手机室内定位的应用与服务

张立斌，余彦培

(1.北京首都国际机场股份有限公司 信息技术部，北京 100083；2.北京智慧图科技有限责任公司 定位研发部，北京 100094)

1 引言

大数据与智慧地球时代的到来正从方方面面改变着人们的生活，而空间数据正是开启这个时代的重要基石。我国手机用户已达10亿，与位置服务相关的用户数量已超过5亿，发展迅猛。谁占领了手机用户的室内定位市场，谁就将成为未来位置服务中的王者。为此，苹果、谷歌、摩托罗拉、博通、思科、西门子、Aruba等国际巨头围绕手机室内定位展开了激励竞争。

人们80%以上的时间处于室内环境，随着社会现代化建设的不断发展，大型建筑的日益增多，室内位置服务的需求正不断增加。商业及个人位置服务、时空大数据挖掘、应急救援、安全监控、大型场馆管理、特殊人群监护等领域都需要使用准确的室内定位信息，特别是在应对紧急疏散等应急场景时，室内定位信息更是显得尤为重要[1-2]。随着室内位置服务的需求日益迫切，位置服务正开始由室外导航向室内外无缝导航进行转变[3]。

目前的手机室内定位技术主要依托手机上的通信系统，如无线保真(wireless fidelity，WiFi)与蓝牙等。机场、商场等为实现室内位置服务，进行了WiFi与蓝牙网络建设，一方面通过手机客户端(application，APP)向用户提供与位置相关的位置服务，一方面自己统计客流情况，进行数据分析，优化自身的商业业态，为客户提供更好的服务。

本文首先介绍了室内位置服务应用平台的架构体系，然后介绍了目前手机定位的几种常用模式，给出了对比分析，最后以商场及机场为例，给出了手机室内定位的典型应用。

2 室内位置服务应用平台架构

室内位置服务平台基于空间数据信息进行数据分析与服务，平台主要包括四个层面：感知层、数据层、处理层、服务层，如图1所示。

图1 总体架构

2.1 感知层

主要包括定位数据感知设备及其他数据感知设备。定位数据感知设备包括如WiFi、蓝牙、基站、北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)及全球定位系统(global positioning system，GPS)等可用于定位的传感器；其他数据感知设备包括国际互联网(Internet)、销售点情报管理系统(point of sales，POS)、移动通信基站等感知用户、商户、消费等信息的手段。

2.2 数据层

主要包括由感知层获取的位置信息、地理信息、商户信息、消费信息、用户信息等多业态信息，构成大数据融合服务的基础。

2.3 处理层

主要利用关联规则、决策树、智能学习、聚类分析等方法，对多业态信息进行大数据挖掘，分析各信息的内在关系，为用户按需提供个性化服务与精准推送。

2.4 服务层

利用大数据挖掘的结果进行商业引导、精准广告、公共安全、应急救援等应用。用户通过手机、公共电子屏方式等获取服务信息。

3 手机室内定位技术

常用室内定位包括基站、WiFi、蓝牙、射频识别(radio frequency identification，RFID)、超宽带(ultra wide band，UWB)、伪卫星等定位方案，其中手机能应用的为高精度的WiFi与蓝牙定位，以及低精度的基站定位这三种方式。

基站室内定位精度差，误差通常在100 m量级。本文主要介绍室内精确定位方案。目前室内对手机精确定位主要采用WiFi定位与蓝牙iBeacon定位两种方式。其中WiFi定位可进行终端侧定位与网络侧定位，iBeacon目前只能采用终端侧定位模式。WiFi定位常用指纹定位技术[4-5]，iBeacon节点密度高，则可采用几何关系求解技术[6]。

3.1 WiFi网络侧定位

WiFi网络侧定位可适用于所有手机用户，常用于统计分析，也可用于精度与实时性要求较低的终端导航定位应用。该模式由WiFi网络中的各个接入点(access point，AP)检测打开WiFi的手机设备，通过多个AP对同一手机探测到的信号强度，对手机进行定位。该模式定位精度一般在5～8 m，系统延时2～5 s。万达广场、西单大悦城、首都机场等都建立了此类定位系统。

3.2 WiFi终端侧定位

WiFi终端侧定位系统由手机探测WiFi网络中的多个AP的信号强度，进行定位。该方式定位精度可达3～5 m，定位延时1 s以内。但由于iOS系统不支持APP获取WiFi的相关信息，因此该种方式能适用于安卓手机，但不能用于iPhone手机，成为制约该方式应用的主要瓶颈。目前，我国的“寻鹿(安卓版)”采用了该定位方式，覆盖了商场上百家，并在联想等手机上进行预装，开发者可调用“寻鹿”的SDK，获取位置信息提供各类服务。

3.3 iBeacon终端侧定位

iBeacon是苹果公司制定的专用于蓝牙定位的一种协议技术，安卓系统也兼容了该技术。iPhone 4S以上且采用iOS7以上系统的iPhone用户、具有蓝牙4.0以上硬件及安卓4.3以上系统的安卓用户均可采用该方式定位。iBeacon价格便宜，可以6～10 m的间距进行高密度部署，定位精度2～3 m，定位延时1 s以内。我国的“寻鹿”、“广发easy go”等APP在部分商场开始采用了该模式定位。

上述三种定位解决方案的特点对比如表1所示。

表1 定位方案对比

4 室内位置服务典型应用

4.1 商业广场的在线离线/线上到线下应用

4.1.1 在线离线/线上到线下模式对位置信息的需求

在线离线/线上到线下模式(online to offline，O2O)行业被普遍认为是下一个万亿元规模的市场[7]。商业广场受电子商户冲击极大，智能商场的变革已势在必行。统计表明，2012年和2013年互联网所产生的流量等于自互联网诞生以来一直到2011年所产生的数据量总和。互联网产生了大数据，而移动互联网和物联网进一步推动数据的暴涨，网络中心体现去中心化，大数据促进了信息融合和产业跨界结合，大数据引发更多新业态出现。因此需要利用多业态大数据挖掘技术推动相关产业的发展，而位置信息正是其中的核心信息，在数据精准推送、个人导航与地图查询、消费行为模式分析等方面都必不可少，是联系用户与商家的重要纽带。

依靠新的互联网技术与空间数据结合，发展出多业态的融合服务，将为用户创造前所未有的购物体验，为传统商业提供商业智能(business intelligence，BI)分析，实现线上线下的有效互动。就用户而言，空间数据信息可以让用户在商场中不再迷茫，准确的位置、地图与电商信息将把用户与其最适合的商品轻松的串联在一起；而就商场而言，空间数据将闭合现有商业BI分析中的最后一环，彻底打通空间位置、消费及会员信息的三大线下数据的交叉分析渠道，为商场决策提供最准确的支持，使商场能与用户之间碰撞出更精彩的火花。

4.1.2 商场位置服务系统网络架构

为解决上述问题，多家商场均建设了WiFi室内定位系统，网络结构如图2所示。

图2 商场室内位置服务网络架构

在该系统中，商场部署WiFi网络，由AP探测手机的信号强度，将其上报至接入控制器(access controller，AC)。AC将汇聚的AP探测信息交互至本地位置控制器(location controller，LC)，由LC进行协议解析，转换为标准定位信息报文，LC将定位信息报文发送给定位服务器(positioning server，PS)，PS进行位置解算后将位置信息用于提供服务，并存入数据库，进行大数据分析。

除WiFi定位网络外，很多商场开始建设iBeacon定位系统，在商场安装iBeacon节点，为手机提供更精确的定位服务。iBeacon定位系统对网络要求相对较低，节点部署好之后有手机APP通过系统的标准接口获取手机检测的iBeacon信号强度，之后通过通信网将信息回传到LC，由LC进行定位，再将定位结果回传给手机。

4.1.3 大数据统计应用

通过位置信息，可获得商场客流统计情况，生成报表系统功能如表2所示。

表2 商场位置报表功能

通过表2中的统计信息，商场可以掌握用户的消费习惯，对商场的业态进行针对性的调整，同时对用户进行个性化的推送。

该系统还具有可视化的服务界面，可以查看不同时段的客流热度图(见图3)以及实时位置分布图(见图4)等。

图3 商场热度统计

图4 商场实时位置分布图

4.1.4 手机客户端应用

在用户端，则通过APP向用户提供一体化的服务。APP通过地图与位置信息，将商场的一系列服务串联起来，典型功能包括：

看地图：查询地图，搜索兴趣点；

定位导航：用户对自己进行定位，并获取导航路线；

反向寻车：在停车后记录自己的停车位置，离开商场时进行导航，准确寻找自己的车位；

优惠推送：根据位置信息与大数据分析平台得到的客户偏好就行优惠信息推送；

商品查询：查询商品相关信息。利用位置信息可将距离较近的商品列表放在前面，便于查找；

移动支付：基于位置进行手机支护，将位置信息与顾客需要付款的店铺绑定，可使用户更加便捷付款；

会员卡：顾客在办理会员卡时可在手机上一键操作，然后APP根据顾客的定位信息，自动接入所在店铺的会员系统。

4.2 机场应用

4.2.1 机场对位置信息的需求

近年来，我国民航事业取得了巨大发展，航空成为人们出行的重要途径。而客流量的快速增长也对机场的现代化管理与服务提出了巨大挑战[8-9]。以首都机场为例子，北京首都机场已发展成为国际第二大机场，每天1600架次航班进出港，每天进出的社会车辆有10余万辆、场内运行的车辆近3 700辆，每天进出首都机场旅客以及接送人员将近36万、在航站区服务的人员接近3万，15万行李输送[10]。机场面积巨大，顾客对时空信息极为关注。登记口在哪里，自己的位置在哪里，到登机口需要多久，安检区排队大概要多少时间，是否可能延误航班等都是旅客最关心的信息，而位置信息系统是则是解决上述问题的关键所在。

机场是我国对外的重要门户。目前以首都机场为代表的一批我国重要机场已经建成了机场信息系统，并在不断优化该系统。地理位置服务系统作为机场信息系统的重要一环，是当前机场的建设重点。目前首都机场的“机场小助手”APP已经具有定位导航能力，上海机场也已完成机场地理信息系统的建设，各大机场的位置服务系统正在稳步推进。

4.2.2 位置服务在机场的应用

机场定位采用WiFi与iBeacon两套定位网络，其技术方案与商场定位系统的技术方案相同。在应用方面，机场也有与商场类似的商业店铺，因此也提供与上一节中商场中应用相同的一些服务，如大数据分析中的客流、新增客户、驻留时间、用户偏好、店铺关联等统计，以及APP中看地图、定位导航、反向寻车、优惠推送、移动支付等功能。

机场应用中的还有一些机场的特有功能。如在数据分析方法，机场通过通过WiFi网络侧定位系统，可获得安检区与租出车区域的驻留时间，根据驻留时间可估计出当前排队状态，可为用户提供更好的服务。对于乘坐航班的用户，知道安全区的大致通过时间后，可在机场进行购物或餐饮，选择一个合适的时间前去安检。对于航班抵达的用户，则可查看当前出租车的排队时间，决定是该选择坐出租还是其它交通工具。安检区分时段驻留情况示意图如图5所示：

图5 机场安检驻留时间

在APP应用方面，机场目可将航班信息、位置信息及其他信息集成在一起，进行个性化推送服务。例如：

用户的航班在14：00起飞，在12：00到达了机场，则可计算出用户在去安检之前还有1 h的空余时间，而当前正处在午饭时间，则可基于位置信息推送一些合适的餐饮信息。

系统根据航班信息知道用户将在莫时刻到底某地，结合气象信息，发现到达时当地将处于暴雨或酷暑等状态，则可结合位置与地图，向用户推荐相应的防雨、防暑的商品。

5 总结

随着智能手机的普及，围绕手机的移动互联服务正形成一个巨大的产业链。而智能手机上的WiFi及蓝牙模块的普及，使得手机室内定位具备了推广条件。2013年以来，我国开始迎来了室内定位系统建设的快速推广期，首都机场、万达广场、龙湖地产等大型公共建筑纷纷建设了自己的室内定位系统，并持续优化。基于室内位置信息的大数据统计、终端应用将O2O等商业模式推向了一个新的高度。本文介绍了手机室内定位的现有方案，并以商场、机场为例介绍了室内定位的典型应用。随着互联网的发展，室内定位将逐步在各个方面渗透进人们的日常生活。

[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.

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[3] 吴晓恩.科技部在北京邮电大学成功举行《室内外高精度定位导航白皮书》新闻发布会[J].教育与职业，2013(31)：120.

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[5] 姜莉.基于WiFi室内定位关键技术的研究[D].大连：大连理工大学，2010：14-19.

[6] 智慧图.室内定位技术解密[EB/OL].(2014-03-01)[2014-09-24].http：//www.doc88.com/p-2089817513638.html.

[7] 黄渊普.2013年O2O行业五大盘点[EB/OL].(2013-12-24)[2014-09-24].http：//it.sohu.com/20131224/n392334139.shtml

[8] 李涛.大型枢纽机场多源业务数据与空间数据融合方法研究[J].软件，2014，35(3)：103-104.

[9] 丁立虎，王治.GIS在机场规划中的应用研究[J].江苏航空，2007(3)，18-20.

[10] 张立斌，刘文龙.机场空间信息服务平台研究与应用[J].中国科技纵横，2014(188)：29-31.