基于物聯(lián)網(wǎng)的高危領(lǐng)域救援設(shè)備研究

沈雪微+趙丹+郝秀召+毛文濤

摘 要：以物聯(lián)網(wǎng)與高危領(lǐng)域應用的結(jié)合作為研究點，通過調(diào)查和分析，將重心放在高危領(lǐng)域救援安全方向，并利用學科交叉融合和相互影響的特性，進行技術(shù)應用。文章基于WiFi和ZigBee的聯(lián)合定位技術(shù)、傳感器的環(huán)境感知技術(shù)、六軸重力加速度的行為識別技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，并利用這些技術(shù)對高危領(lǐng)域的救援體系進行了完善，從而實現(xiàn)了智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合定位;行為識別;智慧救援;ELM

中圖分類號：TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）09-00-03

0 ?引 ?言

伴隨經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展和工業(yè)化、城市化、市場化的快速推進，我國進入社會轉(zhuǎn)型期和矛盾凸顯期，公共安全形勢嚴峻。全國因自然災害、事故災害和社會安全事件造成的非正常死亡超過20萬人，經(jīng)濟損失6 500億元左右。

可見，在高危領(lǐng)域中，一旦事故發(fā)生，不僅嚴重威脅著作業(yè)人員生命和國家財產(chǎn)的安全，而且會引起社會極大的震動，造成巨大而不可挽回的損失。所以，如何保障高危領(lǐng)域安全作業(yè)已成為一項重要的研究課題。

本文選擇以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在消防以及煤礦作業(yè)的應用為研究方向，目的是完善高危領(lǐng)域方面的救援體系。希望通過此項研究來實現(xiàn)增強作業(yè)人員的救援能力、指揮部下達指令的精確即時，并提高重點保護單位現(xiàn)場救援的高效性、可靠性。

1 ?技術(shù)分析

首先以消防救援為研究切入點，利用基于WiFi和ZigBee的聯(lián)合定位技術(shù)、基于傳感器的環(huán)境感知技術(shù)、基于六軸重力加速度的行為識別技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，將其與救援過程科學高效的結(jié)合，目的是研究高效救援、安全低損耗的智能救援應用體系。

1.1 ?基于WiFi和ZigBee的聯(lián)合定位技術(shù)

在處理移動滅火救援等高危復雜場所的問題中，WiFi定位技術(shù)具有精度高、對網(wǎng)絡(luò)變動適應性好的特點，但因其抗干擾能力較差，故而考慮到當前廣泛應用的ZigBee定位技術(shù)作為互補。其節(jié)點可進行數(shù)據(jù)采集，有自組網(wǎng)功能，并具備能耗低、可靠性強等優(yōu)點。二者結(jié)合，提供較好的定位效果，能夠適應救援現(xiàn)場變化復雜的環(huán)境。

1.1.1 ?技術(shù)特性

通過信息融合技術(shù)，利用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸小數(shù)據(jù)量的監(jiān)測活動信息，利用WiFi技術(shù)組建無線監(jiān)測局域網(wǎng)絡(luò)，傳輸大數(shù)據(jù)量的監(jiān)測活動信息，同時可具備以下特性：

（1）實時性和準確性

該設(shè)計屬于遠程檢測，通過接收終端信號，再根據(jù)WiFi和ZigBee采集的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對救災現(xiàn)場消防人員的精確定位。能夠及時準確地反饋救援人員情況，并反饋指揮中心的決策指令。

（2）可靠性、抗干擾性

系統(tǒng)中的ZigBee模塊與WiFi模塊同時工作，具備較強的抗干擾能力以適應火場等各種復雜環(huán)境，保證系統(tǒng)連續(xù)可靠地運行。

（3）可擴展性

本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)多種技術(shù)的融合，能夠?qū)⑵溥w移至其他場合，增強系統(tǒng)功能性。

1.1.2 ?技術(shù)方案

本方案主要包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與最佳定位三個方面，這三個方面主要實現(xiàn)兩大功能，即預警和跟蹤定位。

（1）數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸主要由WiFi無線網(wǎng)絡(luò)和已有的以太網(wǎng)實現(xiàn)。現(xiàn)場情況復雜，有線網(wǎng)絡(luò)將不再可靠。由以WiFi模塊為依托的數(shù)據(jù)采集模塊傳遞信息后，通過AP自組網(wǎng)傳遞到指揮中心，具有高速、及時、穩(wěn)定、靈活、有效的特點。

（2）數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

鑒于室外無線定位的特點，須提前對定位的地理環(huán)境進行信號強度樣點采集，將采集的信號強度信息進行處理，建立標準數(shù)據(jù)庫。在之后的具體定位中，只要將信號強度信息傳輸?shù)椒?wù)器，比較標準數(shù)據(jù)庫中的參考值，并利用極限學習機算法進行不斷調(diào)整，得到最佳值，方可精確定位。

（3）最佳定位實現(xiàn)

通過WiFi和ZigBee定位技術(shù)的結(jié)合，利用ZigBee抗干擾性強的優(yōu)點來彌補WiFi的不足。該模塊分為兩部分，一部分是后臺服務(wù)器，利于指揮部人員進行現(xiàn)場監(jiān)控，另一部分可以在終端上實現(xiàn)救援人員實時定位。

待定位區(qū)域內(nèi)有很多固定的參考標簽，將此標簽的位置信息通過定位服務(wù)器送入數(shù)據(jù)庫集中的標準數(shù)據(jù)庫中，然后分別將WiFi和ZigBee單獨工作時的定位信息經(jīng)由定位服務(wù)器送到數(shù)據(jù)庫集中的定位數(shù)據(jù)庫。

其中定位數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)每隔一段時間就會將參考標簽的位置信息更新一次，相應的分析處理部分就會對定位數(shù)據(jù)庫與標準數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分析對比，以便能夠及時確定最優(yōu)的定位方式，增強系統(tǒng)的抗干擾性。

在救援現(xiàn)場實時定位時，通過WiFi將人員攜帶的定位終端采集的信息實時發(fā)送到服務(wù)器，利用最佳定位選擇方式對采集到的實時數(shù)據(jù)進行處理，獲取人員所處的準確位置，以實現(xiàn)指揮中心對救援人員的準確指導。

1.2 ?基于傳感器的環(huán)境感知技術(shù)

考慮到高危作業(yè)環(huán)境中非視覺性因素也會干擾救援人員行動或危及人身安全，身處如此環(huán)境無法感知外界，而遠在現(xiàn)場之外的控制臺則更加鞭長莫及。在上節(jié)所述方案中，我們考慮加入信息采集方面進行綜合研究。

利用傳感器，主要包括煙霧傳感器、溫濕度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯?。將帶有傳感器的標簽加載在救援人員移動終端上，一旦救援人員進入火災現(xiàn)場，傳感器便開始采集數(shù)據(jù)，通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)等過程傳至控制中心。

此方面主要目的是采集其所處環(huán)境參數(shù)進行感知檢測。將火災現(xiàn)場情況的復雜性以數(shù)值等形式直觀地向指揮官反饋，全方位掌控火災情況，科學、合理地下達指令。

當環(huán)境參數(shù)達到其設(shè)置的閾值，會立即向現(xiàn)場救援人員及指揮中心同時發(fā)起警報，以便于雙方進行合理的戰(zhàn)略調(diào)整。

1.3 ?基于重力加速度的行為識別技術(shù)

為更好保證救援人員的人身安全，需對火場內(nèi)部救援人員的自身行為進行監(jiān)測，一旦遇到摔倒等危急情況，及時傳達給指揮部，請求配合救護。圖1所示是其行為識別算法流程圖。

1.3.1 ?技術(shù)概述

基于加速度的用戶行為識別，其中主要包含信號采集、數(shù)據(jù)預處理、特征提取、行為識別四個部分。數(shù)據(jù)采集負責操作傳感器部件，獲取用戶行為采樣數(shù)據(jù)，例如加速度、陀螺儀或者生命體征。特征值提取主要負責根據(jù)采樣數(shù)據(jù)獲得行為的特征值，既包括統(tǒng)計性特征值，例如均值、方差、相關(guān)性和能量等，還包括結(jié)構(gòu)性特征值，例如自回歸模型系數(shù)等。

圖1 ?行為識別算法流程

在數(shù)據(jù)預處理階段，本設(shè)計預先利用的加速度傳感器采集多組動作數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括眾多不同采集者的12類動作信息，此處選用靜止、行走、奔跑三類數(shù)據(jù)作為原始加速度信號，為后續(xù)判斷人員摔倒等狀況的基礎(chǔ)。同時，為了減少噪聲對行為識別的影響，此處采用了FIR濾波器對加速度信號進行了濾波處理。這里討論特征提取階段，通過對近年來人體運動模式識別系統(tǒng)中使用的信號特征的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的傅里葉變換相比，小波變換是時間和頻率的局部變換，解決了許多傅里葉變換不能解決的問題。

另外，作為行為識別的關(guān)鍵支持，本文通過與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法比較，選擇了根據(jù)極限學習機（ELM）算法對所采集到的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)訓練。該方法隨機給定神經(jīng)元權(quán)值中的輸入權(quán)值和閾值，然后通過正則化原則計算輸出權(quán)值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依然能逼近任意連續(xù)系統(tǒng)。具有參數(shù)選擇容易，學習速度快，具有良好的泛化能力。

1.3.2 ?技術(shù)實現(xiàn)

該方法的技術(shù)實現(xiàn)主要分為4步：

（1）接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)信號，傳入上位機，方式在以上兩種技術(shù)應用中已有體現(xiàn);

（2）上位機程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)預處理并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。在原始加速度信號進行特征提取前需要對其進行預處理，通過平滑、去噪、歸一化、加窗等方式處理。為了減少噪聲對行為識別的影響，本文采用FIR濾波器對加速度信號進行了濾波處理;

（3）通過時域分析法、頻域分析法和時頻分析法對所得預處理數(shù)據(jù)進行特征提取。提取特征并處理為相對應的特征矩陣，作為數(shù)據(jù)源，以備后續(xù)使用;

（4） 將得到的數(shù)據(jù)與建立好的數(shù)據(jù)庫進行對比，利用ELM算法訓練數(shù)據(jù)，獲取分類信息，實現(xiàn)人體行為識別功能。具體如圖2和圖3所示。

2 ?擴展救援范圍應用方案

同樣處于高危領(lǐng)域的煤礦行業(yè)同樣也可以適用該方案，這對保障煤礦工人的安全是極其重要的。

將WiFi接入點AP，ZigBee節(jié)點和無線傳感器可以固定在井下的巷道壁上。AP利用光纖與總控制器連接，總控制器將收到的數(shù)據(jù)進行打包整理后，通過以太網(wǎng)傳送到地面監(jiān)控計算機。

圖2 ?人員定位詳細顯示窗 ? ? ? ? ? ? ? ?圖3 ?環(huán)境感知

工人身上也帶有定位終端和無線傳感器。定位終端使工人在經(jīng)過WiFi和ZigBee覆蓋區(qū)域時，能夠獲取他們的位置并上傳到地面控制中心。從數(shù)據(jù)庫中讀出該ZigBee節(jié)點的相關(guān)采集信息，還實現(xiàn)對人員信息的采集記錄、分析處理，同時還能實現(xiàn)實時顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲報表、查詢打印等功能，使管理人員能及時準確的查詢各種信息，方便人員管理、考勤等，特別是當事故發(fā)生時，對人員的分布情況一目了然，為營救工作提供了便利。

3 ?實驗仿真

將以上討論研究作為實驗的理論依據(jù)，在此進行模擬仿真對其實踐性與應用價值做出評估。

首先，在定位方案中，可選取一段走廊當作模擬場所，盡量符合應用領(lǐng)域的環(huán)境條件，通過技術(shù)融合，通過將其采集到的信息與數(shù)據(jù)庫中的參考值進行對比，并可采用多種算法確定最佳定位方案，如圖4所示。

圖 4 ?采用多種算法確定最佳定位方案

圖2中，每一格代表50 cm×50 cm的矩形區(qū)域，為測試精確，以紅色圓圈表示原始位置，藍色表示實際仿真中所確定的位置坐標。可以看出兩者十分接近，盡管并未完全重合，在不足一米的誤差情況下，實際應用已可以達到定位目的，確定人員狀況。其次，各類環(huán)境感知傳感器的功能性仿真情況如圖5所示。

在正常環(huán)境條件下，由傳感器反映出當前場所中實時環(huán)境值指數(shù)，作為指揮及行動的參考。而由圖6可看出，在設(shè)定好限制值后，若檢測到的實時數(shù)據(jù)超出限制，則會提出相對應的警告，以便救援策略的調(diào)整。

圖 5 ?環(huán)境感知傳感器的功能性仿真情況

另外就是行為識別方面，我們仿真出最終結(jié)果并對其中各個步驟進行分析，如圖6所示。

圖6 ?時域特征矩陣及應用ELM后分類精度

通過加速度傳感器提取原始數(shù)據(jù)后進行一系列處理，得到行為比例，并根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)反饋是否有危險。

在行為識別過程中，首先進行濾波處理去除干擾影響，隨后通過程序提取加工為各類特征矩陣，為了有比較的分析，提取了時域特征、FFT系數(shù)特征等。

4 ?結(jié) ?論

本體系主要適用于高危領(lǐng)域的救援方面，解決了高危作業(yè)人員的安全問題。本文在現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)定位識別、環(huán)境感知及行為識別等功能發(fā)展共同進行。本文對救援體系進行了描述，利用作業(yè)人員攜帶的便攜式裝置上的傳感器節(jié)點反映現(xiàn)場信息，指揮臺可直接獲得第一手現(xiàn)場資料，制定救援策略。通過現(xiàn)場模擬、仿真實驗，驗證了系統(tǒng)實施的可行性、完整性，為將來推廣研究提供了仿真經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)。闡明了一旦發(fā)生危險事故，指揮部能夠精確即時地下達指令，并增強重點保護單位現(xiàn)場救援的高效性、科學性以及可靠性。

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