地磁场室内定位技术云平台及移动应用技术方案.docx

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地磁场室内定位技术云平台及移动应用技术方案

基于地磁场的室内定位技术

云平台及移动应用技术方案

黄步添

2015年8月

第一章技术方案

一、总体技术概述

（一）技术方案

所依据的技术原理（1000字之内）：

提出了一种基于地磁场和历史定位轨迹的室内定位方法，该室内定位方法不仅可以进行精确的室内位置定位，而且能够自动发现和纠正因测量误差等造成的错误定位结果。

另外，由于地磁场无源、稳定、无辐射特性，基于地磁的室内定位费用低廉且更为稳定、安全。

该定位系统包括移动终端和服务器，移动终端用于采集地磁场数据，服务器用于进行数据存储和定位计算。

图1定位方法流程图

室内定位方法如下：

步骤1：

建立指纹库，指纹库中的数据既包含磁场强度信息（即地磁场特征数据），又包含该磁场强度对应的真实位置信息（参考点的坐标）。

设定参考点时相邻两个参考点之间的距离为3~10m。

步骤2：

按照预设的定位周期基于地磁场定位法对当前位置进行定位得到相应的定位结果，每次定位时如下：

先采集当前时刻所处位置的地磁场信息，然后与指纹库进行匹配进而得到定位结果。

当定位此时达到预设的次数阈值时，得到定位结果后还进行如下操作：

（S1）以本次定位结果和历史定位轨迹中本次定位结果之前的K-1次定位结果作为定位集合，其中K等于所述的次数阈值；

（S2）计算定位集合中各个定位结果的置信度，本实施例中基于信号传播衰减原理计算定位集合中各个定位结果的置信度，具体如下：

（1）从定位集合中选出一个定位结果作为起始节点并赋以初始置信度（本实施例中初始置信度为1）。

（1-1）计算定位集合中各个定位结果的局部密度，第i个定位结果Si的局部密度density（Si）：

，

其中，d（Si）为各个d（Si）为定位结果Si到其第m邻近点的距离；

（1-2）比较各个定位结果的局部密度，以局部密度最大的定位结果作为起始节点。

（2）按就近原则在定位集合中确定选择m个定位结果作为起始节点的邻近节点，m为K/2的上确界；

（3）根据起始节点的初始置信度，按照传播衰减公式对各个邻近节点赋以置信度；

（4）各个邻近节点获取置信度后均循环操作一次步骤

（2）和步骤（3）；

每个节点选取获取的置信度中的最大值作为相应的定位结果的最终置信度。

计算得到的定位集合中，定位结果S1的局部密度最大，被确定为定位置信度最高的位置，作为起始节点，记为O。

在定位方法中，还可以在定位验证本次定位结果错误后，根据历史定位轨迹和本次定位时的运动速度计算当前定位结果，并添加至历史定位轨迹：

根据历史定位轨迹确定本次定位时的运动方向，并根据速度传感器采集自身的运动速度，然后结合定位周期计算得到本次定位的定位结果。

主要技术与性能指标（500字之内）：

1、平台支持的并发量

网站面临高并发访问和海量数据流的情况屡见不鲜，系统中的各个核心设备所负担的处理能力和计算强度也会相应增大，使得单一设备根本无法承担。

在此种情况下，通过设计负载均衡机制将工作任务相对均衡地分摊到多个节点（服务器集群）上执行，从而提升整个业务系统的性能。

根据未来一年的业务量的估算，系统需要支持10万并发连接数，随着云平台性能的提升，可无限扩展。

2、定位的精确度

根据实测结果，定位精度可以控制在5m以内，5m以内已能满足民用的室内定位要求。

目前算法还在持续完善中，精度有望进一步提高。

3、定位的请求时间

定位的请求时间，指从调用端，如移动手机发起请求，到定位服务端反馈回的时间，较短的时间能够提高用户在使用定位的服务的体验。

目前根据测试结果表明，请求时间能够控制在0.5S以内。

4、基于智能手机的社交终端；

定位开放平台提供相应的SDK包和API调用服务，方便各类企业和个人开发者使用定位服务，该接口和sdk包要能够应用于IOS及Andriod移动平台操作系统。

（二）创新内容

创新类别

□理论创新■应用创新■技术创新□工艺创新□结构创新

创新内容（1200字之内）：

创新内容要根据选择的创新类别，用技术语言按创新点分条目描述，尽可能多用实验数据，要有数据分析、对比。

如果是技术创新，请说明目前一般采用什么技术，申报项目对什么技术进行了创新，；如果是结构创新、工艺创新，需进行新旧结构或工艺对比，并画出新旧结构图和工艺流程图。

本项目的主要创新点有：

1、技术创新

1、提出了一种基于地磁场和历史定位轨迹的新型室内定位方法，该方法不仅能够进行室内位置的定位，而且能够智能纠错，发现和改正错误的定位位置。

该方法费用低廉、定位精度显著优于以往的室内定位方法。

2、除了一种发现和纠正错误定位位置的传播算法，该算法能够有效的发现并纠正错误定位位置，避免错误定位。

3、提出了一种加入手持设备角度、加速度等数据进行辅助定位的位置定位方法。

该方法能够显著提高室内位置定位的精度。

4、提出了一种通过用户的行为数据对用户的生活习惯以及生活圈进行分析的方法，通过将用户的主观行为意愿与客观行为数据相结合，所得到的结果能很好的反映用户真实的生活方式。

5、提出一种基于用户生活习惯与生活圈的线下好友推荐方法。

这种方法独立于用户的交际圈，更加注重对用户生活圈信息的挖掘，与传统方法相比，本方法得到的推荐结果不会收敛至一个相对较小的朋友圈，更加利于用户的扩散。

6、提出了一种基于室内定位技术采集用户在室内场所中的行为数据，据此对用户进行线下好友推荐。

该方法相比于传统好友推荐方法所依据的前提条件：

（1）特定的场所具有特定的用户群体；

（2）用户是出于主观意愿而前往特定的场所，这是用户生活习惯（生活方式）的一种客观体现；更加客观，更具备普适性。

2、应用创新

1、为大众用户提供室内微距社交应用，应用基于云象网络自主知识产权的地磁定位技术、WiFi定位技术和好友推荐技术等创新技术。

2、室内微距社交应用为用户提供了定位导航、社交和导购等方面应用，应用形式上区别于目前市场上主流的社交应用。

3、提供开放云平台，方便各类企业和个人开发者使用sdk包和api快速应用定位服务。

（三）与项目相关的知识产权情况

权利人相关说明：

申报人或团队使用单位知识产权（申报人为非权利人）的，要逐一说明是否得到了权利人的许可使用（提供许可证明文件为有效）、是否存在股权关系、合作关系等。

二、项目技术开发可行性

（一）项目技术发展现状

国内外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析（1200字之内）：

国际上谷歌、诺基亚、博通、IndoorAtals、Qubulus、杜克大学在室内定位技术领域有一定的进展。

（1）谷歌方案：

谷歌手机地图6.0版的时候已经在一些地区加入了室内导航功能，此方案主要依靠GPS（室内一般也能搜索到2～3颗卫星）、wifi信号、手机基站以及根据一些“盲点”（室内无GPS、wifi或基站信号的地方）的具体位置完成室内的定位。

目前此方案的精度还不是很满意，所以谷歌后来又发布了一个叫“GoogleMapsFloorPlanMarker”的手机应用，号召用户按照一定的步骤来提高室内导航的精度。

（2）诺基亚方案：

诺基亚采用的是HAIP技术，正在努力使之成为蓝牙协议的一部分，这样只要你的设备带有蓝牙模块，就能够使用这种技术进行定位。

当然，仅有一个蓝牙模块还不能完成定位，还需要在室内安装一种定位发射台，通过这两者之间的通信完成定位。

这种发射台可以覆盖100m×100m的范围，定位精度在30cm～100cm，据说这种发射台还有成本低、功耗低等特点，一台或多台都能完成定位。

（3）博通方案：

博通公司研制了一种用于室内定位的新芯片（BCM4752），具备三维定位功能（即你所在位置的高度也算出来）。

这种芯片可以通过wifi、蓝牙或NFC等技术来提供室内定位系统支持。

更强大的是，该芯片可以结合其它传感器，例如手机里的陀螺仪、加速度传感器、方位传感器等，将你位置的变化实时计算出来，甚至做到没有死角。

博通公司的如意算盘是将这种芯片内置到智能手机里。

（4）IndoorAtlas方案：

IndoorAtlas是一家专注于室内导航解决方案的公司，刚成立不久。

IndoorAtlas的方案基于地球磁场，依据是每一个具体位置的磁场信息都不一样。

不过使用这种技术进行导航比较麻烦，首先用户需要上传建筑平面图，然后还需要你拿着移动设备绕室内一圈，记录下各个位置的地磁信号特征，这些信息需要上传到IndoorAtlas的服务器。

（5）Qubulus方案：

跟IndoorAtlas不同的是，Qubulus公司根据无线电信号（RadioSignature）来定位。

每一个位置的无线电信号数量、频度、强度等也是不同的，Qubulus根据这些差异计算出你的具体位置。

使用Qubulus的方案，你同样需要收集室内的无线电信号。

Qubulus也提供了开发工具包，很容易申请下来。

开发工具包里有一个例子，可以使用Eclipse直接编译通过。

（6）杜克大学方案：

杜克大学则借助现实生活中路标（landmarks）的思想，正在开发一个叫做UnLoc的应用。

此应用通过感知wifi、3G信号死角，以及一些运动特征，如电梯、楼梯等，并根据这些位置已知的路标来计算你的位置。

当你移动的时候，就根据其他感应器（陀螺仪、加速度传感器、方位传感器等）来跟踪你的位置。

（二）项目主要研究内容

项目研究开发内容及涉及的关键技术及技术指标描述（1500字之内）：

逐条阐述项目研究开发的主要内容及涉及的关键技术及技术指标。

项目将地磁场室内定位技术，提供面向各类企业和个人开发者的开放云平台服务以及面向大众用户、商场的移动应用产品。

项目主要研究内容及关键技术如下：

1、基于地磁场的室内定位技术

利用手持设备采集地磁强度，通过匹配指纹库进行当前位置定位，然后结合历史定位轨迹进行剔除错误定位，提高定位的精确性。

本项目提出了一种基于地磁场和历史定位轨迹的新型室内定位方法，该方法不仅能够进行室内位置的定位，而且能够智能纠错，发现和改正错误的定位位置。

该方法费用低廉、定位精度显著优于以往的室内定位方法；提出了一种加入手持设备角度、加速度等数据进行辅助定位的位置定位方法。

该方法能够显著提高室内位置定位的精度；首次提出了一种发现和纠正错误定位位置的传播算法，该算法能够有效的发现并纠正错误定位位置，避免错误定位。

图表2

2、基于Hadoop技术的海量数据存储、管理、检索信息管理平台

基于Hadoop技术研发海量数据存储管理平台，为上层应用提供高效的海量数据存储管理、查询和检索服务以及并行数据处理工具。

HBase–HadoopDatabase，是一个高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布式存储系统，利用HBase技术可在廉价PCServer上搭建起大规模结构化存储集群。

HBase系统架构如下：

（1）、ZookeeperQuorum中除了存储了-ROOT-表的地址和HMaster的地址，HRegionServer也会把自己以Ephemeral方式注册到Zookeeper中，使得HMaster可以随时感知到各个HRegionServer的健康状态。

（2）、HBase中可以启动多个HMaster，通过Zookeeper的MasterElection机制保证总有一个Master运行，HMaster在功能上主要负责Table和Region的管理工作。

（3）、HRegionServer主要负责响应用户I/O请求，向HDFS文件系统中读写数据，是HBase中最核心的模块。

（4）、HStore存储是HBase存储的核心了，其中由两部分组成，一部分是MemStore，一部分是StoreFiles。

MemStore是SortedMemoryBuffer，用户写入的数据首先会放入MemStore，当MemStore满了以后会Flush成一个StoreFile（底层实现是HFile），当StoreFile文件数量增长到一定阈值，会触发Compact合并操作，将多个StoreFiles合并成一个StoreFile，合并过程中会进行版本合并和数据删除，因此可以看出HBase其实只有增加数据，所有的更新和删除操作都是在后续的compact过程中进行的，这使得用户的写操作只要进入内存中就可以立即返回，保证了HBaseI/O的高性能。

当StoreFilesCompact后，会逐步形成越来越大的StoreFile，当单个StoreFile大小超过一定阈值后，会触发Split操作，同时把当前RegionSplit成2个Region，父Region会下线，新Split出的2个孩子Region会被HMaster分配到相应的HRegionServer上，使得原先1个Region的压力得以分流到2个Region上。

3、基于mapbox的地图技术

采用mapbox技术，构建3D室内地图，可以创建各种自定义地图。

通过js可以方便地在地图上实现放照片、让用户签到、或者记录笔记等功能。

图表3

4、基于Spark的流式计算平台

Spark是一种与Hadoop相似的开源集群计算环境，但是两者之间还存在一些不同之处，这些有用的不同之处使Spark在某些工作负载方面表现得更加优越，换句话说，Spark启用了内存分布数据集，除了能够提供交互式查询外，它还可以优化迭代工作负载。

采用Spark流式计算框架后，使得后端的地磁场建模、定位的效率更高。

图表4

（三）项目技术路线描述

项目技术路线描述（1200字之内）：

包括技术原理图、工艺流程图、产品结构图、框架图等。

1、室内定位服务架构示意图

图表5

本项目的室内定位技术包括移动端，服务端及信号数据，包括地磁场信号和wifi信号。

首先，手机端根据采集到的地磁数据和wifi信号数据，通过无线网络传输到后台服务端，经过处理后，反馈用户位置到前端。

2、基于Hadoop技术的海量数据存储架构

图表6

由于本项目的技术平台服务和移动互联网应用服务，面向大量的用户，势必会产生大量的数据及数据存储问题，因此选择成熟的大数据存储和处理方案是非常关键的。

从图中可以看到，Hadoop技术的海量数据存储和处理架构能够很好相应本项目的需求。

3、移动端应用截图

图表7

此界面截图是本公司的移动互联网应用产品的界面图，从图中可以清晰看到，该应用主要包括室内定位导航，社交，商场优惠信息等功能。

4、PC端的地图应用截图

图表8

该图是本公司面向大众用户的室内位置导航的WEB轻应用，用户可以无需安装app，既可以方便浏览室内地图信息。

5、应用后台系统

图表9

后台提供面向商家的管理维护功能，还有数据分析服务功能，根据移动端的用户行为数据，通过数据挖掘后展示结果。

这样可以辅助商家和商场管理好商场和商店。

（四）项目技术实现依据

设计思想依据（200字之内）：

包括文献，或专利，或发明等。

设计思想依据包括如下：

1、发明专利：

室内人员的定位方法（201310451925.3）曹元

2、发明专利：

基于地磁场感应终端的定位方法与系统（201310185991.0）高歆雅 刘波 江志峰 周开宇

3、CarlosE.Galván-Tejada ,JuanPabloGarcía-VázquezandRamonF.Brena,"MagneticFieldFeatureExtractionandSelectionforIndoorLocationEstimation"Sensors 2014, 14（6）,11001-11015

4、JaewooChung,MattDonahoe,ChrisSchmandt,Ig-JaeKim,PedramRazavai,PedramRazavai,MicaelaWiseman,"Indoorlocationsensingusinggeo-magnetism",MobiSys'11Proceedingsofthe9thinternationalconferenceonMobilesystems,applications,andservices:

141-154.

关键技术实现依据（500字之内）：

包括理论依据、实验依据等

与项目直接相关的多项技术与产品已经初步研制完成。

（1）已申请三项发明专利：

◆基于Wi-Fi和地磁场的室内定位方法

本发明属于无线室内定位领域，尤其涉及一种基于Wi-Fi和地磁场的室内定位方法。

◆基于地磁场和历史定位轨迹的室内定位方法

本发明提出了一种基于地磁场和历史定位轨迹的室内定位方法，该方法利用手持设备采集地磁强度，通过匹配指纹库进行当前位置定位，然后结合历史定位轨迹进行剔除错误定位，提高定位的精确性。

◆一种基于室内生活圈的线下好友推荐方法。

本发明涉及社交网络领域，具体涉及一种基于室内生活圈的线下好友推荐方法。

一种基于室内生活圈的线下好友推荐方法，包括如下步骤：

构建若干商圈的室内电子地图，并根据各个区域的性质指定所述的室内电子地图相应区域的属性标签；获取每一个用户的行为轨迹，并根据历史轨迹生成用户生活圈，再根据生活圈推荐好友。

（2）已申请软件著作权：

云象室内定位导航社交软件。

项目技术实现主要面临的风险及应对措施（800字之内）：

分析可能产生的技术风险因素对实现预期目标的影响和敏感度，阐述控制风险的应对措施。

1、企业实施项目的技术风险

　　该项目产品的技术积累都已完成，并且产品完成实验验证，已经进入中试阶段，技术较为成熟，具有广阔的市场前景，项目的研发和市场工作都取得良好的进展。

尽管如此，在项目实际经营中仍应注重防范以下风险：

1、技术风险：

作为网络技术产品，其风险主要在于软件程序出错、产品更新速度慢及客户安全性问题。

2、技术时效风险：

因技术不断变化并更新时间快，企业如何将先进的技术产品迅速地大规模地变为市场接纳的商品，如不能在最快的时间内将该技术产品规模性占领市场，项目的技术经济价值将受到影响。

3、掌握本项目创新性关键技术的核心人员流失；

4、自主知识产权或技术机密被侵犯的风险。

二、风险对策

　　企业采用以下方法来规避和降低风险、减少风险的影响：

1、针对技术风险，企业提出以下应对措施：

（1）针对应用程序出错问题，加强软件的健壮性、容错性的改进设计；

（2）根据用户提供的实际使用情况，严格按照标准，及时对应用程序进行升级和优化；

（3）产品核心基础模块，完全自主研发，业务应用层和移动端主要基于各类成熟的开源框架和原生系统开发，因此技术开发比较成熟，技术上的风险主要在数据安全方面，公司通过过滤、权限、认证、加密及审计等方式处理好大量并发和海量数据存储，完善网络环境和技术，保证信息化的有效性和安全性。

2、任何产品都有一定的生命期，企业必须尽快实现规模化，加快市场推广速度，通过融资等方式获得资金支持，力争在产品经济寿命期的成长期内扩大市场份额，进而努力降低技术更新风险。

3、根据企业属于互联网行业特点，对核心技术骨干，企业正着手实施为期四年的期权管理制度，提高核心技术骨干的工作积极性、创造性和稳定性，对于有效防范核心技术人员流失将起到积极的作用。

4、企业目前已经建立了一套比较完整的知识产权保护体系，在技术合作、企业与员工之间均签署了相关的技术合同和保密合同，加强了员工的保密培训，明确了知识产权的归属与权力。

三、项目技术成熟性

项目所处阶段

□论证□研发■中试□批量生产

项目产品销售（服务）情况

■无销售□试销□批量

关键技术成熟性分析（800字之内）：

包括项目产品采用的现有成熟关键技术、已攻克的关键技术、待研究的关键技术，结合关键技术的实验、生产运用数据情况，分析项目产品技术指标数据稳定性和关键技术成熟程度（尚未成熟、比较成熟、成熟）。

采用的现有成熟技术包括：

（1）基于Mapbox的地图引擎技术

Mapbox是一个可以创建各种自定义地图的网站，如foursquare、Pinterest、Evernote、Github、500px等大牌都使用Mapbox创建自己的地图，Mapbox宣称要构建世界上最漂亮的地图。

（2）基于Hadoop的大数据存储架构

Hadoop是一个由Apache基金会所开发的分布式系统基础架构。

用户可以在不了解分布式底层细节的情况下，开发分布式程序。

充分利用集群的威力进行高速运算和存储。

Hadoop实现了一个分布式文件系统（HadoopDistributedFileSystem），简称HDFS。

HDFS有高容错性的特点，并且设计用来部署在低廉的（low-cost）硬件上；而且它提供高吞吐量（highthroughput）来访问应用程序的数据，适合那些有着超大数据集（largedataset）的应用程序。

HDFS放宽了（relax）POSIX的要求，可以以流的形式访问（streamingaccess）文件系统中的数据。

Hadoop的框架最核心的设计就是：

HDFS和MapReduce。

HDFS为海量的数据提供了存储，则MapReduce为海量的数据提供了计算。

已经攻克的关键技术：

（1）基于地磁场的室内定位技术

（2）基于流式计算的快速建模、定位方法

待研究的关键技术：

（1）快速建立室内地磁场强度模型方法；

通过智能手机，采集离散的地磁场信息，快速建立室内的地磁场强度分布模型。

（2）用户行为分析预测平台

基于用户的历史位置信息，以及购物习惯，并结合深度学习方法，建立用户行为分析预测模型。

项目产品可靠性分析（200字之内）：

介绍提高项目产品可靠性的关键环节所采用的技术原理和措施以及经实验或生产已经达到的指标，分析其可靠性。

（1）开放性、可拓展、可升级的数据存储和管理模式，以及软件系统构架。

可扩展架构的核心思想是模块化，并在此基础上，降低模块间的耦合性，提供模块的复用性。

模块通过分布式部署，独立的模块部署在独立的服务器上（集群）从物理上分离模块之间的耦合关系。

模块分布式部署以后具体聚合方式主要有分布式消息队列和分布式服务。

（2）基于后台强大的大数据平台以及流式计算架构，基于成熟的Hadoop平台。

项目产品技术检测情况：

已检测：

填写检测单位、检测意见、检测时间，并附检测意见扫描件。

□已检测■尚未检测

第二章项目产品（服务）化

一、项目产品（服务）特性

产品形态

□最终消费产品□工业产品□工业中间产品

■技术服务□其它

产品（服务）用途（200字之内）：

介绍产品（服务）的主要功能、应用领域。

1）面向各类企业和个人开发者的开放云平台服务：

开放云象网络核心技术-地磁定位的各类应用服务功能。

2）面向大众用户、商场的移动应用产品：

基于云象网络的地磁定位算法、室内生活圈推荐算法及WiFi定位算法为基础的移动互联网产品。

产品（服务）性能比较优势（600字之内）：

介绍产品（服务）与同类产品（服务）比较所具有的产品（服务）性能、指标、功能、价格等方面比较优势。

可以用列表说明。

技术应用领先：

采用地磁场室内定位技术，相对于其他室内定位技术，如ibeacon、wifi，省去了需要在室内布置设备的投入、调试及后期维护，更易于快速应用于各类室内场所。

目前市场上的室内定位解决方案较多，从技术和部署方式来看并无明显的优势企业。

我们选取南京淘点网络科技有限公司（WIFI定位），该公司作为解决方案提供商，专注于WiFi定位技术，在国内WiFi定位解决方案提供商中有一定知名度，属于主流wifi定位提供商，我们以该公