【編者按】國家千人計(jì)劃特聘專家、武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陳銳志教授應(yīng)中國測繪科學(xué)研究院的邀請，于2016年12月2日做了“室內(nèi)高精度定位與智能位置服務(wù)”的報(bào)告。陳教授長期從事智能手機(jī)泛在定位的研究，開發(fā)了整套基于智能手機(jī)的三維無縫導(dǎo)航技術(shù)。在陳教授的報(bào)告之后，《導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)》編輯部就“手機(jī)思維引擎”、“移動(dòng)地理空間計(jì)算”、“手機(jī)智能位置服務(wù)”等問題對他進(jìn)行了專訪。

手機(jī)思維引擎引領(lǐng)智能位置服務(wù)
——陳銳志教授專訪

【編者按】國家千人計(jì)劃特聘專家、武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陳銳志教授應(yīng)中國測繪科學(xué)研究院的邀請，于2016年12月2日做了“室內(nèi)高精度定位與智能位置服務(wù)”的報(bào)告。陳教授長期從事智能手機(jī)泛在定位的研究，開發(fā)了整套基于智能手機(jī)的三維無縫導(dǎo)航技術(shù)。在陳教授的報(bào)告之后，《導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)》編輯部就“手機(jī)思維引擎”、“移動(dòng)地理空間計(jì)算”、“手機(jī)智能位置服務(wù)”等問題對他進(jìn)行了專訪。

《導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)》：陳教授長期從事智能手機(jī)泛在定位與導(dǎo)航的研究，請你首先介紹一下室內(nèi)導(dǎo)航定位的難點(diǎn)和意義。

陳銳志：定位是位置服務(wù)、萬物互聯(lián)、人工智能和未來超智能(機(jī)器人+人類)應(yīng)用的核心技術(shù)之一。高可用、高精度的室內(nèi)外無縫定位技術(shù)對人們未來的生活起著至關(guān)重要的作用，是推動(dòng)大眾創(chuàng)新、萬眾創(chuàng)業(yè)的的科技源動(dòng)力，是支撐國家戰(zhàn)略需求的重要組成部分。室外定位在GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)的支撐下已經(jīng)日趨成熟，在有廣域增強(qiáng)服務(wù)的支持下更可顯著提高定位可用性，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 m的定位精度。另一方面，隨著市場(特別是大眾消費(fèi)相關(guān)行業(yè))對室內(nèi)定位需求的不斷增加，室內(nèi)定位已逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)和工業(yè)界的投資熱點(diǎn)。投入研發(fā)的企業(yè)不僅包括初創(chuàng)公司，還包括像 Apple、Google、Qualcomm、Intel、Cisco、阿里巴巴、百度、華為等商業(yè)巨頭。目前國際上高可用室內(nèi)定位技術(shù)的定位精度普遍在2～5 m之間。優(yōu)于1 m定位精度、低成本并且廣域覆蓋的室內(nèi)定位技術(shù)依然是實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)外無縫定位的最大障礙。室內(nèi)定位的難度源于復(fù)雜的室內(nèi)空間和受干擾的無線信號(hào)傳播環(huán)境。

《導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)》：提高室內(nèi)定位精度的最有效手段是什么？

陳銳志：由于室內(nèi)空間和信號(hào)環(huán)境的復(fù)雜性，很難找到一種類似于GNSS的室外定位技術(shù)。如果不考慮設(shè)備成本，有很多手段能提高室內(nèi)定位精度，如測量機(jī)器人，超寬帶(UWB)定位技術(shù)，室內(nèi)GNSS(Locata)等。這些高成本的定位技術(shù)能輕易實(shí)現(xiàn)dm級、cm級甚至mm級的精密定位。對于低成本的移動(dòng)設(shè)備如智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 m的定位精度，難度已經(jīng)很大。最主要的原因是這些低成本的移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)置傳感器的測量精度很低。

如圖1所示，目前智能手機(jī)已內(nèi)置豐富的傳感器、支持多種射頻信號(hào)和衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)。

但大多數(shù)室內(nèi)定位技術(shù)僅利用少數(shù)幾種定位源。圖2就是目前比較流行的一種解決方案：即利用智能手機(jī)的內(nèi)置傳感器如加速度計(jì)、磁力計(jì)及陀螺儀等；WiFi信號(hào)強(qiáng)度、GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)等。將這3種信號(hào)源的測量信號(hào)進(jìn)行融合，最后可以獲得1～3 m的定位精度。目前比較流行的多源融合方法包括卡爾曼濾波、粒子濾波和機(jī)器學(xué)習(xí)等。

《導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)》：1～3 m的定位精度能夠滿足普通應(yīng)用的定位精度需求。但對于一些特殊應(yīng)用，例如盲人的室內(nèi)導(dǎo)航，1～3 m的精度就滿足不了要求，需要進(jìn)一步提高。請問進(jìn)一步提高室內(nèi)導(dǎo)航定位精度的有效手段是什么？

陳銳志：我們的在研項(xiàng)目是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，采用融合更多種定位源的方法來提高室內(nèi)定位的精度和可靠性。新的定位源來自視頻、音頻、光源等傳感器。根據(jù)不同定位源在物理層面的互補(bǔ)性，提出以高精度定位方法為控制基準(zhǔn)，以無處不在的地磁特征和無時(shí)不有的手機(jī)內(nèi)置傳感器為紐帶，融合各種基于射頻、視頻、音頻、光源和室內(nèi)特征的定位方法，實(shí)現(xiàn)即插即用的高可用、高精度全源混合定位。原理可以用圖3清晰地表示出來。

《導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)》：智能手機(jī)現(xiàn)在雖然裝載了多種傳感器，但這些傳感器的功能沒有完全開發(fā)出來。請陳教授介紹一下智能手機(jī)定位與位置服務(wù)的應(yīng)用前景。

陳銳志：基于手機(jī)的位置服務(wù)應(yīng)用范圍非常廣泛，主要有：1)室內(nèi)導(dǎo)航；2)人流動(dòng)線分析；3)精準(zhǔn)營銷；4)移動(dòng)健康；5)室內(nèi)三維建模；6)室內(nèi)智能停車；7)虛擬實(shí)境(virtual reality，VR)在體育轉(zhuǎn)播中的應(yīng)用；8)混合現(xiàn)實(shí)游戲；9)應(yīng)急救援VR應(yīng)用等。

舉一個(gè)智能手機(jī)位置服務(wù)應(yīng)用的例子。我國從2000年始已進(jìn)入老齡化社會(huì)。2014年我國65歲以上老年人口達(dá)到1.38億，占總?cè)丝诒壤秊?0.1 %，預(yù)計(jì)2020年這一比例會(huì)達(dá)到12.8 %。特別是現(xiàn)在城市大多是獨(dú)生子女家庭，孩子們在外工作，老人們獨(dú)自生活，人到老年一般都會(huì)手腳有些不靈活或受到其他健康疾病的困擾，如老花眼、精神恍惚等。孩子們想要隨時(shí)掌握老人們的狀況，特別是當(dāng)老年人發(fā)生緊急情況時(shí)，可以一鍵給親人報(bào)警，而親人也能即時(shí)獲取該老年人的位置，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。如果智能手機(jī)能夠感知老年人的運(yùn)動(dòng)模式(如步態(tài)、步頻等)、居家活動(dòng)狀態(tài)(如上衛(wèi)生間次數(shù)、開冰箱次數(shù)、吃飯次數(shù)、看電視時(shí)間長短、睡覺時(shí)間長短等)等，就可以對老年人的健康狀況進(jìn)行分析與評估。特別是當(dāng)老年人出現(xiàn)跌倒、走失等特殊事件時(shí)，智能手機(jī)能夠感知并自動(dòng)報(bào)警。

《導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)》：手機(jī)思維引擎、地理空間認(rèn)知、行為認(rèn)知、行為推理等都是全新概念，請陳教授再具體介紹一下。

陳銳志：美國蘋果公司的Siri語音機(jī)器人、美國谷歌公司的AlphaGo圍棋機(jī)器人等，都在社會(huì)上引起了廣泛的關(guān)注。這些以人工智能(artificial intelligence，AI)為核心的產(chǎn)品以各種形式存在于我們生活中。要讓AI產(chǎn)品得到更廣泛的應(yīng)用，更高精度的移動(dòng)地理空間計(jì)算必不可少。AI產(chǎn)品的“智商”越高，就需要更高精度的空間信息和更高程度的地理空間認(rèn)知。AI產(chǎn)品未來會(huì)隨時(shí)隨地服務(wù)于我們的生活。例如，當(dāng)你離開辦公室后，你家里的“AI們”就會(huì)根據(jù)你回家途中的情況，計(jì)算你到家的時(shí)間，從而判斷什么時(shí)候打開家里的空調(diào)或暖氣，什么時(shí)候開始做飯等；當(dāng)一個(gè)盲人進(jìn)入陌生環(huán)境，如博物館，他的“AI”們會(huì)告訴他這是什么地方，所在空間的三維幾何信息、拓?fù)潢P(guān)系，為他導(dǎo)航，講解他周圍的作品等等。而要實(shí)現(xiàn)這些功能，就需要高精度的定位結(jié)果和空間認(rèn)知作為支撐。

一般情況下，“AI”們的操作過程概括為3個(gè)階段：感知、認(rèn)知和行動(dòng)。感知的過程需要大量傳感器來感知我們的物理世界，包括對這些傳感器的信號(hào)進(jìn)行接收、檢測、轉(zhuǎn)換、簡約、合成、編碼、儲(chǔ)存等。認(rèn)知的過程就是通過深度學(xué)習(xí)的方法來分類和識(shí)別我們的物理世界。

我們的團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)一個(gè)“手機(jī)思維引擎”。希望手機(jī)能更好的感知我們的行為，明白我們的意圖以便更好的服務(wù)于我們。比如當(dāng)你下班回家等車時(shí)，你的手機(jī)思維引擎會(huì)自動(dòng)告訴你要等公交車現(xiàn)在在哪里，還有幾分鐘到達(dá)。整個(gè)過程你不需要做任何手機(jī)操作。我們把整個(gè)思維引擎分為很多“小腦”，每個(gè)小腦去認(rèn)知一個(gè)比較單一的問題，以便簡化這些“小腦”的算法。實(shí)際上每個(gè)小腦就是機(jī)器學(xué)習(xí)中的各種分類器和算法，包括位置認(rèn)知、行為認(rèn)知、語義認(rèn)知、目標(biāo)認(rèn)知、拓?fù)湔J(rèn)知、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知、環(huán)境認(rèn)知等。通過傳感器獲取的海量數(shù)據(jù)，利用高效的云計(jì)算和深度學(xué)習(xí)等方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、“智慧”更新，將這些“小腦”相互關(guān)聯(lián)起來，產(chǎn)生新的“智慧”，為用戶提供更多智能應(yīng)用，讓智能手機(jī)更好的服務(wù)于我們。

陳銳志.手機(jī)思維引擎引領(lǐng)智能位置服務(wù)—陳銳志教授專訪[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(1)：1-3.

10.16547/j.cnki.10-1096.20170101.