件基本功能的开发。

本项目拟在已开发完成的地址博物馆三维高精度智能导览系统的基础上，针对定位精度、管理方需求和游客体验方面，对博物馆智能导览系统开展优化的研究，主要的研究内容如下：

1、系统定位精度的优化研究

由于博物馆内部展品和空间布局使得博物馆不是一个高度联通的空间，从而导致各个基站的覆盖范围和相互之间通讯质量受到较大影响，因此，已部署完成的博物馆智能导览系统的定位引擎的定位与实际的位置之间存在偏差。定位引擎的定位所导致的误差，使得游客没有到达相应的展品位置就开始进行语音导览的解说词播报，或者游客已经离开了所观赏的展品，并未结束离开展品的解说词的播放，极大地降低了游客的体验效果。为了进一步提高智能导览系统的定位准确度，拟通过以上方式开展博物馆系统定位效果优化的研究：

（1）硬件调试

UWB基站已在博物馆内安装，如何调整基站使得定位效果最优化，再对基站参数等进行再次配置，确保精度。

（2）软件补偿

配置好硬件后，通过对定位系统定位数据进行反复测试，于实地坐标进行比对，将数据纪录后通过软件再次对定位数据进行修正，弥补差值。

（3）进行压力测试

通过测试定位系统在大流量、有遮挡、多标签存在的预设情况进行测试并记录数据，观察定位系统的偏差值并进行相应的优化，保证各种复杂场景下系统的精准定位。

2、智能导览系统的游客体验优化研究

目前博物馆智能导览系统部署基本完成。由于UWB定位技术首次用于室内博物馆的场景下，基于UWB技术的室内三维空间智能导览是否能够满足游客的需求没有任何已有的经验可以借鉴，因此需要从产品的感知易用性、感知有用性、拟人化、个性化等方面开展游客体验优化的研究。

（1）游客体验影响因素的调研

项目组征集博物馆智能导览系统的使用志愿者，到地质博物馆亲自体验智能导览系统。然后与志愿开展20分钟以上的深度访谈，基于深度访谈的内容，利用扎根理论进行开放性编码、选择性编码和主轴编码，从系统的感知易用性、感知有用性、个性化和拟人化方面构建博物馆智能导览系统使用意愿和使用行为的概念模型。

根据博物馆智能导览系统使用意愿和使用行为的概念模型，设计调查问卷，通过现场发放和旅游管理专业的本科生的现场认知实习等方式，收集影响游客博物馆智能导览系统的预调研问卷。通过对预调研问卷的信效度分析，调整问卷的题项，进行正式问卷的发放，根据博物馆参观人群的人口特征分布比例，收集用于游客体验影响因素分析的正式调查问卷。

（2）个性化和拟人化导览系统功能的优化

根据调查问卷的统计分析结果，归纳总结影响游客使用博物馆智能导览系统的决定性因素，分析目前系统存在的主要问题，从游客的视角，基于产品经理的思维，对博物馆智能导览系统的功能进行市场需求的设计与优化，满足游客对于智能导览系统在个性化和拟人化方面的需求。

（3）智能导览系统APP交互界面的优化研究

通过与游客深度访谈方式、后台管理系统的游客行为进行时空行为大数据分析和挖掘技术，分析和挖掘游客对APP界面的颜色搭配、模块空间布局、使用便利性、模块化、组件化、系统响应速度、界面交互的科学性等方面的需求，通过项目头脑风暴和专家咨询的方式对智能导览系统APP的交互界面进行优化，提高游客对于系统使用的满意度。

3、地址博物馆后台管理模块设计与优化研究

通过查阅有关博物馆导览系统的游客时空行为的文献以及与博物馆的管理人员进行深度访谈，从游客停留时间、游客关注热点展品、游客游览的空间轨迹、游客的游览高峰期和波谷期等维度，基于Python开发语言和Vue框架设计和开发满足管理方需求的后台管理模块，利用Pycharts的接口进行游客时空行为的大数据分析和挖掘，实现博物馆管理人员的实际需求。

室内导航与定位系统是指在不同室内环境中应用多种技术的组合完成对事物的定位、跟踪以及导航的技术。伴随物联网技术的逐步成熟，人员与物体在经济行为、个人活动以及军事等领域的定位服务需求日益增大。室内导航定位技术是指在室内环境中，通过各种传感器和算法，实现对目标对象的位置和方向的测量和显示的技术。室内导航定位技术是物联网技术的重要组成部分，也是智能导览系统的核心技术，具有广泛的应用场景和价值，如商场、机场、博物馆、医院、工厂等。室内导航定位技术的研究和发展经历了几个阶段，主要包括以下几种技术：

1、基于无线局域网(WLAN)的室内导航定位技术

这种技术是最早的室内导航定位技术，利用已有的 WLAN 基础设施，通过测量无线信号的强度或者到达时间，计算目标对象的位置。这种技术的优点是成本低，覆盖范围广，部署方便，但是缺点是精度低，易受环境干扰，稳定性差，通常只能达到几米到十几米的定位精度。如由Microsoft公司开发的RADAR室内定位系统, 在空旷的室内环境中可达到2～5m的精度。

2、基于蓝牙(Bluetooth)的室内导航定位技术

这种技术是近年来较为流行的室内导航定位技术，利用蓝牙低功耗(BLE)技术，通过部署一定量的蓝牙信标(Beacon)，通过测量蓝牙信号的强度或者到达时间，计算目标对象的位置。2016年发布的蓝牙5.0协议将为实现高精度室内定位提供技术支持。这种技术的优点是功耗低，兼容性好，支持的设备多，但是缺点是精度不高，易受环境干扰，稳定性不够，通常只能达到一米到几米的定位精度。

3、基于红外(Infrared)的室内导航定位技术

这种技术是一种较为传统的室内导航定位技术，利用红外发射器和接收器，通过测量红外信号的强度或者到达时间，计算目标对象的位置。红外线发射器携带轻便, 但是红外线穿透力差, 不能穿透固体墙壁, 它们只能提供房间级的位置传感功能。

4、基于超宽带(UWB)的室内导航定位技术

这种技术是一种新兴的室内导航定位技术，利用 UWB 信号，通过测量 UWB 信号的到达时间或者到达角度，计算目标对象的位置。这种技术的优点是发射能量小，时间分辨率很高、具有抗干扰能力强、穿透力强、功耗低和定位精度高，但是缺点是成本较高，标准不统一，通常可以达到几厘米到几十厘米的定位精度。

  综上所述，现有室内定位技术很难满足博物馆复杂场景下的需求， 基于 UWB 技术实现博物馆室内三维空间高精度定位、 设计博物馆智能导览系统， 具有技术和市场优势。在技术上，UWB 具有精度高、 覆盖范围大、安全性高、穿透性强、抗干扰性强、辐射低等优势；在市场上，随着更多手机品牌集成 UWB 模块，会大幅降低其价格，从而实现UWB 在C端市场的普及，为设计基于移动手机UWB 定位技术的智能导览系统奠定基础。

1、首次将 UWB 技术应用于室内展馆的导览服务领域

利用 UWB 技术在室内导航定位方面的高精度、抗干扰、有效距离远、系统容量大等优势，为室内展馆的导览服务提供了一种新的技术方案和选择，为室内导航定位技术的研究和应用提供了一种新的应用场景和案例。

2、本项目的研究为提升博物馆智能导览系统的设计和开发提供新的视角

设计了一套智能导览系统的架构和模块，包括 UWB 基站、UWB 标签、智能手机、导览应用程序、数据管理平台、数据分析平台等，实现了对室内展馆的定位导航、信息互动、数据管理等功能，为游客提供了一种创新、互动、智慧的导览方式，为博物馆提供了一种数据化、智能化的导览服务和营销方案，提高了室内展馆的导览质量和效率，有利于提升游客的满意度和忠诚度，增加展馆的运营效率和社会效益。

技术路线如图4所示：

拟解决的问题：

1、解决定位系统误差，能够精确获取用户位置信息和行动轨迹；

2、搭建小程序，用户可通过小程序获取优质讲解服务；

3、满足用户需求，解决前期调研及运行中收到的用户需求；

4、优化用户体验，为用户提供更优质的服务。

预期成果：

智慧导览系统以移动终端设备 （手机或平板）为操作环境，通讯网络和小程序为技术平台。游客手持终端通过现场UWB设备获取位置信息，通过高速无线通讯网络将位置信息传递给导览系统。导览系统通过解析位置信息为游客提供有针对性的讲解服务，包括文字、语言、图片或视频，同时游客还可以利用终端上的小程序进行游览路线设计、公共信息查询、记录和分享旅游感受等操作。导览系统一方面为游客提供有效的导览信息，另一方面它会记录游客的游览轨迹，分析游客的游览心得，从而进一步精化线路设计，优化展览设置，以提高游客的满意度。

进度安排如表1所示：

                                                                                              表1 进度计划表