Principais desafios e solucoes para servicos baseados emlocalizacao de ambientes fechados

Thamyla Maria de Sousa Lima1, Thalles Jhonatan dos Anjos Silva1,Sergio Souza Costa1, Lenilson da Cruz Santiago1, Micael Lopes da Silva1

1Universidade Federal do Maranhao (UFMA)Caixa Postal 322 – 65.086-110 – Sao Luıs – MA – Brasil

thamyla.sl@gmail.com, thalles4njos@gmail.com, sergio.costa@ufma.br

lenilsantiago@hotmail.com, micaelopes32@gmail.com

Abstract. This paper presents the key challenges and solutions for location-based services for indoors. Unlike what occurs in outdoors, there are noconsolidated solutions for positioning systems and the representation models.Obstacles and integration of sensors are the major challenges for this systems.And the diversity and peculiarities of indoor spaces is a major challenge for therepresentation. The need to include and exclude elements dynamically is alsoa challenge. For this, a shape has been proposed to provide a format that willsupport dynamic applications.

Keywords: maps, indoor, location, positioning

Resumo. Este artigo apresenta os principais desafios e solucoes para servicosbaseados em localizacao de ambientes fechados. Diferentemente do que ocorrenos ambientes abertos, nao existem solucoes consolidadas para os sistemas deposicionamento e para os modelos e formatos de representacao. Os obstaculose a integracao de sensores sao os maiores desafios para estes sistemas. E adiversidade e peculiaridades dos ambientes fechados e o maior desafio paraa representacao. Alem da necessidade de poder incluir e excluir elementosdinamicamente. Para isso, foi proposto um formato que utilizara especificacoesja consolidadas para prover um formato que ira suportar aplicacoes dinamicas.

Palavras-chaves: mapas, ambientes fechados, localizacao, posicionamento

1. Introducao

O espaco e uma variavel importante nas tomadas de decisoes e muito explorado emaplicacoes moveis. Por exemplo, o Waze 1, Easy Taxy 2, Google Fit3 e Pokemon GO4.Todos estes aplicativos fazem uso do sistema de posicionamento GPS (Global Position-ing System em ingles, ou Sistema de Posicionamento Global) e de servicos de mapas

1Disponıvel em: https://www.waze.com/pt-BR2Disponıvel em: http://www.easytaxi.com/3Disponıvel em: https://www.google.com/fit/4Disponıvel em: http://pokemongo.nianticlabs.com/en/

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de vias urbanas como o Google Maps e o Open Street Map. Contudo, tanto o sis-tema de posicionamento como os servicos de mapas sao focados em ambiente aber-tos. Atualmente, as pessoas passam muito tempo em ambientes fechados como uni-versidades, shoppings, museus e centros de convencoes. Contudo, ainda nao existemsolucoes globalmente aceitas e consolidadas para o posicionamento e a representacao deambientes fechados. No caso de posicionamento, existem algumas propostas atreladas aspesquisas em contexto computacional (em ingles, context-aware computing). Essa areade pesquisa estuda servicos que tomam decisoes baseadas em contextos. Esse contextopode ser uma localizacao espacial ou virtual. Este trabalho tem como foco os servicosque utilizam a localizacao espacial. Nestes servicos e necessario que associe a posicaode um objeto a uma representacao do espaco. Por exemplo, a partir destes servicos ousuario pode querer saber em qual predio e sala ele esta localizado. As solucoes derepresentacao em ambientes fechados sao mais escassas do que para o posicionamento.Em [Ciavarella and Paterno 2004, Nossum 2013], os autores destacam que as pesquisasem servicos baseados em localizacao tem focado principalmente nos sistemas de posi-cionamento, raramente na representacao espacial. A representacao espacial e definidapelos diversos elementos que compoem um ou mais edifıcios, como entradas, corredores,salas, portas e escadas [OGC et al. 2014]. Um servico de localizacao e navegacao em am-bientes fechados pode ser a base para a criacao de diversos aplicativos inovadores, similaro que ocorreu com os ambientes abertos. Este trabalho discutira os principais desafios esolucoes para servicos baseados em localizacao de ambientes fechados.

2. FundamentacaoServicos baseados em localizacao correspondem a uma area de pesquisa com grandevolume de trabalhos [Svalastog 2007, Kupper 2005, Schiller and Voisard 2004]. Estaspesquisas sao aplicadas em solucoes de navegacao, rastreamento, seguranca entre outros[Svalastog 2007]. A localizacao e um conceito fundamental e distingui-se em localizacaofısica, simbolica, absoluta e relativa. Localizacao fısica e expressa como coordenadasde sistemas 2D ou 3D. Localizacao simbolica expressa a localizacao em uma linguagemnatural, como ”no escritorio”, ”no banheiro do terceiro andar”, etc. Localizacao abso-luta usa uma grade de referencia compartilhada para todos os objetos localizados. Ja alocalizacao relativa depende da sua propria estrutura de referencia. Informacao referentea localizacao relativa e geralmente baseada na proximidade de pontos de referencia con-hecidos ou estacoes de base [Liu et al. 2007].

2.1. Sistemas de posicionamentoA localizacao de um objeto ou pessoa pode ser determinada por um sistema de posi-cionamento. Existem diferentes metodos para obte-lo, que incluem calculo da posicao,descricao ou referencia do espaco e especificacao das coordenadas. Estes requerem autilizacao de sensores para a medicao de varias variaveis, como angulos, escalas e veloci-dades. Em [Kupper 2005], os autores destacam tres tipos de sistemas: satelite, celu-lar e em ambientes fechados. O primeiro tem como caracterısticas a grande area decobertura, ampla disponibilidade e elevada precisao. Contudo, nao e acessıvel no inte-rior dos predios, estacionamentos ou em areas urbanas com pouca visibilidade do ceu[Lei Fang et al. 2005]. Posicionamento por celular corresponde as tecnologias moveisutilizadas para obter a posicao do usuario, por exemplo a GSM (Global System for Mo-bile Communications em ingles, ou Sistema Global para Comunicacao Movel). Esse

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tipo de sistema geralmente funciona em ambientes fechados porem com baixa precisao.Posicionamento em ambientes fechados ocorre predominantemente em edifıcios, campiuniversitarios, empresas e centros comerciais. A estrutura e baseada na utilizacao defrequencias de radio, infravermelho e reconhecimento de pontos de acesso wi-fi. Sensoresdo tipo magnetico, bussolas, acelerometros tambem sao muito utilizados. O principal de-safio destes sistemas de posicionamento e a falta de uma solucao global e aberta.

2.2. Representacao de ambientes fechadosAs entidades espaciais ou geograficas sao todas aquelas que tem uma posicao bemdefinida no espaco e no tempo. Por exemplo, a frota automotiva (dado) de Sao Luıs(espaco) em 2016 (tempo). Na literatura sao considerados dois modelos conceituais paraentidades geograficos: geo-campos e geo-objetos [Camara 2005]. Os geo-campos mode-lam o espaco geografico como uma superfıcie contınua, sobre a qual variam os fenomenosa serem observados [Camara 2005]. Neste artigo, ha o interesse no segundo modelo con-ceitual, denominado geo-objetos. Esse modelo representa o espaco geografico como umacolecao de entidades distintas e identificaveis. Um geo-objeto pode ser um estado, ou umpredio de uma universidade. Ambos, tem limites bem definido e atributos proprios. Estemodelo e coletado por diferentes instituicoes e divulgados na web atraves de servidoresde mapas . O primeiro servidor de mapas - Xerox PARC Map Viewer - foi lancada nocomeco de 1993 [Putz 1994]. Atualmente, existem diversas solucoes de servidores demapas, no qual pode-se destacar: Google Maps, OpenStreetMap, o Bing Maps, Yahoo!Maps e MapQuest. Estes servidores sao destinados a mapas de ambientes abertos, compouco ou nenhum recurso para ambientes fechados. Nossum (20013) categoriza os ma-pas de ambientes fechados em diversos tipos agrupados em tres categorias: (1) Plantasbaixas, (2) Modelos 3D e realidade virtual e (3) Inovadores. As plantas baixas sao asmais comuns e se subdividem em plantas arquitetonicas e abstratas. A primeira e maisrica em detalhes tecnicos e mais utilizadas pra fins de engenharia e arquitetura. As plan-tas abstratas tem os detalhes tecnicos reduzidos e usam cores e sımbolos para facilitara leitura. Sao destinadas a transmitir informacoes basicas tais como numero de salas elocalizacao de entradas e saıdas. Ambas nao possuem uma forma consolidada para rep-resentar os andares. A segunda categoria sao os modelos 3D e de realidade virtual. Ouso da terceira dimensao transmite maior nıvel de detalhes visuais. A realidade virtualtem como adicional uma imersao do usuario no ambiente mapeado. Na ultima catego-ria, [Nossum 2013] agrupou todos os mapas que apresentam caracterısticas inovadoras.Exemplos incluem mapas com realidade aumentada que integram a realidade virtual comrealidade fısica. Eles sobrepoem algo gerado virtualmente com imagens reais do ambi-ente. Foto em primeira pessoa que proporciona uma visao esferica do ambiente mapeado,por exemplo, google street view. Indoor tubes tem o seu design inspirado no Beck’s Metrosubterraneo de Londres (Garland, 1994). Nele foi utilizado uma representacao em que ospontos de saıda e chegada do metro fossem aproximados do real, mas as rotas de cadalinha fossem representadas em forma de linhas mais simplificadas e retas. No caso deedifıcios, os pisos sao representados de formas semelhantes as linhas de metro, as salascomo estacoes, e elevadores/escadas como cruzamento de linhas de metro.

3. Principais desafios e solucoesEm [Zlatanova et al. 2013], os autores apresentam diversos problemas sobre o posiciona-mento e representacao de ambientes fechados. Relacionados a aquisicao, modelagem e

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visualizacao, aplicacao, navegacao e questoes legais e de privacidade. Esse artigo destacaa seguir tres principais desafios, bem como algumas solucoes encontradas na literatura.

3.1. Aquisicao

A aquisicao se refere as tecnicas de medicao para adquirir a posicao de um objeto em am-bientes fechados [Zlatanova et al. 2013]. Os problemas mais comuns estao relacionadosas condicoes de luz, obstaculos e a integracao de sensores. O Campus Dom Delgado daUniversidade Federal do Maranhao teve uma grande expansao na ultima decada, comopode ser observado na Figura 1.

Figure 1. Expansao do Campus Universitario da UFMA em uma decada

O campus possui atualmente diversos edifıcios (alguns em construcao) onde estaosendo testados diferentes sistemas de posicionamento. Dentre os diversos sistemas deposicionamento, tres se destacam por ter baixo custo de implantacao. O PedestrianDead Reckoning (PDR) e uma tecnica baseada na integracao entre comprimento dopasso do usuario e uma estimativa da orientacao para geracao de uma posicao rela-tiva [Agila Bitsch Link et al. 2014]. A metodologia pode ser dividida em determinacaoda orientacao, deteccao do passo, filtragem e estimativa de comprimento do passo[Pratama et al. 2012]. Nessas etapas e feita a determinacao da orientacao atraves dabussola ou giroscopio e a deteccao do passo atraves do acelerometro. A filtragem e re-alizada para obter uma leitura mais clara do sinal do acelerometro. O comprimento dopasso e obtido a partir da diferenca de dois passos detectados. O sistema Wireless Fidelity(Wi-Fi) tem como vantagem a ampla utilizacao e integracao em inumeros dispositivos.A tecnica mais utilizada nesse tipo de sistema e WiFi fingerprints (impressoes digitaisWi-Fi), a qual consiste em colher e sinalizar os pontos fortes de acesso Wi-Fi nas proxim-idades. O Campus Dom Delgado possui uma boa cobertura de pontos de acesso Wi-Fi,o que viabiliza a utilizacao deste sistema. Por ultimo, os Quick Response Codes (QR-Codes) sao codigos de barras bidimensionais que podem ser escaneados pela camera docelular. As desvantagens para sua utilizacao e a sua manutencao nos locais de acesso epermitir a localizacao apenas nestes locais que possuem o codigo.

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3.2. Modelagem e visualizacao

Em [Zlatanova et al. 2013], o autor destaca o desafio de desenvolver modelos e formatosque capturem a diversidade e peculiaridade dos ambientes fechados. Uma diferenca im-portante dos ambientes fechados e a presenca de elementos que afetam a movimentacaono espaco, como corredores, portas, escadas e elevadores. O principal formato atualmentepara a representacao de ambientes fechados e o IndoorGML especificado pela Open GisConsortium. Esse formato nao modela elementos arquitetonicos como pisos, paredese tetos. O seu foco e nas relacoes entre os espacos onde objetos e pessoas podem selocalizar e mover [OGC et al. 2014]. Deste modo, componentes como moveis tambemestao fora do escopo do formato. No IndoorGML, um ambiente fechado e um espacocelular (S) formado por um conjunto de n celulas (c), sendo S = c1, c2, ..., cn. Cada celulacontem um identificador e pode apresentar fronteiras com outras celulas. As celulas po-dem conter ainda informacoes geometricas, topologicas e semanticas [OGC et al. 2014].As informacoes geometricas representam as extensoes e posicao de cada celula atravesde primitivas como ponto, linha e polıgono. A semantica identifica e classifica as celulas.De acordo com sua semantica, as celulas podem ter uma estrutura hierarquica correspon-dendo a propriedades e relacoes de especializacao e generalizacao. Por fim, a topologiae a relacao intercelular que ocorre dentro do espaco celular. Essa relacao pode ser in-duzida a partir de informacoes geometricas, como de vizinhanca, disjuncao e fronteira[OGC et al. 2014].

O formato IndoorGML e ainda recente e nao esta consolidado como solucao paraa representacao de ambientes fechados. Alem de ser escrito em XML (eXtended MarkupLanguage) ele pode ser muito complexo para algumas aplicacoes. Principalmente aque-las que requererem a representacao dinamica e muita interacao com o usuario. Em[Zlatanova et al. 2013], o autor argumenta que estes sao alguns dos desafios emergentes.Deste modo, o formato de dados espaciais deve suportar a aquisicao e representacaode ambientes dinamicos. Alem disso, ele deve permitir aos usuarios gerenciar os de-talhes a serem visualizados. Tradicionalmente, os sistemas de aquisicao de dados cap-turam o maximo de detalhes possıvel. Para muitos usuarios, muitas dessas informacoessao desnecessarias. A escolha do que sera visualizado podera ser feita diretamente pelousuario ou a partir de contextos de ambientes.

3.3. Aplicacoes

A aquisicao e modelagem de ambientes fechados podem suportar o desenvolvimento deaplicativos e servicos inovadores. Por exemplo, existe um projeto desenvolvido pelo Lab-oratorio de Geotecnologias e Analises Espaciais da Universidade Federal do Maranhao(UFMA). Denominado de Social Map. Ele utiliza os espacos academicos como elementocentral para a relacao entre os usuarios do sistema. O prototipo ja pode ser acessado emhttp://www.aigus.com.br/socialmapp/, porem esta em fase de testes e ap-rimoramentos. Um destes aprimoramentos pode ser a inclusao de locais internos a essasunidades academicas, como salas, corredores e ambientes de convivencia. Outro exem-plo de aplicativo ainda em desenvolvimento e o Cade o Livro. Esse aplicativo deverainformar o usuario em qual estante esta localizada um determinado exemplar de livro eou periodico. Acredita-se que muitas aplicacoes e servicos poderao ser desenvolvidos apartir de uma infraestrutura que prove o posicionamento e a representacao dos ambientesfechados do campus Dom Delgado.

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4. Consideracoes finaisAtualmente passa-se muito tempo em universidades, shoppings e centros de convencoes.Muitos aplicativos e servicos poderiam ser desenvolvidos utilizando a localizacao dentrodestes ambientes. Porem, nao existem ainda solucoes consolidadas e aceitas, como as ex-istentes nos sistemas de ambientes abertos. Neste artigo foram apresentados os principaisdesafios e solucoes para ambientes fechados, como a aquisicao, modelagem e aplicacao.No caso de aquisicao, os obstaculos e a integracao de sensores sao os maiores desafios.No caso da modelagem, o maior desafio e prover um formato que capture as diversidadese peculiaridades dos ambientes fechados. Alem de permitir a insercao e remocao deelementos dinamicamente. Para isso, esta sendo desenvolvido um formato baseado no In-doorGML e RDFa. Por fim, foram apresentadas algumas aplicacoes que poderao utilizara infraestrutura provida pelos sistemas de posicionamento e formatos de representacao.

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