室內位置服務云平臺設計及應用研究

徐 浩，秘金鐘，李得海，吳文壇，田 摯，陳 沖，魏盛桃

（1. 山東科技大學，山東 青島 266590；2. 中國測繪科學研究院，北京 100036；3. 河北省自然資料檔案館，石家莊 050031；4. 中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

0 引言

近年來，隨著智能手機的廣泛普及和無線電通信技術的快速發展，基于位置的服務逐漸成為大眾用戶的迫切需求和眾多專家學者以及企業的研究熱點[1]。特別是在情景感知[2]、交通導航、商業服務、休閑娛樂等領域，基于位置的服務應用更加廣泛。全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）是室外環境下最常用的導航定位技術，可以實現米級定位，若再結合其他各種增強技術，在室外可達到亞米級的定位精度，但是人們有近70%～90%的時間在室內區域[3]，GNSS 衛星信號由于受到地面建筑物墻體阻礙，難以獲得可用的室內定位精度，逐漸出現了許多室內定位技術，填補了室內定位的空白。針對室內定位技術的研究，目前已有較多的解決方案[4]。室內定位技術可根據是否使用無線電技術劃分為基于無線電的定位技術和基于非無線電的定位技術。其中，基于無線電的室內定位技術包括無線保真（wireless fidelity, WiFi）技術、低功耗藍牙（bluetooth low energy, BLE）技術、超寬帶（ultra wide band, UWB）技術[5]、射頻識別（radio frequency identification,RFID）技術[6]和紫蜂（zigbee, ZB）技術等；基于非無線電的室內定位技術包括地磁定位技術[7]、行人航位推算（pedestrian dead reckoning, PDR）技術、視覺定位技術[8]、可見光定位技術和紅外線定位技術等。不過，僅使用單一定位技術的定位精度往往不夠理想，所以將多種定位技術融合，是目前室內定位領域研究的熱點。

室內定位的應用場景多種多樣。文獻[9]介紹了一種通過特征點匹配評估與視覺定位算法所搭建的實時視覺定位云平臺；文獻[10]介紹了一種用于室內位置信息服務的藍牙技術，并設計實現了藍牙的管理系統以及基于藍牙的地理圍欄服務，為基于藍牙的室內位置服務云平臺設計及應用提供了有力的參考依據；文獻[11]為研究室內混合智能定位系統，構建了室內混合智能定位系統仿真平臺；文獻[12]為了實現自然保護區巡護管理，構建了集成巡護人員位置采集、林業氣象數據采集等功能的位置服務云平臺。上述研究主要針對特定定位技術或室外位置服務，所設計位置服務云平臺往往只能適用于某一特點場景和定位技術，少有針對室內位置分析研究的綜合位置服務云平臺。

本文所設計開發的室內位置服務云平臺適用于普通用戶和管理用戶，服務面向于商場、超大型機場、體育場館等室內空間和復雜廣場，可有效地完成人流、物流密集環境下的室內定位導航與位置服務、安全監控與預警、人員指揮與調度等任務。經應用試驗及測試結果表明，定位導航精準連續，位置服務云平臺穩定可靠，具有較強的可用性與普適性。

1 室內位置服務云平臺設計

1.1 系統拓撲結構設計

室內位置服務云平臺主要可以劃分為三個模塊：1）用戶智能終端模塊，包括管理用戶、普通用戶等；2）通信網絡模塊，包括WiFi、第4 代移動網絡通信技術（the fourth generation of mobile communication technology, 4G）和第5 代移動網絡通信技術（the fifth generation of mobile network communication technology, 5G）等；3）位置服務云平臺模塊。室內位置服務云平臺拓撲結構如圖1所示。圖1 中：GIS（geographic information system）為地理信息系統。

圖1 室內位置服務云平臺拓撲圖

1）用戶終端。用戶終端包括管理用戶終端和普通用戶終端。終端用戶一經登錄，定位系統就能通過室內智能混合定位方法定位其位置，并將其所在位置、過往路徑、當前狀態等通過通信網絡上傳到位置服務云平臺，同時位置服務云平臺也會將位置、地圖、路徑規劃和社交分享等服務信息發送到用戶終端。定位系統會為用戶終端提供定位方式，包括差分增強定位、室內基站定位和混合智能定位等。室內環境下的定位精度約為2 m，足以滿足室內外協同定位精度的需求。基于用戶終端獲取到所在室內場景下的位置數據，不僅可以滿足日常的出行、消費和商品精準營銷等需求，還能實現緊急狀況下的安全監控與預警、應急救援與指揮等任務[13]。

2）通信網絡。通信網絡技術可以分為有線網絡通信技術和無線網絡通信技術。位置服務云平臺在服務器之間，通過高速局域網并采用有線通信模式實現互聯。終端向位置服務云平臺發送任務請求，通過設定專用的通信服務器接受并分流終端任務請求。采用無線網絡通信技術來實現服務器與終端之間的通信，通信手段主要采用4G、5G 和WiFi 實現，并最終通過移動寬帶實現云平臺與用戶終端互聯互通。

3）位置服務云平臺服務器。位置服務云平臺服務器主要完成用戶管理、輔助管理、數據存儲、定位導航、社交分享等功能。服務器接收智能終端的服務請求、用戶屬性、位置狀態、交流分享信息，并通過網絡進入位置服務云平臺，該平臺通過信息服務模塊將服務請求及參數信息推送到位置服務云平臺應用系統，系統接收進行數據分析與處理。

數據的分析與挖掘使用目前比較成熟的分布式系統架構海杜普（Hadoop）的分布式文件系統（Hadoop distributed file system, HDFS）與分布式計算模型“映射歸約（Map Reduce）”來完成，同時借鑒熱輔助磁記錄技術（heat assisted magnetic recording，HAMR）數據流計算引擎，改進Hadoop與HDFS，從而使大數據的分析處理能力得到進一步的提升。針對地理空間類型數據的管理、分析，使用專用的位置庫，更方便快捷地將地理信息數據進行分析與可視化地。最終生成導航路徑、環境態勢、用戶狀態、管理支撐、服務通知等應答信息，進行播發服務和智能推送，完成位置服務云平臺應用系統功能。

1.2 硬件平臺設計

系統硬件組成包括服務器、交換機、路由器、磁盤陣列、不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）等。服務器按照最優化設計配備三臺計算節點、一個網絡節點和一臺控制節點，利用硬件資源虛擬化技術，實現了動態部署、彈性計算、按需分配的室內位置云計算服務。交換機的作用可以使多臺設備的網絡互通，任意兩個接入交換機的網絡節點可以使用單獨的電信號通路；路由器可以連接多個網絡，在網絡間起網關作用；磁盤陣列是一種磁盤組，按照不同的方式把多塊硬盤組合起來形成一個硬盤組，其存儲和備份性能比單個硬盤更為強大，虛擬磁盤存儲使用計算節點本地硬盤；UPS 是一種含有儲能裝置的不間斷電源，用來保證在偶然的斷電狀況下服務器仍能穩定、不間斷的運行。云平臺硬件組成示意圖如圖2所示。圖2 中，VPN（virtual private network）為虛擬專用網絡。

圖2 云平臺硬件組成示意圖

1.3 環境搭建

使用建站集成軟件包、超文本預處理器（hypertext preprocessor, PHP）、PHP 全球廣域網（world wide web，Web）開發框架、反向代理Web服務器、關系型數據庫管理系統等共同開發位置服務云端應用軟件。所用建站集成軟件包是一個能把阿帕奇（Apache）網頁服務器與關系型數據庫管理系統、PHP 等集合在一起的軟件，允許用戶可以在自己的電腦上建立網頁服務器環境；云端應用軟件主要使用PHP 語言來進行開發，并在PHP Web 框架中開發設計云端應用軟件；反向代理Web服務器是一種高性能的超文本傳輸協議（hyper text transfer protocol，HTTP）和反向代理Web 服務器，為位置服務云端應用軟件提供Web 服務，在處理高并發請求時表現尤為出色；關系型數據庫管理系統，用來存儲位置服務云平臺數據。

在進行位置服務云端應用軟件開發時，需要在本地搭建開發、調試環境，利用建站集成軟件包即可實現本地Apache 網頁服務器、本地關系型數據庫和本地PHP 編程環境的搭建和部署。位置服務云端應用軟件開發測試完畢后，需要部署到云端服務器，云端服務器需要搭建反向代理Web 服務器、線上關系型數據庫。用戶通過互聯網即可訪問位置服務云端應用。

2 位置服務云端應用軟件設計

通過通信網絡，系統終端用戶可以與室內位置服務云平臺系統進行系統數據的交互，實現位置服務云平臺系統的功能。室內位置服務云平臺系統處理流程如圖3 所示。

圖3 室內位置云服務應用系統處理流程設計

室內位置服務云端應用軟件主要有定位導航模塊、用戶管理模塊、基礎地圖瀏覽模塊、檢索查詢模塊、位置服務信息收發模塊、社交分享模塊和精準位置評估模塊。

1）用戶管理。用戶登錄位置服務云端應用軟件，進行用戶信息注冊，獲得注冊名和授權。注冊登錄后，成為云端超級管理員，可輔助用戶實現用戶信息管理、修改和更新等操作，自行選擇需要處理的業務。

2）定位導航。利用室外差分增強網[14]，使用導航衛星，保障室外環境下的定位精度和室內定位基準的統一。利用室內定位基站網，使用偽衛星、藍牙和其他傳感器信息，實現混合智能定位。GNSS 由于受到建筑物的遮擋而無法應用于室內環境下，室內定位技術的發展則彌補了這個不足，得以在建筑物內部繼續使用定位服務[15]。實現室內外無縫的高精度定位，并按照設定頻率輸出位置數據。讓用戶在室內也可以實現高精度定位，快速檢索查詢結果，制定導航路線，通過提示引導用戶找到目標單位或目標地點。室內定位導航功能流程圖如圖4 所示。

圖4 室內定位導航功能流程

3）檢索查詢。檢索查詢服務實現對靜態地物、設備和動態人員、物品、車輛的模糊關聯查詢。位置服務云端應用軟件提供檢索類別，按照用戶選擇檢索服務和關鍵詞信息，形成檢索請求。接收云端查詢結果，解析和顯示查詢結果及其位置信息。位置信息檢索查詢模塊實現兩個功能，一個為按照用戶輸入的關鍵字作為查詢條件的檢索查詢功能；另一個為根據用戶輸入的地理位置及其距離約束進行空間范圍檢索查詢功能。檢索查詢結果的位置信息，作為用戶導航的目標及沿途標識，輔助導航路線制定。檢索查詢結果的屬性信息，作為位置服務信息，輔助用戶購物、出行。信息檢索流程圖如圖5 所示。

俗話說“書讀百遍，其義自見”。也就是說，反復地讀，有利于幫助學生理解文章的含義。就小學語文的教學而言，反復的朗讀訓練，會讓學生在潛移默化中感知文本的內涵，加強學生對語言知識的理解，有效地幫助學生積累語言知識。例如，小學語文教材中有很多古詩教學，古詩因其特有的韻律、節奏等頗受學生的喜愛。而大聲地朗讀，有利于讓學生記憶和理解。記憶的過程，也是積累語言知識的過程。由此可見，朗讀是加深學生對文本知識理解，幫助學生積累語言知識的有效途徑。

圖5 位置信息檢索查詢流程圖

4）基礎地圖瀏覽。基礎地圖瀏覽主要負責查看商鋪、進出港口、場館及商場周邊地圖和對象屬性瀏覽。地圖基本操作實現地圖的瀏覽、放縮、平移等地圖操作；將實時顯示人員、物品實時位置信息，并在地圖上實時顯示人員、物流信息功能。多層地圖之間可進行隨意切換。

地圖服務主要包括位置展示、查詢結果展示、路線展示等。基礎地圖用于展示用戶當前位置、商場店鋪分布位置、室內主要交通通道以及消防栓、衛生間等輔助指示牌。路線展示用于查看用戶所在位置與目標位置的步行路線、公交路線或駕車路線。查詢結果展示服務于興趣點（point of interest,POI）搜索和路線搜索，用戶可以手動搜索任意自己感興趣的位置或路線。

5）位置服務信息收發。位置服務信息接收和發送工作原理：信息收發是云端和終端交互的主要方式，云端提供固定的訪問接口，統一服務所有終端用戶，并內置在終端應用軟件的訪問控制參數中。云端通信服務模塊等待終端訪問，偵聽訪問請求。當訪問請求到達后，接收訪問請求，完成通信握手。接收訪問數據，對接收數據進行校驗，判斷數據完整性。按照訪問應答協議，做出接收成功應答，發送至終端。解析接收數據，提取發送源地址和端口，解析數據引導標志，讀取數據格式標志和數據包包頭。解譯其目標地址，分析其訪問內網服務器域名。轉發訪問數據至內網云平臺處理服務器。接收內網服務器處理結果的反饋數據，解析其目標群地址，推送至目標群終端。

6）社交分享。在基于位置的社交網絡中，社交分享是必不可少的，實現信息分享更是社交分享模塊中最為基礎的一項功能，如某一用戶終端向云端發送消息請求發布尋人啟事通告，云端將可將此消息發送至所有在線用戶終端，實現信息分享。

信息分享的工作原理為：設置搜索界面，根據關鍵詞，搜索好友。形成搜索請求，服務器接收搜索參數，調度用戶數據庫檢索，搜索相關用戶及其信息，向終端用戶發送搜索結果。根據搜索結果，瀏覽用戶屬性信息，可添加朋友。采集自身位置數據，作為附屬空間信息。編輯文字信息，向朋友及平臺客服發送。拍攝圖片，采集語音和視頻，向好友及平臺發送。

7）精準位置評估。精準位置評估一般提供給高精度位置服務需求的終端用戶使用，用于測繪終端或大眾終端的算法調試、精度評定等場景，通過用戶終端的位置與已知坐標位置對比，已知坐標的測圖精度優于0.01 m，可實現對用戶終端米級、亞米級的精準位置評估。

精準位置評估的工作流程為：在精準位置評估模塊中，首先需要用檢索查詢功能對需要精準位置評估的用戶進行檢索查詢，查詢完成后將用戶位置展示到地圖中，并顯示用戶終端坐標。調度用戶移動至已知控制點或室內地圖的特征點處，點擊提取已知控制點或地圖中特征點坐標，對比終端定位坐標和已知坐標，得到定位偏差，保證用戶終端相對于地圖已知坐標的精準位置評估。

3 位置云服務試驗與測試結果分析

試驗內容包括測試地圖瀏覽、查詢、定位、導航，管理員與用戶的通信交互，展示修改用戶信息、為用戶提供定位導航、瀏覽基礎地圖信息、檢索查詢用戶位置信息、收發位置服務信息、云終端社交分享信息交互以及精準位置評估功能。測試環境選取石家莊市奧特萊斯商場某區域。測試對象及組成包括位置服務云計算平臺、室內位置服務云端應用軟件。

圖6 用戶管理測試

云端超級管理員具備對終端注冊用戶修改更、新用戶屬性以及處理其他功能的權限，注冊用戶通過完善信息，可以得到系統提供更精準的推薦，同步自己的收藏與分享等功能。定位導航和基礎地圖測試結果圖如圖7 所示。

圖7 定位導航與基礎地圖測試

混合智能定位技術使得終端用戶的位置能夠在地圖上進行顯示，并隨著用戶位置的改變實時更新，實現定位導航功能；基礎地圖模塊能夠幫助用戶了解區域位置信息，在地圖文件中，分別設置了外框圖層、商鋪圖層、商鋪點圖層、路徑圖層、樓層圖層和公共設施圖層來用于顯示地圖信息，方便用戶查找商鋪、街道和停車場等信息。

檢索查詢測試結果如圖8 所示。用戶通過輸入查詢字段，點擊檢索按鈕之后，平臺會向服務器發送檢索請求，并檢索數據庫中相似字段數據，獲取檢索查詢結果；也可輸入關鍵詞如“火鍋、咖啡、女裝等”，平臺給出相關推薦，用戶可根據自身喜好和需求自由選擇，選擇目標后，提供詳細店鋪位置，引導用戶達到目的地。位置服務信息收發測試結果如圖9 所示。

圖8 檢索查詢測試

圖9 位置服務信息收發測試

位置服務信息收發包括位置服務信息接收和位置服務信息轉發。位置服務信息接收指接收用戶提交的多媒體信息、測量信息、位置信息數據包，解析數據包的來源、目的地、內容等。位置服務信息轉發是按照用戶指令，打包位置服務信息為轉發數據包，向目的終端群和云平臺轉發通信數據包。如用戶向平臺發送路徑導航請求，選定起點和終點為用戶規劃路徑，路徑生成后將位置信息發送至用戶終端，引導用戶的導航與定位。社交分享測試結果如圖10 所示。

圖10 社交分享測試

選擇需要發送信息的用戶，建立云端與終端的云推送連接，編輯文字信息后可與用戶終端實現信息分享。

在檢索查詢對象界面中，點擊定位到地圖就可跳轉到精準位置評估界面，并將檢索查詢到的用戶單獨在地圖上標定出來。精準位置評估面板包含四種信息說明：用戶信息表示查詢用戶的姓名、位置樓層以及定位方法；用戶坐標表示查詢用戶的定位坐標；已知坐標當前位置地圖真實坐標；定位偏差則代表著用戶坐標與已知坐標之差。精準位置評估測試結果如圖11 所示。

圖11 精準位置評估測試

選定地圖上任一點即可獲取已知坐標，用戶坐標與已知坐標的距離會顯示在定位偏差中，以此實現精準位置評估。表1 列出了對部分終端用戶的精準位置評估測試結果。

表1 精準位置評估測試結果

4 結束語

針對大型復雜室內公共場所位置的服務需求，本文通過設計系統拓撲結構、硬件平臺配置和軟件環境搭建，構建了位置服務云平臺，并在該平臺上實現了用戶管理、定位導航、基礎地圖瀏覽、檢索查詢、位置服務信息收發、社交分享和精準位置評估等功能。經過實踐測試結果表明，室內位置服務云平臺及云端應用軟件架構可靠，運行穩定，展示出了較強的實用性，將為大型商場、醫院、機場、體育場館等大型復雜室內公共場所的位置服務和精準調度提供有益參考。