【行业】室内定位细分赛道梳理

室内定位技术是对数字地图和导航技术在室内场景中的补完,并且是物联网和智能楼宇赛道中的组成环节,对该赛道的梳理,更多旨在判断其技术成熟度,因而指导下游应用场景和商业机会的判断。

概念

实现室内场景中的人、物品的位置标定和跟踪,通常和室内数字地图配合使用,是对传统室外定位的补全。


定位

从网络本质而言,主要是为了解决目标(人或物体)的可达到性问题和信息完整性问题,分别对应通信网络建设的覆盖度和带宽。位置服务属于其信息完整性层面,基于位置的服务(LBS)也是由在获得这些信息后衍生的。目前成熟的定位服务限于室外场景,室内定位的信息是相对缺失或极其粗糙的。我们认为不同场景和不同精度的定位信息能够衍生的商业应用类型是不同的,当前室内定位技术的目标是获得目标在室内的精确位置信息,是某些应用出现的基础条件。因此,观察室内定位行业的发展不仅在于在该行业内部寻求投资机会,同时可以前瞻性地预见到下游应用的发展可能性。


产业链

整个室内定位产业大致由硬件和数据流构建起两条产业链,基本对应定位(类比GPS设备运营商基站)和数据化(类比地图数字化服务商)两个方面。

硬件基建

  • 芯片厂商:生产定位芯片,供货给下游的系统集成商,主要商业模式为出售产品。由大型的通信芯片厂商所主导,高通、博通、Nordic 、德州仪器基本上有基于不同技术路线的芯片。
  • 系统集成商:根据场地方需求进行室内定位解决方案提供,有时候会和数据服务商相互整合,主要商业模式以2B项目制为主。(类比地图定位中的GPS卫星提供商和通信基站建设方,只是量级要小很多,以商业地产等场地方为主)。由于目前下游应用较为零散和垂直化,暂无巨头出现。
  • 场地方:室内定位服务的需求方,根据定位数据面向的对象不同,可以分为专用场地方和通用性场地方,专用场地方为内部人员或物件提供定位服务,相应网络化也是封闭的,基本用于场地内部管理(工厂、仓储、医院、学校、机场、监狱等)。通用性场地方需要的定位服务是开放的,类似2C模式,旨在提高服务质量(商业综合体、会展、超市等)。

数据流

定位系统中的数据可以分为定位信息数据和数字地图数据两个层面,但基本数据服务商会是同一实体。同时,从定位数据中衍生出大量应用。

  • 数据服务商:提供两方面数据,数字地图信息数据和定位数据,商业模式为数据服务。由于室内定位下游目前比较分散,数据服务商和系统集成商往往整合在一起(即尚无类似高德、四维等面向城市和国家级别的服务商)
  • 应用服务商:即广义的LBS应用服务商,商业模式多样化(基于地图定位的大型服务有:百度地图、高德地图、滴滴、携程、陌陌、共享单车等)。

应用市场

室内定位是物联网的基础服务之一,根据应用场景不同,可以促进企业的运作和营销效率提升,或为消费端用户提供更加便捷的体验。区别于地图定位服务,由于场地方类型和业务的多样性、进驻门槛和基建安装成本等因素,室内定位的下游应用呈现垂直化特征,缺乏主力厂商和驱动因素去推动全面覆盖。因此目前而言室内定位的业务场景需要满足某些较为刚性的需求,并呈现一些特征。同时,如上文所述,根据服务对象和网络构架的不同,室内定位市场可以分为专用场地应用和通用场地应用两大类,并构成不同的商业模式。

  • 区域较大:一般较小的室内场的定位和导向需求都可以由人工或自助服务解决,因此合理的室内定位场景应该在5000-10000平方米以上。
    信息完备性需求较高:专用场景中要求对目标(通常指被监控对象)的信息要求较高。
  • 大流量:大流量场景人工管理和服务的压力增大,造成管理和服务质量下降,需要寻找代替途径。
  • 自动化:某些专用场景中需要进行自动化改造,定位是其前置条件之一。

专用场地应用

主要包括特定目标监控、商业智能、智慧仓储和物流、智能制造、紧急救援、人员资产管理和服务机器人等。

  • 目标监控:满足特殊场景对人或物的精准监控,主要应用领域为监狱、医院、幼儿园、矿井等。
  • 商业智能:通过对室内人流进行监控和分析,优化布址,提高运作效率和营销效率,主要应用领域为餐饮、零售、商业综合体、交通运输中心等。
  • 自动化:作为制造流程自动化和仓储自动化的基础构架,为机器人提供导航,应用领域为制造业和仓储物流行业。

通用场地应用

主要包括:商场导购、停车场反向寻车、家人防走散、LBS交友、展厅自助导游等。

  • 室内导航:为消费者提供大室内场景下的精准导航服务,主要应用为停车场寻车、大流量场馆自主导游、交通枢纽功能区导航、智慧楼宇和智慧园区服务、防走失服务等。
  • 消费服务:为线下商业提供商铺、商品提供定位和信息服务,提高消费转化率。
  • 精细化社交:基于室内场景的精细化LBS社交应用。

技术路径

原理

室内定位的原理主要为以下三种,不同原理衍生出不同的技术路劲,并对相应公司的解决方案和运作模式造成一定影响。

名称 原理 特点 技术路径
几何 通过测量目标和若干个固定基站之间距离,计算目标当前位置 实时运算,准确度高 基站定位、WIFI定位、蓝牙定位、UWB定位、超声波定位
指纹 预先采集室内不同位置的某个物理特征值,绘制指纹地图,定位直接测量位置的特征值并同指纹地图比较 预先采集,定时更新 WIFI指纹定位、地磁定位
图像 通过激光雷达或摄像头对室内场景进行SLAM建模,而后采用机器视觉匹配算法估算位置 特定场景,运算量大 激光SLAM,机器视觉

技术路径

目前市场上存在多种室内定位的技术路径,对于技术路径的考量的在于性能、稳定性、部署难易度和成本等,目前尚无十分完美的解决方案。

技术路径 原理 性能 稳定性 部署难易度 成本 代表公司
WIFI定位 几何、指纹 精度5米,并发数小于100个, 较差,共用AP定位,信号不稳定;不同设备信号强度不统一 容易,共享WIFI AP,手机直接定位 指纹采集和更新成本 WIFISLAM、Sensewhere、图聚智能
蓝牙定位 几何 精度3米,并发数无上限 一般,频段易受干扰,iBeacon无源基站续航1-2年 一般,高密度基站部署,手机直接定位 部署成本和后期维护成本 Estimote、寻息电子
惯性传感器定位 几何 精度不确定,有累计误差,并发数无上限 较差,误差会累计,智能作为辅助定位手段 无基站模式 / /
超宽带定位 几何 精度分米级,并发数较高 较好,但有距离范围限制 较难,需要同时部署基站和接收器 部署成本和后期维护成本 Ubisense、联睿电子
光通信定位 几何 精度1米,覆盖范围在可见光可达区域,定位较限制较多 较好,但定位受距离限制 一般,灯具作为基站部署,手机摄像头定位 部署成本和后期维护成本 华策光通信
超声定位 几何 精度分米级,覆盖范围较小,并发数无上限 较好,但定位受距离限制 较难,需要高密度部署有源基站 部署成本和后期维护成本 Shopkick
地磁定位 指纹 精度1米,并发数无上限 较差,受室内布局和电器影响 无基站模式 指纹采集和更新成本 IndoorAtlas、识途科技
激光雷达定位 视觉 精度毫米级 较好,但受限于视野范围 无基站模式 指纹采集和更新成本 Velodyne、思岚科技、北醒光子
机器视觉定位 视觉 精度1米,使用限制较多,功耗较高 一般,但受限于视野范围 无基站模式 指纹采集和更新成本 Google

相关公司

公司 国家 成立时间 技术路径 定位 业务情况 融资情况
图聚智能 中国 2012 WIFI、蓝牙 系统集成、数据服务 面向通用场地方,6000套室内地图,为百度、高德提供室内地图服务,与银泰等商业地产合作,16年销售额611万 2016.6 新三板
联睿电子 中国 2010 超宽带 系统集成 面向专用场地方,消防搜救辅助、油管施工管控等工程 中海达收购
智慧图科技 中国 2011 WIFI、蓝牙 系统集成、数据服务 面向通用场地方,为大悦城、白云机场、首都机场等提供解决方案 2014.12 B轮 数千万美元,宽带,云启资本
识途科技 中国 2015 地磁、WIFI、蓝牙 数据服务 / 2015.7 天使 数百万人民币 创投圈拓璞基金
云景智维 中国 2015 未知 系统集成、数据服务 / 2015.2 数百万人民币 IDG
WIFISLAM 美国 2011 WIFI 数据服务 面向通用场地方,为用户提供室内导航服务 2013年被Apple收购
Sensewhere 英国 2005 WIFI、惯性传感 数据服务 面向通用场地方,为用户提供室内导航服务 2015 腾讯战略投资
Estimote 美国 2012 蓝牙 系统集成、数据服务 面向通用场地方,为用户提供室内导航服务 2016.1 A轮 1100万美元 Javelin Venture Partners
寻息电子 中国 2014 蓝牙 系统集成 面向通用场地方,为用户提供室内导航服务 /
真趣信息 中国 2016 蓝牙 系统集成、数据服务 面向通用场地方,为停车场、园区提供定位方案 /
Ubisense 英国 2002 超宽带 系统集成 面向专用场地方,面向制造业提供解决方案 2011 伦敦上市
华策光通信 中国 2013 光通信 系统集成、数据服务 面向通用场地方,为室内场馆和商超等提供导航服务 /
IndoorAtlas 美国 2012 地磁 系统集成、数据服务 面向通用场地方,为零售、场馆、交通枢纽等提供导航 2014 A轮 1000万美元 百度
Velodyne 美国 2007 激光雷达 产品生产 激光雷达龙头 2016.8 1.5亿美元 百度,福特
思岚科技 中国 2010 激光雷达 产品生产 提供激光雷达测距传感器 2016.1 B轮 数千万人民币 常春藤资本

结论

  • 目前的室内定位尚无完美平衡精度、安装和运维、易用性三者的解决方案。
  • 室内定位市场尚无垄断性解决方案提供商,但各大科技巨头均有布局。
  • 国内的室内定位市场首先还是要关注需求更为刚性的专用场地,待技术成本下降后再转移到通用性场地服务。

附录

技术路径细节

WIFI定位

按定位原理不同,分为三边定位和指纹定位两种。
在WIFI三边定位方案中,因为复杂度的原因,并没有采用飞行时间法测距,而是先测量终端的RSSI(Received SignalStrength Indication接收信号强度),再根据RSSI和距离的关系公式来估算距离。而无论这个关系公式本身,还是RSSI的测量,都有较大误差,最终造成WIFI定位精度较低。即便在某固定点连续两次测量RSSI,测量值也会有不同,更换不同的手机也会有差异,且基站和终端的距离越远,距离测量误差越大。所以一般要提高WIFI定位精度,往往要提高基站的部署密度。

定位精度:

  • 典型5米。WIFI指纹定位的精度比三边定位略高些。

优点:

  • 可以直接用手机定位。
  • 可以部分共享室内现有的WIFI AP,部署成本较低。

缺点:

  • 苹果已经在IOS上关闭了WIFI RSSI读取接口,造成IOS手机不能主动使用WIFI定位。
  • 满足上网需求和满足定位需求对WIFI AP的布置要求是有些区别的。例如房间内只要有一个AP就能上网,但此时是不能准确定位的;而一旦增加AP的数量用于定位,不仅要多花钱,也会造成多个WIFI的互相干扰,反而不利于上网。所以,WIFI定位方案部署成本低的优势,实际是要打个折扣的。
  • 因为WIFI AP的性能限制,通常可同时定位的终端数量较少,一般<100个。大家也许注意到,在人多的环境(例如会展等),WIFI通常是很不稳定的,这样就进一步制约了WIFI定位在人员密集环境下的应用。
  • WIFI指纹定位方式虽然比WIFI三边定位法精度略高,但缺点也是很明显的。WIFI指纹易变化,只要有室内装修布局的变化,或某个AP的开关,都会影响到指纹数据库的有效性。而WIFI指纹需要人工覆盖室内各点来采集,所以人工维护成本太大。

典型公司:

  • WIFISLAM:苹果2013年花费2000万美金收购。
  • Sensewhere:腾讯2015年投资,主要技术特点是:众包+ WIFI/蓝牙等混合定位。
  • 北京智慧图科技:2011年成立,是国内较早从事室内定位的创业公司。主要技术是:WIFI/蓝牙等混合定位。

蓝牙定位

蓝牙定位主要基于三边定位的原理。与WIFI定位类似,蓝牙定位通常也采用测量蓝牙RSSI来推算距离,因而也存在测量误差大的劣势。
蓝牙4.0(BLE - BluetoothLow Energy)的低功耗特性和苹果的iBeacon发布,大大推动了蓝牙技术在室内定位领域的应用。因为iBeacon(即BLE基站)低功耗无源(仅靠一节纽扣电池供电一年以上,不用外接电源)、成本低廉(一个iBeacon可以小于50元),所以iBeacon可以远比WIFI AP部署的密度高,例如间隔8米部署一个。因为部署密度高,带来的直接优势是蓝牙定位精度可以比WIFI高(因为RSSI与距离的对应关系中,距离越近约精确,越远误差越大);带来的直接缺点就是总体部署成本较高,后续维护成本也较高。

定位精度:

  • 典型3米

优点:

  • 可以直接用手机定位(要求有蓝牙4.0硬件+相应软件版本)。
  • 定位精度比WIFI定位略高,且没有IOS或Android的限制。
  • 不用插网线或电线,iBeacon部署比较方便。

缺点:

  • iBeacon部署密度高才能实现更高的定位精度,所以基站总体部署成本比WIFI等其它方案要高。
  • iBeacon虽然很省电,但电池终有用尽的时候(有的产品短至1,2年)。而苹果的iBeacon通信协议并不包括beacon的电量情况,会给查询电量带来挑战。而且因为beacon数量较多,分散部署在各处,所以对后期维护是个挑战。
  • iBeacon方案不易做反向定位(后台服务器查询手机的位置),需要特殊设计,增加复杂度和成本。

典型公司:

-Estimote,2012年成立,主打产品是用于商场零售领域的iBeacon。

  • 苏州寻息电子,2014年成立,主打产品是各类iBeacon。

LED定位

利用天花板上安装的特殊LED灯泡,高频闪烁传递编码信息,手机前置摄像头接收灯光信号,解析定位。

定位精度:

  • 典型约1米

优点:

  • 可以直接用手机定位。
  • 可以比WIFI和蓝牙定位精度更高。

缺点:

  • 室内灯具的升级改造成本高,工作量大,灯有各种各样的规格不一定匹配。
  • 要定位必须要开灯。
  • 需要手机开启前置摄像头,较费电,有泄露隐私风险。
  • 不易做反向定位。
  • 通常要与蓝牙iBeacon方案结合才能做更多商业应用(例如靠近就推送优惠),而手机在口袋中无法定位,进一步影响推送效果。

典型公司:

  • AcuityBrands(品牌Bytelight),这是个成立多年的灯光产品大厂,纽交所上市公司。
  • 华策光通信,2013年成立,主打LED定位。

IMU定位

利用加速度计+陀螺仪等惯性传感器,记录进入室内后的动作,完成定位。因为存在难以避免的累积误差,运动越久累积误差越大,所以这种方法很少独立用于室内定位。通常IMU定位作为多传感器融合定位的重要内容,与其它定位方式(例如WIFI、蓝牙等)配合使用。例如在能接收到蓝牙beacon的有效信号时,以蓝牙定位为准,否则以IMU定位为准,当蓝牙定位有效时同步对IMU进行误差归0校准。

定位精度:

  • 有累积误差,运动越久,累积误差越大。

优点:

  • 可以直接用手机定位。
  • 不需要在室内部署基础设施。

缺点:

  • 长时间、长距离运行后有累积误差,需要与其它定位技术结合应用。
  • 因为CPU是间隔对传感器采样的,如果运动太快,可能会错过细节造成误差

地磁

现代建筑使用的钢筋混凝土等结构会对地磁场造成扰动,导致室内各个位置的地磁特性各不相同。地磁定位技术,通过测量室内某位置的地磁场,与预先人工采集的室内磁场分布数据库做比对,从而大致判断所处位置。

定位精度:

  • 约1米量级

优点:

  • 可以直接用手机定位(使用手机磁力传感器)。
  • 不需要在室内部署基础设施。

缺点:

  • 室内各处的磁力数据需要预先人工覆盖式采集,工作量大。一旦室内的装修和布局变化,甚至室内用电器的电磁场变化,都可能影响磁力分布,磁力数据需要定时人工测试更新,维护工作量很大。
  • 定位不稳定,容易受干扰。一旦因为室内装修布局或电器变化造成磁场变化,而并未来得及人工更新地磁数据库,此时室内定位就是不准的。

典型公司:

  • IndoorAtlas,2014年获得百度投资。
  • 北京识途科技,2013年成立。

超声波

超声波定位技术通过在室内安装多个超声波扬声器,发出能被定位终端麦克风检测到的超声波信号。通过不同声波的到达时间差,推测出终端的位置。

定位精度:

  • 分米级

优点:

  • 可以直接用手机定位
  • 精度较高

缺点:

  • 超声波信号传输距离近,所以需要密集布置扬声器,才能覆盖足够的面积。
  • 超声波信号易受室内多径效应(信号反射)的影响,给定位带来不稳定性。

典型公司:

  • Shopkick,2010年成立,该公司主要通过在商场部署其超声波定位系统,用于商户签到积分。

激光雷达

应用激光定位也有不同的方案,有HTC VIVE的光塔VR定位方案,更多的是应用激光雷达(LiDAR)运行SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)算法做定位。激光雷达通过自身旋转进行水平或竖直平面的激光扫描。发射激光到目标,接收反射信号,计算飞行时间,从而精确测距。

精度:

  • 毫米级

优点:

  • 测距精度目前是各种方法中最高的。
  • 几乎不需要在室内部署基础设施。

缺点:

  • 激光雷达的激光强度没有穿透性,只能用于视线内(LOS – Line of Sight)测距。意味着在人多有彼此遮挡的场景下,不太好用。
  • 激光雷达成本较高,用于服务机器人的最普通型号也普遍在上千元RMB,用于无人驾驶汽车上的激光雷达甚至超过10万元RMB。因为手机上没有激光雷达,所以激光定位目前主要用于机器人、无人车等成本相对不很敏感的设备对自身精确定位。
    -仅靠激光雷达定位的机器人是有些缺陷的,例如在下列场景容易丢失位置:当机器人在重复场景中运行,例如相似的长廊或房间;当机器人运行中被搬走,或被人群围观;当机器人在大的开阔区域运行,超出激光雷达范围(例如一款服务机器人常用LiDAR探测距离仅6米)

典型公司:

  • Velodyne,国际激光雷达领域顶级厂商,大部分无人驾驶汽车都选用该厂的激光雷达。产品价格昂贵,百度2016年8月刚投资。
  • 思岚科技,2014年成立,主打高性价LiDAR的创业公司,产品主要用于服务机器人。
    北醒光子,与思岚科技产品定位类似。

UWB(超宽带)

UWB信号的时域波形如上图所示。不同于传统的无线射频信号有固定频率的载波(如蓝牙2.4G),UWB在不发送数据时是完全静态的,要发送数据时才发送宽度很窄(如1ns)的脉冲信号。因该窄脉冲在频域上是很宽的,所以叫超宽带。因为UWB时域信号脉冲较窄,所以在时间、空间上有较大分辨力,比较容易抵抗室内信号传输常见的多径效应(信号因为反射造成的多路径传播)的影响。
UWB定位通常是通过在固定的基站和待定位终端之间发送无线脉冲来测量飞行时间,进而测距,或通过终端到各基站之间的飞行时间差来测距,然后通过三边定位法定位。由于UWB特有的抗多径效应强的物理特性,测距和定位精度较高。
因为手机未集成UWB收发器,所以UWB定位目前主要应用在B端。在特定领域对佩戴了UWB标签的人员和设备进行定位,例如对厂区人员和资产的定位。将UWB应用到机器人、无人机、VR/AR等新兴领域做为辅助定位手段,也是逐渐兴趣的研究热点。

定位精度:

  • <30厘米

优点:

  • 精度高,稳定性高。抗多径效应。
  • 抗电磁干扰能力强,不易受常见无线电信号影响,对其它无线电信号的干扰也小。
  • 因为不用发射载波,所以功耗可以做低,定位终端可以使用电池长期供电。
  • 选择合适的算法下,同时定位的终端设备可以很多(至少2K个)。

缺点:

  • 不能直接用于手机定位。
  • 定位终端要有UWB收发器,成本比蓝牙终端略高。
  • 常见方案中,各基站还需要连接有线或WIFI网络来配合回传定位数据。

典型公司:

  • Ubisense,老牌公司,产品主要用于工业领域,价格贵。

视觉:

用手机摄像头或双目摄像头拍摄周边画面,并和已经预先储存的环境图像进行匹配,确定自己的位置。

定位精度:

  • <1米

优点:

  • 可以直接用手机定位。
  • 不需要在室内部署基础设施。

缺点:

  • 技术不成熟,稳定性不高。
  • 图像处理耗费大量CPU和电量资源,定位操作方式怪异,用户体验不好。
  • 理论上有不可避免的问题,例如在环境单一的长走廊或类似场景中,仅靠机器视觉是难以准确定位的。

典型公司:

  • Google:Project Tango