清華劉云浩:追蹤定位為萬物相聯(lián)的未來筑路

　　“你在哪里?”這大概是我們?nèi)粘Ｉ钪薪哟螂娫挼臅r候，最常問出的第一個問題。在清華大學(xué)軟件學(xué)院教授劉云浩看來，這個小細(xì)節(jié)從一個側(cè)面反映了位置信息的重要性?！霸谖磥砦锫?lián)網(wǎng)的發(fā)展和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，位置信息將是核心。獲得了位置信息，就可以做很多事情;相反，沒有位置信息，很多事情也就無法進(jìn)行。因此，追蹤定位是一項基礎(chǔ)的核心技術(shù)。”劉云浩說。

　　圖為劉云浩(左)、楊磊(右)與獎牌合影。

　　劉云浩的團(tuán)隊?wèi){借一篇關(guān)于室內(nèi)定位技術(shù)的論文，一舉奪得了第20屆ACM移動與無線通信年會(ACM MobiCom 2014)的最佳論文獎，這是大會首次將其最高獎項頒發(fā)給亞洲的科研院校。

　　15年積累，40倍跨越

　　在第20屆ACM移動與無線通信年會上，清華大學(xué)軟件學(xué)院三年級碩士生、獲獎?wù)撐牡牡诙髡哧悷羁龑φ麄€方法做了現(xiàn)場演示，其演示效果甚至超過了論文中的論述，得到了與會專家的熱烈好評。

　　在這篇論文中，第一作者、軟件學(xué)院博士后楊磊首次提出了基于“差分增強(qiáng)全息圖”的方法，一下子將室內(nèi)追蹤定位的精度從厘米級提高到毫米級，更是比已有的利用商業(yè)化設(shè)備進(jìn)行追蹤定位的最好結(jié)果提高了近40倍。

　　定位技術(shù)分為室外和室內(nèi)，室外的衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)較為成熟，例如GPS、北斗等系統(tǒng)都可以實現(xiàn)非。常準(zhǔn)確的追蹤定位。而室內(nèi)定位技術(shù)則一直是無線和移動研究領(lǐng)域的熱門課題，是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的焦點，世界上很多科學(xué)家都在從事相關(guān)的研究。

　　現(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)大多需要使用專用的定位設(shè)備，不僅成本昂貴，便利性也受到很大影響，難以推廣和應(yīng)用。因此，劉云浩的團(tuán)隊一直致力于利用現(xiàn)有的可以直接購買到的商業(yè)化設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)定位，以降低其成本，提高其廣泛應(yīng)用的便捷性。

　　大約15年前，劉云浩就開始了在室內(nèi)定位領(lǐng)域的研究。2003年，他提出了利用無線射頻識別(RFID)技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位的思路，并在國際上最早設(shè)計和實現(xiàn)了基于無線射頻識別的非測距室內(nèi)定位系統(tǒng)LANDMARC，其定位精度達(dá)到米級，相關(guān)的論文于2004年發(fā)表，迄今已超過1500次他引。2012年，劉云浩的團(tuán)隊還因此獲得了國家自然科學(xué)二等獎。

　　無線射頻識別技術(shù)是利用射頻標(biāo)簽來識別和定位物體。射頻標(biāo)簽通常只有幾厘米大小，可以附著在很多物體上，其內(nèi)部有一個芯片，通過電磁波傳輸數(shù)據(jù)信號，以識別和定位物體。同時，射頻標(biāo)簽本身的成本很低，只有大約1美分，具有實際的推廣應(yīng)用價值。射頻標(biāo)簽技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用于我們的日常生活，二代身份證、公交卡、ETC等都是其實際應(yīng)用。

　　射頻標(biāo)簽通常被用來取代條形碼，現(xiàn)有的條形碼技術(shù)利用光傳輸信號，一旦條形碼被污漬污染或者被遮擋，就無法被閱讀器識別，同時，每個閱讀器一次只能識別一個條形碼，效率相對較低。相比之下，射頻標(biāo)簽屬于無線識別，不怕污染和阻擋，同時可以實現(xiàn)多個標(biāo)簽的識別。以超市購物為例，我們在超市結(jié)賬的時候，收銀員需要用紅外線閱讀器依次掃描每一件商品的條形碼，才能完成識別，進(jìn)行結(jié)賬。如果使用射頻標(biāo)簽替代條形碼，則可以一次性識別所有我們購買的商品，當(dāng)我們推著購物車通過閱讀器的時候，賬單也就可以生成了。但實際應(yīng)用中，問題依然存在。由于缺少精準(zhǔn)的定位，閱讀器無法準(zhǔn)確的分辨每件商品都在哪位顧客的購物車中，這就導(dǎo)致當(dāng)幾位顧客同時或者接連通過閱讀器時，賬單會出現(xiàn)錯誤。

　　隨著類似問題的出現(xiàn)，人們逐漸意識到，僅僅利用射頻標(biāo)簽識別物體還不夠，還需要知道物體的位置，乃至物體的運(yùn)動軌跡，這就需要精準(zhǔn)的定位技術(shù)。15年間，劉云浩的團(tuán)隊都在這一領(lǐng)域里不斷探索。隨著各類研究的不斷深入，利用射頻標(biāo)簽進(jìn)行室內(nèi)定位的精度逐漸從米級提高到了厘米級，但國際上學(xué)術(shù)界、工業(yè)界眾多從事室內(nèi)定位研究的團(tuán)隊，無論使用專業(yè)化設(shè)備，還是使用商業(yè)化設(shè)備，此前的精度都沒能突破毫米級，其中，使用商業(yè)化設(shè)備達(dá)到的最好的定位精度是30多厘米。而在劉云浩團(tuán)隊此次獲獎的論文中，他們的定位精度已經(jīng)可以達(dá)到8毫米，這樣的突破讓ACM移動與無線通信年會的專家們感到無比吃驚，也促使他們第一次把最佳論文獎頒發(fā)給了一個來自亞洲的科研院校。

　　11萬枚標(biāo)簽背后的發(fā)現(xiàn)

　　之所以能夠大幅度提高利用射頻標(biāo)簽定位的精度，關(guān)鍵在于劉云浩的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)并解決了射頻標(biāo)簽的多樣性問題。

　　所謂射頻標(biāo)簽的多樣性，是指射頻標(biāo)簽所發(fā)射的電磁波信號會受到其自身特性的影響。即便是同一條流水線上生產(chǎn)出來的射頻標(biāo)簽，其個異性也仍然存在?！斑@大概是自然界普遍存在的物理特性，就像世界上沒有兩片相同的樹葉。”獲獎?wù)撐牡牡谝蛔髡邨罾谡f。射頻標(biāo)簽的這些特性會影響它所發(fā)射出的電磁波信號的特征，而電磁波信號的特征恰恰是對標(biāo)簽進(jìn)行定位的依據(jù)。如果忽視了射頻標(biāo)簽的多樣性，即使在同一位置，利用同一套設(shè)備對不同的標(biāo)簽進(jìn)行定位，也會出現(xiàn)有時測得準(zhǔn)，有時測不準(zhǔn)的情況。

　　一直以來，這一問題都未得到該領(lǐng)域的研究者們的重視?！斑@大概是因為以前的研究者們都很少處理過成千上萬的標(biāo)簽吧?！睏罾谛χf，“如果沒有利用大量的標(biāo)簽進(jìn)行實驗，就不太容易發(fā)現(xiàn)和總結(jié)出這一問題。此前學(xué)術(shù)界最大規(guī)模的射頻標(biāo)簽實驗，可能也就處理了幾百個標(biāo)簽。而我們在此次實驗的過程中，總共處理了大約11萬個標(biāo)簽，大量的實驗數(shù)據(jù)促使我們意識到射頻標(biāo)簽的多樣性問題是核心關(guān)鍵?！?/P>

　　楊磊所說的處理了11萬枚射頻標(biāo)簽的實驗，就是劉云浩的團(tuán)隊與海航集團(tuán)合作開展的機(jī)場“人工行李分揀輔助系統(tǒng)”的開發(fā)。當(dāng)前，國內(nèi)的機(jī)場主要依靠人工分揀行李，所有航班的行李共享一套機(jī)械傳送系統(tǒng)，被匯聚在一個分揀池里，再由分揀工人根據(jù)行李上粘貼的條形碼，把不同航班的行李搬送到不同的行李車上。這種分揀方式不僅容易出錯，效率也比較低。

　　2011年起，劉云浩的團(tuán)隊與海航集團(tuán)合作，在首都國際機(jī)場T1航站樓和三亞鳳凰機(jī)場進(jìn)行“人工行李分揀輔助系統(tǒng)”的開發(fā)和試運(yùn)行，這套系統(tǒng)的核心技術(shù)之一就是利用射頻標(biāo)簽進(jìn)行高精度實時追蹤定位。

　　經(jīng)過改造，機(jī)場的行李上粘貼的條形碼換成了射頻標(biāo)簽，可以被設(shè)置在分揀大廳里的閱讀器識別和定位，不同航班的行李以不同顏色的色塊顯示在分揀大廳的大屏幕上。隨著行李在分揀池的傳送帶上移動，大屏幕上各種顏色的方塊也在實時移動，分揀工人能夠一目了然地看到分揀池中還有多少自己需要分揀的行李，它們分別移動到了傳送帶的哪個位置。工人們也不用時刻盯在傳送帶旁，當(dāng)大屏幕顯示傳送帶上沒有自己需要分揀的行李時，可以稍事休息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要分揀的行李時，也能夠根據(jù)大屏幕的顯示，在行李到達(dá)自己身邊時，準(zhǔn)確地找到它。這樣不僅降低了工人的勞動量，提高了工作效率，更有效地提升了行李分揀的準(zhǔn)確性。

　　不僅如此，團(tuán)隊成員們還設(shè)計了兩套復(fù)核設(shè)備。復(fù)核設(shè)備可以綁定某一航班的行李，當(dāng)工人把行李從分揀池搬運(yùn)到行李車上時，需要通過復(fù)核設(shè)備，該設(shè)備能夠一次性識別出不屬于這個航班的行李，并以紅色信號提示分揀工人。而在行李被搬運(yùn)上飛機(jī)的過程中，工人們還會利用移動手持的復(fù)核設(shè)備進(jìn)行二次復(fù)核，確保無誤。

　　對于劉云浩團(tuán)隊的同學(xué)們來說，在機(jī)場做實驗要比在實驗室里艱難很多。由于機(jī)場嚴(yán)格的安保要求，同學(xué)們每天進(jìn)入機(jī)場都要先辦理一系列手續(xù)。沒有人幫忙，同學(xué)們只能自己一點一點地把近1噸重的設(shè)備逐個搭建好。為了不影響機(jī)場的正常運(yùn)行，他們通常在凌晨3、4點開始工作。機(jī)場噪音很大，工人們都是“三班倒”的工作制，而同學(xué)們?yōu)榱俗鰧嶒?，常常一呆就是一天?/P>

　　然而，最讓他們苦悶的還是實驗結(jié)果的不穩(wěn)定。不同于實驗室里使用的幾十上百枚標(biāo)簽，他們在機(jī)場面對的是成千上萬的標(biāo)簽。這時候，標(biāo)簽的多樣性帶來的差異也被放大，導(dǎo)致實驗結(jié)果時而準(zhǔn)確、時而偏離。為了找出問題所在，他們只能通過不斷地做實驗來進(jìn)行推測和驗證。

　　功夫不負(fù)有心人。經(jīng)過涉及了53個目的地機(jī)場、93條航線、1094次航班的約11萬枚射頻標(biāo)簽實驗，楊磊和同學(xué)們終于發(fā)現(xiàn)了“罪魁禍?zhǔn)住薄獦?biāo)簽的多樣性。發(fā)現(xiàn)了問題所在，就能夠去尋找解決問題的方法。于是，楊磊首次提出了基于“差分增強(qiáng)全息圖”的方法，不僅成功地克服了標(biāo)簽的多樣性問題，還進(jìn)一步降低了噪音的問題，極大地提高了追蹤定位的精度。2013年，這套系統(tǒng)獲得了“第十七屆中國國際軟件博覽會”金獎。海航集團(tuán)也表示，希望未來在機(jī)場建設(shè)的時候就能夠把這套系統(tǒng)規(guī)劃進(jìn)去。

　　“創(chuàng)新為體、創(chuàng)業(yè)為用”做科研

　　對待科研，劉云浩團(tuán)隊一直秉持“創(chuàng)新為體、創(chuàng)業(yè)為用”的理念，認(rèn)同科研不等同于創(chuàng)新的觀點：科研是創(chuàng)造新的知識和技術(shù)，這些知識和技術(shù)有些能夠被應(yīng)用，有些可能并沒有應(yīng)用意義;而創(chuàng)新則是將知識與技術(shù)形成以前沒有的產(chǎn)品或者應(yīng)用，這些知識和技術(shù)可能是原創(chuàng)的，也可能不是。

　　在選擇科研課題的時候，劉云浩堅持選擇那些能夠為產(chǎn)生創(chuàng)新產(chǎn)品和創(chuàng)業(yè)發(fā)揮支撐作用的方向?！拔覀兊目蒲幸軌蛑蝿?chuàng)新和創(chuàng)業(yè)，要做既能夠創(chuàng)造新的知識，又能夠產(chǎn)生實際應(yīng)用的科研項目?！边@是劉云浩團(tuán)隊的成員經(jīng)常放在嘴邊的話。

　　正是在這樣的理念引導(dǎo)下，劉云浩帶領(lǐng)團(tuán)隊開展了與海航集團(tuán)的合作，合作的成果不僅在機(jī)場得到了實際應(yīng)用，還產(chǎn)生了好幾篇非常有影響力的科研論文，其中就包括獲得ACM移動與無線通信年會最佳論文獎的這篇題為Tagoram: Real-time Tracking of Mobile RFID Tags to High Precision Using COTS Devicesh(《射頻全息圖：利用商業(yè)化產(chǎn)品對移動射頻標(biāo)簽進(jìn)行實時高精度追蹤》)的論文。

　　面對學(xué)生，劉云浩團(tuán)隊的理念是讓每個人感受自由、快樂的科研氛圍?！跋Ｍ麑W(xué)生們在科研中獲得來自于內(nèi)心的快樂，也許誰也不能完全做到想做什么研究就做什么研究，但是在我們這個團(tuán)隊里，至少每個人都可以對自己非常不喜歡的那個題目說‘NO’?！眲⒃坪普f，“我們從來不記考勤，但事實上我們團(tuán)隊沒有哪個成員的科研工作量沒有達(dá)到應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)，因為這是他們自己選擇的研究方向，是他們自己想做的事情。”

　　已經(jīng)這個團(tuán)隊里學(xué)習(xí)、工作了多年的楊磊非常喜歡這種科研的氛圍，從最初的學(xué)生成長為能夠獨當(dāng)一面的科研工作者，他感慨說：“在這個團(tuán)隊里，我能夠心無旁騖，很專注的去做科研，這是團(tuán)隊所給我們最大的支持。”