基于A-GPS的城市災害搜救人員定位系統的實現

吳響，卞水榮，臧昊，俞嘯

（徐州醫學院醫學信息學院，徐州　221000）

基于A-GPS的城市災害搜救人員定位系統的實現

吳響，卞水榮，臧昊，俞嘯

（徐州醫學院醫學信息學院，徐州221000）

0　引言

隨著我國城市化進程的加速發展，城市災害對城市發展的影響日益引起人們的關注，包括地震、洪水等自然災害，也包括火災、化學物質泄漏、突發公共衛生事件等技術災害和社會災害［1］。

與城市災害日益嚴重的現實比較，我國目前城市的災害搜救管理能力是比較薄弱的［2］，而科學、先進的災害救援手段是城市災害應急管理的重要技術支撐。面對各種突發災害事故，應急救援可以加強對重大災害事故的處理能力，一旦重大事故發生，合理有效的安排搜救工作，做到臨危不亂，高效、迅速做出應急反應，盡可能縮小事故危害。

本文把A-GPS（Assisted-Global Positioning System，網絡輔助的全球定位系統）定位技術和移動無線通信技術有機結合，利用A-GPS定位技術定位精度高、首次捕獲GPS信號時間短、服務連續性強等特點，以及城市健全的無線通信網絡優勢，設計了一套城市災害搜救人員實時定位調度系統，以解決諸如火災、地震等傳統災害救援執行效率低，救援調度性差的缺點。

1　移動終端A-GPS技術介紹

A-GPS技術指使用全球定位系統GPS，并接受來自移動網絡的輔助信息進行定位。跟傳統的GPS定位技術相比較，A-GPS定位終端直接從移動網絡接收輔助定位信息，篩選出該位置信號較強的衛星信號進行定位，大大降低了首次定位時間（TTFF），增加定位靈敏度，同時又可以大幅減少每次定位所需的客觀的能量損耗，實現了較長的待機時間。此外，針對城市環境下高樓建筑對GPS信號有削弱這一問題，A-GPS提供了在GPS信號較弱情況下自動切換為CELL-ID定位模式這一解決方案，很大程度上彌補了城市建筑對GPS信號遮蓋帶來的定位誤差［3］。

隨著全球導航衛星系統（GNSS）和移動通信技術的發展，移動定位技術受到越來越多的關注，特別是3G/4G技術的日益成熟為移動定位技術的發展提供了支持。在2G或2.5G的網絡里，由于受到網絡傳輸速度的限制，A-GPS的應用受到局限，而3G/4G網絡可以提供高速無線下載功能，這就為移動終端A-GPS定位技術提供了更加廣闊的發展空間［4］。

2　系統總體框架設計

本系統主要由四部分組成：智能移動終端A-GPS定位模塊，該移動終端還帶有Android操作系統；3G/ 4G無線通信模塊，可以傳輸搜救過程中搜救人員及災害發生地的定位及調度信息；總臺數據處理模塊及調度決策模塊，協同負責進行實時數據分析、道路匹配、調度決策等功能。具體結構如圖1所示。

圖1　系統總體架構

在救援過程中，救援人員攜帶的移動終端在AGPS服務器和基站的協助下，通過終端A-GPS定位模塊實時獲取當前所在位置信息，并通過無線通信模塊傳輸至總臺數據處理模塊，總臺數據處理模塊通過實時獲取的位置信息（包括移動方向、移動速度、停留時間等）判斷當前位置所處路況信息，進一步由調度決策模塊匹配決策出最優化的救援路徑，最后再由無線通信模塊發送至移動終端，并詳盡顯示。

3　系統功能設計

3.1搜救人員實時位置獲取

如圖2所示，A-GPS從定位啟動到移動終端找到可用衛星進行定位的基本流程分為以下幾步：①移動終端從蜂窩基站獲取到當前所在的小區位置。②移動終端通過蜂窩網絡將當前蜂窩小區位置傳送給網絡中的A-GPS位置服務器。③A-GPS位置服務器根據當前小區位置查詢A-GPS參考網絡中該區域當前可用的衛星信息，并返回給移動終端。④移動終端根據得到的可用衛星信息，快速找到當前可用的GPS衛星。至此，終端已經可正常接收GPS衛星信號。為了確定搜救人員的空間位置P（xu，yu，zu）和偏移量tu，對n顆衛星進行偽距測量，得出方程［5］：

其中，pn為測到的偽距，（xn，yn，zn）為從星歷信息得到的衛星位置坐標，dTn為已知衛星的時鐘偏差，c為光速，dt為未知移動終端時間偏差。根據四個及以上的偽距方程，求解出當前移動終端的空間位置坐標P。最后通過無線通信網絡將位置信息傳輸至數據處理服務器進行位置分析及路徑匹配等處理。

圖2　A-GPS定位流程

在定位過程中，A-GPS參考網絡主要是用來提供GPS信號近似的多普勒頻移，通過參考自帶的GPS接收機，計算出衛星信號的多普勒頻移，并將其獲得的信息發送給移動終端設備，這樣就大大減少了移動終端的搜索空間，只要對有限個頻率區進行搜索，使得定位時間縮短為短短的幾秒鐘，實現正真意義上的實時定位。

3.2地圖匹配算法確定有效路徑

地圖匹配是一種軟件技術實現下的定位修正方法，它將其他定位方法（如A-GPS）獲取的目標位置或移動軌跡，與已有的地圖信息軟件進行比較，得到目標所在的道路信息。其常規的算法有位置點匹配算法、基于加權系統的匹配算法、基于模糊邏輯的算法、基于代價函數的地圖匹配算法等［6-8］。本系統采用的是一種基于位置點匹配與基于加權系統匹配相互結合的綜合地圖匹配算法。

鑒于城市建筑對GPS信號的影響，實際的A-GPS定位可能會存在數據漂移，使得定位點不在地圖中的道路之上。我們將路徑匹配分為兩個獨立的過程：找到救援人員當前所在道路；多個可選路徑情況下根據當前A-GPS定位點算出每條道路的距離度量值，并選擇最適合的道路。具體的實現過程如圖3a所示，以救援人員當前的二維坐標為圓心，選擇合適的半徑做圓，如果該圓只與一條路徑相交，則說明這條道路即為當前最合適的路徑；如果相交的路徑不止一條，則引入距離度量值R=Wrr+Wθθ，如圖3b，r為救援人員位置到道路的投影距離，θ為救援人員移動方向與道路的夾角，Wr、Wθ分別為投影距離和方向夾角的權值，在所有相交路徑中，我們選擇距離度量值最小的道路做為匹配路徑［9-10］；如果一定半徑范圍的圓沒有相交的路徑，則說明救援人員進入建筑內部或者開闊地帶。

圖3　

對于城市復雜的交通路線狀況，由于紅綠燈、堵車等因素的影響導致目標移動方向不一致，有時候會出現這樣一種狀況：即救援人員位于F點類似的交叉路口（如圖3a所示），從而可能存在這樣一種情況：路徑B、D的距離度量值相同，但實際情況下可以看出路徑B明顯優于路徑D。這種情況下我們引入相似度權重值TWS［11］：它由方向相似性加權系數、位置點到道路的接近度加權系數、前后兩個連續的定位點連線與道路的相交性加權系數、定位點F與道路的相關性加權系數四者相加而得。

如圖4所示，其中四個加權系數分別表示如下：①WSH為方向相似性加權系數，AH為控制WSH大小的加權系數，Δα'為救援人員移動方向與道路方向的差值。②WSD為位置點到道路的接近度加權系數，AD為控制WSD大小的加權系數，r表示點到路段的投影距離，σ為移動終端A-GPS接收機的標準誤差值。③WSP為前后兩個連續的定位點連線與道路的相交性加權系數，如果垂直，則WSP等于0，AI為控制WSP大小的加權系數，θ為定點連線與道路的夾角。④WSR為定位點F與道路的相關性加權系數，AR為控制WSP大小的加權系數，β表示候選道路與F點最近的定位點的夾角。根據最終計算得到的相似度權重值，選擇值最大的道路做為匹配路徑。

圖4　交叉路口地圖匹配算法原理圖

3.3系統的前端展示功能實現

智能移動終端的表示層主要是對救援信息的綜合展示，包括為搜救人員演示救援方案、展示各環節的相關救援任務、提供相應的地形信息等。我們以Android技術為核心，結合ArcGIS for Android SDK［12-13］，將搜救信息與ArcGIS Server提供的地圖資源信息嵌入到前端移動應用中。服務端則由后臺調度決策層和數據訪問層組成，主要是匯總救援人員位置信息以及周圍的道路信息，并進行綜合的道路匹配，最后發布一系列的救援信息到客戶端展示，服務端由C#技術實現，能夠很好地處理復雜的業務邏輯以及數據庫操作。表示層與服務端的通信則是在無線通信網絡環境下通過Socket協議實現，以Json格式組裝通信數據進行傳輸。

4　系統功能測試

基于以上的設計，我們對系統進行了實地測試，如圖5所示，紅色標志為人工設定的災害發生地坐標，災害發生地與救援出發地理想的空間直線距離約為0.5公里，整個過程中在直線道路上進行定位及生成救援路線若干次，在交叉路口定位及生成救援路線四次，圖中白色小點表示抽取的七個定位與路徑匹配點 （包含四個交叉路口定位點，從出發地到目標地依次標號為1-7，具體數據見表1）。紅色路線為整個過程中匹配出來的救援路線，總長約為0.8公里，為實際道路中最接近理想路線的通道。

圖5　系統匹配出的災害救援路線

5　結語

本系統結合智能移動終端上A-GPS定位，移動無線通信等技術手段，獲取并傳輸搜救人員的位置信息，并協同已開發的地圖信息軟件，利用地圖匹配算法匹配出搜救人員位置與災害發生地的有效通道，同時終端接收總臺實時調度任務信息，以移動開發技術進行形象和清晰的展示，為災害救援人員提供一套最優化的救援方案，使其能夠在最少時間內開展救援行動，有效的減少人員傷亡和財產損失。

表1　系統實地測試參數

［1］吳新燕，顧建華.國內外城市災害應急能力評價的研究進展［J］.自然災害學報，2007，16（6）:110-113.

［2］孫斌，韓傳峰.城市災害應急管理體制研究［J］.自然災害學報，2009，18（1）:39-44.

［3］汶曉勇，肖越.GPS和A-GPS技術研討［J］.通信技術，2011，44（8）:76-77.

［4］劉晶，周建新，李競，伍彬彬.基于 C/S結構的多用戶 GPS移動定位與遠程追蹤系統的研究與設計［J］.中國安全生產科學技術，2014，10（5）:124-128.

［5］黃丁發.GPS衛星導航定位技術與方法［M］.科學出版社，2009.

［6］陳梅，尹蓓蓓，李鑫，許正榮.GPS/DR與電子地圖匹配的定位研究［J］.計算機測量與控制，2008，16（6）:837-839.

［7］王忠民，王青，張榮，宋輝.一種基于位置點的地圖匹配改進算法［J］.計算機應用研究，2013，30（11）：3318-3323.

［8］Barrow H G，Tnenbaum J M，Bolles R C，et al.Paramatric Correspondence and Chamfer Matching:The New Techniques for Image Matching［C］.Proc.5th Int，Joint Conf.Artificial Intelligence，Cambridge，MA，1997:659-663.

［9］郟東耀，艾艷可.基于雙圓法區域劃分的高精度GPS匹配算法［J］.鐵道學報，2013，35（10）:67-72.

［10］王敏，魏衡華，鮑遠律.GPS導航系統中的地圖匹配算法［J］.計算機工程，2012，38（14）:259-261.

［11］林娜，李志，王斌.一種綜合地圖匹配算法的設計與實現［J］.測繪科學，2008，33（2）:183-184.

［12］何超，彭慧，尚文利，周曉峰，紀曉楠.利用ArcGIS Silverlight實現的車輛監控技術［J］.自動化儀表，2013，34（7）:54-57.

［13］Huang Zechun，Huang Dingfa，Zhu Xu，et al.GPS Vehicle Positioning Monitoring System Integrated with CORS and Mobile GIS［J］. Environmental Sciences，2011，10（1）:2498-2504.

City Disaster Rescue；Assisted Global Positioning System；Intelligent Mobile Terminal；Map-Matching Algorithm

Implementation of City Disaster Rescuer's Positioning System Based on A-GPS

WU Xiang，BIAN Shui-rong，ZANG Hao，YU Xiao

（School of Medical Informatics，Xuzhou Medical College，Xuzhou 221000，China）

1007-1423（2015）34-0051-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.014

吳響（1985-），男，江蘇徐州人，博士，實驗師，研究方向為災害醫學、醫學物聯網、時間序列分析等

卞水榮（1991-），男，江蘇南通人，本科，學士，研究方向為遠程醫療與區域信息平臺

臧昊（1992-），男，江蘇鹽城人，本科，學士，研究方向為遠程醫療與區域信息平臺

俞嘯（1989-），男，江蘇徐州人，碩士，實驗師，研究方向為醫學物聯網

2015-11-25

2015-12-02

針對當前城市事故頻發，城市道路錯綜復雜，救援實時調度性差等問題，采用A-GPS定位技術，設計實現一種基于移動終端的搜救人員實時定位調度系統。其工作原理是在衛星，基站和A-GPS服務器的協同處理下確定搜救人員與災害發生地兩點位置，再結合地圖匹配算法獲取兩點之間多條通道，為城市災害救援過程提供科學依據。經測試，在模擬救援過程中，系統具有定位誤差低，調度通信迅速，匹配路段效率高等特點。

城市災害救援；A-GPS；智能移動終端；地圖匹配算法

江蘇省產學研項目（No.BY2014033）、徐州市科技計劃項目（No.XM13B021）、徐州市科技計劃項目（No.XM12B077）

Provides the problems of the current city disaster situation，the perplexing city roads，the worse real-time dispatching of disaster rescue，uses the A-GPS positioning technology，designs and realizes a real-time positioning and dispatching system for rescuer based on the mobile terminal.The working principle of the system is that the satellites，base stations and the A-GPS server confirm the positioning of rescuer and disaster place coordinated，and then combines with map matching algorithm to obtain a plurality of channels between two points，provides the scientific basis for the city disaster rescuing process.The test result shows that the system has low localization errors，high dispatching and communication speedily，effective matching optimization route at the simulation of the rescue process.