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1 移 动 计 算 中 的 群 智 感 知 Crowd Sensing in Mobile Computing 杨 铮 吴 陈 沭 清 华 大 学 完 成 于 7 月 5 日, 修 改 于 8 月 27 日 摘 要 随 着 无 线 通 信 和 传 感 器 技 术 的 快 速 发 展, 无 线 移 动 终 端 设 备 呈 爆 炸 式 普 及, 市 场 上 的 手 机 和 平 板 电 脑 等 设 备 集 成 了 越 来 越 多 的 传 感 器, 拥 有 越 来 越 强 大 的 计 算 和 感 知 能 力 在 这 样 的 背 景 下, 群 智 感 知 成 为 当 前 移 动 计 算 中 的 研 究 热 点 无 线 网 络 与 移 动 计 算 的 几 个 著 名 学 术 会 议 中, 例 如 ACM MobiCom ACM MobiSys IEEE INFOCOM 等, 许 多 论 文 都 采 纳 了 群 智 感 知 的 思 想 MobiSys 2011 专 门 开 辟 一 个 会 议 单 元 收 录 相 关 论 文,MobiCom 2012 中 至 少 有 5 篇 论 文 涉 及 群 智 感 知 在 群 智 感 知 中, 大 量 普 通 用 户 使 用 手 机 平 板 电 脑 等 移 动 设 备 作 为 基 本 感 知 单 元, 通 过 移 动 互 联 网 进 行 协 作, 实 现 感 知 任 务 分 发 与 感 知 数 据 收 集 利 用, 最 终 完 成 大 规 模 的 复 杂 的 社 会 感 知 任 务 简 而 言 之, 群 智 感 知 发 挥 人 多 力 量 大 的 特 点, 将 大 量 草 根 用 户 拧 成 一 股 绳, 形 成 随 时 随 地 无 孔 不 入 与 人 们 生 活 密 切 相 关 的 感 知 系 统 以 前 需 要 耗 费 大 量 人 力 物 力 的 工 作 例 如 道 路 交 通 情 况 监 测 大 规 模 无 线 信 号 勘 测 等 等 都 可 以 通 过 群 智 感 知 的 模 式 来 完 成 本 文 首 先 介 绍 了 群 智 感 知 的 基 本 概 念 及 其 思 想, 着 重 讨 论 了 群 智 感 知 中 的 任 务 分 发 与 收 集 利 用 机 制, 并 以 监 测 道 路 交 通 情 况 和 构 建 建 筑 物 室 内 地 图 为 代 表 介 绍 了 两 个 群 智 感 知 的 案 例, 最 后 在 总 结 本 文 的 同 时 探 索 群 智 感 知 中 的 研 究 热 点 群 智 感 知 的 概 念 在 群 智 感 知 中, 大 量 普 通 用 户 使 用 移 动 设 备 作 为 基 本 感 知 单 元, 通 过 移 动 互 联 网 进 行 协 作, 实 现 感 知 任 务 分 发 与 感 知 数 据 收 集 利 用, 最 终 完 成 大 规 模 的 复 杂 的 社 会 感 知 任 务 在 计 算 机 科 学 领 域, 与 群 智 感 知 相 近 的 概 念 包 括 群 体 计 算 (Crowd Computing) 参 与 式 感 知 (Participatory Sensing) 社 群 感 知 (Social Sensing) 众 包 (Crowdsourcing) 等 等, 它 们 都 以 大 量 用 户 参 与 作 为 基 础,

2 可 以 说 在 理 念 上 是 一 致 的 对 比 群 智 感 知, 群 体 计 算 包 含 的 范 围 更 广 一 些, 众 包 多 指 是 任 务 分 发 的 机 制, 而 参 与 式 感 知 和 社 群 感 知 与 群 智 感 知 在 理 念 上 近 似, 但 分 别 强 调 不 同 的 方 面 在 群 智 感 知 这 种 协 作 模 式 中, 完 成 复 杂 感 知 任 务 的 参 与 者 无 需 是 拥 有 专 业 技 能 的 人 士 与 此 相 反, 大 量 草 根 用 户 成 为 中 坚 力 量, 通 过 合 理 的 协 作 来 完 成 他 们 单 独 不 可 能 完 成 的 任 务 用 户 可 以 主 动 参 与 感 知 任 务, 也 可 以 被 动 参 与 假 设 我 们 想 知 道 某 一 时 刻 城 市 道 路 的 拥 堵 情 况, 那 么 各 地 广 播 电 台 交 通 台 的 工 作 模 式 就 是 用 户 主 动 参 与, 依 赖 于 走 在 路 上 或 者 开 车 的 人 通 过 发 短 信 汇 报 当 时 当 地 的 道 路 交 通 情 况 如 果 利 用 手 机 中 的 传 感 器 自 动 的 监 测 人 群 的 移 动 情 况 并 进 行 汇 报, 那 么 就 是 用 户 被 动 参 与 用 户 被 动 参 与 的 好 处 是 用 户 无 需 为 完 成 感 知 任 务 付 出 额 外 的 精 力 和 负 担, 因 此 用 户 参 与 热 情 高, 用 户 数 量 容 易 提 升 通 常 来 讲, 群 智 感 知 中 的 感 知 任 务 是 复 杂 的, 其 感 知 对 象 也 不 仅 仅 是 一 般 传 感 器 所 感 知 的 温 度 湿 度 位 置 等 物 理 属 性, 更 不 限 于 图 像 声 音 等 多 媒 体 数 据 上 面 提 到 的 道 路 交 通 状 况, 以 及 其 他 社 会 事 件 人 群 的 活 动 等 等 都 是 具 有 强 烈 社 会 属 性 的, 因 此 在 本 文 中 称 为 社 会 感 知 任 务 社 会 感 知 任 务 具 有 范 围 广 规 模 大 工 作 任 务 重 等 特 点, 不 是 一 个 用 户 能 够 轻 易 完 成 的 为 了 发 挥 人 多 力 量 大, 群 智 感 知 渐 露 峥 嵘, 将 大 量 草 根 用 户 拧 成 一 股 绳, 形 成 随 时 随 地 无 孔 不 入 与 人 们 生 活 密 切 相 关 的 感 知 系 统 群 智 感 知 背 后 的 思 想 古 已 有 之, 近 几 年 移 动 计 算 的 爆 炸 式 发 展 拓 展 了 群 智 感 知 的 规 模, 而 传 感 器 技 术 的 普 及 增 强 了 群 智 感 知 的 力 量, 很 多 以 前 不 易 完 成 的 任 务 变 得 轻 而 易 举 在 大 城 市 中, 监 测 道 路 交 通 状 况 通 常 需 要 耗 费 大 量 人 力 物 力 资 源, 在 大 街 小 巷 安 排 交 通 警 察 执 勤 不 现 实, 而 部 署 大 量 摄 像 头 还 必 须 要 结 合 上 先 进 的 图 像 分 析 技 术 才 能 自 动 监 测 有 研 究 者 则 利 用 手 机 监 测 人 群 在 公 共 交 通 中 的 运 动 情 况, 从 而 推 断 出 道 路 拥 堵 情 况 群 智 感 知 还 可 应 用 于 灾 难 场 景 恢 复, 用 来 确 定 灾 难 发 生 的 原 因, 为 今 后 的 灾 难 应 变 积 累 经 验 寻 找 突 破 口 例 如 在 建 筑 坍 塌 或 者 人 群 踩 踏 等 事 故 中, 移 动 设 备 可 以 通 过 摄 像 头 GPS 等 多 种 传 感 器 成 为 事 故 现 场 的 忠 实 记 录 者, 事 故 调 查 人 员 可 以 从 大 量 数 据 中 恢 复 出 事 故 发 生 的 全 貌 感 知 任 务 的 分 发 与 收 集 利 用 感 知 任 务 的 分 发 与 收 集 利 用 想 起 来 容 易 做 起 来 难 大 量 用 户 组 织 松 散, 并 不 是 一 支 军 队, 连 散 兵 游 勇 也 谈 不 上, 不 是 一 条 命 令 就 可 以 解 决 的 因 此, 任 务 的 分 发 和 收 集 利 用 要 做 到 分 工 合 理 负 担 合 适 激 励 合 情, 让 用 户 愿 意 参 与, 有 所 付 出 有 所 获 得 许 多 群 智 感 知 任 务 通 过 众 包 的 方 式 完 成 感 知 任 务 的 分 发 与 收 集 利 用 众 包 (Crowdsourcing) 是 连 线 (Wired) 杂 志 2006 年 发 明 的 一 个 专 业 术 语, 用 来 描 述 一 种 新 的 生 产 组 织 形 式, 即 企 业 利 用 互 联 网 将 工 作 分 配 出 去

3 发 现 创 意 或 解 决 技 术 问 题 通 过 互 联 网, 这 些 企 业 可 以 利 用 大 量 用 户 的 创 意 和 能 力 尤 其 对 于 软 件 业 和 服 务 业, 这 提 供 了 一 种 组 织 劳 动 力 的 全 新 方 式 众 包 和 普 通 意 义 上 的 外 包 (Outsourcing) 的 主 要 不 同 点 在 于, 前 者 的 任 务 和 问 题 是 外 派 给 不 确 定 的 群 体, 而 后 者 是 外 派 给 确 定 的 个 体 上 面 关 于 众 包 的 定 义, 更 多 的 是 从 商 业 角 度 来 描 述, 下 面 我 们 从 任 务 分 发 和 收 集 利 用 的 具 体 形 式 讨 论 众 包 的 两 个 例 子 和 recaptcha 足 不 出 户 寻 找 外 星 人 for Extra Terrestrial Intelligence at Home, 在 家 搜 寻 外 星 智 慧 ) 1, 是 一 个 通 过 互 联 网 利 用 家 用 个 人 计 算 机 处 理 天 文 数 据 的 分 布 式 计 算 项 目 该 项 目 试 图 通 过 分 析 阿 雷 西 博 (Arecibo) 射 电 望 远 镜 采 集 的 无 线 电 信 号, 搜 寻 能 够 证 实 外 星 智 能 生 物 存 在 的 证 据 SETI@home 的 工 作 流 程 由 5 部 分 组 成 1. 由 波 多 黎 哥 国 家 天 文 和 电 离 层 中 心 建 立 在 群 山 森 林 环 抱 中 的 直 径 为 305 米 的 巨 型 射 电 望 远 镜 Arecibo 搜 索 太 空 中 的 无 线 电 信 号 Arecibo 将 每 天 观 测 到 的 大 约 35 GB 的 数 据 记 录 在 海 量 数 字 磁 带 上 2. SETI@home 服 务 器 端 把 从 Arecibo 收 集 到 的 数 据, 经 过 计 算 分 析 之 后 根 据 客 户 的 需 要 和 电 脑 的 情 况, 划 分 为 小 的 工 作 单 元 即 数 据 块 工 作 单 元 通 过 因 特 网 传 送 到 全 球 成 千 上 万 个 客 户 端 以 进 行 数 据 处 理 3. SETI@home 传 送 数 据 结 束 后 将 自 动 切 断 连 接, 客 户 电 脑 便 在 计 算 资 源 闲 置 时 ( 即 屏 幕 保 护 运 行 时 ) 开 始 对 数 据 进 行 处 理 SETI@home 客 户 端 应 用 程 序 对 工 作 单 元 中 的 数 据 完 成 快 速 傅 立 叶 变 换 的 计 算, 其 中 大 约 要 进 行 1750 亿 次 运 算, 当 一 个 工 作 单 元 分 析 完 毕, 闪 烁 的 小 图 标 便 会 提 示 客 户 回 送 并 下 载 新 的 数 据 4. 所 有 客 户 端 所 获 得 的 有 价 值 的 信 号 都 将 送 回 到 SETI@home 服 务 器 端 绝 大 多 数 客 户 端 软 件 所 找 到 的 信 号 都 是 来 自 于 地 球 的 无 线 电 频 率 干 扰, SETI@home 使 用 一 大 批 算 法 和 已 知 电 信 频 率 干 扰 资 源 的 大 数 据 库 的 数 据 来 对 比, 从 而 排 除 所 有 可 能 的 干 扰 对 于 极 少 数 ( 可 能 只 有 <0.0001%) 未 被 排 除 的 信 号, 则 将 通 过 下 一 次 观 测 太 空 中 同 一 部 位 进 行 确 认 1

4 5. 一 旦 信 号 被 确 将 按 照 国 际 天 文 学 联 合 会 (International Astronomical Union, IAU) 的 电 报 发 表 公 告, 这 是 天 文 学 界 取 得 重 大 发 现 时 公 之 于 众 的 一 种 标 准 方 式 而 用 其 屏 幕 保 护 程 序 找 到 该 信 号 的 人, 并 将 和 队 伍 中 的 其 他 成 员 一 起 被 赋 予 合 作 发 现 者 的 称 号 工 作 流 程 的 第 2-4 步 就 是 典 型 的 通 过 互 联 网 进 行 众 包 的 过 程, 大 量 闲 散 计 算 资 源 整 合 在 一 起 完 成 了 规 模 庞 大 的 计 算 任 务 巧 妙 的 是, 由 于 计 算 是 在 屏 保 时 候 完 成 的, 并 不 对 用 户 的 正 常 使 用 造 成 影 响, 甚 至 可 以 说 是 在 用 户 不 知 不 觉 中 完 成 的 而 用 户 所 要 做 的, 仅 仅 是 下 载 并 安 装 的 客 户 端 recaptcha 利 用 全 球 智 慧 数 字 化 古 籍 提 到 众 包,reCAPTCHA 2 是 不 得 不 提 的 老 网 民 们 大 概 都 记 得, 刚 开 始 上 网 的 时 候, 是 不 存 在 验 证 码 (CAPTCHA) 这 么 一 种 东 西 的 这 造 成 的 结 果 是, 垃 圾 评 论 和 垃 圾 邮 件 可 以 轻 松 通 过 任 何 一 个 网 站 的 注 册 程 序, 通 过 各 种 方 式 轰 炸 人 民 群 众 的 眼 球 发 一 封 垃 圾 邮 件 的 成 本 很 低, 恶 意 用 户 仅 需 注 册 一 个 邮 箱, 就 可 以 向 很 多 目 标 邮 箱 地 址 发 动 攻 势 了 当 这 个 邮 箱 被 列 入 黑 名 单 后, 那 就 再 注 册 一 个, 而 且 注 册 和 发 送 邮 件 的 过 程 可 以 利 用 计 算 机 自 动 化 的 完 成 为 了 遏 制 垃 圾 邮 件 愈 演 愈 烈 的 趋 势, 许 多 互 联 网 公 司 都 投 入 了 大 量 的 精 力 大 浪 淘 沙 后 呈 现 出 的 解 决 方 案, 就 是 这 个 让 人 民 群 众 微 微 皱 眉, 但 是 让 计 算 机 耸 肩 挠 头 的 验 证 码 计 算 机 辨 识 技 术 还 很 落 后, 对 于 经 过 特 殊 方 法 扭 曲 污 染 的 文 字, 无 法 有 效 辨 识 而 人 类 却 可 以 轻 松 认 出 这 些 文 字 这 是 一 个 简 单 而 巧 妙 的 设 计, 计 算 机 先 是 产 生 一 个 随 机 的 字 符 串, 然 后 用 程 序 把 这 个 字 符 串 的 图 像 进 行 随 机 的 污 染 扭 曲, 再 显 示 给 显 示 器 前 的 人 或 者 机 器 凡 是 能 够 辨 识 这 些 字 符 的, 即 为 人 类 验 证 码 的 广 泛 使 用 增 加 了 发 送 垃 圾 邮 件 的 成 本, 注 册 和 发 送 邮 件 不 再 能 通 过 传 统 的 方 法 自 动 化 完 成 了 除 了 应 用 于 电 子 邮 件, 验 证 码 还 广 泛 应 用 于 网 站 登 陆 论 坛 发 帖 电 子 商 务 等 等 尽 管 输 入 验 证 码 给 正 常 用 户 带 来 了 些 许 负 担, 但 是 考 虑 到 使 用 验 证 码 带 来 的 积 极 效 果, 人 们 也 普 遍 接 受 了 这 种 方 式 就 像 北 京 地 铁 刚 开 始 实 行 进 站 安 检 的 时 候, 乘 客 都 抱 怨 耽 误 时 间, 影 响 出 行 效 率 随 着 这 项 政 策 的 展 开 以 及 公 共 安 全 的 需 要, 乘 客 也 就 习 惯 了 这 种 方 式, 尽 管 这 种 方 式 对 效 率 的 影 响 也 是 无 疑 的 2

5 但 是 验 证 码 的 发 展 并 没 有 就 此 结 束 当 全 世 界 数 以 十 亿 计 的 人 每 天 都 会 浪 费 几 秒 钟 的 时 间 参 与 辨 认 文 字 这 一 简 单 活 动 的 时 候, 其 中 浪 费 的 人 脑 智 力 是 否 能 得 到 更 好 的 应 用 呢? 在 2007 年 左 右, 验 证 码 的 发 明 人 Luis Von Ahn 提 出 了 新 的 构 想, 让 人 们 用 这 些 脑 力 解 决 一 些 计 算 机 无 法 解 决 的 图 书 数 字 化 问 题 在 计 算 机 时 代 以 前, 大 量 信 息 都 存 在 于 书 本 和 报 纸 等 载 体 上 如 果 不 经 过 数 字 化 处 理, 对 于 计 算 机 来 说 这 些 信 息 仅 以 图 像 的 形 式 存 在, 在 当 前 信 息 时 代 中 不 能 够 被 有 效 的 利 用 自 动 化 的 光 学 识 别 技 术 也 不 能 解 决 全 部 问 题 因 为 早 期 的 印 刷 术 并 不 精 确, 文 字 大 小 不 一, 形 象 有 差 别 而 且 因 为 印 刷 品 年 代 久 远, 拥 有 各 种 细 微 的 缺 损 和 污 染 这 些 缺 陷 对 人 眼 识 别 来 说 不 是 什 么 大 问 题, 但 对 计 算 机 来 说 就 麻 烦 了 上 述 构 想 最 终 形 成 了 新 一 代 验 证 码 系 统 recaptcha, 每 天 帮 助 辨 识 数 以 百 万 计 的 古 老 印 刷 品 问 题 在 于, 对 于 最 初 的 验 证 码 来 说, 计 算 机 实 际 上 是 知 道 正 确 答 案 的, 这 样 才 能 通 过 判 断 用 户 提 供 的 答 案 是 否 正 确 来 检 验 用 户 是 否 为 人 类 而 recaptcha 希 望 人 们 辨 识 的 文 字, 计 算 机 实 际 上 是 不 知 道 答 案 的, 那 如 何 能 验 证 返 回 的 答 案 到 底 是 不 是 真 的 呢?reCAPTCHA 让 人 们 每 次 辨 识 两 个, 而 非 一 个 验 证 码, 其 中 一 个 来 自 于 计 算 机 随 机 生 成 并 经 过 污 染 和 扭 曲 的 字 符 串, 而 另 一 个 则 是 从 印 刷 品 中 选 取 的 计 算 机 不 认 识 的 字 符 图 像 只 要 人 们 对 前 一 个 字 符 串 给 出 的 答 案 是 正 确 的, 那 么 就 判 定, 人 们 对 后 一 个 验 证 码 的 辨 识 也 是 正 确 的 每 次 出 现 的 两 个 字 符 串 的 顺 序 并 不 是 固 定 的, 外 观 上 也 是 不 可 分 辨 的, 人 们 不 可 能 通 过 只 识 别 计 算 机 生 成 的 验 证 码 来 偷 懒 recaptcha 目 前 已 被 超 过 10 万 家 网 站 使 用, 每 天 数 字 化 超 过 4 千 万 单 词 采 用 这 一 方 法,reCAPTCHA 已 经 帮 助 完 成 了 整 个 纽 约 时 报 130 年 的 报 纸 存 档 数 字 化 这 一 本 可 能 花 费 无 数 时 间 和 资 源 的 工 程, 在 几 个 月 之 内 就 由 各 位 网 友 们 完 成 了, 而 且 是 在 网 友 的 事 前 无 知 事 后 惊 讶 中 完 成 的 前 不 久 水 木 社 区 上 一 篇 关 于 recaptcha 的 介 绍 文 章 引 起 了 强 烈 讨 论, 大 家 在 赞 叹 recaptcha 设 计 精 巧 之 余, 也 表 达 了 竟 然 为 纽 约 时 报 服 务 了 这 么 多 年 的 感 叹 巧 妙 的 众 包 机 制 有 种 于 无 声 处 听 惊 雷 的 感 觉, 不 知 不 觉 中 樯 橹 灰 飞 烟 灭 大 功 告 成 谁 能 想 到 探 寻 外 星 智 慧 以 及 数 字 化 纽 约 时 报 类 似 的 大 工 程 竟 能 通 过 这 样 的 方 式 进 行? 巧 妙 的 众 包 机 制 还 有 种 明 修 栈 道, 暗 度 陈 仓 的 意 味, 让 用 户 在 休 闲 娱 乐 享 受 获 得 服 务 的 过 程 中, 完 成 具 有 其 他 目 的 的 任 务 下 面 以 大 家 熟 悉 的 盲 人 摸 象 为 例, 讨 论 群 智 感 知 中 的 感 知 数 据 收 集 和 利 用 据 涅 槃 经 记 载, 从 前 有 四 个 盲 人 很 想 知 道 大 象 是 什 么 样 子, 可 他 们 看 不 见, 只 好 用 手 摸 有 人 摸 到 了 大 象 的 牙 齿 认 为 大 象 就 是 一 个 又 粗 又 大 的 萝 卜, 有 人 摸 到 了 大 象 的 耳 朵 认 为 大 象 就 是 一 把 大 蒲 扇, 有 人 摸 到 了 大 象

6 的 腿 认 为 大 象 是 根 大 柱 子, 还 有 人 摸 到 了 大 象 的 尾 巴 认 为 大 象 并 不 大, 不 过 是 根 草 绳 这 则 故 事 里 面 的 盲 人 就 是 感 知 大 象 这 个 任 务 中 的 基 本 感 知 单 元, 尽 管 是 盲 人, 他 们 正 确 感 知 到 了 事 物, 并 如 实 的 进 行 了 汇 报 作 为 个 体, 这 些 盲 人 存 在 以 偏 概 全 的 问 题 ; 但 是 作 为 整 体, 盲 人 摸 象 失 败 的 原 因 并 不 在 于 盲, 也 不 在 于 感 知 数 据 稀 缺 或 者 角 度 片 面, 而 在 于 数 据 没 有 充 分 收 集 和 利 用 我 们 假 设 将 每 个 盲 人 的 信 息 进 行 汇 总, 那 么 大 象 应 该 是 两 颗 牙 如 萝 卜 两 只 耳 如 蒲 扇 四 条 腿 如 柱 子 一 条 尾 巴 如 草 绳 的 复 杂 的 组 合 体, 这 样 离 事 实 就 更 近 了 一 些 在 群 智 感 知 中 也 存 在 同 样 的 问 题, 一 个 用 户 的 感 知 数 据 可 以 是 没 有 实 用 价 值 的, 但 千 千 万 万 这 样 的 数 据 汇 聚 到 一 起, 会 产 生 质 的 飞 跃, 合 理 的 利 用 方 法 可 以 从 大 量 平 凡 的 数 据 中 挖 掘 出 有 价 值 的 信 息 例 如, 当 一 个 用 户 感 知 到 道 路 行 驶 缓 慢, 其 原 因 可 能 是 多 种 多 样 的 ; 而 当 同 一 路 段 的 大 部 分 用 户 都 报 告 此 问 题, 那 么 则 可 以 比 较 肯 定 的 认 为 这 段 路 发 生 了 堵 车, 并 采 取 相 应 的 措 施 一 个 简 单 的 感 知 数 据 利 用 方 法 是 挖 掘 数 据 的 时 间 空 间 关 联 性 例 如 将 同 一 地 点 的 感 知 数 据 汇 聚 到 一 起, 判 断 该 地 点 所 发 生 的 事 情 以 及 该 地 点 的 属 性 或 者 将 同 一 时 间 的 感 知 数 据 汇 聚 到 一 起, 用 来 挖 掘 社 会 热 点 和 流 行 信 息 然 而, 更 多 情 况 下, 感 知 数 据 的 收 集 和 利 用 是 因 应 用 而 异 的, 需 要 根 据 应 用 的 特 点 来 设 计 具 体 的 方 式 和 方 法 传 统 的 互 联 网 终 端 通 过 有 线 方 式 接 入 互 联 网, 通 常 放 置 于 室 内 环 境 中 的 固 定 地 点, 因 此 不 适 应 用 于 完 成 社 会 感 知 的 任 务 而 移 动 网 络 的 终 端 设 备 随 时 随 地 围 绕 用 户 身 边, 在 移 动 网 络 中 通 过 众 包 机 制 完 成 社 会 感 知 的 任 务 是 最 合 适 不 过 了 案 例 分 析 案 例 1: 公 交 车 到 站 时 间 预 测 对 于 在 城 市 生 活 的 人 们 来 说, 公 交 车 是 大 多 数 人 出 门 最 常 见 的 交 通 工 具 随 着 生 活 节 奏 越 来 越 快, 公 交 车 到 达 每 站 的 准 确 时 间 对 于 出 行 的 乘 客 来 说 是 很 有 价 值 的 信 息 许 多 公 交 公 司 提 供 了 公 交 运 行 时 刻 表, 乘 客 可 以 从 中 了 解 到 公 交 车 的 首 末 车 时 间, 发 车 时 间 间 隔 等 等 但 是 这 些 信 息 往 往 太 过 粗 略, 再 加 上 当 时 当 地 交 通 状 况 的 影 响, 人 们 很 难 得 到 准 确 的 公 交 车 到 达 时 间 许 多 商 业 公 司 开 始 提 供 公 交 车 到 达 时 间 方 面 的 信 息, 但 是 这 样 的 服 务 都 必 须 得 到 公 交 公 司 的 配 合 2011 年, 来 自 美 国 伊 利 诺 伊 大 学 芝 加 哥 分 校 的 科 研 人 员 开 发 出 一 套 基 于 智 能 手 机 的 公 交 车 到 站 预 测 系 统, 通 过 在 公 交 车 上 嵌 入 智 能 手 机, 收 集 公 交 车 运 行 的 相 关 数 据 3 然 而 不 可 避 免 的, 改 造 公 交 车 需 要 公 交 公 司 的 许 可 与 配 合, 同 时 也 会 带 来 更 高 的 系 统 部 署 成 本 3 James Biagioni, Tomas Gerlich, Timothy Merrifield, and Jakob Eriksson. EasyTracker: Automatic Transit Tracking, Mapping, and Arrival Time Prediction Using Smartphones. In Proceedings of ACM SenSys, 2011.

7 将 上 述 应 用 向 普 适 的 方 向 再 推 进 一 步, 新 加 坡 南 洋 理 工 大 学 的 Pengfei Zhou Yuanqing Zheng 和 Mo Li 开 发 出 一 个 基 于 参 与 感 知 的 公 交 车 到 达 时 间 预 测 系 统 4 这 套 系 统 的 参 与 者 正 是 经 常 乘 坐 公 交 车 的 乘 客 们, 整 个 系 统 不 需 要 借 助 于 公 交 公 司 的 配 合, 乘 客 群 体 自 己 就 可 以 合 作 地 实 现 这 个 系 统 该 系 统 的 基 本 思 想 是 当 前 正 在 乘 车 的 乘 客 们 为 一 个 后 台 服 务 器 提 供 实 时 的 公 交 车 信 息, 服 务 器 通 过 乘 客 们 提 供 的 信 息 计 算 预 测 每 一 辆 公 交 车 到 达 每 个 公 交 车 站 的 时 间, 并 将 这 样 的 实 时 信 息 提 供 给 正 在 等 公 交 车 或 者 准 备 搭 乘 公 交 的 人 们 那 么 乘 客 们 怎 么 提 供 实 时 的 公 交 车 信 息 呢? 最 简 单 常 见 的 方 法 是 GPS 定 位, 这 是 大 部 分 智 能 手 机 都 可 以 完 成 的 功 能 但 是 GPS 有 其 固 有 的 两 个 缺 陷 : 一 是 在 公 交 车 内, 由 于 车 厢 阻 挡 了 GPS 卫 星 的 信 号,GPS 在 公 交 车 内 定 位 精 度 常 常 不 够 准 确 ; 二 是 GPS 定 位 的 能 耗 非 常 高, 而 智 能 手 机 的 电 池 容 量 相 对 较 小, 所 以 大 多 数 用 户 平 时 都 是 关 闭 GPS 模 块 的 如 果 采 用 GPS 定 位, 过 高 的 能 耗 很 可 能 无 法 吸 引 乘 客 们 来 参 与 该 系 统 基 于 这 些 原 因, 研 究 人 员 利 用 手 机 信 号 来 定 位 公 交 车 相 对 于 GPS 定 位, 利 用 手 机 信 号 几 乎 不 会 给 手 机 带 来 额 外 的 能 量 消 耗, 因 为 手 机 需 要 时 刻 保 持 与 信 号 塔 的 连 接 但 是 传 统 的 利 用 手 机 信 号 塔 定 位 的 方 法 精 度 很 低, 无 法 满 足 需 求 实 际 上, 研 究 人 员 发 现 并 不 需 要 精 确 地 定 出 公 交 车 的 二 维 的 物 理 位 置, 如 图 1, 由 于 公 交 车 总 是 在 特 定 的 公 交 线 路 上 行 驶 的, 并 不 会 走 到 公 交 线 路 以 外 的 路 段 上 去, 所 以 每 辆 公 交 车 的 路 线 其 实 是 非 常 确 定 的 如 果 将 公 交 线 路 拉 成 一 条 直 线, 那 么 公 交 就 是 在 这 条 直 线 上 行 驶, 系 统 只 需 要 知 道 公 交 车 在 这 一 维 的 空 间 中 的 位 置 就 可 以 了 在 手 机 蜂 窝 网 络 中, 由 于 单 个 手 机 信 号 塔 的 覆 盖 范 围 比 较 小 ( 通 常 是 100~500 米 ), 所 以 乘 客 在 乘 坐 公 交 车 运 动 的 时 候, 乘 客 的 手 机 会 不 断 地 从 一 个 信 号 塔 转 到 另 一 个 信 号 塔, 整 个 公 交 线 路 就 形 成 一 个 信 号 塔 的 序 列 该 系 统 用 信 号 塔 序 列 来 表 示 公 交 线 路 一 个 公 交 线 路 可 以 用 一 个 信 号 塔 序 列 唯 一 地 表 示 图 1: 公 交 线 路 与 信 号 塔 序 列 4 Pengfei Zhou, Yuanqing Zheng, and Mo Li. How Long to Wait?: Predicting Bus Arrival Time with Mobile Phone based Participatory Sensing. In Proceedings of ACM MobiSys, 2012.

8 图 2: 公 交 预 测 系 统 整 体 框 架 该 系 统 中 使 用 一 些 手 机 上 的 轻 量 级 传 感 器 ( 如 加 速 度 计, 麦 克 风 等 ) 来 实 现 自 动 地 数 据 采 集 和 传 输 图 2 显 示 了 整 体 的 系 统 框 架 图 整 个 系 统 主 要 分 为 三 个 部 分 : 请 求 用 户 共 享 乘 客 和 服 务 器 请 求 用 户 向 服 务 器 发 出 某 一 路 公 交 车 到 达 某 一 个 公 交 车 站 的 时 间 预 测 的 请 求 共 享 乘 客 为 后 台 服 务 器 提 供 手 机 传 感 信 息 当 共 享 乘 客 上 公 交 车 之 后, 数 据 采 集 模 块 开 始 采 集 周 围 环 境 的 信 号 由 于 乘 客 们 可 能 采 用 不 同 的 交 通 方 式, 系 统 需 要 检 测 当 前 乘 客 是 否 在 乘 坐 公 交 车 从 图 2( 左 侧 ) 中 所 示, 乘 客 的 手 机 周 期 性 地 采 集 周 围 的 信 号 并 且 智 能 地 识 别 出 公 交 车 的 特 殊 信 号 特 征 一 旦 手 机 检 测 到 乘 客 在 公 交 车 上, 手 机 便 开 始 周 期 性 地 采 集 手 机 信 号 塔 信 号 和 加 速 度 信 号 并 且 发 送 给 后 台 服 务 器 整 个 过 程 中, 公 交 车 检 测 数 据 采 集 和 发 送 都 是 自 动 进 行 的, 不 需 要 用 户 的 手 动 输 入 后 台 服 务 器 完 成 整 个 系 统 中 大 部 分 的 计 算 任 务 服 务 器 接 收 来 自 共 享 乘 客 的 数 据 通 过 将 共 享 乘 客 上 传 的 信 号 塔 信 号 与 数 据 库 中 得 信 号 塔 信 号 进 行 序 列 匹 配, 服 务 器 自 动 地 识 别 出 共 享 乘 客 乘 坐 的 具 体 是 哪 一 路 公 交 车, 并 根 据 信 号 塔 信 号 将 公 交 车 定 位 在 图 1 所 示 的 一 维 的 线 路 上, 从 而 为 请 求 用 户 预 测 公 交 车 到 达 时 间 整 个 系 统 中, 公 交 车 检 测 和 公 交 车 分 类 是 较 为 核 心 的 两 个 部 分 现 代 的 公 交 系 统 几 乎 都 使 用 公 交 IC 卡 来 收 取 费 用, 当 乘 客 们 上 车 的 时 候, 需 要 刷 卡 付 费 而 每 次 刷 卡 的 时 候, 读 卡 器 都 会 发 出 嘀 的 回 复 声 来 说 明 支 付 成 功 而 这 嘀 的 一 声 通 常 来 说 是 只 有 在 公 交 车 上 才 能 听 到 的 特 定 的 声 音 从 频 域 上 看, 新 加 坡 公 交 车 刷 卡 声 音 是 由 1kHz 和 3kHz 声 音 信 号 合 成 的 通 过 检 测 这 两 个 频 带 的 声 音 信 号, 系 统 就 可 以 准 确 地 检 测 到 公 交 车 而 在 其 他 地 方 人 们 或 许 也 能 听 到 类 似 的 嘀 声, 但 是 从 频 率 上 看, 这 样 的 声 音 是 非 常 特 殊 的, 从 而 可 以 成 为 新 加 坡 公 交 车 的 一 个 特 征, 该 系 统 通 过 检 测 这 个 特 征 来 自 动 地 识 别 出 公 交 车 公 交 车 分 类 是 通 过 信 号 塔 信 号 序 列 匹 配 的 方 法 实 现 的 当 乘 客 上 传 了 当 前 公 交 车 的 信 号 塔 序 列 之 后, 服 务 器 将 乘 客 上 传 的 信 号 塔 信 号 与 数 据 库 中 进 行 匹 配, 计 算 出 与 其 匹 配 度 最 高 的 公 交 线 路, 并 将 此 作 为 乘 客 所 在 公 交 车 的 公 交 线 路 感 知 道 路 交 通 情 况 是 一 项 复 杂 的 任 务 首 先, 它 的 规 模 宏 大, 特 别 是 大 城 市 中 的 交 通 状 况, 空 间 上 连 绵 上 百 公 里, 牵 扯 几 百 万 辆 机 动 车 和 更 多 数 目 的 行 人, 绝 非 一 瓶 一 钵 足 矣 的 简 单 任 务 其 次, 交 通 具 有 强 烈 的 空 间 与 时 间 关 联 性, 牵 一 发 而 动 全 身, 一 个 轻 微 的 交 通 事 故 可 以 让 几 公 里 之 外 的 车 辆 排 队 等 待, 中 小 学 校 放 学 会 造 成 周 边 道 路 临 时 拥 堵 第 三, 影 响 交 通 状

9 况 的 因 素 众 多, 工 作 日 写 字 楼 周 边 拥 堵 而 周 末 则 顺 畅, 体 育 比 赛 造 成 场 馆 周 边 交 通 异 常, 发 改 委 提 高 油 价 的 指 令 让 加 油 站 挤 满 了 汽 车, 更 不 用 提 北 京 7.21 暴 雨 造 成 的 大 面 积 交 通 瘫 痪 在 这 样 的 背 景 下, 群 智 感 知 以 其 鲜 明 的 特 点 契 合 城 市 交 通 感 知 的 需 求 尽 管 这 方 面 的 真 实 应 用 和 系 统 部 署 还 处 于 襁 褓 阶 段, 其 中 涉 及 的 应 用 模 式 任 务 分 发 数 据 收 集 用 户 参 与 策 略 等 等 已 成 为 当 前 移 动 计 算 特 别 是 城 市 计 算 的 研 究 热 点 案 例 2: 室 内 定 位 与 室 内 地 图 构 建 随 着 社 会 的 飞 速 发 展, 城 市 中 高 楼 大 厦 鳞 次 栉 比, 宏 大 的 建 筑 规 模 以 及 复 杂 的 室 内 环 境 使 得 以 GPS 为 代 表 的 室 外 定 位 技 术 不 能 满 足 人 们 日 常 生 活 的 需 求, 人 们 越 来 越 迫 切 地 需 要 精 准 便 捷 的 室 内 定 位 服 务 事 实 上, 室 内 定 位 在 十 多 年 前 就 已 经 引 起 了 研 究 者 的 注 意 早 期 的 尝 试 工 作 包 括 在 室 内 特 定 位 置 上 部 署 特 殊 的 硬 件 设 备, 如 红 外 装 置 超 声 波 RFID 标 签 或 者 传 感 器 等, 作 为 已 知 参 考 点, 进 而 通 过 测 距 或 测 方 位 等 手 段 来 实 现 室 内 定 位 这 些 研 究 工 作 的 方 法 可 以 取 得 较 好 的 定 位 精 度, 可 是 却 依 赖 于 特 定 固 件 并 且 需 要 提 前 部 署, 因 此 难 以 推 广 为 解 决 这 个 问 题, 研 究 者 提 出 了 一 种 基 于 指 纹 (fingerprinting) 的 定 位 方 法, 即 利 用 室 内 现 有 的 环 境 特 征 ( 如 无 线 信 号 声 音 光 线 等 ) 作 为 指 纹 进 行 定 位 指 纹 定 位 方 法 的 核 心 思 想 是, 人 们 事 先 在 大 楼 内 对 环 境 信 息 ( 通 常 是 无 线 信 号 ) 进 行 勘 测, 并 建 立 一 个 样 本 数 据 库 以 标 记 每 一 条 指 纹 数 据 对 应 的 实 际 位 置, 之 后 就 可 以 通 过 指 纹 的 匹 配 来 实 现 位 置 估 计 了 具 体 而 言, 指 纹 定 位 方 法 分 为 以 下 两 个 阶 段 : 训 练 阶 段 和 运 行 阶 段 在 训 练 阶 段, 定 位 服 务 的 提 供 者 对 定 位 区 域 进 行 细 致 的 勘 测, 即 在 每 个 位 置 上 采 集 无 线 信 号 样 本, 并 标 上 对 应 的 位 置 坐 标, 由 此 建 立 指 纹 - 位 置 关 系 的 样 本 数 据 库 而 在 运 行 阶 段, 定 位 服 务 的 使 用 者 上 传 其 所 在 位 置 的 无 线 信 号 指 纹 数 据, 与 上 述 样 本 数 据 库 中 的 指 纹 进 行 匹 配, 即 得 到 用 户 所 在 的 位 置 坐 标 在 所 有 指 纹 定 位 方 法 中, 基 于 无 线 信 号 的 工 作 最 为 突 出 微 软 研 究 院 的 两 位 研 究 员 Victor Bahl 和 Venkata N. Padmanabhan 最 早 开 发 了 采 用 WiFi 信 号 作 为 指 纹 的 定 位 系 统 RADAR 随 后, 从 2003 年 开 始, 美 国 马 里 兰 大 学 的 教 授 Moustafa Youssef 带 领 他 的 工 作 团 队 改 进 了 RADAR, 研 发 出 一 套 新 的 定 位 系 统 Horus, 并 发 表 了 一 系 列 室 内 定 位 相 关 的 文 章 过 去 数 年 中, 基 于 WiFi 信 号 的 指 纹 定 位 得 到 广 泛 而 深 入 的 研 究, 究 其 原 因, 最 重 要 的 是 WiFi 以 及 支 持 WiFi 的 智 能 手 机 在 全 球 范 围 内 得 到 广 泛 普 及 为 这 一 类 方 法 奠 定 了 普 适 基 础 不 仅 是 学 术 界, 产 业 界 关 于 实 时 定 位 系 统 (Real-time Location System) 的 商 用 产 品 亦 不 少 见 其 中, 较 为 知 名 的 有 芬 兰 的 Ekahau 英 国 的 Ubisense 挪 威 的 Sonitor 等 公 司 尽 管 采 用 了 不 同 的 技 术, 这 些 商 业 产 品 无 一 例 外 地 都 是 基 于 特 制 的 固 件 和 终 端 高 昂 的 价 格, 特 殊 的 固 件, 定 制 的 终 端, 都 使 得 这 些 系 统 难 以 打 开 普 适 室 内 定 位 产 品 市 场 的 大 门 直 到 今 天, 真 正 与 普 适 室 内 定 位 服 务 沾 得 上 边 的 企 业, 也 仅 有 大 家 熟 知 的 Google

10 2011 年 底,Google 推 出 Google Map 6.0 版 本 5, 新 版 本 首 次 支 持 室 内 地 图 服 务 当 然, 它 还 不 能 如 Google 室 外 地 图 一 样 广 泛 可 用, 目 前 仅 在 部 分 国 家 和 地 区 的 机 场 或 大 型 商 场 才 能 享 受 此 项 服 务 6 受 限 于 复 杂 的 建 筑 结 构 以 及 的 千 姿 百 态 的 室 内 陈 设, 室 内 地 图 勘 测 和 数 字 化 工 程 浩 大, 短 期 内 Google 室 内 地 图 服 务 的 应 用 场 景 依 然 受 限 但 即 便 如 此, 这 也 是 一 个 巨 大 的 突 破 了 尽 管 早 早 地 就 被 人 们 所 关 注 和 研 究, 但 直 到 今 天, 普 适 的 室 内 定 位 技 术 依 然 显 得 模 糊 不 清 本 质 上, 是 高 度 复 杂 的 室 内 环 境 导 致 了 室 内 定 位 的 研 究 充 满 挑 战 最 早 的 基 于 特 殊 硬 件 装 置 的 方 法 显 然 不 能 普 适, 而 指 纹 定 位 的 方 法 虽 然 创 造 性 地 免 去 了 硬 件 之 患, 为 室 内 定 位 开 辟 了 新 的 方 向, 可 同 时 也 带 来 新 的 困 扰 其 中 最 为 显 著 的 是 工 作 量 巨 大 的 室 内 环 境 勘 测, 即 建 立 指 纹 数 据 库 的 环 节 建 筑 物 内 部 结 构 复 杂, 对 每 个 位 置 进 行 人 工 勘 测 负 担 沉 重, 通 常 需 要 专 业 的 人 员 采 用 专 业 的 设 备 进 行, 代 价 高 昂, 耗 时 巨 大 更 何 况 室 内 环 境 多 变, 指 纹 数 据 库 还 要 定 期 更 新, 人 工 勘 测 需 要 反 复 执 行 这 些 因 素 一 直 制 约 着 室 内 定 位 技 术 的 发 展 直 到 近 年 高 度 集 成 和 高 度 智 能 的 手 机 广 泛 普 及 以 及 随 之 而 来 的 群 智 感 知 概 念 的 兴 起, 才 为 室 内 定 位 注 入 了 新 的 血 液 最 初, 在 2009 年,Duke 大 学 的 几 位 研 究 者 试 图 利 用 智 能 手 机 用 户 的 参 与 式 感 知 实 现 室 内 逻 辑 定 位 也 就 是 精 度 为 房 间 级 别 的 定 位 7 他 们 让 手 机 用 户 主 动 参 与 其 系 统 SurroundSense 的 工 作, 在 每 个 地 方 感 知 和 收 集 声 音 光 线 颜 色 和 WiFi 等 环 境 数 据 以 及 人 的 运 动 数 据, 并 上 传 到 SurroundSense 的 服 务 器 上 积 累 足 够 多 的 数 据 之 后, 该 系 统 先 对 不 同 的 环 境 特 征 ( 声 音 光 线 颜 色 等 ) 依 次 建 模, 转 换 为 方 便 计 算 和 比 较 的 指 标, 再 将 所 有 的 环 境 特 征 组 成 多 维 度 的 指 纹 信 息 这 些 指 纹 信 息 在 收 集 阶 段 已 经 携 带 有 用 户 标 注 的 位 置 标 签 有 了 这 些 指 纹 信 息, 只 需 要 利 用 支 持 向 量 机 聚 类 等 方 法, 对 新 的 查 询 进 行 位 置 分 类, 即 可 实 现 定 位, 为 每 一 个 曾 经 出 过 力 或 没 出 力 的 用 户 服 务 SurroundSense 的 特 色 在 于 充 分 利 用 了 室 内 环 境 中 可 供 利 用 的 多 种 物 理 特 征 以 及 人 的 运 动 信 息, 更 在 于 其 用 户 签 到 的 模 式 暗 含 了 群 智 感 知 思 想 用 户 签 到 通 过 群 智 感 知 的 方 式 解 决 了 信 号 指 纹 收 集 的 难 题, 但 是 这 种 模 式 依 然 需 要 用 户 主 动 参 与 感 知 任 务, 如 果 能 让 用 户 在 不 知 情 的 情 况 下 完 成 感 知 任 务, 那 么 将 提 高 用 户 的 参 与 性, 同 时 室 内 定 位 系 统 的 部 署 成 本 也 会 降 低, 进 而 扩 大 适 用 环 境 和 应 用 面 根 据 正 常 的 工 作 和 生 活 需 要, 用 户 会 在 大 楼 内 走 动, 每 走 到 一 个 位 置, 手 机 都 可 以 自 动 记 录 下 当 前 位 置 的 信 号 指 纹 5 Google Map. 6 Indoor Map Availability. 7 M. Azizyan, I. Constandache, and R. Roy Choudhury. Surroundsense: mobile phone localization via ambience fingerprinting. In Proceedings of ACM MobiCom, 2009.

11 因 此, 信 号 指 纹 的 收 集 并 不 困 难, 而 难 点 在 于 如 何 把 信 号 指 纹 与 其 相 对 应 的 物 理 位 置 联 系 起 来, 从 而 建 立 指 纹 - 位 置 关 系 数 据 库 手 机 收 集 信 号 指 纹 容 易, 而 判 断 当 前 位 置 难, 因 为 在 信 号 收 集 阶 段 定 位 系 统 还 不 能 开 始 工 作 在 用 户 不 主 动 参 与 定 位 系 统 还 不 能 工 作 的 情 况 下, 有 研 究 工 作 借 鉴 机 器 人 定 位 中 常 用 的 惯 性 导 航 方 法, 用 手 机 中 的 惯 性 传 感 器 记 录 下 用 户 的 运 动 情 况, 从 而 推 断 出 用 户 位 置 然 而, 手 机 中 的 传 感 器 不 同 于 机 器 人 上 的 传 感 器, 在 精 度 和 可 靠 性 上 都 有 较 大 差 距, 因 此 通 过 惯 性 导 航 计 算 出 的 位 置 通 常 有 较 大 偏 差 具 体 来 讲, 使 用 加 速 度 传 感 器 对 位 移 进 行 估 计 时, 用 户 运 动 一 分 钟 的 位 移 误 差 可 以 达 到 100 米 以 上 国 际 会 议 MobiCom'12 收 录 了 两 篇 针 对 此 问 题 的 室 内 定 位 论 文 : 一 篇 来 自 清 华 大 学 的 论 文 根 据 信 号 指 纹 间 的 时 空 特 性 建 立 指 纹 与 位 置 的 对 应 关 系 8, 而 另 一 篇 来 自 微 软 研 究 院 的 论 文 根 据 用 户 路 径 与 室 内 地 图 的 匹 配 情 况 建 立 指 纹 与 位 置 的 对 应 关 系 9 自 动 化 的 基 于 群 智 感 知 的 指 纹 数 据 库 建 立 使 得 室 内 定 位 系 统 的 普 适 性 再 获 提 升 除 了 场 景 勘 测, 室 内 定 位 还 面 临 另 外 一 个 广 泛 存 在 却 鲜 为 人 知 的 挑 战 : 无 论 何 种 室 内 定 位 技 术, 最 终 都 离 不 开 数 字 化 的 室 内 地 图 即 使 在 技 术 上 不 需 要 依 赖 于 室 内 平 面 图, 但 真 正 面 向 公 众 服 务 时, 都 脱 离 不 了 室 内 平 面 图 的 辅 助 ; 否 则 就 如 同 没 有 地 图 的 GPS 信 息 一 样 无 用, 空 有 精 准 的 经 纬 度 却 徒 叹 奈 何! 有 趣 的 是, 这 样 一 个 公 共 而 基 础 的 需 求, 过 去 却 一 直 不 被 人 所 重 视 和 探 讨 显 然, 室 内 地 图 并 不 是 处 处 可 用 的 很 多 楼 宇 建 筑 并 非 都 有 现 成 的 数 字 化 室 内 地 图 请 注 意, 这 里 数 字 化 的 含 义 不 仅 是 室 内 地 图 的 电 子 图 片, 而 是 包 含 了 室 内 的 结 构 信 息, 诸 如 走 廊 楼 梯 房 间 甚 至 房 间 的 逻 辑 功 能 等 若 想 单 纯 靠 人 工 来 绘 制 全 球 范 围 的 数 字 化 室 内 地 图, 不 啻 于 愚 公 移 山 因 此, 一 个 自 然 而 然 的 考 虑 是 如 何 利 用 技 术 手 段 高 效 地 获 取 数 字 化 的 室 内 地 图 这 里, 移 动 计 算 和 群 智 感 知 再 一 次 向 我 们 证 明 了 它 们 的 魅 力 图 3: 实 验 场 地 室 内 结 构 图 8 Zheng Yang, Chenshu Wu, and Yunhao Liu. Locating in Fingerprint Space: Wireless Indoor Localization with Little Human Intervention. In Proceedings of ACM MobiCom, Anshul Rai, Krishna Kant Chintalapudi, Venkat Padmanabhan, and Rijurekha Sen. Zee: Zero effort crowdsourcing for indoor localization. In Proceedings of ACM MobiCom, 2012.

12 图 4: 利 用 群 智 感 知 生 成 的 室 内 结 构 图 和 区 域 划 分 内 置 于 智 能 手 机 中 的 种 类 繁 多 功 能 先 进 的 传 感 器 ( 例 如 : 磁 场 强 度 传 感 器 加 速 度 传 感 器 陀 螺 仪 数 字 指 南 针 等 ), 为 随 时 随 地 地 记 录 用 户 的 行 为 路 径 提 供 了 基 础 有 不 少 研 究 工 作 都 用 到 了 加 速 度 传 感 器 陀 螺 仪 等 传 感 器 来 记 录 用 户 的 移 动 路 径, 包 括 用 户 所 走 的 步 数 拐 弯 等, 尽 管 很 难 说 非 常 精 确, 但 已 经 是 高 度 可 用 了 移 动 用 户 的 行 走 路 径 最 真 实 地 呈 现 了 建 筑 物 内 部 的 结 构 : 凡 是 可 活 动 区 域, 用 户 的 足 迹 都 可 能 出 现 ; 凡 是 阻 隔 区 域 例 如 墙 体 等, 用 户 路 径 均 不 可 能 到 达 或 穿 过 因 此, 大 量 的 用 户 移 动 路 径 交 织 在 一 起, 真 实 地 刻 画 了 建 筑 物 内 部 的 空 间 结 构 在 此 基 础 上, 可 以 利 用 群 智 感 知 更 进 一 步 地 识 别 各 个 区 域 的 逻 辑 功 能, 比 如 会 议 室 讨 论 厅 咖 啡 屋 等, 如 图 3 和 图 4 所 示 不 同 功 能 区 所 表 现 的 天 然 的 声 色 光 影 等 物 理 信 息 的 差 异 首 先 提 供 了 识 别 功 能 的 可 能 而 在 不 同 功 能 区 域 中, 群 体 活 动 的 行 为 差 异 性 同 样 是 一 个 区 分 不 同 功 能 区 的 良 好 切 入 点 譬 如, 人 们 通 常 人 数 众 多 地 集 中 在 讨 论 厅 中 大 声 议 论, 在 咖 啡 屋 则 是 三 三 两 两 低 声 絮 语 地 交 谈, 而 在 自 己 办 公 室, 通 常 不 会 出 现 很 多 人, 并 且 一 般 很 安 静 总 之, 充 分 挖 掘 移 动 用 户 的 群 智 感 知 能 力, 搜 集 更 多 维 度 的 感 知 信 息, 辅 以 高 级 的 数 据 处 理 方 法, 或 许 未 来 无 数 高 楼 大 厦 的 室 内 平 面 图 可 能 就 由 各 位 普 通 的 智 能 手 机 用 户 无 声 无 息 地 构 建 完 成 了 在 今 天, 尽 管 室 内 定 位 和 室 内 地 图 构 建 技 术 已 经 如 春 夜 喜 雨 一 般 润 物 无 声 地 开 始 影 响 和 改 变 人 们 的 生 活, 但 其 在 可 用 性 和 普 及 度 上 都 依 然 任 重 道 远 群 智 感 知 的 思 想 和 方 法 已 经 开 始 应 用 并 展 现 了 巨 大 潜 力 未 来, 人 类 的 记 忆 或 许 将 能 融 合 在 一 起 : 每 一 个 个 体 的 到 此 一 游 般 的 匆 匆 印 象, 将 通 过 移 动 计 算 和 云 端 共 享 汇 聚 成 为 一 幅 详 实 的 地 图 总 结 复 杂 的 社 会 感 知 是 群 智 感 知 的 核 心 任 务, 大 量 用 户 参 与 是 其 主 要 特 点, 众 包 是 其 实 现 方 式 群 智 感 知 展 现 了 思 考 问 题 的 全 新 角 度, 拓 宽 了 人 们 解 决 问 题 的 思 路, 当 面 对 复 杂 问 题 时, 可 以 考 虑 将 问 题 合 理 地 分 配 给 大 量 参 与 者, 只 要 人 人 都 付 出 一 点 爱, 世 界 将 变 成 美 好 的 明 天 这 一 切 的 背 后, 是 移 动 计 算 作 为 一 种 技 术 手 段 推 动 人 们 的 协 作 登 上 了 新 台 阶 借 用 众 包 一 词

13 的 发 明 者 对 众 包 的 评 价 1, 我 们 认 为, 从 前 人 们 分 散 的 感 知 能 力 和 数 据 总 是 超 越 人 们 利 用 它 们 的 能 力, 群 智 感 知 将 改 变 这 种 现 状, 并 激 发 创 新 的 能 量 群 智 感 知 方 兴 未 艾, 许 多 话 题 成 为 人 们 闲 暇 的 谈 资, 参 与 者 关 注 的 焦 点, 也 是 移 动 计 算 领 域 学 者 研 究 的 热 点 第 一, 多 维 数 据 融 合 : 充 分 利 用 移 动 设 备 上 的 多 维 度 传 感 器, 深 度 挖 掘 社 会 事 件 与 人 群 活 动 当 前 智 能 手 机 上 的 传 感 器 包 括 加 速 度 计 陀 螺 仪 指 南 针 GPS 麦 克 风 摄 像 头 以 及 各 种 无 线 信 号 如 GSM WiFi 和 蓝 牙 等 原 始 感 知 数 据 需 要 经 过 不 同 层 次 的 加 工 和 精 炼 才 能 展 现 出 人 们 感 兴 趣 的 内 容 例 如 需 要 提 炼 加 速 度 计 的 信 息 用 来 检 测 人 的 运 动 状 态 姿 态 以 及 所 从 事 的 活 动, 需 要 组 合 使 用 加 速 度 计 和 陀 螺 仪 的 信 息 才 能 使 用 惯 性 导 航 的 方 法 准 确 刻 画 人 在 室 内 行 走 的 路 径, 需 要 组 合 使 用 摄 像 头 和 GPS 完 成 照 片 地 理 标 注 (GeoTagging) 第 二, 多 用 户 协 同 感 知 : 用 户 的 社 交 行 为 为 多 个 移 动 设 备 上 感 知 信 息 的 协 同 提 供 了 基 础 参 与 某 个 活 动 的 多 个 用 户 都 可 以 从 自 己 的 角 度 记 录 这 个 活 动 的 信 息, 而 这 些 信 息 作 为 整 体 精 确 的 刻 画 了 活 动 本 身 在 灾 难 场 景 恢 复 这 个 例 子 中, 用 户 在 灾 难 发 生 时 用 手 机 照 相, 记 录 下 从 各 自 角 度 看 灾 难 发 生 的 基 本 情 况 大 量 这 样 的 照 片 结 合 照 相 时 其 他 传 感 器 的 信 息 例 如 地 点 方 向 焦 距 等 可 以 作 为 恢 复 灾 难 场 景 的 第 一 手 资 料 第 三, 数 据 质 量 管 理 : 根 据 感 知 数 据 的 质 量 设 计 利 用 方 法, 不 同 质 量 的 感 知 数 据 都 能 充 分 利 用 又 不 致 误 读 大 量 未 经 训 练 的 用 户 作 为 基 本 感 知 单 元 会 带 来 感 知 数 据 不 精 确 不 完 整 不 一 致 不 及 时 等 质 量 问 题 用 户 感 知 方 式 的 随 意 性 以 及 不 同 用 户 的 不 同 使 用 习 惯 都 会 影 响 感 知 数 据 的 正 确 表 达 和 解 释 对 感 知 数 据 去 粗 取 精 去 伪 存 真, 让 精 炼 后 的 感 知 数 据 可 以 高 精 度 的 反 映 物 理 世 界, 将 成 为 提 升 群 智 感 知 质 量 的 重 要 一 环 第 四, 感 知 数 据 的 社 会 学 意 义 手 机 随 时 随 地 陪 伴 使 用 者 的 特 性 为 方 便 记 录 人 们 的 社 会 活 动 提 供 了 可 能 邻 近 手 机 的 发 现 ( 手 机 发 现 周 围 的 手 机 ) 可 以 用 来 记 录 人 的 社 交 活 动, 比 如 某 年 某 月 某 日 和 某 人 接 触, 大 规 模 这 样 的 数 据 在 匿 名 化 之 后 可 以 作 为 社 会 学 研 究 的 基 本 资 料 通 过 对 手 机 中 运 动 传 感 器 的 分 析, 有 研 究 者 记 录 了 一 个 人 在 工 作 中 的 行 为 模 式, 比 如 多 少 时 间 在 办 公 室 中 多 少 时 间 在 走 廊 上 在 办 公 室 内 走 路 的 平 均 速 度 在 走 廊 中 走 路 的 平 均 速 度 等 等 挖 掘 感 知 数 据 的 社 会 学 意 义 有 助 于 观 察 发 现 解 释 和 利 用 大 规 模 用 户 的 行 为 习 惯 1 Jeff Howe, The amount of knowledge and talent dispersed among the human race has always outstripped our capacity to harness it. Crowdsourcing corrects that but in doing so, it also unleashes the forces of creative destruction., Crowdsourcing, 1 edition, Crown Business, 2008.