随着现代社会的不断进步,物联网技术、智能移动终端技术、移动计算技术也飞速发展[1]。现如今,大型建筑日益增多,室内则是群众活动的主要场所[2]。此外,当今的公共安全、人员管理及监护、物流配送、智慧城市建设等领域也需要精准的室内外定位信息[3]。随着当今社会对室内定位服务需求的日益强烈,需要实现广泛、不间断且高效的室内空间定位,满足与日俱增的室内定位服务应用需求。

在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中,“导航与位置服务”被列为中国长期发展需重点关注的战略性新兴产业,“全方位精确定位和信息获取技术”已成为信息安全等领域的重点研究内容[5]。此外,由中国科研团队自主研发的室内高精度定位导航系统———“羲和系统”作为“北斗系统”的室内配套工程,也反映了中国对这一研究领域的支持与鼓励[6]。

鉴于此,结合当今社会对室内定位服务的应用需求,总结室内空间定位技术的应用现状与发展方向。首先,概述当今主流室内定位技术以及测距和非测距两类室内空间定位算法;而后,论述室内空间定位技术在公共安全、人资物资管理、智能交通、室内定位服务、大数据关联分析以及社交网络等典型场景中的应用研究现状;最后,探讨现阶段室内空间定位技术发展所面临的挑战,并对未来的主要研究方向进行了展望。

一、室内空间定位技术及算法

1、主流室内空间定位技术

近十几年以来,室内空间定位技术飞速发展,逐渐突破了“特定设备,特定技术,高成本”的技术和应用限制,且逐渐向普适性定位、低成本定位、高精度定位[7]的方向发展。目前,常见的室内空间定位技术如表1所示。

1.1 超宽带定位技术

超宽带技术(ultrawideband,UWB)是近年来新兴一种传输数据速度快、发射能耗小、穿透力大、安全性好、基于极窄脉冲的无线技术[8⁃9]。与传统通信不同的是,UWB不需载波,其是借助极窄脉冲来传输数据,因而其具有GHz量级的带宽。

UWB技术可用于室内精确定位。近年来,UWB技术在变电站工作人员监管、战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪[10]、矿井巷道定位[11]、火灾消防员定位[12]以及车辆地下精准定位等场景中,得到了应用。文献[10]结合UWB技术,研发了一套应用于导购机器人的室内空间无线定位系统,该系统抗干扰能力强、误差较小,可较好地满足导购机器人的定位服务与导航应用需求。针对矿井巷道的特殊环境特点,并结合系统组网模型和UWB精确定位算法,文献[11]设计了一种基于UWB技术的精度高、并发容量大、安装便捷的矿井精确定位系统,满足了智能矿山建设的精准定位需求。文献[12]充分利用目标到UWB基站以及到其他目标的测距信息,提出基于UWB技术的消防员室内协同定位算法,该算法在强弱非视距(nonlineofsight,NLOS)环境下都拥有较高的定位性能,为复杂火场环境下消防员的定位问题提供了参考。

UWB技术的物理特性使得其可以在无完全遮掩的复杂室内环境中实现高效精准定位;近年来,基于UWB的空间定位技术在多个军民领域中实现了广泛应用。

1.2 蓝牙定位技术

蓝牙技术(Bluetooth)是一种数据传输距离短、功耗低的无线通信技术。蓝牙技术运用于定位时需要测量信号的强度信息[13]。蓝牙室内定位系统设备具有体积小、易集成等特点,因此较容易推广应用[14]。结合城市轨道交通环境以及所面向的用户群体,从定位精度、经济性、工程量等多角度出发,文献[15]以某城市轨道交通车站为试点,在站厅、站台、电梯处部署蓝牙设备,设计了基于蓝牙定位技术的城市轨道交通室内导航系统,该系统为乘客目的地指引提供了便利,满足轨道交通室内定位导航的应用需求。

蓝牙技术应用于室内环境下较短距离的定位时,信号的传输一般不受视距的影响。蓝牙技术最大的缺陷是信号传输距离短;此外,蓝牙定位网络建设的成本较大,且在复杂的定位环境下,定位的效果较差。综上,蓝牙定位技术适用于数据传输距离短、功耗小、环境相对简单、定位精度要求低的应用场景。

1.3 超声波定位技术

目前,超声波定位技术大都采用反射式的测距方法[16]。目前,比较常用的基于超声波的室内空间定位大概有两种:一种为将超声波技术与射频识别技术结合进行定位,这种技术成本不高,能耗较低,定位精准;另一种为多超声波的空间定位技术,该技术的抗干扰能力强,定位精度高。文献[17]提出了一种融合无线射频识别技术和超声波技术的室内空间定位系统,该系统结构较为简单、能耗较小,可实现单辆自动导引运输车(automatedguidedvehicle,AGV)小车在单一小空间中的实时定位,为AGV小车的路径实时规划提供了参考方案。文献[18]提出了一种基于多超声波传感器的移动机器人目标定位新方法,该方法是根据测得的渡越时间比值来计算待测目标的坐标,避免了对超声波声速的依赖以及环境温度对定位精度的影响,为基于超声波传感器的移动机器人高精度定位提供了新的借鉴。

超声波定位技术的精度可达厘米级别,相对其他室内定位技术而言,精度较高;但超声波在信号传输过程中的衰减情况较为明显,因而会影响超声波定位的覆盖范围,且超声波定位易受环境干扰。综上,超声波定位技术适用于定位精度要求高、数据传输距离短、环境相对简单的应用场景中。

1.4 红外线定位技术

红外线是电磁波的一种,其波长介于无线电波和可见光波之间。在红外线应用于室内空间定位时,红外线的标识首先发射调制的红外射线,布设于室内空间的光学传感器可接收到红外射线,而后通过定位算法可实现定位[19]。红外线定位技术可实现较高精度的室内定位,但是由于红外射线不能透过障碍物传播的性质,使得只能利用红外线定位技术在视距范围内定位;此外,红外线定位技术还有传输距离短的缺陷。综上,使得红外线定位技术在实际工程应用中的定位效果较差[20]。

总体而言,红外线定位技术因其功耗较大、易受障碍物影响、传输距离短、定位复杂等缺点,在可用性和实用性上与其他定位技术有较大差距,在实际工程中应用较少[21]。

1.5 射频识别定位技术

射频识别技术(radiofrequencyidentification,RFID)是一种操控简易、适用于自动控制领域的技术[22]。射频识别技术应用于识别和定位时主要通过射频的方式进行非接触式的双向通信[23]。文献[24]利用RFID技术,通过研究RFID读卡器和标签的安装位置,给出了充电装置自动充电的控制流程图,最后验证了充电装置的自动充电功能,实现了三亚市某有轨电车的精准定位。文献[25]以物联网技术为基础,设计了一种矿用智能安全头盔智能终端系统,该系统利用RFID高性能室内定位技术实现矿井复杂环境下人员的监控和定位。

射频识别定位技术的作用距离最长为几十米;其可在较短时间内得到厘米级定位精度的位置信息,且信号传输范围很大,定位系统成本较小。RFID定位设备相对稳定,且RFID定位终端、RFID标签的价格较低,所以可以进行大规模的推广使用。近年来,RFID定位技术在物资人员管控中有着成熟的应用和良好的使用前景。

1.6 WIFI定位技术

在无线局域网络(wirelesslocalareanetworks,WLAN)中,收集无线访问接入点(wirelessaccesspoint,AP)或网卡处测得信号的强度信息,而后可通过匹配信号强度算法可实现多应用领域内复杂大空间环境中的定位、监察和追踪[26⁃27]。WIFI技术由于在室内传输距离远、使用方便等优点,已成为无线以太网的一种室内定位解决方案。基于WIFI定位技术,文献[28]提出了一种加权K近邻(weightedK⁃nearestneighbor,WKNN)算法与改进粒子群算法相结合的混合定位算法,该混合定位算法在定位精度上相比传统的位置指纹算法有显著的提高。

目前,WIFI定位技术的覆盖范围有限,只适用于小空间范围内的室内定位,且较容易受到其他信号的干扰,从而影响其精度,且定位系统的能耗也较高[29]。

1.7 ZigBee定位技术

ZigBee技术是一种新型的数据传输距离短、传输速率低的无线通信技术[30],也可以用于室内定位。文献[31]提出一种应用于消防机器人的捷联惯性导航系统与ZigBee定位系统相融合的组合定位方法,该组合定位方法精度相比常规的定位方法有明显的提高,且较为稳定可靠,可以满足消防机器人的实时精准定位。

ZigBee技术主要应用于无线个人区域网,其具有距离近、功耗小、成本低等特点[32],可以很好地满足室内空间定位系统的应用需求;此外ZigBee定位技术对于网络稳定性的要求较高,且易受周围环境的影响。综上,ZigBee定位技术适用于网络稳定、环境简单、空间相对较小的室内空间定位场景。

1.8 其他室内空间定位技术

现如今,除了上述提及的室内空间定位技术外,还有基于计算机视觉[33⁃35]、光跟踪定位[36⁃37]、图像分析[38]、磁场[39⁃40]、信标定位[41]的单一室内空间定位技术以及WIFI/地磁[42]、WIFI/MEMS/BT/RFID/气压传感器/光传感器、WIFI/RFID/GPS等多源混合定位技术;这些技术大都处于研究试验阶段,稳定性和实用性都有待提高。文献[34]以交通视频中的行人为研究对象,结合计算机视觉理论,实现了运动目标的识别与定位,为中国行人交通流数据智能采集工作提供了新的借鉴。文献[37]提出一种基于激光跟踪定位的运动目标检测方法,其利用激光通过“粗定位”和“精准定位”等步骤,实现了针对运动目标的迅速锁定与精准定位。文献[42]提出了一种WIFI/地磁相融合的室内空间定位算法,使用WIFI定位结果矫正地磁粒子滤波算法中存在的不足,降低地磁定位时的系统误差,从而提高了室内空间定位的精度。

2、主流室内空间定位算法

2.1 当前的室内空间定位技术所用的定位算法大致分为两类,如表2所示。

(1)基于无需测距的空间定位算法,主要包括接近度定位[43]和位置指纹匹配定位[44];此类定位算法是依靠待测点与锚节点的连通性进行场景分析进而得到位置信息[45]。

(2)基于测距的空间定位算法,主要包括测距离[46]、测角度[47]和测时差[48];此类定位算法是依靠待测点与锚节点之间的距离或角度求取位置信息[49]。

2.2 基于无需测距的空间定位算法

常见的基于无需测距的空间定位算法有:质心定位算法[50]、近似三角形内点测试(anypointintime,APIT)定位算法[51⁃52]、距离向量跳跃(distancevector⁃hop,DV⁃Hop)定位算法[53⁃55]和基于接收信号强度比较的环重叠(ringoverlappingbasedoncom⁃parisonofreceivedsignalstrengthindication,ROCRSSI)定位算法[56⁃57]等。此类算法都是使用由参考节点和待测节点所组成的分布式异构网络模型,因而不需增加额外硬件设备。

(1)质心定位算法。质心定位算法的定位精度较为一般,且参考节点数对定位精度的影响较大,但质心定位算法的通信成本小。

(2)APIT定位算法。APIT定位算法的定位精度较为良好,且参考节点数对定位精度的影响较小,但APIT定位算法的通信成本是最大的。

(3)DV⁃Hop定位算法。DV⁃Hop定位算法的定位精度较为良好,且DV⁃Hop定位算法的通信成本较小,但参考节点数对定位精度的影响较大。

(4)ROCRSSI定位算法。ROCRSSI定位算法的定位精度为最好,且ROCRSSI定位算法的通信成本为最小,但参考节点数对定位精度的影响较大。

通过对以上4种定位算法性能的总结分析对比,可得各种定位算法在不同的应用需求下,定位性能也不相同,虽然在定位中不需要增添额外硬件设备,但总体而言,通信成本较大。

2.3 基于测距的空间定位算法

基于测距的空间定位算法主要有接收信号强度指示(receivedsignalstrengthindication,RSSI)定位算法[58⁃60]、基于信号到达时间(timeofarrival,TOA)定位算法[61⁃62]、基于信号到达角度(angleofarrival,AOA)定位算法[63⁃64]以及基于信号到达时间差(timedifferentofarrival,TDOA)定位算法[65⁃67]等。

(1)RSSI定位算法。RSSI定位算法是已知在待测节点处接收到的信号的强度值;而后通过已知的距离损耗模型求取待测节点到参考节点的实际距离;最后,利用所求得的距离计算出待测节点的实际位置[58⁃60]。

RSSI定位算法与TOA、AOA、TDOA等定位算法相比,不需要额外的硬件设备的支持,且比获得TOA、AOA、TDOA等定位算法的多径特征信息要较容易。

(2)TOA定位算法。TOA定位算法在使用时需要已知至少三个参考节点的实际位置坐标信息;而后,通过测量信号从参考节点到待测节点所经历的时间进而求取待测节点的实际位置[61]。

实际的室内环境存在着非视距(NLOS)以及多径效应(multipath)等问题[62],这些问题都使得TOA定位算法的测量值与实际值之间会存在较大的差距,所以在TOA定位系统中要求待测节点与参考节点计算无线信号开始传输的时间要保持一致。要满足上述要求,需要硬件设备来保证时间的同步一致性,这往往会增加定位系统的成本。

(3)AOA定位算法。AOA定位算法是通过测量待测节点与参考节点之间的角度来求取待测节点的实际位置信息,其算法原理如图2所示。

AOA定位算法的使用过程中,待测节点处可以获取参考节点发射的无线信号,而后根据待测节点接收到无线信号的方位和角度对待测节点的实际位置信息进行估算[63]。

AOA定位算法较容易受到噪声、非视距(NLOS)等外界环境因素的影响;且该算法的定位性能随着待测节点与参考节点之间距离的增大而降低[64];此外,AOA定位算法在工程应用时需要额外硬件设备的支持,增加了定位系统的成本。

综上所述,AOA定位算法在工程推广应用中有较大的局限性,所以该算法通常应用于辅助定位。

(4)TDOA定位算法。在一定程度上,TDOA定位算法可以看作TOA定位算法的改进版。

在TDOA定位算法的使用过程中,定位系统中的参考节点会在同时刻发送两个拥有不同传播速度的无线信号;而后,待测节点处可以根据接收到两个无线信号的时差以及两个无线信号的传播速度来求取待测节点与参考节点之间的实际距离;最后,利用所求取的距离使用定位算法求取待测节点的实际位置信息[65⁃67]。

TDOA定位算法的定位精度与其他算法相比,相对较高;但无线信号的传播距离对此类定位系统的推广应用有较大影响。

二 、室内空间定位技术的场景应用

1.公共安全场景应用

室内空间定位技术在事关公共安全的紧急救援、消防安全、执法安全等方面具有重要作用。文献[68]对比分析了当下主流定位技术,按照不同工作性质将公共安全领域的工作分为应急救援工作、室内日常勤务工作以及临时性勤务工作3大部分,并分析不同性质工作对定位技术的具体应用需求。

当群众的人身安全遭受威胁时,需要快速确定受困人员的位置信息,而室内空间定位技术可以为救援工作的顺利进行提供强而有力的技术支持,为救援工作人员以及受困人员的生命安全提供保障。

2.人资物资管理场景应用

室内空间定位技术在人员的智能化管控中得到了广泛应用,在石油化工、工贸制造、电力能源、智慧校园、智慧医院、智慧养老、智慧监所以及工程建设等产业中发挥着重要作用[69]。

特别地,随着智能电网建设的不断推进,能源电力行业对于电力工作人员以及电力设备的管控提出了更加智能化、精细化的需求,开展室内空间定位技术在能源电力行业中的研究对于推进电力管控的成熟化、精细化、智能化以及智能电网的发展具有十分重要的意义[70⁃71]。文献[71]开展变电站室内定位算法研究,改进了RSSI测距算法,并将卡尔曼滤波算法与拉伊达检验法进行了结合,解决了RSSI信号强度值中的误差问题,为变电站室内定位技术应用提供了参考。图3为室内定位技术在电力行业管控中的技术应用流程框图。

此外,室内空间定位技术也可以为仓储物流行业提供物资的定位服务;利用室内空间定位技术可以提供物资全程的位置信息记录,极大地便利了物资的防盗、管理、运输等实际需求。

3. 智能交通场景应用

室内空间定位技术可与传统的室外定位技术联合,从而实现室内室外无死角全方位定位。利用该方案可为行车提供全程无缝的定位以及导航服务。此外,利用室内空间定位技术也可解决复杂环境及地下区域的寻车难题。文献[72]在解决室内停车问题时,引入车联网与室内定位等技术,并设计了一种智能车辆⁃停车场协同的室内停车系统架构,对于提高停车系统的信息化和智能化程度、解决停车巡航问题、提高停车效率、降低资源消耗和交通压力等具有重要的研究意义与实用价值。

4. 室内定位服务场景应用

现如今,利用室内空间定位技术可在大型商场[73]、超市[74]、会展中心、飞机场[75]、旅店等较大型室内区域提供室内定位服务。

在大型商场中,室内位置服务可以帮助购物者查寻自己感兴趣的商店和文娱地;商家也可以对购物者推送有指向性的广告。

在空间布局比较复杂的大型超市中,室内位置服务可以帮助购物者查找感兴趣商品的所在位置。文献[74]针对用户需导购的实际需求,将蓝牙技术和iBeacon定位技术结合,构建了一个基于iBeacon的室内空间定位导购系统,为解决大型超市购物中出现的“短板”问题提供了参考。

在会展中心、机场及酒店中,利用室内空间定位技术可以提供全方位的定位导航服务。文献[75]针对大型机场候机楼定位环境的特点,提出一种基于即谱回归核判别分析⁃加权K近邻(spectralregressionkerneldiscriminantanalysis⁃weightedK⁃nea⁃restneighbor,SRKDA⁃WKNN)的室内定位算法和基于接收信号强度(receivedsignalstrength,RSS)特征扩展的室内定位算法,具有较高的定位准确率和较好的定位效果。

5. 大数据关联分析场景应用

利用室内空间定位技术还可以实现用户活动轨迹的完整记录;而后,可以利用这些商业行为数据进行大数据分析从而将用户的位置信息与行为特征及其背后隐含的兴趣偏好联系起来。文献[76]提出一种基于用户商业行为数据的采集分析方案,通过对痕迹数据进行分类采集,利用即定评价指标进行数据挖掘,与关联规则库进行匹配等步骤,最终为用户推荐满意的商品。

综上,利用室内空间定位数据进行数据分析与挖掘具有极其可观的商业价值和推广应用前景。

6. 社交网络场景应用

社交网络是人们日常生活的核心组成部分,而位置信息则是社交网络的核心。

在日常生活中,人们大部分时间生活在室内环境下,利用室内空间定位技术获得的真实位置信息可以将朋友与活动关联起来,这对于个人社交网络的维护与拓展发挥着重要作用[77]。

三、挑战与展望

3.1室内空间定位技术面临的挑战

实际的工程应用中,在设计室内空间定位的解决方案时,需要同时满足一些应用需求,包括:定位精度、覆盖范围、系统可靠性、定位成本、系统功耗、系统可扩展性和响应时间等。

(1)定位精度

不同的应用场景对室内空间定位系统的定位精度要求差别很大。若在大型商场或超市中寻找特定的商品可能需要1m甚至更高的精度要求;若在地下停车场中寻找车辆则2~5m的精度要求即可满足应用。

(2)覆盖范围

覆盖范围是指该技术解决方案能够在多大的区域内提供满足定位精度要求的定位服务。在一些场景应用中,室内空间定位系统终端需要相应基础设施的支持配合;在此情形下,室内空间定位系统的覆盖范围则会受到相应的制约。

(3)系统可靠性

一般而言,室内环境具有很强的实时性和多变性。例如,大型超市中的人流以及商场中的隔断等会经常发生变化。此外,室内空间定位系统所依赖的基础设施也会经常发生变化。

(4)定位成本

室内空间定位成本一般包含两部分。一部分是室内空间定位系统终端的成本;在工程应用中,需要考虑是否可用已有的定位终端硬件设备而不添加额外的硬件设备。另外一部分是室内空间定位系统布局和维护的成本及复杂度,包含系统布局和维护所需的配套设施及需求。

(5)系统功耗

室内空间定位系统的功耗是衡量该系统是否可推广应用的重要因素。尤其针对使用电池供电的定位设备终端,若功耗很大,则定位系统的待机时间就成为限制该系统推广应用的致命缺陷。据调查分析,功耗大是大部分用户关闭实时定位功能的主要因素。综上,若要将室内空间定位系统推广应用,实现实时全方位的定位服务,降低室内空间定位所增加的功耗是目前急需解决的问题。

(6)系统可扩展性

室内空间定位系统可扩展性是指该技术解决方案可以拓展到更大范围并提供满足精度要求的定位服务的能力以及更加便捷地移植到不同应用场景的能力。

(7)响应时间

响应时间是指定位系统更新一次位置所需的时间。

不同应用场景对于响应时间的需求有较大差异。例如,在大型商场和超市中,对于商品位置的实时更新要求较低;但对于移动用户和定位导航则需要较高的位置刷新率。

3.2室内空间定位技术发展展望

室内空间定位技术是当前热门研究领域之一,也是推进智能化社会进程中的重要组成部分。为推进室内空间定位技术的行业应用,下一步室内空间定位的研究工作可以向以下几个方向进行。

(1)室内定位技术的普适化

目前的室内定位技术普适性不足,在解决室内外空间的融合实现无缝定位以及未知环境中的定位时仍存在一些问题。但随着人工智能、计算机视觉、物联网以及5G通信网络等技术的发展作为技术支撑,广域普适化的室内定位技术必将出现,以满足不同室内环境、不同行业、不同应用场景的应用需求。

(2)室内定位技术的优化更新

针对当前室内空间定位技术所存在的缺点进行优化也是一个重要发展方向。可以针对各技术的定位精度、覆盖范围、抗干扰性、功耗、定位成本等实际问题进行优化改善,从而提升该技术的实用性。当前的室内空间定位技术大部分都是建立在邻近信息、场景分析和几何特征三种基础定位方法的基础之上。寻找新型定位源,并引入人工智能、神经网络等相关算法,从而形成创新性的室内定位算法也是未来的一个重要发展方向。

(3)多源混合定位技术的发展

鉴于当前单一室内空间定位技术各自的特性,将多个室内空间定位技术进行融合,从而实现优势互补是当今的一个重要发展方向。现如今,该发展方向仍面临着一些问题亟待解决,如各技术数据模型和通信标准的统一化,各技术之间的融合衔接以及多技术融合后的成本、功耗、响应时间等问题。

四、结论

(1)随着物联网技术、智能移动终端技术、移动计算技术的飞速发展,当今社会对室内定位服务需求日益强烈。通过全面开展超宽带定位、蓝牙定位、超声波定位等为代表的主流室内空间定位技术在当今社会中的行业工程应用与研究,对于推进当今社会的智能化发展与进步具有十分重要的意义。

(2)根据当今的社会应用需求,针对室内空间定位技术的应用研究可归纳为公共安全、人资物资管理、智能交通、室内定位服务、大数据关联分析以及社交网络等典型应用场景。

(3)目前,在实际的行业应用中设计室内空间定位的解决方案时,需要同时满足一些应用需求,包括:定位精度、覆盖范围、系统可靠性、定位成本、系统功耗、系统可扩展性和响应时间等;这些问题一定程度上限制了室内空间定位技术的工程推广应用。未来,室内空间定位技术的发展方向应在室内定位技术的普适化、室内定位技术的优化更新以及多源混合定位技术的发展等相关研究热点,从而进一步推动室内定位技术的推广应用。