手機(jī)室內(nèi)定位的應(yīng)用與服務(wù)

張立斌，余彥培

(1.北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司 信息技術(shù)部，北京 100083；2.北京智慧圖科技有限責(zé)任公司 定位研發(fā)部，北京 100094)

1 引言

大數(shù)據(jù)與智慧地球時(shí)代的到來正從方方面面改變著人們的生活，而空間數(shù)據(jù)正是開啟這個(gè)時(shí)代的重要基石。我國(guó)手機(jī)用戶已達(dá)10億，與位置服務(wù)相關(guān)的用戶數(shù)量已超過5億，發(fā)展迅猛。誰占領(lǐng)了手機(jī)用戶的室內(nèi)定位市場(chǎng)，誰就將成為未來位置服務(wù)中的王者。為此，蘋果、谷歌、摩托羅拉、博通、思科、西門子、Aruba等國(guó)際巨頭圍繞手機(jī)室內(nèi)定位展開了激勵(lì)競(jìng)爭(zhēng)。

人們80%以上的時(shí)間處于室內(nèi)環(huán)境，隨著社會(huì)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，大型建筑的日益增多，室內(nèi)位置服務(wù)的需求正不斷增加。商業(yè)及個(gè)人位置服務(wù)、時(shí)空大數(shù)據(jù)挖掘、應(yīng)急救援、安全監(jiān)控、大型場(chǎng)館管理、特殊人群監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域都需要使用準(zhǔn)確的室內(nèi)定位信息，特別是在應(yīng)對(duì)緊急疏散等應(yīng)急場(chǎng)景時(shí)，室內(nèi)定位信息更是顯得尤為重要[1-2]。隨著室內(nèi)位置服務(wù)的需求日益迫切，位置服務(wù)正開始由室外導(dǎo)航向室內(nèi)外無縫導(dǎo)航進(jìn)行轉(zhuǎn)變[3]。

目前的手機(jī)室內(nèi)定位技術(shù)主要依托手機(jī)上的通信系統(tǒng)，如無線保真(wireless fidelity，WiFi)與藍(lán)牙等。機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)等為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)位置服務(wù)，進(jìn)行了WiFi與藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，一方面通過手機(jī)客戶端(application，APP)向用戶提供與位置相關(guān)的位置服務(wù)，一方面自己統(tǒng)計(jì)客流情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化自身的商業(yè)業(yè)態(tài)，為客戶提供更好的服務(wù)。

本文首先介紹了室內(nèi)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)的架構(gòu)體系，然后介紹了目前手機(jī)定位的幾種常用模式，給出了對(duì)比分析，最后以商場(chǎng)及機(jī)場(chǎng)為例，給出了手機(jī)室內(nèi)定位的典型應(yīng)用。

2 室內(nèi)位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)

室內(nèi)位置服務(wù)平臺(tái)基于空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與服務(wù)，平臺(tái)主要包括四個(gè)層面：感知層、數(shù)據(jù)層、處理層、服務(wù)層，如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

2.1 感知層

主要包括定位數(shù)據(jù)感知設(shè)備及其他數(shù)據(jù)感知設(shè)備。定位數(shù)據(jù)感知設(shè)備包括如WiFi、藍(lán)牙、基站、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)及全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)等可用于定位的傳感器；其他數(shù)據(jù)感知設(shè)備包括國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)(Internet)、銷售點(diǎn)情報(bào)管理系統(tǒng)(point of sales，POS)、移動(dòng)通信基站等感知用戶、商戶、消費(fèi)等信息的手段。

2.2 數(shù)據(jù)層

主要包括由感知層獲取的位置信息、地理信息、商戶信息、消費(fèi)信息、用戶信息等多業(yè)態(tài)信息，構(gòu)成大數(shù)據(jù)融合服務(wù)的基礎(chǔ)。

2.3 處理層

主要利用關(guān)聯(lián)規(guī)則、決策樹、智能學(xué)習(xí)、聚類分析等方法，對(duì)多業(yè)態(tài)信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，分析各信息的內(nèi)在關(guān)系，為用戶按需提供個(gè)性化服務(wù)與精準(zhǔn)推送。

2.4 服務(wù)層

利用大數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果進(jìn)行商業(yè)引導(dǎo)、精準(zhǔn)廣告、公共安全、應(yīng)急救援等應(yīng)用。用戶通過手機(jī)、公共電子屏方式等獲取服務(wù)信息。

3 手機(jī)室內(nèi)定位技術(shù)

常用室內(nèi)定位包括基站、WiFi、藍(lán)牙、射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)、超寬帶(ultra wide band，UWB)、偽衛(wèi)星等定位方案，其中手機(jī)能應(yīng)用的為高精度的WiFi與藍(lán)牙定位，以及低精度的基站定位這三種方式。

基站室內(nèi)定位精度差，誤差通常在100 m量級(jí)。本文主要介紹室內(nèi)精確定位方案。目前室內(nèi)對(duì)手機(jī)精確定位主要采用WiFi定位與藍(lán)牙iBeacon定位兩種方式。其中WiFi定位可進(jìn)行終端側(cè)定位與網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位，iBeacon目前只能采用終端側(cè)定位模式。WiFi定位常用指紋定位技術(shù)[4-5]，iBeacon節(jié)點(diǎn)密度高，則可采用幾何關(guān)系求解技術(shù)[6]。

3.1 WiFi網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位

WiFi網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位可適用于所有手機(jī)用戶，常用于統(tǒng)計(jì)分析，也可用于精度與實(shí)時(shí)性要求較低的終端導(dǎo)航定位應(yīng)用。該模式由WiFi網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)接入點(diǎn)(access point，AP)檢測(cè)打開WiFi的手機(jī)設(shè)備，通過多個(gè)AP對(duì)同一手機(jī)探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)手機(jī)進(jìn)行定位。該模式定位精度一般在5～8 m，系統(tǒng)延時(shí)2～5 s。萬達(dá)廣場(chǎng)、西單大悅城、首都機(jī)場(chǎng)等都建立了此類定位系統(tǒng)。

3.2 WiFi終端側(cè)定位

WiFi終端側(cè)定位系統(tǒng)由手機(jī)探測(cè)WiFi網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)行定位。該方式定位精度可達(dá)3～5 m，定位延時(shí)1 s以內(nèi)。但由于iOS系統(tǒng)不支持APP獲取WiFi的相關(guān)信息，因此該種方式能適用于安卓手機(jī)，但不能用于iPhone手機(jī)，成為制約該方式應(yīng)用的主要瓶頸。目前，我國(guó)的“尋鹿(安卓版)”采用了該定位方式，覆蓋了商場(chǎng)上百家，并在聯(lián)想等手機(jī)上進(jìn)行預(yù)裝，開發(fā)者可調(diào)用“尋鹿”的SDK，獲取位置信息提供各類服務(wù)。

3.3 iBeacon終端側(cè)定位

iBeacon是蘋果公司制定的專用于藍(lán)牙定位的一種協(xié)議技術(shù)，安卓系統(tǒng)也兼容了該技術(shù)。iPhone 4S以上且采用iOS7以上系統(tǒng)的iPhone用戶、具有藍(lán)牙4.0以上硬件及安卓4.3以上系統(tǒng)的安卓用戶均可采用該方式定位。iBeacon價(jià)格便宜，可以6～10 m的間距進(jìn)行高密度部署，定位精度2～3 m，定位延時(shí)1 s以內(nèi)。我國(guó)的“尋鹿”、“廣發(fā)easy go”等APP在部分商場(chǎng)開始采用了該模式定位。

上述三種定位解決方案的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 定位方案對(duì)比

4 室內(nèi)位置服務(wù)典型應(yīng)用

4.1 商業(yè)廣場(chǎng)的在線離線/線上到線下應(yīng)用

4.1.1 在線離線/線上到線下模式對(duì)位置信息的需求

在線離線/線上到線下模式(online to offline，O2O)行業(yè)被普遍認(rèn)為是下一個(gè)萬億元規(guī)模的市場(chǎng)[7]。商業(yè)廣場(chǎng)受電子商戶沖擊極大，智能商場(chǎng)的變革已勢(shì)在必行。統(tǒng)計(jì)表明，2012年和2013年互聯(lián)網(wǎng)所產(chǎn)生的流量等于自互聯(lián)網(wǎng)誕生以來一直到2011年所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量總和。互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)，而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)據(jù)的暴漲，網(wǎng)絡(luò)中心體現(xiàn)去中心化，大數(shù)據(jù)促進(jìn)了信息融合和產(chǎn)業(yè)跨界結(jié)合，大數(shù)據(jù)引發(fā)更多新業(yè)態(tài)出現(xiàn)。因此需要利用多業(yè)態(tài)大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而位置信息正是其中的核心信息，在數(shù)據(jù)精準(zhǔn)推送、個(gè)人導(dǎo)航與地圖查詢、消費(fèi)行為模式分析等方面都必不可少，是聯(lián)系用戶與商家的重要紐帶。

依靠新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與空間數(shù)據(jù)結(jié)合，發(fā)展出多業(yè)態(tài)的融合服務(wù)，將為用戶創(chuàng)造前所未有的購物體驗(yàn)，為傳統(tǒng)商業(yè)提供商業(yè)智能(business intelligence，BI)分析，實(shí)現(xiàn)線上線下的有效互動(dòng)。就用戶而言，空間數(shù)據(jù)信息可以讓用戶在商場(chǎng)中不再迷茫，準(zhǔn)確的位置、地圖與電商信息將把用戶與其最適合的商品輕松的串聯(lián)在一起；而就商場(chǎng)而言，空間數(shù)據(jù)將閉合現(xiàn)有商業(yè)BI分析中的最后一環(huán)，徹底打通空間位置、消費(fèi)及會(huì)員信息的三大線下數(shù)據(jù)的交叉分析渠道，為商場(chǎng)決策提供最準(zhǔn)確的支持，使商場(chǎng)能與用戶之間碰撞出更精彩的火花。

4.1.2 商場(chǎng)位置服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為解決上述問題，多家商場(chǎng)均建設(shè)了WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 商場(chǎng)室內(nèi)位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在該系統(tǒng)中，商場(chǎng)部署WiFi網(wǎng)絡(luò)，由AP探測(cè)手機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度，將其上報(bào)至接入控制器(access controller，AC)。AC將匯聚的AP探測(cè)信息交互至本地位置控制器(location controller，LC)，由LC進(jìn)行協(xié)議解析，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)定位信息報(bào)文，LC將定位信息報(bào)文發(fā)送給定位服務(wù)器(positioning server，PS)，PS進(jìn)行位置解算后將位置信息用于提供服務(wù)，并存入數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

除WiFi定位網(wǎng)絡(luò)外，很多商場(chǎng)開始建設(shè)iBeacon定位系統(tǒng)，在商場(chǎng)安裝iBeacon節(jié)點(diǎn)，為手機(jī)提供更精確的定位服務(wù)。iBeacon定位系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求相對(duì)較低，節(jié)點(diǎn)部署好之后有手機(jī)APP通過系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口獲取手機(jī)檢測(cè)的iBeacon信號(hào)強(qiáng)度，之后通過通信網(wǎng)將信息回傳到LC，由LC進(jìn)行定位，再將定位結(jié)果回傳給手機(jī)。

4.1.3 大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用

通過位置信息，可獲得商場(chǎng)客流統(tǒng)計(jì)情況，生成報(bào)表系統(tǒng)功能如表2所示。

表2 商場(chǎng)位置報(bào)表功能

通過表2中的統(tǒng)計(jì)信息，商場(chǎng)可以掌握用戶的消費(fèi)習(xí)慣，對(duì)商場(chǎng)的業(yè)態(tài)進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整，同時(shí)對(duì)用戶進(jìn)行個(gè)性化的推送。

該系統(tǒng)還具有可視化的服務(wù)界面，可以查看不同時(shí)段的客流熱度圖(見圖3)以及實(shí)時(shí)位置分布圖(見圖4)等。

圖3 商場(chǎng)熱度統(tǒng)計(jì)

圖4 商場(chǎng)實(shí)時(shí)位置分布圖

4.1.4 手機(jī)客戶端應(yīng)用

在用戶端，則通過APP向用戶提供一體化的服務(wù)。APP通過地圖與位置信息，將商場(chǎng)的一系列服務(wù)串聯(lián)起來，典型功能包括：

看地圖：查詢地圖，搜索興趣點(diǎn)；

定位導(dǎo)航：用戶對(duì)自己進(jìn)行定位，并獲取導(dǎo)航路線；

反向?qū)ぼ嚕涸谕＼嚭笥涗涀约旱耐＼囄恢?，離開商場(chǎng)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航，準(zhǔn)確尋找自己的車位；

優(yōu)惠推送：根據(jù)位置信息與大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)得到的客戶偏好就行優(yōu)惠信息推送；

商品查詢：查詢商品相關(guān)信息。利用位置信息可將距離較近的商品列表放在前面，便于查找；

移動(dòng)支付：基于位置進(jìn)行手機(jī)支護(hù)，將位置信息與顧客需要付款的店鋪綁定，可使用戶更加便捷付款；

會(huì)員卡：顧客在辦理會(huì)員卡時(shí)可在手機(jī)上一鍵操作，然后APP根據(jù)顧客的定位信息，自動(dòng)接入所在店鋪的會(huì)員系統(tǒng)。

4.2 機(jī)場(chǎng)應(yīng)用

4.2.1 機(jī)場(chǎng)對(duì)位置信息的需求

近年來，我國(guó)民航事業(yè)取得了巨大發(fā)展，航空成為人們出行的重要途徑。而客流量的快速增長(zhǎng)也對(duì)機(jī)場(chǎng)的現(xiàn)代化管理與服務(wù)提出了巨大挑戰(zhàn)[8-9]。以首都機(jī)場(chǎng)為例子，北京首都機(jī)場(chǎng)已發(fā)展成為國(guó)際第二大機(jī)場(chǎng)，每天1600架次航班進(jìn)出港，每天進(jìn)出的社會(huì)車輛有10余萬輛、場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行的車輛近3 700輛，每天進(jìn)出首都機(jī)場(chǎng)旅客以及接送人員將近36萬、在航站區(qū)服務(wù)的人員接近3萬，15萬行李輸送[10]。機(jī)場(chǎng)面積巨大，顧客對(duì)時(shí)空信息極為關(guān)注。登記口在哪里，自己的位置在哪里，到登機(jī)口需要多久，安檢區(qū)排隊(duì)大概要多少時(shí)間，是否可能延誤航班等都是旅客最關(guān)心的信息，而位置信息系統(tǒng)是則是解決上述問題的關(guān)鍵所在。

機(jī)場(chǎng)是我國(guó)對(duì)外的重要門戶。目前以首都機(jī)場(chǎng)為代表的一批我國(guó)重要機(jī)場(chǎng)已經(jīng)建成了機(jī)場(chǎng)信息系統(tǒng)，并在不斷優(yōu)化該系統(tǒng)。地理位置服務(wù)系統(tǒng)作為機(jī)場(chǎng)信息系統(tǒng)的重要一環(huán)，是當(dāng)前機(jī)場(chǎng)的建設(shè)重點(diǎn)。目前首都機(jī)場(chǎng)的“機(jī)場(chǎng)小助手”APP已經(jīng)具有定位導(dǎo)航能力，上海機(jī)場(chǎng)也已完成機(jī)場(chǎng)地理信息系統(tǒng)的建設(shè)，各大機(jī)場(chǎng)的位置服務(wù)系統(tǒng)正在穩(wěn)步推進(jìn)。

4.2.2 位置服務(wù)在機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用

機(jī)場(chǎng)定位采用WiFi與iBeacon兩套定位網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)方案與商場(chǎng)定位系統(tǒng)的技術(shù)方案相同。在應(yīng)用方面，機(jī)場(chǎng)也有與商場(chǎng)類似的商業(yè)店鋪，因此也提供與上一節(jié)中商場(chǎng)中應(yīng)用相同的一些服務(wù)，如大數(shù)據(jù)分析中的客流、新增客戶、駐留時(shí)間、用戶偏好、店鋪關(guān)聯(lián)等統(tǒng)計(jì)，以及APP中看地圖、定位導(dǎo)航、反向?qū)ぼ?、?yōu)惠推送、移動(dòng)支付等功能。

機(jī)場(chǎng)應(yīng)用中的還有一些機(jī)場(chǎng)的特有功能。如在數(shù)據(jù)分析方法，機(jī)場(chǎng)通過通過WiFi網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位系統(tǒng)，可獲得安檢區(qū)與租出車區(qū)域的駐留時(shí)間，根據(jù)駐留時(shí)間可估計(jì)出當(dāng)前排隊(duì)狀態(tài)，可為用戶提供更好的服務(wù)。對(duì)于乘坐航班的用戶，知道安全區(qū)的大致通過時(shí)間后，可在機(jī)場(chǎng)進(jìn)行購物或餐飲，選擇一個(gè)合適的時(shí)間前去安檢。對(duì)于航班抵達(dá)的用戶，則可查看當(dāng)前出租車的排隊(duì)時(shí)間，決定是該選擇坐出租還是其它交通工具。安檢區(qū)分時(shí)段駐留情況示意圖如圖5所示：

圖5 機(jī)場(chǎng)安檢駐留時(shí)間

在APP應(yīng)用方面，機(jī)場(chǎng)目可將航班信息、位置信息及其他信息集成在一起，進(jìn)行個(gè)性化推送服務(wù)。例如：

用戶的航班在14：00起飛，在12：00到達(dá)了機(jī)場(chǎng)，則可計(jì)算出用戶在去安檢之前還有1 h的空余時(shí)間，而當(dāng)前正處在午飯時(shí)間，則可基于位置信息推送一些合適的餐飲信息。

系統(tǒng)根據(jù)航班信息知道用戶將在莫時(shí)刻到底某地，結(jié)合氣象信息，發(fā)現(xiàn)到達(dá)時(shí)當(dāng)?shù)貙⑻幱诒┯昊蚩崾畹葼顟B(tài)，則可結(jié)合位置與地圖，向用戶推薦相應(yīng)的防雨、防暑的商品。

5 總結(jié)

隨著智能手機(jī)的普及，圍繞手機(jī)的移動(dòng)互聯(lián)服務(wù)正形成一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)鏈。而智能手機(jī)上的WiFi及藍(lán)牙模塊的普及，使得手機(jī)室內(nèi)定位具備了推廣條件。2013年以來，我國(guó)開始迎來了室內(nèi)定位系統(tǒng)建設(shè)的快速推廣期，首都機(jī)場(chǎng)、萬達(dá)廣場(chǎng)、龍湖地產(chǎn)等大型公共建筑紛紛建設(shè)了自己的室內(nèi)定位系統(tǒng)，并持續(xù)優(yōu)化。基于室內(nèi)位置信息的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、終端應(yīng)用將O2O等商業(yè)模式推向了一個(gè)新的高度。本文介紹了手機(jī)室內(nèi)定位的現(xiàn)有方案，并以商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)為例介紹了室內(nèi)定位的典型應(yīng)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，室內(nèi)定位將逐步在各個(gè)方面滲透進(jìn)人們的日常生活。

[1] DENG Zhong-liang，YU Yan-pei，YUAN Xie，et al.Situation and Development Tendency of Indoor Positioning [J].China Communications，2013，10(3)：42-55.

[2] 趙銳，鐘榜，朱祖禮，等.室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)用綜述[J].電子科技，2014(3)：154-157.

[3] 吳曉恩.科技部在北京郵電大學(xué)成功舉行《室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航白皮書》新聞發(fā)布會(huì)[J].教育與職業(yè)，2013(31)：120.

[4] XU Yu-bin，DENG Zhian，MA Lin.WLAN Indoor Positioning Algorithm Based on KDDA and SVR[J].Journal of Electronics & Information Technology，2011，33(4)：876-901.

[5] 姜莉.基于WiFi室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2010：14-19.

[6] 智慧圖.室內(nèi)定位技術(shù)解密[EB/OL].(2014-03-01)[2014-09-24].http：//www.doc88.com/p-2089817513638.html.

[7] 黃淵普.2013年O2O行業(yè)五大盤點(diǎn)[EB/OL].(2013-12-24)[2014-09-24].http：//it.sohu.com/20131224/n392334139.shtml

[8] 李濤.大型樞紐機(jī)場(chǎng)多源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)融合方法研究[J].軟件，2014，35(3)：103-104.

[9] 丁立虎，王治.GIS在機(jī)場(chǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J].江蘇航空，2007(3)，18-20.

[10] 張立斌，劉文龍.機(jī)場(chǎng)空間信息服務(wù)平臺(tái)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)科技縱橫，2014(188)：29-31.