室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

毛科禹， 陳桂兵

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083;2.江蘇易圖地理科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，室內(nèi)定位已成為位置服務(wù)研究領(lǐng)域和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。國(guó)務(wù)院、科技部、工信部下發(fā)的多項(xiàng)指導(dǎo)政策中，均提出要大力推動(dòng)室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。如今，停車場(chǎng)、商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所的定位和導(dǎo)航需求日趨清晰，智慧醫(yī)療、智慧養(yǎng)老、智慧工業(yè)、精準(zhǔn)營(yíng)銷等領(lǐng)域?qū)κ覂?nèi)定位的需求也日益增加。藍(lán)牙、WiFi、RFID、UWB等室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)，在大型復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中得到了一定應(yīng)用。然而，受制于定位精度、成本、室內(nèi)空間環(huán)境復(fù)雜等因素，室內(nèi)定位技術(shù)尚未普及應(yīng)用[1]。本文將在分析主流室內(nèi)定位技術(shù)基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)室內(nèi)定位技術(shù)在相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與功能特點(diǎn)，對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用的下一步發(fā)展方向作分析、展望。

1 室內(nèi)定位常用技術(shù)及其特點(diǎn)

室內(nèi)定位系統(tǒng)是通過(guò)無(wú)線電波、磁場(chǎng)、聲波或其他移動(dòng)設(shè)備傳感器信息等來(lái)確定建筑物內(nèi)人員、物體位置信息的系統(tǒng)[2]。按照傳輸信號(hào)不同，室內(nèi)定位技術(shù)可以分為WiFi、藍(lán)牙、RFID、ZigBee、超寬帶、磁場(chǎng)、紅外線、超聲波、偽衛(wèi)星、慣導(dǎo)等多種定位方式[3]。按照定位機(jī)制不同，室內(nèi)定位技術(shù)可以分為基于臨近信息、場(chǎng)景分析和幾何定位3個(gè)不同類別[4]。然而，各類室內(nèi)定位技術(shù)的定位精度、成本和適用范圍各有差異，尚未形成一套能夠在各領(lǐng)域普適應(yīng)用的技術(shù)方法。目前，主流的室內(nèi)定位技術(shù)根據(jù)其原理不同存在不同優(yōu)缺點(diǎn)(表1)。

紅外線和超聲波室內(nèi)定位技術(shù)是室內(nèi)定位領(lǐng)域早期的發(fā)展成果，當(dāng)下應(yīng)用并不廣泛。RFID具有高精度、低成本、非接觸性的優(yōu)勢(shì)，在非接觸性交互領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。ZigBee作為一項(xiàng)短距離無(wú)線通訊技術(shù)，在室內(nèi)定位領(lǐng)域的運(yùn)用主要體現(xiàn)在家庭安防領(lǐng)域[6]。單純的地磁場(chǎng)定位受室內(nèi)空間布局影響較大[7]，多與其他技術(shù)混合使用。偽衛(wèi)星因其高額成本，目前主要在軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用。

A-GPS室內(nèi)定位技術(shù)將衛(wèi)星定位與運(yùn)營(yíng)商基站定位相結(jié)合，但由于精度較低，依賴基站密度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位[8]。WiFi、藍(lán)牙因其相對(duì)低廉的成本和較好的定位精度，且與智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備有極好的兼容性，被廣泛應(yīng)用于大型商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)的室內(nèi)導(dǎo)航、廣告推介等領(lǐng)域[9]。慣性導(dǎo)航技術(shù)與室內(nèi)地圖相結(jié)合，在火災(zāi)、地震等安全應(yīng)急救援領(lǐng)域有較為廣闊的應(yīng)用前景，但存在累計(jì)誤差，不適宜長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用[10]。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)的定位精度最高，但由于其布置及運(yùn)營(yíng)成本較高，只應(yīng)用于貴重物品保管、重要人員監(jiān)控等工業(yè)領(lǐng)域[11]。光跟蹤室內(nèi)定位技術(shù)[12]近幾年研究成果顯著，在燈光遍布的室內(nèi)有極大的應(yīng)用前景，但是需要長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)手機(jī)攝像頭。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)(優(yōu)缺點(diǎn))對(duì)比

2 室內(nèi)定位技術(shù)主要應(yīng)用方向

室內(nèi)定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)領(lǐng)域。從其功能來(lái)看，總體可分為室內(nèi)定位跟蹤、室內(nèi)路徑導(dǎo)航、室內(nèi)導(dǎo)覽講解、室內(nèi)商業(yè)推介、室內(nèi)行為模式分析5個(gè)主要方面。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，主要涉及和大型建筑物(如機(jī)場(chǎng)、博物館、醫(yī)院、商場(chǎng)、停車場(chǎng)等)有關(guān)的商業(yè)、交通、旅游、醫(yī)療、教育、消防安全等領(lǐng)域。

2.1 室內(nèi)定位跟蹤

室內(nèi)定位跟蹤是通過(guò)各類傳感器對(duì)室內(nèi)空間中人員、設(shè)施設(shè)備和物品的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)的技術(shù)，目前應(yīng)用地最為廣泛。如倉(cāng)儲(chǔ)物流布置，利用室內(nèi)跟蹤技術(shù)，管理人員能夠掌握物流人員位置，控制物流進(jìn)程，高效配置人員。倉(cāng)儲(chǔ)管理信息化建設(shè)已成為倉(cāng)儲(chǔ)物流未來(lái)的發(fā)展方向。又如在醫(yī)療護(hù)理監(jiān)控領(lǐng)域，特殊病患監(jiān)控和醫(yī)療器械保管方面的應(yīng)用：杭州市紅十字會(huì)醫(yī)院利用CSS技術(shù)設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用于醫(yī)院室內(nèi)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)患者、醫(yī)療人員和醫(yī)療器械的定位，對(duì)患者看護(hù)和醫(yī)療器械保管起到了積極作用[13]。深圳市寶安人民醫(yī)院提出了基于超寬帶位置服務(wù)的患者體征監(jiān)測(cè)技術(shù)[14]。在公共安全防控領(lǐng)域，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外許多監(jiān)獄中得到了一定程度應(yīng)用，通過(guò)給服刑人員佩戴防拆手環(huán)，可隨時(shí)查看被定位人員的實(shí)時(shí)位置，實(shí)現(xiàn)了高效監(jiān)管。

2.2 室內(nèi)路徑導(dǎo)航

室內(nèi)定位被廣泛應(yīng)用于大型商場(chǎng)、超市，顧客可快速尋找購(gòu)物、娛樂(lè)場(chǎng)所和所需商品。國(guó)內(nèi)智慧圖科技、真趣信息、華策光通信，國(guó)外的WIFISLAM、Sensewhere都針對(duì)室內(nèi)定位導(dǎo)航提供了不同實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)急救援方面，室內(nèi)定位廣泛應(yīng)用于地震、火災(zāi)等應(yīng)急救援人員的路徑導(dǎo)航。利用室內(nèi)定位技術(shù)可有效解決濃煙遮蔽視線問(wèn)題，為救援人員提供準(zhǔn)確、科學(xué)的救援路線。山東大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于MEMS的單兵消防室內(nèi)定位系統(tǒng)[15]，浙江省嘉興市消防支隊(duì)聯(lián)合中國(guó)航天科工二院二六所通過(guò)對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)在應(yīng)急消防領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究，研發(fā)了集群定位指揮系統(tǒng)，極大提高了救援效率和救援安全性[16]。目前，一部分圖書館的室內(nèi)導(dǎo)航僅將室內(nèi)定位與室內(nèi)地圖進(jìn)行疊加，提供用戶最基礎(chǔ)的導(dǎo)航尋書功能。而臺(tái)中科技大學(xué)通過(guò)No Donkey E-learning(NODE)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在圖書館室內(nèi)的定位導(dǎo)航。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將用戶的實(shí)際位置、閱讀路徑、圖書介紹與用戶的評(píng)論結(jié)合起來(lái)，為用戶獲取主題相關(guān)的書籍提供了高效幫助[17]。

2.3 室內(nèi)導(dǎo)覽講解

室內(nèi)定位技術(shù)正快速應(yīng)用于博物館等室內(nèi)旅游景點(diǎn)的室內(nèi)導(dǎo)覽講解服務(wù)。移動(dòng)終端導(dǎo)游講解在國(guó)內(nèi)許多博物館已經(jīng)有了一定程度的運(yùn)用。目前應(yīng)用較為廣泛的方法是在展臺(tái)處布置傳感器。當(dāng)傳感器得到游客靠近的信號(hào)時(shí)，配套的導(dǎo)覽設(shè)備自動(dòng)播放錄音。在旅游路徑分析方面，可通過(guò)記錄分析游客游覽數(shù)據(jù)得到最佳游覽路線。Yoshimura等于2014年根據(jù)從盧浮宮獲取的游客參觀軌跡數(shù)據(jù),分析得到了游客參觀重合最多的路徑軌跡,并認(rèn)為連接這一路徑是參觀完盧浮宮所有展品的最佳路徑[18]。

2.4 商業(yè)推介

商業(yè)推介是指用戶使用室內(nèi)定位服務(wù)的過(guò)程中，商家可以通過(guò)智能分析用戶之前的消費(fèi)記錄，對(duì)不同樓層、不同位置的用戶進(jìn)行個(gè)性化廣告推送的服務(wù)。這在給用戶精致、個(gè)性化的購(gòu)物體驗(yàn)的同時(shí)，還能有效減少一部分廣告費(fèi)用。國(guó)外很早就將室內(nèi)定位技術(shù)與商業(yè)推介相結(jié)合。例如美國(guó)梅西百貨在店內(nèi)部署iBeacon傳感器，顧客在經(jīng)過(guò)不同樓層、不同商鋪時(shí)會(huì)接收到不同產(chǎn)品推薦信息[19]。目前國(guó)內(nèi)北京市西單大悅城的“智慧beacon飛項(xiàng)目”是由騰訊微信支付、騰訊地圖與室內(nèi)定位技術(shù)服務(wù)提供商智慧圖聯(lián)手合作，搭建的互動(dòng)營(yíng)銷及微信智慧運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)快速定位支付、虛擬購(gòu)物、娛樂(lè)互動(dòng)等功能，開(kāi)創(chuàng)了一種新型的購(gòu)物體驗(yàn)。

2.5 室內(nèi)行人模式分析

通過(guò)室內(nèi)定位傳感器對(duì)用戶的行進(jìn)路線及在不同位置的逗留時(shí)間進(jìn)行記錄和分析，是目前室內(nèi)行人模式分析主要的應(yīng)用方式之一。商家通過(guò)室內(nèi)定位系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)得出不同客戶的消費(fèi)特征，并對(duì)其進(jìn)行整合分析應(yīng)用于商業(yè)大數(shù)據(jù)。通過(guò)分析某大型商場(chǎng)人流高峰值的位置數(shù)據(jù)可視化地圖,對(duì)比進(jìn)入商鋪的人群分布和未進(jìn)入商鋪的人群分布，研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的顧客行為習(xí)慣有顯著差異[20]。

3 室內(nèi)定位應(yīng)用發(fā)展

國(guó)內(nèi)室內(nèi)定位應(yīng)用領(lǐng)域還不廣泛，很多還仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚難以平衡成本與定位質(zhì)量之間的關(guān)系。但是隨著室內(nèi)定位技術(shù)在定位精度和效率上的提升以及成本的不斷降低，室內(nèi)定位應(yīng)用將進(jìn)一步得到普及，并朝著多領(lǐng)域應(yīng)用和多技術(shù)融合方向發(fā)展。

3.1 面向多領(lǐng)域應(yīng)用拓展

室內(nèi)定位技術(shù)經(jīng)過(guò)多年持續(xù)發(fā)展，目前已在商業(yè)、旅游、交通等一些領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但是應(yīng)用范圍仍然有限，進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)展機(jī)器人、礦業(yè)、醫(yī)療等各種特定領(lǐng)域的應(yīng)用，將是未來(lái)室內(nèi)定位發(fā)展的重要方向。如地下礦場(chǎng)利用人員室內(nèi)定位開(kāi)展應(yīng)急救援應(yīng)用，但是對(duì)地下礦場(chǎng)人員安全日常監(jiān)控與防控還缺乏更深入應(yīng)用。更好發(fā)揮室內(nèi)定位技術(shù)作用無(wú)疑是一個(gè)新的研究方向。不僅如此，教育行業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)等都存在著大量涉及室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用空間。

3.2 室內(nèi)定位技術(shù)融合應(yīng)用

現(xiàn)階段，已經(jīng)研制的眾多室內(nèi)定位系統(tǒng)，彼此相互獨(dú)立、自成體系，難以形成大范圍、普適性的應(yīng)用推廣，需要發(fā)展不同類型、不同精度室內(nèi)定位技術(shù)的融合應(yīng)用。解決融合問(wèn)題的關(guān)鍵是形成跨技術(shù)、跨設(shè)備、跨平臺(tái)的時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一，并以實(shí)際應(yīng)用需求為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多精度、跨區(qū)域的定位資源整合與集成服務(wù)。如結(jié)合智能手機(jī)WiFi、藍(lán)牙、慣導(dǎo)等傳感器，實(shí)現(xiàn)幾種室內(nèi)定位技術(shù)的融合應(yīng)用，可進(jìn)一步提高室內(nèi)定位系統(tǒng)的自適應(yīng)性與穩(wěn)定性，給用戶更加優(yōu)質(zhì)的使用體驗(yàn)。

3.3 室內(nèi)外一體化定位應(yīng)用

室內(nèi)定位技術(shù)旨在解決現(xiàn)有衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS、北斗等)無(wú)法實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)部定位的問(wèn)題，有助于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外連續(xù)無(wú)縫的定位與導(dǎo)航服務(wù)。我國(guó)啟動(dòng)的“羲和計(jì)劃”已開(kāi)展了廣域室內(nèi)外精確定位與導(dǎo)航技術(shù)研究，并以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，融合了廣域?qū)崟r(shí)精密定位和室內(nèi)定位等技術(shù)，初步建立了城市室內(nèi)外融合定位應(yīng)用系統(tǒng)。未來(lái)結(jié)合新一代5G通訊技術(shù)的室內(nèi)外一體化導(dǎo)航定位應(yīng)用必將成為應(yīng)用發(fā)展的主流方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人、可穿戴設(shè)備的深入發(fā)展和應(yīng)用，室內(nèi)定位技術(shù)及其應(yīng)用必然是新一代信息技術(shù)革命中必不可少的環(huán)節(jié)。但是室內(nèi)定位技術(shù)與室外定位技術(shù)相比較，一方面存在技術(shù)復(fù)雜多樣、穩(wěn)定性與精度各異、成本與質(zhì)量沖突等問(wèn)題，另一方面還需要內(nèi)容多元、更新頻繁的室內(nèi)空間模型與地圖的支持，關(guān)鍵技術(shù)研究上需要建立大范圍室內(nèi)地圖快速采集、更新，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外二、三維地圖一體化表達(dá)；結(jié)合國(guó)家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，整合技術(shù)與設(shè)施資源，建立多樣化室內(nèi)外定位技術(shù)融合體系；挖掘各特定領(lǐng)域應(yīng)用需求，以室內(nèi)定位技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位與綜合導(dǎo)航。