引言

随着城市化的发展，大型建筑如商场、机场、展馆、办公大楼等规模越来越大，人们仅借助传统室内导向标识，难以准确快速到达目的地，迫切需要一种直观、便捷、可靠的数字化室内导航系统来实现路线引导服务。

近些年，在室内导航方面的研究主要关注于定位技术与路径规划两方面。其中定位技术方面涉及WiFi、蓝牙、RFID、超声波定位、UWB等技术在室内场景的应用，各技术功耗、准确率分析及定位算法改进等^[1-3]；路径规划方面涉及路网模型生成、路网优化、寻径算法改进等，如划分室内空间^[4]、引入多层导航网格模型^[5]、室内三维模型^[6]替代传统的二维室内地图。目前，在室内地图绘制方面，一般采用GIS地图制作工具输入，工作繁琐且不易更新^[7]；在导航展示方面，路线以二维平面地图为主^[8]，使用者难以准确地判断室内空间方位。

BIM可描述建筑内部的实际位置^[9]，提取室内3D地图^[10]。借助BIM虚拟漫游技术，可实现室内环境下的三维路径规划^[11]。

本文结合上述研究成果，针对大型场馆中的室内展位、地下停车场等复杂空间，分析BIM在室内导航过程中室内地图绘制、导航交互环节的具体应用，通过蓝牙信标将“人、车、物”连接入网，构建基于BIM的大型场馆室内导航系统，打造导航小程序，提供可视化、便捷的实时导航与模拟导航服务，同时对导航数据进行存储与分析，助力智慧城市建设。

1.   研究背景

1.1   现状分析

把BIM应用于室内导航领域，弥补传统导航方式的不足，一是借助BIM生成室内路网模型，适用于大型场馆特殊的空间环境；二是通过BIM漫游技术实现模拟导航，使导航更具直观性。根据系统需求分析，大型场馆室内导航系统目前应解决以下问题：

(1) 定位技术选择

蓝牙信标具有部署成本低的优势，支持手机或标签定位，水平定位精度可达2m左右，高度方向可实现楼层判断，配有灵活的位置管理服务，可以满足大型场馆室内空间跨度大的特点，且具有后期可扩展性。

(2) 室内地图绘制

不同于室外地图仅涉及道路与建筑信息，室内地图不仅有各楼层建筑信息、地下车位信息，并且包含更多的区域功能信息，如展位数据、楼梯数据、设施数据等。团队以BIM中的IFC文件为室内数据源，对IFC内的几何与语义信息进行提取，完成多层平面路网模型的纵向连接，可实现三维立体化的路网模型构建，实现BIM模型或其它地图数据格式的直接导入。

(3) 导航交互方式

在传统导航方式中多以二维地图形式显示POI信息，路线方位难以辨识，不能准确了解路径及沿途室内空间信息。路线直观性以及室内跨楼层导航存在局限。在导航系统中融合BIM，可实现室内场景三维可视化。通过BIM虚拟漫游提供模拟导航，可查看路径信息、行走过程演示及路径总距离。通过调用实景摄像头提供AR导航，可实现AR实景中动态准确指引路径与行进方向。

(4) 导航规划与分析

不同于常规导航路线的固定性，场馆内部由于业务场景多变，需根据场馆运营情况、展位信息，自定义路网通断。因此，该导航系统需支持更改区域内的路径规划信息。同时需获得全面精准的用户位置数据，记录馆内人员的轨迹数据，用来挖掘、分析、统计场馆展期内情况，实现服务调整和精准营销。

1.2   工程选取

本系统以某国际博览中心场馆为研究对象，参展观众找不到路是场馆目前最大痛点。同时场馆室内高空间、纵向无依附设施的特点也给室内导航带来挑战。

该国际博览中心占地约6 200亩，包括展馆、国际会议中心、洲际酒店等，其中室内场馆面积15万m²，场馆地下停车场面积近15万m²，室外广场展览面积4万m²，如图 1所示，是集会展、科技、文化、商务、休闲、旅游、居住于一体的多功能复合型的国际博览城。

图  1  某国际博览中心实景图

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2.   大型场馆室内导航系统设计

2.1   系统总体架构

基于上述工程概况与现状分析，构建基于BIM的大型场馆室内导航系统。系统总体架构分为四个层面，自底向上层层递进，相互关联，分别为设备层、数据层、支持层和应用层，如图 2所示。

图  2  导航系统总体架构图

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(1) 设备层

设备层由定位信标与用户设备构成，其中定位设备为基站与iBeacon蓝牙信标设备。用户设备为移动终端(手机/PDA)、含蓝牙模块的可穿戴设备等。设备层采集的数据借助蓝牙网络实现设备定位，利用4G/5G网络实现数据通信。

(2) 数据层

数据层用于储存导航系统所需数据，是系统运行后主要的操作对象，可分为基础数据库与业务数据库。主要包括BIM模型、室内地图数据、路网数据、POI等基础数据。用户数据、位置定位数据、路线规划数据等业务数据。

(3) 支撑层

支撑层通过对数据的集成处理，支撑系统功能实现，涉及定位引擎、地图引擎、信标扫描引擎。其中定位引擎确保定位准确性与稳定性，定位方式以iBeacon主动定位为主，该引擎可根据所处环境复杂度选取最优的定位算法进行融合定位。地图引擎可将定位信息映射在对应的室内地图中；信标扫描引擎实现信标主动扫描及算法。

(4) 应用层

应用层根据需求构建功能模块，功能主要分为：地图管理、定位管理、路径规划、后台管理四个模块。通过搭建Web地图实现地图展示、路径规划、POI搜索等，并嵌入进微信小程序实现实时定位、导航功能。

2.2   系统功能架构

系统功能框架从应用层中的地图管理、定位管理、路径规划、后台管理功能四个模块展开，如图 3所示。

图  3  导航系统功能架构图

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主要功能描述如下：

(1) 地图编辑：采集场馆及停车场区域建筑物信息、设施信息绘制路网，建立空间地理信息路网数据库，用于路径规划和交通导航，支持区域内后续新增的地图扩展；

(2) POI管理：制作和编辑场馆内展会地图信息；支持展会主办方快速绘制不同展位、展品通行路径的室内地图；

(3) 地图显示：通过地图引擎、BIM模型，实现全场馆多楼栋统一展示。采用3D向量地图，地图可随前进方向自动旋转；

(4) 设备定位：在室内地下停车场、场馆外的紧邻环道上提供实时、连续的定位服务；

(5) 实时导航：提供观众在导航区域内的人找人、人找车、人找展位中自由行走时的实时精准定位，跨越楼层间的路线导航；

(6) 数据分析：通过分析用户访问系统所产生的位置定位、移动轨迹、POI查询等数据，提供各类分析应用类增值服务。

3.   基于BIM的室内导航系统应用

3.1   实施重难点问题解决

在该导航系统与具体工程应用相结合实施中，存在以下重难点问题：

(1) 车行导航难点：车辆启动整体速度较快，扫描处理iBeacon信息会有一定延迟，从而产生部署跳点、卡顿、延迟等问题。针对以上问题通过硬件部署、技术优化两方面改进。在点位部署方面，停车场点位设计加密处理，通过交叉部署实现用户在整个使用场景内拥有iBeacon信息覆盖。在技术优化方面，利用定位+缓存，在停车场内采用Hash算法提前处理预设的路网信息，采用“加速器+GPS+超前参数扫描”，在信号值偏弱处，采用惯性导航模拟对应路网上的线路，避免出现卡顿和延迟现象；

(2) 导航地图难点：导航时地图层面需要同时实现路径规划、模拟导航、平滑显示等功能，运行时易出现地图加载卡顿。为确保整个项目地图运行不出现卡顿且能清晰展示数据信息，对地图做层级优化处理。在地图绘制中，包含2D、3D地图的处理，提取BIM模型关键信息，将其与2D路网融合，提供一体化的地图显示和导航；

(3) 部署设备难点：基于场馆跨度大、分散、镂空多、不宜吊装的情况，定制输出部署方案，对部署的全部iBeacon蓝牙信标布局进行可视化地图展示，点位图如图 4~图 5所示，总计8 759件蓝牙信标，覆盖场馆690 913m²。定制符合场馆使用的地沟板件(如图 6所示)，不破坏原样确保功能实现。

图  4  某博览中心F1点位图

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图  5  某博览中心F2点位图

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图  6  室内外地沟部署图

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3.2   BIM技术在导航系统中的应用

(1) 基于BIM的会展三维信息模型

将BIM的树状空间结构与多层级展位空间相结合，针对本项目特点，设置多层级展位空间编码标准，部分编码如表 1所示。

表  1  多层级展位空间编码

编码	模型构件	编码	模型构件
10-10	建筑	10-10.20	场地
10-10.10	建筑构件	10-10.20.01	道路
10-10.01.01	建筑墙	10-10.20.02	停车场
10-10.01.01.01	内墙	10-10.20.02.01	停车场照明

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基于IFC标准对BIM模型空间结构进行拆分、组合，实现结构化布展数据与展区多层级实体三维模型的自动关联，形成具备会展管理属性的三维信息模型，如图 7所示。

图  7  会展三维信息模型

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(2) 基于BIM轻量化的一体化集成管理

对建筑、会展和临时设施设备等信息通过三角面片优化存储、模型渲染优化技术等技术实现轻量化，采用Three.JS实现对临时设施的增加、移动、编辑和删除等功能，建立轻量化的任务执行平台。

运维人员在后台登陆地图管理模块，可以更新地图信息、增加POI点位等，实现地图端交互式的场地临时设施布置与一体化集成管理，如图 8所示。

图  8  编辑路网界面

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3.3   系统应用功能

(1) 三维地图展示

采用3D向量地图，室内地图支持多楼层显示、支持360°三维立体旋转、缩放，如图 9所示。当用户登陆系统微信小程序，开启蓝牙，进入地图导航界面后，可查看各楼层建筑模型情况。

图  9  室内停车场三维地图

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(2) 跨楼层室内导航

支持跨楼层的动态路径规划和连续导航。路线规划起点与终点不在同一楼层时，提供电梯、扶梯、楼梯等方式的智能选择，并且支持电梯、扶梯、楼梯的多次换乘，以满足某些电梯不能一次到达的特殊楼层，如图 10所示。

图  10  跨楼层路线导航

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(3) 模拟导航

当用户输入起点和终点后，后台根据路网规划为用户匹配最优路径、显示距离、步行所需时间等信息，如图 11所示。用户点击模拟导航按钮，小程序会模拟用户步行路径，沉浸式漫游展示完整导航路径，达到更好的路径交互效果。

图  11  路线模拟导航

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(4) 可视化后台管理

场馆室内展位地图与地下停车场地图是有效实现精确导航的核心点，运维人员登陆后台后，可以更新地图信息、增加POI点位、更新绘制地图展位，如图 12所示。

图  12  后台POI管理

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3.4   系统应用价值——数据分析

基于BIM的大型场馆室内导航系统对数据进行采集、存储与分析，制定数据驱动的业务决策，打造智慧场馆。将用户访问系统所产生的位置定位数据、移动轨迹数据、路线规划数据、POI查询数据存储在业务数据库。从用户、管理方与场馆内部等维度，进行数据匹配、分析与挖掘，支持决策，对用户行为进行指引。

(1) 基于定位数据的人员分布统计

统计场馆内所有定位设备位置数据，可得人员时间和空间分布情况，通过在地图上对色块不同着色表示数据的大小，绘制场馆人员热力图。了解不同区域热力值，可得出较受欢迎区域，为客流分析提供数据支持。

(2) 基于移动轨迹数据的交通监测

统计移动轨迹数据，可清晰查看场馆内人员、车辆的停留时间、移动情况。在展览期间，动态统计场馆范围内的人员与车辆移动状况，对人车流进行自动统计，动态显示流动路线以及流动趋势。第一时间监测交通拥塞情况，及时采取引导措施缓解场馆内外区域拥堵。

(3) 基于实时导航数据的路线规划优化

分析实时导航数据改进路线，降本增效。一方面，在地图上实时显示拥堵情况，在导航行进过程中可重新规划路线，使用户能够获得最优路线选择，降低通行时间成本；另一方面，通过规划算法使路径优先经过有展位区域，吸引更多到访人数，提高展会展览效益。

(4) 基于数据智能分析的精准营销

通过导航数据分析实现精准营销。对用户导航目标展位、POI查询数据、各展位停留时间统计分析，可以得到各展位人气指数、受众用户情况，为未来展位招展、广告服务开展提供新的思路，实现精准营销。

以某次展览中某场馆用户导航数据为例，分析其具体应用价值，如图 13所示。通过定位数据生成场馆内人员热力图，可知场馆东侧人员较西侧人员分布多，北侧人员较南侧人员分布多。探究其原因，展会入口位于东侧区域，大量用户在入口停留时间长，往西侧行走意愿较低，因此可在入口处加强西侧展位宣传，在导航界面推荐西侧展位信息，提高展位访客量。通过区域访客排行，可知F2保利展位人流量较大，该区域广告价值较高。除此之外，从用户历史POI查询记录可实现用户画像分析。综上，基于BIM的大型场馆室内导航系统能够有效提高场馆效益。

图  13  场馆人气区域访客热力图

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4.   结论

本文介绍基于BIM的大型场馆室内导航系统，结合某国际博览中心具体工程，实现三维地图展示、跨楼层室内导航、模拟导航、可视化后台管理、数据分析等功能，以满足人们在大型复杂场馆室内的导航需求。

在该导航系统中充分利用并发挥了BIM价值，BIM模型中包含丰富信息，可从多维度对导航系统提供有力的信息支撑。借助场馆原有BIM模型，提供直观的建筑信息、展位数据、设施数据等，减少室内地图绘制工作。应用BIM虚拟漫游技术，生成仿真模拟导航动画，使导航更具可视性。利用导航系统数据进行数据分析与挖掘，服务于场馆运营，制定数据驱动的业务决策，打造智慧场馆。

进一步研究可考虑在导航系统中增加其它模块丰富功能，如紧急情况下的逃生路径规划。拓宽使用场景，衍生适用医院、机场等场所的室内导航系统。再进一步，随着智慧城市、城市信息模型(CIM)等概念提出，基于BIM、GIS的智慧城市导航应用也将是今后的发展方向，将定位导航技术与其它场景结合应用，例如定位模块与通讯技术相结合，针对突发性情况将位置通知到安保人员，实现工作人员在线管理、智慧巡检等应用。对重点区域进行管理，将定位标签与资产设备相绑定，实现设备资产定位管理，向室内室外跨场景、跨区域联合定位方向发展，实现智慧园区、智慧城市的建设。