智能看守所服務模型

李　莉，李勝廣，孫　健

(公安部 第一研究所，北京　100048)

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智能看守所服務模型

李莉，李勝廣，孫健

(公安部 第一研究所，北京100048)

摘要：智能空間是嵌入了計算設備、信息設備和多模態傳感器的工作或生活空間，位置感知是智能空間中的重要技術。本文首先對比了目前常見的位置感知技術和位置感知算法，之后將智能空間技術和看守所實際情況相結合，提出了智能看守所伺候式服務模型。該模型包括位置感知、其他傳感信息感知、應用推理三個大模塊，以空間數據庫為紐帶，將這三個模塊有機的結合在一起，形成完整的智能看守所服務模型。

關鍵詞：智能空間；位置感知；伺候式服務；推理引擎；數據過濾

0引言

公安監管民警依法承擔對犯罪嫌疑人、被告人、罪犯、違法人員和被強制醫療的精神病人警戒看管、執行刑罰、行政處罰、教育、特定疾病治療、心理及行為矯治的任務。他們每天的工作時間通常都在12 h以上，手機保持24 h開機，緊急情況隨叫隨到。高強度的工作讓他們非常疲憊。工作量大、精神壓力大，全國每年都會發生數十起獄警猝死事件。同時，公安監管民警作為特殊崗位的警察，每天面對著殺人、搶劫、強奸等惡性犯罪的罪犯或嫌疑人，受到人身攻擊的幾率大，生命安全時刻受到嚴重威脅。在上述背景下，急需為監管民警配備現代化的安全防護系統，加強民警人身安全保護，提高民警安全防范能力。如何運用現代化手段來識別警員的身體狀況，提高出現意外時處理速度，保證警員的安全迫在眉睫。本文通過引入智能空間技術，搭建智能看守所服務模型，實現向科技要警力，降低工作強度，減輕工作壓力的目標。

1智能空間

當前，國內外對智能空間的研究相當廣泛[1]，如美國麻省理工學院的Intelligent Room、斯坦福大學的Interactive Workspace、佐治亞技術理工學院的Aware Home、微軟研究院的Easy Living、德國信息技術國家研究中心的iLand，國內如清華大學的Smart Classroom等。在這些研究中，智能空間以不同的應用形態進行呈現。同時，美國國家標準和技術研究院對智能空間的功能和為用戶提供的服務進行了標準化[2]。

智能空間是信息空間與物理空間的融合，是普適計算在某一空間尺度上的具體呈現，使用的數據源是上下文信息，即能夠特征化描述實體狀態的任何信息。這里的實體可以是人、位置以及任何與人和服務相關的物體，包括人和服務本身[3]。在看守所中，上下文信息主要表現為人員的位置、人員的生理狀態、人員的動作、人員在某地停留的時間、安防設備的報警信號等信息，其中位置是非常重要的一類上下文。

在智能空間，被授權的人們可以在任何時間任意地點隨意訪問、獲取、操作各種信息，享受以人為中心的各類服務，而位置感知是實現這種信息融合的前提和關鍵技術[4]。

智能看守所是智能空間在公共安全領域中的一個實例。由于其行業屬性，智能看守所與面向大眾的智能空間實例有較大的差異。智能看守所關注的是監控人員所處位置，同時結合多種上下文信息，對被監控人員的行為狀態進行推理，并以此為依據進行干預和處置。

2位置感知技術

常見的無線通信技術可分為遠距離無線通信技術和短距離無線通信技術。遠距離無線通信技術中的全球定位系統(global positioning system，GPS)、移動蜂窩基站定位(cellular based localization，Cellular)，以及短距離通信技術中的無線保真(wireless fidelity，WiFi)、超寬帶(ultra wide band，UWB)、線性調頻擴頻(chirp spread spectrum，CSS)、紫蜂(ZigBee)、藍牙(Bluetooth)、射頻識別(radio frequency identification，RFID)等，都可以用作位置感知。這些無線通信技術，有的專門用于位置感知，有的則同時具有節點通信和位置感知功能。表1對比了位置感知應用中使用到的多種無線定位技術[5]。

表1　無線定位技術特點對比a)

a)★：表示對無線定位技術各項性能的度量，★越多，對應的性能越高。

從位置感知范圍來看，GPS覆蓋最廣，Cellular次之，Bluetooth和RFID定位范圍最小；GPS在室內環境中無法使用，Cellular在室外和室內的定位精度都很低；ZigBee、WiFi和Bluetooth都工作(或部分工作)在ISM開放頻段(industrial scientific medical band，ISM)，因此容易受干擾，共存性較差；UWB信號由于帶寬大、功率譜密度低，所以抗干擾能力很強，共存性很好。

看守所位置感知的應用場景主要可以分為：小空間位置感知、直線位置感知和區域位置感知。小空間位置感知主要針對較小的空間，如監室、值班室、洗手間等；直線位置感知主要針對狹長的區域，如走廊等；區域位置感知主要針對較大型的區域，如大廳、放風場等。針對不同的應用場景，需要采用不同的定位技術進行位置感知。在智能看守所中，小空間采用125 kHz定位技術和Zigbee定位技術相結合進行組合定位；直線區域采用Zigbee結合Bluetooth進行組合定位；較大型的區域采用Zigbee和433 MHz兩種技術進行組合定位。

3位置感知算法

位置感知算法分為：基于測距定位的位置感知算法和基于非測距定位的位置感知算法。下面通過兩個示意圖進行簡要介紹[5]。

基于測距定位的位置感知算法包括三種：信號時延估計、信號強度換算和信號到達角度估算。信號時延估計法是通過測量信號的傳播時間或者傳播時間差來計算位置，它可以分為信號到達時間法(time of arrival，TOA)、信號到達時間差法(time difference of arrival，TDOA)、信號到達時間和法(time summation of arrival，TSOA)；信號強度換算法通過使用所處環境的無線信號傳播模型計算出待測量的位置；信號到達角度法(arrival of angle，AOA)可利用天線方向陣列實現。圖1給出了測距定位方法的示意圖。在圖1中，A、B、C表示定位源，X表示未知節點，X點能通過上述三種基于測距定位的位置感知算法得出具體的坐標。

圖1　基于測距定位的位置感知方法

基于非測距定位的位置感知算法不需要通過硬件設備去獲取節點的距離、角度等信息，它是通過估計節點間的歐式距離，或者計算出可能包含未知節點的區域，進而確定未知節點的位置。距離向量-跳段(distance vector-hop，DV-Hop) 算法是一種分布式基于非測距的定位算法[6]，它具有計算簡單和不依賴于測量誤差兩個優點。

圖2　基于DV-Hop的位置感知方法

上述各種定位算法都有自己最適合的應用場景，有自己的優點和缺點，沒有哪一種算法是普適的。在智能看守所服務模型中，主要采用基于信號強度的位置感知算法：小空間位置感知采用單基站定位算法；直線位置感知算法是基于貝葉斯算法，同時結合防止樓層間走廊定位數據漂移的數據過濾算法，最終形成抗干擾性好、不易受噪聲影響、準確度較高的室內直線位置感知算法；區域位置感知采用基于指紋匹配的區域位置感知算法。同時，為了通過定位預判和過濾篩選等方法提高定位精度，在原有定位算法的基礎上引入粒子群優化算法[7]。通過該算法尋求最優解，可以有效抑制了測距誤差的累積對定位精度的影響，而且該算法需要的定位基站相對較少，一定程度地降低了系統成本。

4智能看守所服務模型

4.1智能看守所伺候式服務模型

針對看守所中相對固定的幾種定位場景，本服務模型中采用以ZigBee技術為主，同時輔以其他定位手段，并結合人體姿態識別技術、安防報警感知技術等，構建智能看守所服務模型[8]，如下圖3所示。

圖3　智能看守所服務模型

本智能看守所服務模型可以分為三個大模塊，以數據庫作為紐帶，關聯位置感知信息和其他傳感器感知信息，同時向應用模塊提供數據支撐。

位置感知模塊共分為三層，按照從下到上的順序，第一層為數據緩存與預處理層，負責收集定位中心站發送過來的定位數據包，并對數據進行分類緩存；第二層為融合層，集成了不同的定位算法和坐標計算方法，通過這些算法，將第一層緩存的數據進行加工處理，形成具體的位置和狀態數據；第三層為數據過濾層，根據特定的濾波算法對數據進行過濾。

其他傳感器感知信息包括人體姿態的感知、安防設備報警信息感知等。當有報警狀態出現，該模塊的數據緩存與預處理層會接收解析報警信息，之后傳遞給空間數據庫。

數據庫之上，和應用相關的有三層，按照從下到上的順序，第一層為推理引擎，根據空間數據庫中的時間、位置、狀態等數據進行綜合推理；第二層是應用服務接口層，向應用層提供服務；第三層是應用層，負責實現具體的業務需求。

4.2伺候式空間數據庫

從應用的角度來看，位置感知服務包括兩種：1)位置相關的查詢。2) 空間事件服務。在位置相關查詢服務中，是由應用端向服務器端發起位置查詢請求，服務器是被動的提供服務。對應到智能看守所中，就是對監控對象位置的監控。而在空間事件服務中，服務器需要根據環境對象的變化自發地向應用提供服務，其服務提供方式是伺候式的。對應到智能看守所中，就是監控對象狀態發生改變，監控中心需要根據這些改變進行相應的處理。

從上述智能看守所服務模型可以看出，空間數據庫占據了非常重要的位置。傳統的空間數據庫系統模型對伺候式服務難以勝任，必須采用伺候式空間服務模型[9]。該模型為輕量級結構，采用一種基于R樹和四叉樹的復合結構作為其空間索引，并且針對兩種不同的服務，采用兩種不同的處理機制：查詢驅動機制和掛起通知機制。伺候式空間服務模型不僅能支持空間事件服務，而且位置相關的查詢效率也很高。

4.3數據過濾

在看守所內的位置感知過程中，由于建筑物本身對電磁波吸收反射等具有差異性，同時看守所內已安裝的設備對定位信號有一定干擾，以及定位設備精確度等其它原因，監控人員得到的數據往往包含很多無用數據。同時，由于定位基站數量眾多，上報到服務器的數據量非常龐大。在一個安裝了100個定位基站的看守所內，1 min上報的定位數據約為20萬條。面對眾多干擾信息，以及海量的位置數據，通過劃分子網絡、數據校驗、定位預判、大數據采樣等方式實現數據過濾，保證了位置感知數據的實時性和準確性。

4.4推理引擎

位置感知是智能看守所服務的基礎，但是光有位置信息，還遠遠不能滿足智能看守所的業務需求。監控人員需要將被監控人員的位置信息和他在某個區域停留的時間長短進行關聯，推理出此人是否有違規行為；監控人員需要將被監控人員的位置和狀態信息進行關聯，推理出此人是否遇襲，是否跌倒，是否出現異常，同時結合位置感知得到的警力分布情況，進行警力協同調配；監控人員需要根據安防預警信息，進行特定位置的視頻聯動；監控人員需要結合位置信息和路徑規劃，實現無聲巡更；監控人員需要根據位置記錄，追溯執勤軌跡，實現規范執法。這些基于位置的智能看守所服務，都需要通過推理引擎來實現。推理引擎幫助監控人員實現了事前能夠提醒、事中能夠預警和處置、事后能夠追溯的目的。

4.5實現及試點

圖4　智能看守所服務模型核心類

智能看守所服務模型的核心類如圖4所示。其中，LBSSensing為位置信息感知基類，目前已經實現了對Zigbee、Bluetooth、125 kHz、433 MHz設備的位置信息的感知。在采集到位置信息后，由LBSDataProcess類及其派生類按照相應的算法對數據進行解析和計算，再結合DataFiltering類對數據進行過濾，得出具體的位置信息。同理，StateSensing為狀態信息感知基類，目前已經能對人員、攝像頭、限高桿三種設備的狀態進行感知。之后通過AlarmDataProcess類及其派生類對狀態數據進行解析。同時，智能看守所服務模型中向外提供統一的數據庫訪問接口，由推理引擎對底層計算出來的位置和狀態進行關聯推理，并為應用層提供相應服務。

目前，基于位置感知的智能看守所服務模型已經在某看守所進行試點。通過采用ZigBee定位技術為主其他定位技術為輔的綜合位置感知方式，結合數據融合、數據過濾等技術手段，目前定位精度達在2 m以內，圖5是試驗中采集的50個位置點，以及對這50個位置點的定位誤差進行的分析。從圖中可以看出，定位精度保持在2 m以內。

目前試點的智能看守所平臺共有6大功能：實時定位、狀態監控、警力分布、軌跡回放、視頻聯動、統計分析，下面展示部分應用模塊使用狀況。本平臺完全解決了樓層間漂移、房間之間漂移等技術難題；同時結合多種推理模型，有效規范了被監控人員的行為。

圖5　定位精度分析

圖6　人員實時定位和跌倒報警

圖7　軌跡回放和警力分布熱度圖

5結束語

本文將基于位置感知的智能空間技術與看守所的實際業務需求相結合，提出一種智能看守所服務模型，該模型匯集多種傳感器的感知信息，通過融合、過濾、推理等手段，合并使用伺候式空間數據庫技術，實現對位置相關的查詢服務和空間事件服務的高效響應。同時，本模型中通過應用層的六大功能模塊，使得看守所日常運行中能夠實現事前提醒、事中預警處置、事后追溯的目標。

參考文獻

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Smart Prison Service Model

LILi，LIShengguang，SUNJian

(The First Research Institute of the Ministry of Public Security，Beijing 100048，China)

Abstract：Smart space is a work or living space which is embedded in the computing device，information equipment，and multimodality sensor.Location awareness is an important technology in smart space.This paper firstly compares the common location awareness technology and location awareness algorithm，then smart space technology and the combination of the actual situation，put forward the smart prison proactive service model.The model includes three modules：location awareness，other sensor information awareness and inference module.The proactive spatial database as the link，these three modules are combined together organically，form a complete smart prison proactive service model.

Key words：smart space；location awareness；proactive service；reasoning engine；data filtering

中圖分類號：P228

文獻標識碼：A

文章編號：2095-4999(2016)-01-0063-05

作者簡介：第一李莉(1983—)，女，重慶人，碩士，工程師，主要研究領域為室內定位、智能看守所、智能警用裝備管理。

收稿日期：2015-06-09

引文格式：李莉，李勝廣，孫健.智能看守所服務模型[J].導航定位學報，2016，4(1)：63-67.(LI Li，LI Shengguang，SUN Jian.Smart Prison Service Model[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：63-67.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160113.