室内定位技术的应用现状与发展趋势

毛科禹， 陈桂兵

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083;2.江苏易图地理科技股份有限公司，江苏 扬州 225000)

0 引 言

随着物联网、泛在网络、移动互联网技术的快速发展，室内定位已成为位置服务研究领域和工业界关注的热点。国务院、科技部、工信部下发的多项指导政策中，均提出要大力推动室内定位技术的应用和发展。如今，停车场、商场、机场等场所的定位和导航需求日趋清晰，智慧医疗、智慧养老、智慧工业、精准营销等领域对室内定位的需求也日益增加。蓝牙、WiFi、RFID、UWB等室内定位技术及应用系统，在大型复杂的室内环境中得到了一定应用。然而，受制于定位精度、成本、室内空间环境复杂等因素，室内定位技术尚未普及应用[1]。本文将在分析主流室内定位技术基础上，归纳总结室内定位技术在相关行业领域的应用现状与功能特点，对室内定位技术应用的下一步发展方向作分析、展望。

1 室内定位常用技术及其特点

室内定位系统是通过无线电波、磁场、声波或其他移动设备传感器信息等来确定建筑物内人员、物体位置信息的系统[2]。按照传输信号不同，室内定位技术可以分为WiFi、蓝牙、RFID、ZigBee、超宽带、磁场、红外线、超声波、伪卫星、惯导等多种定位方式[3]。按照定位机制不同，室内定位技术可以分为基于临近信息、场景分析和几何定位3个不同类别[4]。然而，各类室内定位技术的定位精度、成本和适用范围各有差异，尚未形成一套能够在各领域普适应用的技术方法。目前，主流的室内定位技术根据其原理不同存在不同优缺点(表1)。

红外线和超声波室内定位技术是室内定位领域早期的发展成果，当下应用并不广泛。RFID具有高精度、低成本、非接触性的优势，在非接触性交互领域得到了广泛应用[5]。ZigBee作为一项短距离无线通讯技术，在室内定位领域的运用主要体现在家庭安防领域[6]。单纯的地磁场定位受室内空间布局影响较大[7]，多与其他技术混合使用。伪卫星因其高额成本，目前主要在军事领域得到应用。

A-GPS室内定位技术将卫星定位与运营商基站定位相结合，但由于精度较低，依赖基站密度，无法实现高精度室内定位[8]。WiFi、蓝牙因其相对低廉的成本和较好的定位精度，且与智能手机等移动终端设备有极好的兼容性，被广泛应用于大型商场、地下停车场的室内导航、广告推介等领域[9]。惯性导航技术与室内地图相结合，在火灾、地震等安全应急救援领域有较为广阔的应用前景，但存在累计误差，不适宜长时间应用[10]。超宽带室内定位技术的定位精度最高，但由于其布置及运营成本较高，只应用于贵重物品保管、重要人员监控等工业领域[11]。光跟踪室内定位技术[12]近几年研究成果显著，在灯光遍布的室内有极大的应用前景，但是需要长时间打开手机摄像头。

表1 室内定位技术(优缺点)对比

2 室内定位技术主要应用方向

室内定位技术已广泛应用于许多行业领域。从其功能来看，总体可分为室内定位跟踪、室内路径导航、室内导览讲解、室内商业推介、室内行为模式分析5个主要方面。从应用领域来看，主要涉及和大型建筑物(如机场、博物馆、医院、商场、停车场等)有关的商业、交通、旅游、医疗、教育、消防安全等领域。

2.1 室内定位跟踪

室内定位跟踪是通过各类传感器对室内空间中人员、设施设备和物品的位置进行实时探测的技术，目前应用地最为广泛。如仓储物流布置，利用室内跟踪技术，管理人员能够掌握物流人员位置，控制物流进程，高效配置人员。仓储管理信息化建设已成为仓储物流未来的发展方向。又如在医疗护理监控领域，特殊病患监控和医疗器械保管方面的应用：杭州市红十字会医院利用CSS技术设计出一种应用于医院室内定位系统，实现了对患者、医疗人员和医疗器械的定位，对患者看护和医疗器械保管起到了积极作用[13]。深圳市宝安人民医院提出了基于超宽带位置服务的患者体征监测技术[14]。在公共安全防控领域，该技术在国内外许多监狱中得到了一定程度应用，通过给服刑人员佩戴防拆手环，可随时查看被定位人员的实时位置，实现了高效监管。

2.2 室内路径导航

室内定位被广泛应用于大型商场、超市，顾客可快速寻找购物、娱乐场所和所需商品。国内智慧图科技、真趣信息、华策光通信，国外的WIFISLAM、Sensewhere都针对室内定位导航提供了不同实现方法。应急救援方面，室内定位广泛应用于地震、火灾等应急救援人员的路径导航。利用室内定位技术可有效解决浓烟遮蔽视线问题，为救援人员提供准确、科学的救援路线。山东大学设计了一种基于MEMS的单兵消防室内定位系统[15]，浙江省嘉兴市消防支队联合中国航天科工二院二六所通过对室内定位技术在应急消防领域的应用进行研究，研发了集群定位指挥系统，极大提高了救援效率和救援安全性[16]。目前，一部分图书馆的室内导航仅将室内定位与室内地图进行叠加，提供用户最基础的导航寻书功能。而台中科技大学通过No Donkey E-learning(NODE)系统实现了在图书馆室内的定位导航。通过增强现实技术将用户的实际位置、阅读路径、图书介绍与用户的评论结合起来，为用户获取主题相关的书籍提供了高效帮助[17]。

2.3 室内导览讲解

室内定位技术正快速应用于博物馆等室内旅游景点的室内导览讲解服务。移动终端导游讲解在国内许多博物馆已经有了一定程度的运用。目前应用较为广泛的方法是在展台处布置传感器。当传感器得到游客靠近的信号时，配套的导览设备自动播放录音。在旅游路径分析方面，可通过记录分析游客游览数据得到最佳游览路线。Yoshimura等于2014年根据从卢浮宫获取的游客参观轨迹数据,分析得到了游客参观重合最多的路径轨迹,并认为连接这一路径是参观完卢浮宫所有展品的最佳路径[18]。

2.4 商业推介

商业推介是指用户使用室内定位服务的过程中，商家可以通过智能分析用户之前的消费记录，对不同楼层、不同位置的用户进行个性化广告推送的服务。这在给用户精致、个性化的购物体验的同时，还能有效减少一部分广告费用。国外很早就将室内定位技术与商业推介相结合。例如美国梅西百货在店内部署iBeacon传感器，顾客在经过不同楼层、不同商铺时会接收到不同产品推荐信息[19]。目前国内北京市西单大悦城的“智慧beacon飞项目”是由腾讯微信支付、腾讯地图与室内定位技术服务提供商智慧图联手合作，搭建的互动营销及微信智慧运营平台，可实现快速定位支付、虚拟购物、娱乐互动等功能，开创了一种新型的购物体验。

2.5 室内行人模式分析

通过室内定位传感器对用户的行进路线及在不同位置的逗留时间进行记录和分析，是目前室内行人模式分析主要的应用方式之一。商家通过室内定位系统记录的数据得出不同客户的消费特征，并对其进行整合分析应用于商业大数据。通过分析某大型商场人流高峰值的位置数据可视化地图,对比进入商铺的人群分布和未进入商铺的人群分布，研究发现不同区域的顾客行为习惯有显著差异[20]。

3 室内定位应用发展

国内室内定位应用领域还不广泛，很多还仍处于实验室研究阶段，尚难以平衡成本与定位质量之间的关系。但是随着室内定位技术在定位精度和效率上的提升以及成本的不断降低，室内定位应用将进一步得到普及，并朝着多领域应用和多技术融合方向发展。

3.1 面向多领域应用拓展

室内定位技术经过多年持续发展，目前已在商业、旅游、交通等一些领域得到了应用。但是应用范围仍然有限，进一步拓展应用领域，发展机器人、矿业、医疗等各种特定领域的应用，将是未来室内定位发展的重要方向。如地下矿场利用人员室内定位开展应急救援应用，但是对地下矿场人员安全日常监控与防控还缺乏更深入应用。更好发挥室内定位技术作用无疑是一个新的研究方向。不仅如此，教育行业、医疗卫生行业等都存在着大量涉及室内定位技术的应用空间。

3.2 室内定位技术融合应用

现阶段，已经研制的众多室内定位系统，彼此相互独立、自成体系，难以形成大范围、普适性的应用推广，需要发展不同类型、不同精度室内定位技术的融合应用。解决融合问题的关键是形成跨技术、跨设备、跨平台的时空基准统一，并以实际应用需求为基础，实现多精度、跨区域的定位资源整合与集成服务。如结合智能手机WiFi、蓝牙、惯导等传感器，实现几种室内定位技术的融合应用，可进一步提高室内定位系统的自适应性与稳定性，给用户更加优质的使用体验。

3.3 室内外一体化定位应用

室内定位技术旨在解决现有卫星定位系统(GPS、北斗等)无法实现建筑物内部定位的问题，有助于实现室内外连续无缝的定位与导航服务。我国启动的“羲和计划”已开展了广域室内外精确定位与导航技术研究，并以北斗导航系统、移动通信、互联网和卫星通信系统为基础，融合了广域实时精密定位和室内定位等技术，初步建立了城市室内外融合定位应用系统。未来结合新一代5G通讯技术的室内外一体化导航定位应用必将成为应用发展的主流方向。

4 结 语

随着物联网、云计算、人工智能、机器人、可穿戴设备的深入发展和应用，室内定位技术及其应用必然是新一代信息技术革命中必不可少的环节。但是室内定位技术与室外定位技术相比较，一方面存在技术复杂多样、稳定性与精度各异、成本与质量冲突等问题，另一方面还需要内容多元、更新频繁的室内空间模型与地图的支持，关键技术研究上需要建立大范围室内地图快速采集、更新，实现室内外二、三维地图一体化表达；结合国家与行业标准规范，整合技术与设施资源，建立多样化室内外定位技术融合体系；挖掘各特定领域应用需求，以室内定位技术为支撑，实现室内外无缝定位与综合导航。