“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。在清華大學軟件學院教授劉云浩看來，這個小細節(jié)從一個側(cè)面反映了位置信息的重要性。“在未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和大數(shù)據(jù)的應用中，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行。因此，追蹤定位是一項基礎的核心技術。”劉云浩說。

半個月前，劉云浩的團隊憑借一篇關于室內(nèi)定位技術的論文，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，清華大學軟件學院三年級碩士生、獲獎論文的第二作者陳燁魁對整個方法做了現(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、軟件學院博士后楊磊首次提出了基于“差分增強全息圖”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)化設備進行追蹤定位的最好結(jié)果提高了近40倍。

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

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

大約15年前，劉云浩就開始了在室內(nèi)定位領域的研究。2003年，他提出了利用無線射頻識別(RFID)技術進行室內(nèi)定位的思路，并在國際上最早設計和實現(xiàn)了基于無線射頻識別的非測距室內(nèi)定位系統(tǒng)LANDMARC，其定位精度達到米級，相關的論文于2004年發(fā)表，迄今已超過1500次他引。2012年，劉云浩的團隊還因此獲得了國家自然科學二等獎。

無線射頻識別技術是利用射頻標簽來識別和定位物體。射頻標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，射頻標簽本身的成本很低，只有大約1美分，具有實際的推廣應用價值。射頻標簽技術已經(jīng)被廣泛使用于我們的日常生活，二代身份證、公交卡、ETC等都是其實際應用。

射頻標簽通常被用來取代條形碼，現(xiàn)有的條形碼技術利用光傳輸信號，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，射頻標簽屬于無線識別，不怕污染和阻擋，同時可以實現(xiàn)多個標簽的識別。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，進行結(jié)賬。如果使用射頻標簽替代條形碼，則可以一次性識別所有我們購買的商品，當我們推著購物車通過閱讀器的時候，賬單也就可以生成了。但實際應用中，問題依然存在。由于缺少精準的定位，閱讀器無法準確的分辨每件商品都在哪位顧客的購物車中，這就導致當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，僅僅利用射頻標簽識別物體還不夠，還需要知道物體的位置，乃至物體的運動軌跡，這就需要精準的定位技術。15年間，劉云浩的團隊都在這一領域里不斷探索。隨著各類研究的不斷深入，利用射頻標簽進行室內(nèi)定位的精度逐漸從米級提高到了厘米級，但國際上學術界、工業(yè)界眾多從事室內(nèi)定位研究的團隊，無論使用專業(yè)化設備，還是使用商業(yè)化設備，此前的精度都沒能突破毫米級，其中，使用商業(yè)化設備達到的最好的定位精度是30多厘米。而在劉云浩團隊此次獲獎的論文中，他們的定位精度已經(jīng)可以達到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。

11萬枚標簽背后的發(fā)現(xiàn)

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

所謂射頻標簽的多樣性，是指射頻標簽所發(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)出來的射頻標簽，其個異性也仍然存在。“這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。”獲獎論文的第一作者楊磊說。射頻標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簽進行定位的依據(jù)。如果忽視了射頻標簽的多樣性，即使在同一位置，利用同一套設備對不同的標簽進行定位，也會出現(xiàn)有時測得準，有時測不準的情況。

一直以來，這一問題都未得到該領域的研究者們的重視。“這大概是因為以前的研究者們都很少處理過成千上萬的標簽吧。”楊磊笑著說，“如果沒有利用大量的標簽進行實驗，就不太容易發(fā)現(xiàn)和總結(jié)出這一問題。此前學術界最大規(guī)模的射頻標簽實驗，可能也就處理了幾百個標簽。而我們在此次實驗的過程中，總共處理了大約11萬個標簽，大量的實驗數(shù)據(jù)促使我們意識到射頻標簽的多樣性問題是核心關鍵。”

楊磊所說的處理了11萬枚射頻標簽的實驗，就是劉云浩的團隊與海航集團合作開展的機場“人工行李分揀輔助系統(tǒng)”的開發(fā)。當前，國內(nèi)的機場主要依靠人工分揀行李，所有航班的行李共享一套機械傳送系統(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，劉云浩的團隊與海航集團合作，在首都國際機場T1航站樓和三亞鳳凰機場進行“人工行李分揀輔助系統(tǒng)”的開發(fā)和試運行，這套系統(tǒng)的核心技術之一就是利用射頻標簽進行高精度實時追蹤定位。

經(jīng)過改造，機場的行李上粘貼的條形碼換成了射頻標簽，可以被設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，在行李到達自己身邊時，準確地找到它。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確性。

不僅如此，團隊成員們還設計了兩套復核設備。復核設備可以綁定某一航班的行李，當工人把行李從分揀池搬運到行李車上時，需要通過復核設備，該設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。而在行李被搬運上飛機的過程中，工人們還會利用移動手持的復核設備進行二次復核，確保無誤。

對于劉云浩團隊的同學們來說，在機場做實驗要比在實驗室里艱難很多。由于機場嚴格的安保要求，同學們每天進入機場都要先辦理一系列手續(xù)。沒有人幫忙，同學們只能自己一點一點地把近1噸重的設備逐個搭建好。為了不影響機場的正常運行，他們通常在凌晨3、4點開始工作。機場噪音很大，工人們都是“三班倒”的工作制，而同學們?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簽，他們在機場面對的是成千上萬的標簽。這時候，標簽的多樣性帶來的差異也被放大，導致實驗結(jié)果時而準確、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行推測和驗證。

功夫不負有心人。經(jīng)過涉及了53個目的地機場、93條航線、1094次航班的約11萬枚射頻標簽實驗，楊磊和同學們終于發(fā)現(xiàn)了“罪魁禍首”——標簽的多樣性。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“差分增強全息圖”的方法，不僅成功地克服了標簽的多樣性問題，還進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。海航集團也表示，希望未來在機場建設的時候就能夠把這套系統(tǒng)規(guī)劃進去。

“創(chuàng)新為體、創(chuàng)業(yè)為用”做科研

對待科研，劉云浩團隊一直秉持“創(chuàng)新為體、創(chuàng)業(yè)為用”的理念，認同科研不等同于創(chuàng)新的觀點：科研是創(chuàng)造新的知識和技術，這些知識和技術有些能夠被應用，有些可能并沒有應用意義;而創(chuàng)新則是將知識與技術形成以前沒有的產(chǎn)品或者應用，這些知識和技術可能是原創(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。“我們的科研要能夠支撐創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)，要做既能夠創(chuàng)造新的知識，又能夠產(chǎn)生實際應用的科研項目。”這是劉云浩團隊的成員經(jīng)常放在嘴邊的話。

正是在這樣的理念引導下，劉云浩帶領團隊開展了與海航集團的合作，合作的成果不僅在機場得到了實際應用，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)品對移動射頻標簽進行實時高精度追蹤》)的論文。

面對學生，劉云浩團隊的理念是讓每個人感受自由、快樂的科研氛圍。“希望學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’。”劉云浩說，“我們從來不記考勤，但事實上我們團隊沒有哪個成員的科研工作量沒有達到應有的標準，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)這個團隊里學習、工作了多年的楊磊非常喜歡這種科研的氛圍，從最初的學生成長為能夠獨當一面的科研工作者，他感慨說：“在這個團隊里，我能夠心無旁騖，很專注的去做科研，這是團隊所給我們最大的支持。”