机器学习在滴滴网络定位中的探索和实践

今天给大家分享的是机器学习在滴滴网络定位中的实践工作，会重点介绍三阶段的演进：无监督模型、有监督回归模型、端到端 CNN 模型。

1. 什么是网络定位

目前定位技术主要包括 GPS、网络定位、惯性航位推算、MM（地图匹配）、视觉定位等。GPS 是最为人熟知的定位技术，是依靠设备与卫星交互来获取经纬度的方式。GPS 精度高，但有冷启动耗时长、耗电大、遮挡场景不可用等缺点。在滴滴场景下，乘客和司机在有遮挡的场景下，例如室内、高架下等，GPS 通常处于不可用状态。这时就需要有其他定位技术作为 GPS 的补充，使得乘客发单、司机导航等服务依然可用。其中最主要的补充便是网络定位。

室内类场景虽然有遮挡，但设备通常可以扫描到 Cell（基站）和 Wifi 列表，而且 Cell 和 Wifi 设备位置相对稳定，连接其上的设备可以借其定位，这就产生了网络定位。网络定位包括 wifi 定位和基站定位，是指基于终端扫描到的 wifi 或基站列表进行的定位技术。Wifi 的接入设备通常称为 AP（Acess Point），方便起见，下文将 AP 和基站统称为 AP。

网络定位通常采用的是指纹定位技术，是一个根据 query 匹配指纹库信息，并计算得到坐标位置的过程。如下图所示，网络定位系统主要包括离线建库和在线定位两个阶段。

离线建库主要是基于有 GPS 时的采集数据，建指纹库的过程。指纹库中记录 AP 的各类信息在不同地理网格内的采集数据分布，如下图所示。

在线阶段，根据线上 query 匹配指纹库信息，并计算得到坐标位置。

本文介绍的主要是在线定位部分，即 query 匹配指纹库、计算坐标位置。

2. 网络定位匹配算法迭代

在线定位算法共经历了无监督概率模型、有监督回归模型、端到端 CNN 模型三次大的迭代。前两个阶段的网络定位主要包括网格召回、网格排序、网格平滑三步，如下图图一所示。端到端 CNN 模型去除了网格排序和网格平滑，基于一个召回中心点，直接回归位置坐标，如下图图二所示。

图一

图二

2.1 无监督概率模型

网络定位要完成在线 AP 与离线 AP 指纹库的匹配，是联合概率计算的过程。

以 AP 指纹库的信号强度分布为例，看下网格概率计算过程。

纵轴为采集数据中的 AP 编号，横轴为空间网格编码，相交点表示每个 AP 在对应网格中的采集信号强度分布。空值表示 AP 在对应的位置无采集数据。

以一个实时定位 query 信息：（AP1：RSSI=1，AP3：RSSI=0）为例，介绍网格召回、排序、平滑的过程。

召回阶段，基于扫描到的 AP1 和 AP3，可以召回 Grid1、Grid2、Grid4；

排序阶段，结合离线 AP 库，基于独立性假设和贝叶斯公式，计算各网格的权重：

$a{p}_j$ 表示观测到的 APj 的信息。以信号强度 RSSI 单一特征为例，上例中，

网格平滑阶段，基于上述的统计概率，排序获取 TopK 个网格，采用爬山法求解最优坐标：

其中，$d_i$ 为预测位置到 $Gri{d}_i$ 的距离。

2.2 有监督回归模型

无监督概率模型的方法，思路清晰易懂，易实现，是早期网络定位的主要方式。但有以下问题：

• 联合概率的方式对采集信息不充分的位置不友好，例如上例 $W_{Gri{d}_2}=0$
  

• 难以拟合多维特征，尾部 badcase 较严重

• 技术目标无法得到直接优化，天花板较低

出于对以上问题的思考，整体流程仍保持网格召回、排序、平滑三阶段，我们将网格排序升级为有监督回归模型，通过引入多元特征和显式的优化目标，实现对网格的更精准打分。

Label：待预测网格与真实位置的位置偏差，回归任务。

特征工程：构建近百维特征，主要包含 AP 特征，网格特征，前文信息等。

模型选择：一期上线 GBDT 模型；二期对比了 GBDT、FM、DeepFM、FM+GBDT 等，最终线上最优融合模型结构如下。

原始特征中的稠密特征和低维稀疏特征经过 GBDT 进行特征组合、交叉；GBDT 输出的叶子节点编号与高维稀疏特征经过 DeepFM 网络，最终输出网格与真值的位置偏差。

TopK 网格平滑：预测偏差距离从小到大排序，截取 TopK 网格；爬山法，梯度下降求解最优坐标。

2.3 端到端 CNN 模型

有监督模型在特征利用、模型结构、优化目标等方面提供了更大的操作空间，可以极大地打开天花板。上线后定位精度等指标取得了显著的收益。

但该方法仍有以下问题：

• 每个网格孤立刻画，信息采集时的不均衡、有偏的问题无法有效解决

• TopK 平滑层与排序层割裂，无法联合优化，且引入部分人工超参

对于以上问题，考虑以下解决方案：

• CNN 网络：充分利用空间信息的局部相关性，增强特征的提取能力

• 端到端网络：合并排序与平滑层，改为直接回归位置坐标，目标更统一，减少人工超参

最终，整体网络结构如下:

下面以基站定位为例，介绍该结构的实现细节。

首先介绍下输入特征的构建：

• Wide 网络特征：表达 Query 信息的 Wide 特征共十几维

• CNN 特征图的构建：

• 召回中心：采集热度较高的 TopN 网格的经纬度中位数作为图的中心点。

• 特征图构建：选取 C 维图特征，每一维特征为一个 channel；基于召回中心，构建 M*M 分辨率的特征图。

CNN 特征类别

网格上各个 channel 的特征计算

输入特征图的示例

网络结构：在 CNN 网络部分，采用多尺度卷积核提取特征后，经过两个卷积+池化层后，将特征图打平。Wide 部分稀疏特征经过 embedding 后，与稠密特征级联。两部分 tensor 级联后经过全连接层，最终输出与召回中心点的位置偏差。

Label 与 Loss：label 为真实位置与召回中心位置的偏移 dx 和 dy，召回中心点+预测偏移即得预测位置。loss 最初使用的是经纬度的 L2 loss：

考虑到经纬度在球面上表达距离的差异，我们改为了使用球面距离偏差作为 label，也获得了稳定的收益：

dx 和 dy 表示真实空间距离

CNN 模型在线上 AB 实验取得了显著的收益，已全量上线。

CNN 端到端模型升级了信息的表达方式，由单网格、结构化的信息表达改为了 Image 的表达方式，配合 cnn 网络结构，获取了效果的显著提升；并且将几十甚至几百个网格的预测问题改为了单次位置回归问题，虽然模型复杂度有所增加，但整体性能基本持平。

2.4 线上效果

网络定位三阶段的模型先后上线进行了 AB 对比实验。以基站定位三个主要技术指标为例，对比结果如下表所示：

3. 总结与展望

本文总结了定位策略团队在网络定位算法侧的工作，介绍了无监督概率模型、有监督回归模型、端到端 CNN 的演进及其中的思考。

无 GPS 时的定位仍面临着很多困难，未来我们将在以下方面持续探索：

• 模型效果优化：

• 目前 CNN 模型在基础信息利用、召回等方面仍有较大优化空间。

• 性能问题：

• 考虑线上性能，在基础信息和网络结构上做了很多删减。期望通过更优的召回策略、蒸馏剪枝等平衡效果与性能。

• 5G 技术：

• 5G 的天然优势（高频率、高密度、低延时）也必定会带来定位精度的显著提升，相关调研工作正在进行。

• 复杂场景定位：

• 对于室内、地下停车场等典型复杂场景，网络定位面临着真值获取难、移动 ap 等难点。细分场景也逐渐向模型化方向演进。

以上就是滴滴网络定位近期工作的实践介绍，欢迎随时交流。

作者介绍：

刘磊，滴滴专家算法工程师

2017 年加入滴滴，目前从事地图定位算法方向，多年 LBS 领域算法研究工作，在滴滴先后从事猜你想去、上下车点推荐、定位算法等方向的开发工作。

尹卜一，滴滴高级算法工程师

2018 年加入滴滴，主要从事网络定位、惯导推算等方向的算法开发工作。

林宇，滴滴高级算法工程师

2018 年加入滴滴，主要从事网络定位、融合定位等方向的算法开发工作。

本文转载自公众号（ID：）。

原文链接：

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