حدود 2 سالی هست با سیستم های موقعیت یابی درون ساختمان درگیر هستم. به عنوان یک دانشجو ارشد که تونستم تحقیقات دانشگاهیم و مبنای یک استارتاپ رو با هم در یک راستا قرار بدهم جدا از اینکه آورده مالی برایم داشته یا نه ، خوب خودش یک نوع موفقیت هست! توی ایران شاید این موارد کمتر دیده بشود. در مورد خود سامانه های موقعیت یابی درون ساختمان عزیزان زیادی هستن که فعال تر از بنده در این حوزه هستند و گفته های ما برای ایشان خاطره هست! :) ولی شاید موارد فنی رو خیلی ها دوست داشته باشند، بدانند.
در این متن سعی می کنم از کلیات صحبت کنم اگر کسی علاقه داشت می توانم در مورد موارد جزئی تر هم بنویسم.
در واقع بحث سامانه یا سیستم های موقعیت یابی درون ساختمان به اینجا برمی گردد که GPS که یک سامانه موقعیت یابی جامع هست داخل ساختمان کم می آورد. اینکه سیگنال را به خط مستقیم (Line of sight) از ماهواره ها دریافت نمی کنیم و یا اصلا سیگنالی از سمت ماهواره ها به ما نمی رسد باعث می شود GPS داخل کار نکند. احتمالا خیلی از ما GPS را هنگام رانندگی استفاده کنیم و مسلما وقتی از تونل رسالت یا نیایش عبور کرده باشید این ضعف را مشاهده کردید.
در فضاهای باز GPS که به کاربران عادی ارائه می شود من دقت حدود 5 متر را تجربه کردم، ولی با توجه به تست هایی که انجام دادم، در محیط شهری بعضا دقت حدود 10 متر هست. درون ساختمان ها مانند سوله ها و ساختمان های چند طبقه GPS اصلا درست کار نمی کند، مگر کنار پنجره یا فضای نسبتا باز. بدتر از آنکه در پلتفرم های عادی که روی گوشی ما تعبیه شده مکان های بسیار پرت! گاهی نشان داده می شود، مثلا من چند بار نمایشگاه بین الملی که وارد سالن می شدم از سئول یهو میرفتم میدون صنعتJ . خلاصه کلام این هست که اول بیشتر مطالبی که من در مورد Indoor positioning system یا IPS ها دیدم، به جای "بسم الله" می گویند" GPS درون ساختمان کار نمی کند! ".
نکته دیگر که باید به آن توجه کرد این هست که درون ساختمان، اشیا(Things) به هم نزدیک هستند، دقت سامانه موقعیت یابی باید بالاتر باشد. مثلا یادم هست ما ابتدا دقتی حدود 10 متر ارائه می کردیم، به ما می گفتند: "به نظر خودتون دقت 10 متر واقعا به چه دردی می خوره!؟ "
البته این موضوع درست است که همین دقت بد هم به خیلی کارها میاد، (حتی شرکت هایی مانند Cisco و Meraki و Ruckus و Ekahau( که در آینده اگر شد توضیح میدم) بعضا دقت هایی در همین حدود با وای فای در قسمت های ساده پلتفرم هاشون ارائه می دهند، پس حتما نیاز هست! اگر دقت کنیم به Analytics زیاد اشاره شده است. مثلا اینکه شما بدونید بیشتر افراد در راهرو شماره 2 حضور دارند باعث میشه تبلیغات و منابع رو به آنجا انتقال بدهید .)
وقتی پای GPS در داخل ساختمان کنار می رود، مثل این هست که هر تکنولوژی جرئت نکرده بیاد جلو و بگه که من می تونم جای خالی GPS رو پر کنم! GPS یک موقعیت یابی فراگیر هست، چه شما در ایران باشید چه در آمریکا این سیستم کار خودش رو انجام می دهد، نیاز نیست شما سنسور جدیدی نصب کنید یا برای هر منطقه ای سخت افزار جدیدی در نظر بگیرید، شاید عامل موفقیت چنین فناوری همین موضوع باشد. در داخل ساختمان تقریبا هنوز چنین تکنولوژی وجود ندارد (این سوال را نگاه کنید). تا حالا که ما که گشتیم پیدا نکردیم، شاید بوده و ما ندیدیم! شاید به نظر برسد فناوری هایی در این زمینه موفق بوده اند ولی هنوز چیزی نیستند که به دل بچسبه! بگذارید 3 تا آنها را بررسی کنیم:
1. استفاده از سیگنال های وای فای و بلوتوث داخل محیط: شاید حتما دیده باشید درون تلفن همراه شما موقعی که Location services را روشن می کنید، توضیحاتی در مورد اینکه از وای فای، بلوتوث و شبکه سلولی هم برای موقعیت یابی در کنار GPS استفاده می شود، دیده باشید.
استفاده از این فناوری ها در واقع استفاده از یک زیرساخت از پیش موجود هست. ممکن هست درون ساختمانی AP وای فای موجود نباشد یا تعداد آنها کم باشد، مسلما برای روش هایی مانند این روش که معمولا از مجاورت به فرستنده هم استفاده می شود، دقت سامانه پایین تر می آید. در ضمن نکته این هست این روش مبتنی بر این نکته است که ما فرستنده ها را جابجا نکنیم. مسلما گوگل در لحظه نمی داند ما اینکار را میکنیم یا نه! پس به صورت خلاصه این روش ممکن هست یک روش جامع به نظر برسد ولی نیازمند جمع آوری داده و کارهای تحلیلی مربوط به اینکه هر وای فای کجای ساختمان هست می باشد.
در این بین روش های مبتنی بر استفاده از گزارش افراد یا جمع سپاری (Crowdsourcing) (در مورد Crowdsouring در IPS مطالب زیادی هست، من وارد این حوزه نشدم، بیشتر مطالب هم که با سرچ بدست می آیند، مقالات تحقیقاتی هست که ممکن هست برای بعضی سخت باشد.) هم دیده می شود(در شکل بالا هم این لفظ رو می بینید.). رویکرد ابتدایی و ساده در این روش این است که افراد به صورت داوطلبانه می گویند در کجای ساختمان هستند و سیگنال های وای فای که می بینند را نیز گزارش می کنند، با اینکار دیتابیس داده های وای فای هر روز کامل تر می شود. مبحث Crowdsourcing ، مباحث بسیار جذاب و پیچیده ای در تحقیقات موقعیت یابی درون ساختمان وارد کرده هست. خصوصا در روش های مبتنی برFingerprinting که اگر فرصت شد، در آینده توضیح می دهم، جمع سپاری روش مطرح هست. Fingerprinting روش بسیاری معروفی در IPS هست. متاسفانه من عبارات را که جستجو می کنم برایم مقاله به عنوان نتیجه می آید. یک ویدیو پیدا کردم که خیلی ساده اصل این روش را توضیح می دهد. البته کیفیت ساخت ویدیو خیلی پایین هست!
مهم نیست جمع سپاری یا Fingerprinting دقیقا چیست، من این مبحث را مطرح کردم که بگویم مهم این است که جمع سپاری ما را وارد یک حوزه جدید می کند و مسئله را پیچیده می کند. پیچیدگی باعث می شود که روند پیشرفت یک فناوری کند شود و پیاده سازی آن سخت تر می شود.
2. استفاده از سنسور های حرکتی : ما که نداشتیم خونمون! ولی زیاد شنیدم که موشک ها در حوزه نظامی را فقط و تنها با سنسورهای حرکتی (شتاب سنج، ژیرسکوپ و قطب نما) میشود موقعیت یابی کرد. مسلما سخت افزاری که در تلفن همراه من هست هنوز به دقت سنسور های مختص موشک ها نرسیده است، همچنین استفاده از سنسور ها در تگ های موقعیت یابی هم کار را بسیار پیچیده می کند. همچنین اینکه تلفن همراه یا تگ موقعیت یابی در چند حالت ممکن هست قرار داشته باشد نیز کار را دشوار تر می کند، مثلا تلفن زمانی در جیب شماست و شما راه میروید و زمانی آن را در دست گرفته اید و راه می روید، شناسایی میزان حرکت شما در عین اینکه ممکن است دو حالت اتفاق بیافتد کار ساده ای نیست! فرض کنید ژیروسکوپ تلفن همراه من تنها و تنها 5 درجه هنگام چرخش اشتباه می کند. پس از مدت زمان زیادی و مسافت طولانی که من درون خانه هم طی کنم، پس از چند چرخش و قدم زدن احتمالا مکان فعلی من به جای اینکه درون اتاقم نشان داده شود، درون اتاق همسایه بغلی نشان داده خواهد شد!
البته شاید کسی بگوید سنسور های فلان گوشی معرکه هست! ولی در حال حاضر هنوز اینقدر دقیق نیستند که بتوانیم بگوییم ما با یک سیستم موقعیت یابی دقیق طرف هستیم. بیایید به سامانه Navisens نگاه بیاندازیم. در سایت این استارتاپ این جمله را خواهید دید:
Next Generation Location. Indoors, outdoors & underground. No WiFi. No GPS. No beacons. Bloomberg Business Top 50 Startup of 2017
ادعای سنگینی مطرح شده است. طبق تست هایی که بنده داشتم. این محصول جالبی هست، ولی با ادعاهای گفته شده نمی خواند. البته کارهای اصلی این روش مربوط به بچه های کنترل هست و بنده جسارت نمی کنم! ولی با تست هایی که کردیم، به نظرم فعلا این روش با وجود سنسور های مختلف و ضعیف در تلفن های همراه، به تنهایی اینطور که Navisens مطرح کرده است، عملیاتی نیست. همینجا جا دارد به این نکته اشاره کنم که مبحث استفاده از فناوری های مختلف در سامانه های IPS بسیار بحث داغی هست. مثلا استفاده سنسور های حرکتی در کنار بیکن های بلوتوث یا ترکیب سیگنال های بلوتوث و وای فای بحث مهمی هست.
3. فناوری UWB: پهنای باند کاری ultra wide band بازه فرکانسی بزرگی را دربرمی گیرد. استارتاپ هایی مانند Decawave در سال های اخیر روی این موضوع تمرکز داشتند. این موضوع به دوستان مخابرات مربوط هست و ما باز هم جسارت نمی کنیم! بدلیل اینکه پهنای باند UWB باز هست، فرستنده می تواند ضربه ای را بفرستند و با دریافت پاسخ این ضربه در گیرنده زمان گذر سیگنال از فرستنده تا گیرنده را دقیق اندازه گیری کند و با روش TDOA جای گیرنده را پیدا کند، چیزی که در سنسورهای فعلی وای فای و بلوتوث ممکن نیست!(امیدوارم دقیق گفته باشم!)
در روش TOA در واقع مثل GPS فاصله بین هر فرستنده و گیرنده مترادف با زمان گذر سیگنال از فرستنده تا گیرنده هست، اگر 3 فرستنده(ماهواره) داشته باشیم می توانیم جای فرد را پیدا کنیم و این موضوع یک مسئله کلاسیک و قدیمی هست (Multilateration) . روش TDOA روش پیچیده تری از TOA هست که اختلاف زمانی بین فرستنده ها مهم هست، با این کار مشکل sync نبودن زمانی فرستنده ها و گیرنده حل می شود. حس و تجربه ای که من از این فناوری دارم یک فناوری فوق العاده و با دقت بالا (در حد 30 سانتی متر) هست، ولی هنوز سنسور هایش در تلفن همراه نیست و نیازمند نصب زیرساخت (فرستنده ها) در محیط هم دارد. چالش هایی مانند مصرف انرژی بالا هم وجود دارد.
پس از نام بردن و صرفا بیان ضعف اصلی 3 تا از فناوری های حوزه موقعیت یابی درون ساختمان، خواستم این عبارت که هنوز هیچ فناوری نتوانسته در این حوزه قالب شود را یکم توضیح داده باشم. تازه من به فناوری هایی مانند مهتابی های مسخره فیلیپس اشاره نکردم :( که در محیط کلی مهتابی نصب می شود و هزینه اش اینقدر به نظر من بالا هست که واقعا منطقی نیست فعلا از این فناوری استفاده بشود، مگر اینکه یهو همه لامپا رو بدزدند یا منفجر بشوند، بعد ما بریم بخریم از اینا وصل کنیم :)
متاسفانه جدول خوبی که تمام تکنولوژی ها را شامل بشود و با هم مقایسه کرده باشد، را گشتم داخل فایل هایم، پیدا نکردم. اگر پیدا کردم همینجا میزارم. مقاله ای هم هست از دانشگاه ETH زوریخ، حجمش هم خیلی زیاد هم هست و نیازی نیست بخونید! فقط فهرست رو از فصل 4 به بعد نگاه کنید عنوان فناوری هایی که استفاده می شود رو می بینید. می بینید که هرروش دنیایی برای خودش دارد. گذشته IPS را که بررسی می کنیم، به قبل از سال 2000 برمیگردد. عجب! با 19 سال تحقیق و توسعه روبرو هستیم ولی هنوز سامانه غالب را نمی بینیم.
من و پارسیوت کجای این داستان هستیم؟!
کار اصلی ما استفاده از RSS(قدرت سیگنال دریافتی) دریافتی از AP های وای فای و بیکن های بلوتوث بوده است. اگر شما از فرستنده دور شوید، RSS ضعیف می شود. ما میخواستیم از این داده های خام استفاده کنیم و گیرنده را پیدا کنیم. خوب مسلما کاری که ما می کنیم خیلی با کارهای ساده ای همچون تشخیص مجاورت به یک بیکن بلوتوث متفاوت هست.
من می تونم نظرات ساده در مورد فناوری های مختلف را شرح بدهم، ولی به نظرم این مطالب با یک سرچ ساده در اینترنت قابل مشاهده و دستیابی هست. حتی خود وای فای و بلوتوث را حتما دوستان زیادی هستند که باهاش کار کرده باشند و خیلی چیز های در موردش شنیده باشند، شاید گفته های من تکرار مکررات باشد، ولی خوب احساس می کنم همین حوزه بسیار گسترده هست و سابقه استفاده از RSS با روش همچون Fingeprinting به سال 2000 بر می گردد. سعی دارم اگر امکانش بود در پست های بعدی در مورد وای فای و بلوتوث در موقعیت یابی صحبت کنم.
این موضوع برای من خیلی جذاب هست که اگر چیزی را اشتباه میگم حتما رفع بشود ولی شاید افراد زیادی نیاز به دانستن در مورد سامانه های موقعیت یابی درون ساختمان نداشته باشند. پس به من در این امر کمک کنید.
می توانید در نوشتار بعدی نمونه ای از کاربرد های مطرح برای سامانه های موقعیت یابی داخلی را مشاهده فرمایید.
