手機室內定位的應用與服務

張立斌，余彥培

(1.北京首都國際機場股份有限公司 信息技術部，北京 100083；2.北京智慧圖科技有限責任公司 定位研發部，北京 100094)

1 引言

大數據與智慧地球時代的到來正從方方面面改變著人們的生活，而空間數據正是開啟這個時代的重要基石。我國手機用戶已達10億，與位置服務相關的用戶數量已超過5億，發展迅猛。誰占領了手機用戶的室內定位市場，誰就將成為未來位置服務中的王者。為此，蘋果、谷歌、摩托羅拉、博通、思科、西門子、Aruba等國際巨頭圍繞手機室內定位展開了激勵競爭。

人們80%以上的時間處于室內環境，隨著社會現代化建設的不斷發展，大型建筑的日益增多，室內位置服務的需求正不斷增加。商業及個人位置服務、時空大數據挖掘、應急救援、安全監控、大型場館管理、特殊人群監護等領域都需要使用準確的室內定位信息，特別是在應對緊急疏散等應急場景時，室內定位信息更是顯得尤為重要[1-2]。隨著室內位置服務的需求日益迫切，位置服務正開始由室外導航向室內外無縫導航進行轉變[3]。

目前的手機室內定位技術主要依托手機上的通信系統，如無線保真(wireless fidelity，WiFi)與藍牙等。機場、商場等為實現室內位置服務，進行了WiFi與藍牙網絡建設，一方面通過手機客戶端(application，APP)向用戶提供與位置相關的位置服務，一方面自己統計客流情況，進行數據分析，優化自身的商業業態，為客戶提供更好的服務。

本文首先介紹了室內位置服務應用平臺的架構體系，然后介紹了目前手機定位的幾種常用模式，給出了對比分析，最后以商場及機場為例，給出了手機室內定位的典型應用。

2 室內位置服務應用平臺架構

室內位置服務平臺基于空間數據信息進行數據分析與服務，平臺主要包括四個層面：感知層、數據層、處理層、服務層，如圖1所示。

圖1 總體架構

2.1 感知層

主要包括定位數據感知設備及其他數據感知設備。定位數據感知設備包括如WiFi、藍牙、基站、北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)及全球定位系統(global positioning system，GPS)等可用于定位的傳感器；其他數據感知設備包括國際互聯網(Internet)、銷售點情報管理系統(point of sales，POS)、移動通信基站等感知用戶、商戶、消費等信息的手段。

2.2 數據層

主要包括由感知層獲取的位置信息、地理信息、商戶信息、消費信息、用戶信息等多業態信息，構成大數據融合服務的基礎。

2.3 處理層

主要利用關聯規則、決策樹、智能學習、聚類分析等方法，對多業態信息進行大數據挖掘，分析各信息的內在關系，為用戶按需提供個性化服務與精準推送。

2.4 服務層

利用大數據挖掘的結果進行商業引導、精準廣告、公共安全、應急救援等應用。用戶通過手機、公共電子屏方式等獲取服務信息。

3 手機室內定位技術

常用室內定位包括基站、WiFi、藍牙、射頻識別(radio frequency identification，RFID)、超寬帶(ultra wide band，UWB)、偽衛星等定位方案，其中手機能應用的為高精度的WiFi與藍牙定位，以及低精度的基站定位這三種方式。

基站室內定位精度差，誤差通常在100 m量級。本文主要介紹室內精確定位方案。目前室內對手機精確定位主要采用WiFi定位與藍牙iBeacon定位兩種方式。其中WiFi定位可進行終端側定位與網絡側定位，iBeacon目前只能采用終端側定位模式。WiFi定位常用指紋定位技術[4-5]，iBeacon節點密度高，則可采用幾何關系求解技術[6]。

3.1 WiFi網絡側定位

WiFi網絡側定位可適用于所有手機用戶，常用于統計分析，也可用于精度與實時性要求較低的終端導航定位應用。該模式由WiFi網絡中的各個接入點(access point，AP)檢測打開WiFi的手機設備，通過多個AP對同一手機探測到的信號強度，對手機進行定位。該模式定位精度一般在5～8 m，系統延時2～5 s。萬達廣場、西單大悅城、首都機場等都建立了此類定位系統。

3.2 WiFi終端側定位

WiFi終端側定位系統由手機探測WiFi網絡中的多個AP的信號強度，進行定位。該方式定位精度可達3～5 m，定位延時1 s以內。但由于iOS系統不支持APP獲取WiFi的相關信息，因此該種方式能適用于安卓手機，但不能用于iPhone手機，成為制約該方式應用的主要瓶頸。目前，我國的“尋鹿(安卓版)”采用了該定位方式，覆蓋了商場上百家，并在聯想等手機上進行預裝，開發者可調用“尋鹿”的SDK，獲取位置信息提供各類服務。

3.3 iBeacon終端側定位

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

上述三種定位解決方案的特點對比如表1所示。

表1 定位方案對比

4 室內位置服務典型應用

4.1 商業廣場的在線離線/線上到線下應用

4.1.1 在線離線/線上到線下模式對位置信息的需求

在線離線/線上到線下模式(online to offline，O2O)行業被普遍認為是下一個萬億元規模的市場[7]。商業廣場受電子商戶沖擊極大，智能商場的變革已勢在必行。統計表明，2012年和2013年互聯網所產生的流量等于自互聯網誕生以來一直到2011年所產生的數據量總和。互聯網產生了大數據，而移動互聯網和物聯網進一步推動數據的暴漲，網絡中心體現去中心化，大數據促進了信息融合和產業跨界結合，大數據引發更多新業態出現。因此需要利用多業態大數據挖掘技術推動相關產業的發展，而位置信息正是其中的核心信息，在數據精準推送、個人導航與地圖查詢、消費行為模式分析等方面都必不可少，是聯系用戶與商家的重要紐帶。

依靠新的互聯網技術與空間數據結合，發展出多業態的融合服務，將為用戶創造前所未有的購物體驗，為傳統商業提供商業智能(business intelligence，BI)分析，實現線上線下的有效互動。就用戶而言，空間數據信息可以讓用戶在商場中不再迷茫，準確的位置、地圖與電商信息將把用戶與其最適合的商品輕松的串聯在一起；而就商場而言，空間數據將閉合現有商業BI分析中的最后一環，徹底打通空間位置、消費及會員信息的三大線下數據的交叉分析渠道，為商場決策提供最準確的支持，使商場能與用戶之間碰撞出更精彩的火花。

4.1.2 商場位置服務系統網絡架構

為解決上述問題，多家商場均建設了WiFi室內定位系統，網絡結構如圖2所示。

圖2 商場室內位置服務網絡架構

在該系統中，商場部署WiFi網絡，由AP探測手機的信號強度，將其上報至接入控制器(access controller，AC)。AC將匯聚的AP探測信息交互至本地位置控制器(location controller，LC)，由LC進行協議解析，轉換為標準定位信息報文，LC將定位信息報文發送給定位服務器(positioning server，PS)，PS進行位置解算后將位置信息用于提供服務，并存入數據庫，進行大數據分析。

除WiFi定位網絡外，很多商場開始建設iBeacon定位系統，在商場安裝iBeacon節點，為手機提供更精確的定位服務。iBeacon定位系統對網絡要求相對較低，節點部署好之后有手機APP通過系統的標準接口獲取手機檢測的iBeacon信號強度，之后通過通信網將信息回傳到LC，由LC進行定位，再將定位結果回傳給手機。

4.1.3 大數據統計應用

通過位置信息，可獲得商場客流統計情況，生成報表系統功能如表2所示。

表2 商場位置報表功能

通過表2中的統計信息，商場可以掌握用戶的消費習慣，對商場的業態進行針對性的調整，同時對用戶進行個性化的推送。

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

圖3 商場熱度統計

圖4 商場實時位置分布圖

4.1.4 手機客戶端應用

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

看地圖：查詢地圖，搜索興趣點；

定位導航：用戶對自己進行定位，并獲取導航路線；

反向尋車：在停車后記錄自己的停車位置，離開商場時進行導航，準確尋找自己的車位；

優惠推送：根據位置信息與大數據分析平臺得到的客戶偏好就行優惠信息推送；

商品查詢：查詢商品相關信息。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；

移動支付：基于位置進行手機支護，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；

會員卡：顧客在辦理會員卡時可在手機上一鍵操作，然后APP根據顧客的定位信息，自動接入所在店鋪的會員系統。

4.2 機場應用

4.2.1 機場對位置信息的需求

近年來，我國民航事業取得了巨大發展，航空成為人們出行的重要途徑。而客流量的快速增長也對機場的現代化管理與服務提出了巨大挑戰[8-9]。以首都機場為例子，北京首都機場已發展成為國際第二大機場，每天1600架次航班進出港，每天進出的社會車輛有10余萬輛、場內運行的車輛近3 700輛，每天進出首都機場旅客以及接送人員將近36萬、在航站區服務的人員接近3萬，15萬行李輸送[10]。機場面積巨大，顧客對時空信息極為關注。登記口在哪里，自己的位置在哪里，到登機口需要多久，安檢區排隊大概要多少時間，是否可能延誤航班等都是旅客最關心的信息，而位置信息系統是則是解決上述問題的關鍵所在。

機場是我國對外的重要門戶。目前以首都機場為代表的一批我國重要機場已經建成了機場信息系統，并在不斷優化該系統。地理位置服務系統作為機場信息系統的重要一環，是當前機場的建設重點。目前首都機場的“機場小助手”APP已經具有定位導航能力，上海機場也已完成機場地理信息系統的建設，各大機場的位置服務系統正在穩步推進。

4.2.2 位置服務在機場的應用

機場定位采用WiFi與iBeacon兩套定位網絡，其技術方案與商場定位系統的技術方案相同。在應用方面，機場也有與商場類似的商業店鋪，因此也提供與上一節中商場中應用相同的一些服務，如大數據分析中的客流、新增客戶、駐留時間、用戶偏好、店鋪關聯等統計，以及APP中看地圖、定位導航、反向尋車、優惠推送、移動支付等功能。

機場應用中的還有一些機場的特有功能。如在數據分析方法，機場通過通過WiFi網絡側定位系統，可獲得安檢區與租出車區域的駐留時間，根據駐留時間可估計出當前排隊狀態，可為用戶提供更好的服務。對于乘坐航班的用戶，知道安全區的大致通過時間后，可在機場進行購物或餐飲，選擇一個合適的時間前去安檢。對于航班抵達的用戶，則可查看當前出租車的排隊時間，決定是該選擇坐出租還是其它交通工具。安檢區分時段駐留情況示意圖如圖5所示：

圖5 機場安檢駐留時間

在APP應用方面，機場目可將航班信息、位置信息及其他信息集成在一起，進行個性化推送服務。例如：

用戶的航班在14：00起飛，在12：00到達了機場，則可計算出用戶在去安檢之前還有1 h的空余時間，而當前正處在午飯時間，則可基于位置信息推送一些合適的餐飲信息。

系統根據航班信息知道用戶將在莫時刻到底某地，結合氣象信息，發現到達時當地將處于暴雨或酷暑等狀態，則可結合位置與地圖，向用戶推薦相應的防雨、防暑的商品。

5 總結

隨著智能手機的普及，圍繞手機的移動互聯服務正形成一個巨大的產業鏈。而智能手機上的WiFi及藍牙模塊的普及，使得手機室內定位具備了推廣條件。2013年以來，我國開始迎來了室內定位系統建設的快速推廣期，首都機場、萬達廣場、龍湖地產等大型公共建筑紛紛建設了自己的室內定位系統，并持續優化。基于室內位置信息的大數據統計、終端應用將O2O等商業模式推向了一個新的高度。本文介紹了手機室內定位的現有方案，并以商場、機場為例介紹了室內定位的典型應用。隨著互聯網的發展，室內定位將逐步在各個方面滲透進人們的日常生活。

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