????送餐路上外賣騎手們所處的位置不僅牽動著大家的心，在本地生活的場景下，也是訂單配送和調度系統(tǒng)的重要一環(huán)。其中騎手是否已到店取餐看似簡單卻難以準確觀測。針對這一問題，阿里本地生活科技中心建立了基于移動感知的aBeacon系統(tǒng)來準確地觀測騎手到店和離店行為。這一工作成果也發(fā)表在了網(wǎng)絡系統(tǒng)領域的頂級會議NSDI’21上。本文將從實現(xiàn)原理為大家做一個簡單介紹。

一 背景

作為本地生活的一個重要組成部分，外賣已經(jīng)進入千千萬萬的家庭。相信很多小伙伴已經(jīng)注意到，餓了么的每一個訂單，我們都會及時向用戶通知這一單現(xiàn)在所處的狀態(tài)，比如“商戶接單”，“騎手到店”，“騎手送達”等。這個實時狀態(tài)的更新，不僅能讓用戶及時了解自己外賣到了哪里，對于整個平臺的騎手調度和時間預估都有著重要意義。

而在所有的節(jié)點中，騎手到店前后的兩個節(jié)點“騎手到店”和“騎手取餐”對于整個平臺的價值就更為重要，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

時間預估

騎手到店的時間是騎手從接單位置到商戶位置的終止時間，而騎手離店的時間則是騎手從商戶位置到用戶位置的起始時間。掌握這些準確的時間，能給時間預估模型提供準確的標簽用于模型訓練。我們在APP里看到的“預估配送時間”就是這樣計算出來的。同時，知道騎手在商戶位置等了多長時間，我們就可以知道商戶準備這一單需要多長時間，也就是商戶的“出餐時間”。而掌握了準確的出餐時間，我們在給某一單找合適騎手的時候就能更加地游刃有余了。

騎手調度

當用戶在外賣平臺下單后，平臺就會開始為這一單尋找合適的騎手來配送，這個過程就叫騎手調度。騎手調度是一個復雜的過程，需要考慮同時考慮商戶，騎手和用戶的位置，還要考慮騎手身上已有的單和商戶正在準備的單。一個總的原則是，讓更近的，更順路的騎手去取單。如果我們知道了騎手到店的準確時間，我們就可以知道騎手在當前時刻的具體位置，并且能夠預估出騎手在未來一段時間的大概位置。這就給我們的騎手調度提供了準確可靠的數(shù)據(jù)源。

超時單判責

雖然調度系統(tǒng)會盡力保證每一單都盡快送達，但還是會有一些情況導致少部分運單會超時，給用戶帶來不好的體驗。為了提升調度系統(tǒng)的性能，減少超時單。我們首先需要知道超時的原因，從而在未來的調度中作出改進。超時的兩個主要原因是“商戶已出餐但騎手未到店”和“騎手已到店但商戶未出餐”。在沒有明確數(shù)據(jù)的情況下，這兩個對立的原因往往會出現(xiàn)“公說公有理，婆說婆有理”的情況。如果我們能夠準確獲得騎手到店的時間，這一困境就會迎刃而解。

二 挑戰(zhàn)

既然獲取準確的騎手到店時間是如此重要的問題，為什么現(xiàn)有的方法還是無法很好的解決這個問題呢?這是因為考慮到本地生活的場景，要獲得準確的騎手到店時間，面臨著以下幾方面的挑戰(zhàn)：

GPS在室內的漂移

現(xiàn)在手機定位最常用的方法就是GPS定位。但無論是GPS，還是我們最近剛組網(wǎng)成功的北斗系統(tǒng)，其本質上都需要手機里的芯片來接收地球上方的衛(wèi)星信號。但商戶的位置往往是在室內，當我們在室內環(huán)境時，GPS信號會受到建筑物的遮擋，導致GPS信號微弱甚至完全失去信號。這個時候GPS的精確度就會從幾米擴大到幾百米甚至幾公里，導致GPS信號出現(xiàn)漂移。因為這一漂移現(xiàn)象的存在，我們需要劃定一個范圍來判斷騎手是否到達了商戶。當我們用一個較小的范圍時，可能會出現(xiàn)“騎手已到店但我們認為沒到”，如果我們用一個較大的范圍，那么騎手到店時間的準確性則會大打折扣。

商戶在不同樓層的垂直分布

在GPS漂移之外，商戶在不同樓層的垂直分布也會給騎手到店的準確判定帶來困難。當商戶分布在不同樓層時，即使我們通過GPS判斷出騎手已經(jīng)在水平方向上到達商戶附近，但由于沒有垂直方向的信息，我們仍然無法準確判斷出騎手到店的具體時間。如今越來越多的商戶都分布在商場的不同樓層，這部分訂單的騎手到店時間就很難觀測。雖然GPS會返回一個海拔信息，但在實際的應用中我們發(fā)現(xiàn)這個值往往是不夠準確的。

商戶環(huán)境的動態(tài)性和騎手手機的多樣性

一些室內定位的方法通過收集特定環(huán)境的聲音指紋，光指紋或者磁場強度指紋來建立指紋庫，然后通過指紋對比來判斷手機所處的位置。理論上如果我們能夠采集商戶環(huán)境的指紋，并和騎手手機收到的信號進行比對，就可以判斷騎手是否已經(jīng)到達商戶。但由于商戶環(huán)境的動態(tài)性，比如裝修改造和人來人往帶來的實時擾動，我們很難建立一個穩(wěn)定的指紋庫來進行比對。同時，由于聲光磁的指紋收集受到手機硬件的影響，騎手手機的多樣性也對指紋庫的建立帶來很大挑戰(zhàn)。

基于Wi-Fi的方法的局限性

隨著越來越多的室內環(huán)境有Wi-Fi信號的覆蓋，基于Wi-Fi信號的室內定位也得到了充分研究。但基于Wi-Fi方法也有兩個局限性：一是持續(xù)的Wi-Fi掃描會帶來極大的能耗負擔，這對于工作極度依賴手機的騎手很不友好;二是出于隱私保護等原因，iOS系統(tǒng)只支持獲取當前連接的Wi-Fi信息，而不支持獲取Wi-Fi掃描的列表，但騎手在取餐過程中很少連接商戶的Wi-Fi。這兩個原因導致了基于Wi-Fi的定位方法無法適用于騎手到店的場景。

三 解決方案

當我們把騎手到店觀測問題抽象出來，可以發(fā)現(xiàn)這是移動感知(Mobile Sensing)領域經(jīng)典的“室內定位(Indoor Localization)”或者“存在監(jiān)測(Presence Detection)”的問題。移動感知是指利用移動設備上的網(wǎng)絡信號或聲光電磁等傳感器信號對用戶的位置，行為，場景等進行感知的技術。手機上的計步功能，以及智能手表提供的心率監(jiān)測和睡眠監(jiān)測等功能，都是移動感知技術在生活中的具體應用。近些年來，隨著移動設備的升級，研究者們也在探索移動感知的新應用，比如用Wi-Fi信號感知鍵盤敲擊和老人摔倒，用手機話筒來檢測醉駕，用新的傳感器來感知用戶的情緒和壓力狀態(tài)等。

這些研究也給我們的到店觀測問題提供了很多思路，比如基于Wi-Fi的室內定位，基于特定光信號和聲信號的定位方法等。但是通過上面的討論我們可以看出，這些方法都難以很好地解決騎手到店觀測問題。針對這一情況，我們設計并部署了aBeacon系統(tǒng)，一個基于藍牙信號的移動感知系統(tǒng)，來解決騎手到店觀測的問題。其實基于藍牙的移動感知并不是一個全新的技術，蘋果公司在2013年提出基于藍牙的iBeacon協(xié)議用于移動感知[1]，2016年藍牙5.0中的新特征(更低功耗，更大范圍)真正讓藍牙感知技術得以落地。藍牙移動感知的原理就是通過在特定位置部署一些持續(xù)發(fā)送藍牙信號的Beacon設備，同時手機進行持續(xù)的掃描來感知周圍的藍牙Beacon信號，從而來判斷手機是否到達了特定位置。

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圖1 aBeacon系統(tǒng)原理圖

基于這樣的感知技術，我們建立了aBeacon系統(tǒng)，如圖1所示，系統(tǒng)由三部分組成：部署在商戶的藍牙Beacon硬件、騎手APP內的藍牙監(jiān)聽模塊和平臺服務器上的后端模塊。在騎手配送過程中，APP上的藍牙監(jiān)聽模塊會持續(xù)監(jiān)聽周圍的藍牙Beacon信號，當騎手到達商戶附近(比如10米范圍內)時，手機會監(jiān)聽到該商戶內的藍牙Beacon信號，并把該數(shù)據(jù)和當前時間戳上傳到服務器，服務器通過和預置的Beacon地圖進行比對，就可以得到該騎手到達該商戶的準確時間。在Beacon硬件方面，我們采用了自主定制的硬件，在降低成本的同時保證了藍牙廣播的質量，同時引入了加密技術來保護商戶的位置隱私。在手機監(jiān)聽模塊方面，我們通過設計一個動態(tài)監(jiān)聽模塊，在保證到店判斷能力的前提下降低了能耗。

對比前面提到的幾個挑戰(zhàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)，因為藍牙信號自身的特性，Beacon信號在室內環(huán)境的傳播僅限于幾米到幾十米的范圍(相信大家使用藍牙耳機和鼠標都有類似的感受)，因此基于藍牙的到店判斷不會出現(xiàn)GPS那樣幾百米的誤差，可以極大提高騎手到店觀測的準確性。同時，因為藍牙信號的穿墻能力較差，因此只有當騎手到達商戶所在的樓層時才會接收到藍牙信號，這樣就避免了商戶樓層帶來的影響。此外，我們通過標準化的部署流程，使得Beacon硬件部署在商戶的騎手取餐處的上方，避免了商戶內動態(tài)環(huán)境的改變對信號的影響。藍牙協(xié)議的標準化和手機硬件的成熟化也降低了騎手手機硬件對到店觀測的影響。此外，因為藍牙監(jiān)聽屬于非連接通信，騎手使用藍牙耳機的功能也不會受到影響。最后，和Wi-Fi相比，藍牙監(jiān)聽的功耗也很低，我們的實驗證明，Beacon監(jiān)聽每天只會給騎手手機帶來3%的額外功耗負擔。

總體來說，aBeacon系統(tǒng)的主要貢獻在于將藍牙感知的技術真正應用到騎手到店觀測的問題中，并解決了一系列實際應用中的挑戰(zhàn)，比如能耗，可靠性，隱私保護等，并且從理論層面上對系統(tǒng)的成本和效用進行分析，從而指導今后大規(guī)模感知系統(tǒng)的落地。

在系統(tǒng)的設計中，我們考慮了下面的一些指標：

成本

成本是我們上線一個商業(yè)化的系統(tǒng)所必須考慮的因素之一。aBeacon系統(tǒng)的成本包括兩部分：aBeacon設備的硬件成本，和大規(guī)模部署的成本。在硬件成本方面，我們通過對硬件的定制來降低成本。在部署成本方面，我們通過簡化硬件部署的流程，從而在業(yè)務經(jīng)理的幫助下降低部署成本。

壽命

出于易用性的考慮，我們的aBeacon硬件采用了電池供電的方式。這樣電池的容量就成為了限制系統(tǒng)壽命的主要因素。但在兩年的運行之后，我們發(fā)現(xiàn)除了電池的壽命，環(huán)境變化也是影響系統(tǒng)壽命的重要因素。

可靠性

可靠性是指在所有的騎手到店行為中，有多大比例可以被aBeacon系統(tǒng)觀測到。在實際中，可靠性受到包括部署質量，商戶環(huán)境，騎手手機等諸多因素的影響。

效用

騎手到店觀測給整個系統(tǒng)提供了更準確的數(shù)據(jù)，它帶來的效用是基礎但難以直接衡量的，因此我們采用超時率這一衡量整個調度系統(tǒng)的指標來評估aBeacon的效用。

在系統(tǒng)的設計過程中，我們首先量化了上面的四個指標，然后建立這四個指標和我們要優(yōu)化的終極目標——aBeacon帶來的累積收益——之間的量化關系。因此，我們可以在這個量化關系的指導下對各個因素進行權衡。

在這樣的設計思路的指導下，aBeacon系統(tǒng)的部署和運行主要包含了兩個主要環(huán)節(jié)：

設計與測試

基于成本和設計自由度的考慮，我們選擇自主定制aBeacon設備，同時自主定制還能讓我們嵌入隱私保護等其他功能。在大規(guī)模的部署前，我們挑選了幾個商場進行小規(guī)模的測試。在測試中，我們將自主定制的aBeacon設備和另一種商用的Beacon設備同時部署在商戶里。通過對比測試，我們發(fā)現(xiàn)采用自主定制的aBeacon設備可以在壓縮成本的同時達到和商用Beacon設備同樣的可靠性。

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圖2 aBeacon設備在上海的部署

部署與運行

在小規(guī)模測試后，從2018年1月開始，如圖2所示，我們在上海的12000余家商戶里部署了aBeacon設備。我們用一份包含“部署在哪里”、“怎么固定”、“如何綁定”等問題的部署手冊來指導業(yè)務經(jīng)理進行部署。在運行過程中，我們通過后臺收集的數(shù)據(jù)，可以對所有設備進行實時監(jiān)控，所有設備被分類為“健康”、“部署錯誤”、“下線”等狀態(tài)。我們針對不同的設備還可以采取不同的維護措施，比如針對“部署錯誤”的設備進行重新部署。

另一個很重要的問題是系統(tǒng)安全和隱私保護，這也是我們在aBeacon設備的定制過程中作出的重要改進之一。因為傳統(tǒng)的iBeacon協(xié)議是固定ID的明文廣播，可能導致系統(tǒng)的安全性漏洞。比如：

• 未授權的用戶可能通過戰(zhàn)爭駕駛(wardriving)[2] 的方法來反推出Beacon設備的位置，并用于其他目的。
• 惡意攻擊者可能通過在異地復制已有Beacon設備的藍牙廣播，向系統(tǒng)中注入錯誤的位置數(shù)據(jù)。

針對這一問題，我們在自主定制的設備中對藍牙廣播進行加密，通過一種TOTP[3]的加密算法，讓所有aBeacon設備廣播的ID內容定時進行變更，而ID和設備位置的映射關系存在只有授權用戶可以訪問服務器。這樣極大地提高了系統(tǒng)的安全性。

四 效果

為了評估aBeacon系統(tǒng)給整個配送過程帶來的效果，我們采用了“超時率”這一總體指標作為指標。我們用上海未部署aBeacon設備的一萬多家商戶作為參照，來評估部署了aBeacon設備的商戶在部署前后超時率的變化。通過對比我們發(fā)現(xiàn)，在總體上，通過一年的運行，aBeacon系統(tǒng)可以將超時率降低0.24%，這使得我們每年可以減少超過7余萬超時配送訂單。

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圖3 aBeacon系統(tǒng)在不同樓層和不同地區(qū)的效用

同時我們還發(fā)現(xiàn)，aBeacon系統(tǒng)在不同樓層和不同的地區(qū)體現(xiàn)出較大的差異性。如圖3所示，部署在B2層和4/5層的設備可以帶來更大的效用，這其實也印證了我們前面的分析，騎手在這些樓層商戶的準確到店時間更難觀測，通過部署aBeacon設備，我們可以在這些商戶取得更大的效用。

迄今為止，aBeacon系統(tǒng)為上海超過10萬騎手提供準確的到店觀測分析，通過不斷優(yōu)化騎手配送流程，每年可減少超過7余萬超時配送訂單，為超過700萬的用戶人群提供更優(yōu)質服務。

五 討論與發(fā)現(xiàn)

作為一篇介紹移動感知技術大規(guī)模應用的文章，我們在系統(tǒng)設計和部署過程中的發(fā)現(xiàn)希望能給后來者的工作帶來更多啟發(fā)?？偟膩碚f，我們的發(fā)現(xiàn)包括以下兩個方面：

(1) 系統(tǒng)可靠性。在移動感知領域，研究者們?yōu)槲覀儙砹撕芏嘈碌南敕?。但這些想法在實際落地的過程中都會遇到可靠性的問題，我們用aBeacon系統(tǒng)的部署過程說明了，即使是用藍牙信號進行存在感知這樣一個簡單的應用，系統(tǒng)的可靠性也會受到硬件設備的部署和用戶手機硬件等諸多因素的影響。因此在以后的研究中，我們需要在系統(tǒng)設計的過程中更多地考慮這些因素，讓系統(tǒng)就有更強的魯棒性。

(2) aBeacon系統(tǒng)的局限之一就是我們還需要部署和維護硬件設備，在后來的工作中，我們仍在探索采用已有的終端設備作為虛擬的aBeacon設備用以輔助騎手的定位?；诖耍覀冋陂_展aBeacon+系統(tǒng)的研究工作，解決一些相關的問題，比如終端設備自身定位，以及隱私保護等。

六 總結

基于aBeacon系統(tǒng)，阿里本地生活科技中心的論文“From Conception to Retirement : a Lifetime Story of a 3-Year-Old Operational Wireless Beacon System in the Wild” 被計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)領域的頂級會議NSDI’21收錄。作為首篇基于本地生活場景的系統(tǒng)論文，這也代表了阿里本地生活科技中心在移動感知方面的工作得到了來自網(wǎng)絡系統(tǒng)領域頂級會議的認可。在落地應用后，通過獲取更準確的騎手到店和離店時間，該系統(tǒng)為全國超過10萬騎手提供準確的到店觀測分析，通過不斷優(yōu)化騎手配送流程，每年可減少超過7余萬超時配送訂單，為超過700萬的用戶人群提供優(yōu)質服務。未來，在阿里巴巴本地生活和新零售的業(yè)務布局下，我們還會持續(xù)加強相關領域的研究，將更多前沿技術投入到更多場景的運營分析中，發(fā)揮出更多作用，用技術服務用戶。

參考文獻

[1] Apple Inc. iBeacon. https://developer.apple.com/ibeacon/ , 2020

[2] Wikipedia, Wardriving, https://en.wikipedia.org/wiki/Wardriving, 2020

[3] Wikipedia. Time-based one-time password, https://en.wikipedia.org/wiki/Time-based_One-time_Password_algorithm , 2020.

【本文為51CTO專欄作者“阿里巴巴官方技術”原創(chuàng)稿件，轉載請聯(lián)系原作者】

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