#5: ArcGIS Indoors: Indoor Positioning System

Mit dem Smartphone durchs Gebäude navigieren – geht das überhaupt? Na klar, mit Hilfe unseres Indoor Positioning Systems (IPS) können Sie Ihren Standort in verschiedenen mobilen Apps jetzt in Echtzeit bestimmen.

Heutzutage gibt es unzählige Echtzeitpositionierungsanwendungen für den Außenbereich, welche durch globale Navigationssatellitensysteme wie GPS ermöglicht werden. Sobald man aber geschlossene Bereiche, wie Innenräume oder Tunnelanlagen betritt, können Endgeräte wie Smartphones in den meisten Fällen keine solchen Signale mehr empfangen und folglich auch keine Anwender:innen mehr navigieren. Abhilfe schafft hier unser Indoor Positioning System, kurz IPS, welches die Blue-Dot-Experience in Ihrem Gebäude ermöglicht.

Voraussetzungen

Hardware
IPS kann sowohl über die Verwendung kostengünstiger Bluetooth Low Energy (BLE)-Beacons als auch über bereits vorhandene WiFi-Infrastrukturen realisiert werden. Entscheidend ist hier neben dem Kostenansatz auch die gewünschte Positionsgenauigkeit, welche sich bei der BLE-Technologie (1-5m) als präziser im Vergleich zu WiFi-Signalen (10-15m) darstellt.

Bei der Verwendung der BLE-Technologie müssen zunächst ausreichend Beacons besorgt und installiert werden. Die Beacons sind relativ klein (ca. Golfballgröße), unauffällig und haben einen geringen Energieverbrauch. Hier bei Esri haben wir gute Erfahrungen mit den Beacons des Herstellers Kontakt.io gemacht. Der von uns empfohlene „Anchor Beacon 2“ verfügt laut Hersteller über eine Akkulaufzeit von mehr als 8 Jahren und kann über die doppelseitige Klebefläche auf seiner Rückseite einfach und rückstandslos an der Wand befestigt werden. Sollte die Akkuleistung irgendwann dennoch erschöpft sein, kann durch Abnahme des Deckels die Batterie getauscht werden. Das Gehäuse des Beacons selbst braucht dabei nicht von der Wand genommen zu werden, was dem Nutzer eine erneute Einmessung der Signale erspart.

Bei der Einmessung von WiFi-Signalen über Android sollte sichergestellt werden, dass sich solche auch in der Umgebung befinden. Von einer WiFi-Einmessung zum Beispiel in Kellergeschossen ist daher abzuraten. Zusätzliche Hardware wird hier aber nicht benötigt.

Aus der empfangenen Stärke der Bluetooth bzw. WiFi-Funksignale (RSSI) auf den Vermessungspfaden wird eine Fingerprint-Map erstellt, aufgrund deren der Standort des eigenen Endgerätes innerhalb des Gebäudes verortet wird.

Daten
Eine weitere Voraussetzung zum Aufsetzen eines solchen Indoor Positioning Systems ist eine bereits vorhandene Indoor-Karte in ArcGIS Pro, welche möglichst mithilfe der Indoors-Tools erstellt wurde, um auf das entsprechende Datenmodell zugreifen zu können. Auf die Erstellung solcher Karten wird in den vorangegangenen Artikeln unserer Indoors-Blogserie genauer eingegangen.

Komponenten

Tools
Die ArcGIS IPS-Lizenz umfasst zunächst die IPS-Tools für ArcGIS Pro. Diese werden verwendet, um die bereits vorhandene Indoors-Karte IPS-fähig zu machen. Dabei wird zunächst das “Enable Indoor Positioning Tool” verwendet. Es fügt der Karte die „IPS_Recordings“-Feature Class hinzu, in welcher die vorzunehmenden Vermessungsaufzeichnungen gespeichert werden. Die Karte kann anschließend als Web Map hochgeladen werden. Damit diese Web Map zum Einmessen verwendet werden kann, muss ihr jedoch unbedingt das Tag „IPS“ hinzugefügt werden.

Nach erfolgreicher Einmessung kann aus diesen Aufzeichnungen eine Positionierungsdatei generiert werden. Dazu muss im ArcGIS Pro zunächst das Tool „Generate Indoor Positioning File“ ausgeführt werden. Eingabedaten sind hier die vorgenommenen Vermessungen, die Ausgabe erfolgt in der IPS_Positioning-Tabelle, welche im vorangegangenen Schritt bereits durch das „Enable Indoor Positioning Tool“ zur Karte hinzugefügt wurde.

IPS Setup-App
Die zweite Komponente der IPS-Lizenz ist die ArcGIS IPS Setup-App, welche dem Nutzer die Möglichkeit bietet, die unterschiedlichen Funksignale in der hochgeladenen Web Map einzumessen. Zu beachten ist hierbei, dass Android-Geräte sowohl BLE- als auch WiFi-Signale einmessen können, iOS-Geräte hingegen nur BLE unterstützen.

Vermessung

Zum Starten der Vermessung müssen sich die Sensoren des Endgerätes zunächst einer „Sensorüberprüfung“ unterziehen. Hier wird sichergestellt, dass Standortabfrage und Bluetooth aktiviert sind. Auch die Kompassgenauigkeit, welche unter anderem zur Richtungsbestimmung verwendet wird, wird überprüft. Sollte diese unzureichend sein, kann sie in der IPS Setup-App durch Bewegung des Endgerätes in Form einer „8“ neu kalibriert werden.

Abb. 3: Sensorüberprüfung des Endgerätes in iOS

Plan-Modus
Die Vermessungspfade können sowohl im ArcGIS Pro als auch im Plan-Modus der IPS Setup-App erstellt werden. Der Abstand zwischen den einzelnen Vermessungspunkten des Pfades sollte 10-15m betragen und auch bei der Änderung der Laufrichtung sollte ein neuer Punkt gesetzt werden. Dabei ist darauf zu achten, die Vermessungspunkte möglichst an markanten Stellen im Gebäude zu setzen, um sich beim Abschreiten der Pfade einigermaßen genau orientieren zu können. Nach Erstellung der gewünschten Pfade kann in den Vermessungs-Modus gewechselt werden.

Vermessungs-Modus
Die Vermessung startet generell beim ersten Vermessungspunkt eines erstellten Pfades. Beim Erreichen dieses Punktes wird dies vom Nutzer in der App-Oberfläche bestätigt und weiter zum nächsten Punkt gelaufen, welcher bei Erreichung wieder bestätigt wird. Das geschieht so lange, bis alle Vermessungspunkte des Pfades abgelaufen sind. Dabei ist darauf zu achten, beim Einmessen der Pfade eine konstante Geschwindigkeit zu halten und nicht stehen zu bleiben. Nach dem Abschreiten des Pfades wird dieser in der IPS Setup-App hochgeladen. Anschließend wird der eben eingemessene Pfad noch einmal in entgegengesetzter Richtung vermessen, um dem Abschirmungseffekt des eigenen Körpers während der Vermessung entgegenzuwirken.

Die vermessenen Bereiche werden in der App farblich hervorgehoben, um dem Nutzer einen Überblick über bereits eingemessene Gebäudeteile zu gewährleisten.

Test-Modus
Nach der Generierung der Positionierungsdatei über die ArcGIS Pro-Tools (siehe Abschnitt Tools) kann die Genauigkeit eines generierten Indoor Positioning File im Test-Modus überprüft werden. Bei nicht zufriedenstellenden Ergebnissen kann so direkt noch einmal vermessen werden.

Abb. 4: Verschiedene Modi der IPS Setup-App

Ergebnis

Eine solche Echtzeitpositionierung innerhalb von Gebäuden und die damit einhergehenden Navigationsanwendungen verbessern das Kunden- und Mitarbeitererlebnis und können so zur Umsatzsteigerung beitragen. Zudem kann die Zeitersparnis einer effektiven Routen- und Standortfindung die Kosten im eigenen Unternehmen senken.
Zusätzlich kann die Echtzeitpositionierung auch bei der Analyse der Innenräume, beispielweise zu deren Auslastung oder zum Nutzungsverhalten der Mitarbeiter genutzt werden. Auch das Live-Tracking von Assets oder Personen wird mit unserem Indoor Positioning System unter Zuhilfenahme sogenannter Bluetooth-Tags möglich.
In der Indoors-App kann zudem die Positionsgenauigkeit durch Snapping des Blue-Dot an den vorher erstellten Navigationspfaden, welche mögliche Wegstrecken innerhalb des Gebäudes darstellen, verbessert werden. Außerdem kann die generierte Datei zur Positionierung auch in verschiedenen anderen Esri-Apps verwendet werden. So findet sie auch bei der Datenerfassung Verwendung, zum Beispiel in der Field Maps-App. Ein klassischer solcher Anwendungsfall wäre hier die Aufnahme von Beschädigungen innerhalb von Gebäuden.
Aber auch benutzerdefinierten Apps kann das Indoor Positioning System über die ArcGIS Runtime SDKs hinzugefügt werden.