無線消防隊員火場定位及救援系統的研究

王慶輝, 劉華月, 魏立峰

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

無線消防隊員火場定位及救援系統的研究

王慶輝, 劉華月, 魏立峰

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

當消防員處于危急的火災現場中，對遇險消防員進行救助極為重要.在進行隊員搜救時，及時的對被救消防員進行搜救才能保障消防員的安全，因此,必須采取先進的搜救系統.提出一種基于無線定位和PDR自主導航相融合的定位方法，根據PDR推算的虛擬標定點位置信息及無線傳感器的測距信息對被救人員的位置進行計算.通過此方法不僅得到了有效的數據，而且相對于其他搜救系統縮短了時間，提高了被救人員的安全系數.

搜救系統; 無線定位; PDR; 虛擬標定點; 測距

當今社會，火災已成為世界各國人民所面臨的一個共同的災難性問題，給社會帶來了巨大的財產損失并嚴重威脅人類的生命安全.消防員在救援現場更需要及時救助.2013年元旦，浙江杭州蕭山一場無情的大火肆虐了近12 h才被撲滅，杭州消防支隊蕭山中隊3名攻堅組官兵不幸罹難.2013年10月北京市石景山喜隆多商場發生火災，兩名消防員在撲救過程中不幸犧牲.2005年7月西班牙中部地區發生森林大火，整個大火區域線長達17 km，至少有14名消防員在救火行動中不幸遇難[1].2013年6月亞內爾山爆發森林火災，涉及面積數百萬平方米,19名前往林火現場控制火情的消防隊員不幸喪生[2].搜救系統的完善對國內和國外火場的救援工作具有重要意義.

搜救系統廣泛應用在地震事件、礦井倒塌事件以及雪崩事件等的生命體搜救過程中.地震現場搜救[3]系統是基于ZigBee技術對遇險人員進行定位.它需要在某個地震區域由人工散布節點，這些節點通過自組織方式構成無線網絡，以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域中所需的信息，實現對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析，實現定位功能[4].這種技術的缺點是它的不便性以及不實時性.山體滑坡現場搜救中利用RSSI技術對遇險人員進行搜救[5].救援人員手持的無線設備與被救人員佩戴的無線設備，根據RSSI原理，信號會根據兩者之間的距離信息而改變，當信號到達一定強度，代表已找到被救人員.這種搜救方法具有盲目性而且誤差比較大.以上兩種搜救方法在火災現場中都不適用.

本文采用基于MEMS技術的行人航跡推算算法(PDR算法)對消防員的位置進行推算，得到虛擬標定點坐標，然后通過接收到的無線測距的數據，利用TOA算法對遇險消防員進行定位，對被救人員的位置展開搜救.消防員遇險現場救援搜救系統采用國際上先進的無線測距系統和微機械加工技術慣性元件.本系統實現了遇險位置定位功能，這是傳統意義上的搜救系統無法實現的，從而使消防隊員生命安全保障程度大幅提高.

1 PDR定位導航算法

1.1 PDR算法原理

假設行人的初始位置為P0(N0,E0),走動后的下一個位置為P1(N1,E1)，行人航跡推算的原理如圖1所示.

圖1 航跡推算原理圖

P0到P1的這段時間內步長為S(t0),航向角為α0(t0)，則P0(N0,E0)與P1(N1,E1)兩點之間的關系表達式為：

(1)

以此類推，Pk點與Pk-1點的關系為：

(2)

行人的步行特點各式各樣，在現實情況下，要求對行人導航系統成本要低，其佩戴方法要便利，因此，采用了MEMS器件.通過式(1)與式(2)可知，行走航跡推算算法主要采用的是步數與步長的乘積來獲取行人的相對位移，影響該算法定位精度的因素包括起始位置的精度、步長的精度、計步器的精度以及航向角的精度.

1.2 計步器和步長設計

針對人身體不同部位加速度不同的特點，存在著大量的步頻探測算法，包括峰值探測法、自相關法、零點交叉法、stancephase探測法、快速傅里葉變換法等[6].現設計基于“滑動窗口+峰值探測”的算法.滑動窗口的重力分量剔除和平滑作用，可以有效地抑制加速度信號的高頻噪聲，并使因身體抖動造成的多峰值波形平滑成單峰值，便于峰值探測.根據人體機械學原理，當步行者步頻處于常規范圍時，步幅與步頻的關系近似為線性.因此，步長估計選擇了線性步長估計模型,實時的步頻與步長的模型如下[7]：

(3)

式中：S為步幅，m；f為步頻，Hz.該模型經實驗驗證，對年齡20～ 32歲、身高160～185cm的東方人具有良好的估算精度，可以滿足消防員在火災現場的定位需求.

1.3 航向角及載體坐標

行人航跡推算PDR算法的關鍵問題之一是用較低成本從傳感器中獲得準確的航向，有效地消除陀螺儀的漂移誤差和磁羅盤的各種干擾.

通過磁傳感器可以獲得0°～360°的絕對航向角，便于處理但易受到干擾.為克服外界磁干擾，可將陀螺儀數據進行積分，并結合初始航向角經過角度轉化算法獲取航向角.數字羅盤可輔助計算前進方向信息，但其長時間的漂移等因素將導致較大的位置誤差[8].因此，采用梯度下降法，利用加速度計及磁強計對陀螺儀的誤差進行補償，可減少外界磁干擾，既易于處理，又能在一定程度上校正長時間漂移等帶來的較大位置誤差.

在已知行人步頻和步長的情況下，結合航向(real_heading)，可求出載體的橫、縱坐標：

(4)

式中，Displacement_X為載體的橫坐標，Displacement_Y為載體的縱坐標，real_heading為載體的航向，Step_distance為載體的步長.

2 無線定位原理與算法

2.1 無線定位測距原理

常用的測距方法為基于信號到達時延TOA的方法、基于信號到達時延差TDOA的方法、基于信號到達角度AOA的方法、基于信號強度RSSI的方法以及基于TWR和SDS-TWR測距的方法等.本文采用基于TOA測距的SDS-TWR測距法(稱雙向雙邊測距法)，主要作用是降低晶體振蕩器頻率漂移帶來的測距誤差，SDS-TWR原理如圖2所示[9].

圖2 SDS-TWR測距原理圖

在數據傳輸過程中包括2次對稱測量.第1次：測量的時間T1是從節點1發出數據包到接收確認包的時間；測量的時間T2是節點2在接收到節點1的數據時開始計時，并在返回應答后停止計時的延時處理時間；數據包往返的時間為T1-T2.第2次：由節點2發送數據包，節點1接收并應答，設節點2、節點1測得的時間分別為T3、T4，則數據包往返時間為T3-T4.

設信號在介質中的傳播速度為v，則兩節點之間的理論距離d為:

(5)

(6)

T1、T4由節點1的晶體振蕩器測得，因此λ1=λ4，T2、T3由節點2的晶體振蕩器測得，因此λ2=λ3，則式(6)可化簡為:

(7)

從式(7)可看出：SDS-TWR方法消除了晶體振蕩器頻率漂移所帶來的測距誤差.

2.2 最小二乘法

在無線傳感器網絡定位中，主要通過最小二乘法計算得到未知節點的坐標.假設n個錨節點的坐標分別為(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xn,yn)，待確定位置節點的坐標是(x,y)，該節點到n個參考節點的距離分別是d1，d2，…，dn，根據二維空間距離計算公式，可以獲得一個非線性方程組：

(8)

求解此方程組可以得到待定位置節點的坐標(x,y).定位方程采用(8)式，從第一個方程開始分別減去最后一個方程，消去二次項，得線性方程表示為：

AX=B

(9)

其中：

3 系統的實現

3.1 控制方案設計

圖3中虛擬定位節點(Anchor)稱之為錨節點，其實質就是通過PDR進行位置推算得到的臨時點，初始坐標已知，由進行搜救的消防員(以下簡稱隊員A)攜帶，內配置無線收發模塊及采用MEMS技術的慣性導航組件芯片；標簽節點(Tag)，即被定位目標，由被救消防員(以下簡稱隊員B)攜帶，內配置無線收發模塊.隊員A從初始位置M0開始行走，此處的位置坐標和距離信息分別為(0,0)，d0.隊員A繼續行走，到達位置M1，該點的位置坐標和距離信息分別為(x1,y1)，d1.以此類推，M2和M3位置的坐標信息和距離信息分別為(x2,y2)、d2，(x3,y3)、d3.當知道4個位置坐標信息以及Anchor節點與Tag節點的距離信息，即可用最小二乘算法計算出此Tag節點的相對位置，這樣便可提示隊員A及時找到隊員B.

圖3 控制方案

3.2 系統測試

X和Y的位置信息通過PDR方法進行推算，測距信息d通過無線測距進行計算，由對應的坐標信息與測距信息可求出未知點的坐標，分別對2個未知點進行測試，具體數據如表1、表2所示.

表1 A數據信息

表2 B數據信息

對應表1、表2的直觀圖如圖4、圖5. 其中，“■”表示實際的位置坐標，“●”表示試驗測得的載體坐標，“×”表示未知點計算的坐標.

圖4 表1的直觀圖

圖5 表2的直觀圖

在相同的初始位置和相同環境的情況下，與RSSI技術尋找被救消防員進行了對比.采取RSSI技術進行搜救時大概在20 min能找到目標.采取無線PDR定位技術搜救時大概5～7 min能確定目標.RSSI技術在尋找信號過程中存在盲目性，在搜救過程中會浪費過多的時間.實驗對比證明：該系統更能及時地搜到被救人員，縮短了營救被救人員的時間.

4 結束語

目前搜救系統廣泛應用在軍事、戶外等方面，PDR和無線定位技術的結合進行搜救，是一個新興的亮點.本設計根據消防員救援環境的特點，應用PDR航跡推算算法得出虛擬坐標點，由無線傳感器的測距技術得到距離信息，根據現場需求進行軟件設計，實現了對盲區被救消防員的定位系統控制.系統在實驗過程中效果良好，但仍需在精度上進行改善和提高.

[1] 李亮.西班牙森林大火14名消防員遇難[EB/OL].(2005-08-15)[2013-10-25].http://www.cqvip.com/Read/Read.aspx?id=20616972

[2] 鵬致.美國亞利桑那山火吞噬十九名消防員[N].廣州日報，2013-7-2(A8).

[3] 郭紅梅,黃丁發,陳維鋒，等.城市地震現場搜救指揮輔助決策系統的設計與開發[J].地震研究,2008,31(1):83-88.

[4] 吳蔣,李壯,張運波.基于ZigBee技術的地震災區人員搜救系統[J].地球物理學進展,2008,23(4):1336-1339.

[5] 卿曉霞,李文田,王波.山體滑坡監測的RSSI定位改進算法[J].重慶大學學報:自然科學版,2012,35(1):99-104.

[6] 陳偉.基于GPS和自包含傳感器的行人室內外無縫定位算法研究[D].合肥:中國科技大學,2010.

[7] 孫作雷,茅旭初,張相芬,等.基于粒子濾波和概率神經網絡的步行者定位參數校正[J].上海交通大學學報,2009,43(6):885-889.

[8] 王璐,趙忠,邵玉梅，等.磁羅盤誤差分析及補償[J].傳感技術學報,2007,20(2):440-441.

[9] 劉世森,湯朝明,吳畏.無線傳感器網絡中的 TOA 測距方法研究[J].工礦自動化，2012(3)：31-34.

Fire Positioning and Rescue System of Firefighters on Wireless

WANG Qing-hui, LIU Hua-yue, WEI Li-feng

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

It is extremely important to rescue the distress firefighters when they are in a critical fire scene.Only rescuing the rescued fireman immediately can protect the safety of personnel when making search and rescue,so we must adopt advanced search and rescue system.It propose a positioning method in this system based on wireless location and PDR autonomous navigation technology.It will calculate the location of rescuees combining the virtual point location information by PDR with distance measuring information by wireless sensor.In this way,we can not only obtain the effective data,but also shorten the time compared with other search and rescue system,and it improves the safety factor of the rescue ersonnel.

search and rescue system; wireless location; PDR; virtual point location; distance measuring

2013-11-11

沈陽市科技攻關項目(F11-009-2-00)

王慶輝(1972-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，主要從事無線自組網技術、嵌入式系統等的研究.

2095-2198(2015)03-0268-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.03.016

TP212.9

A