基于手機搜索的生命探測平臺研究

2017-10-12 02:09:50洪利李亞南

城市與減災 2017年5期

洪利李亞南

基于手機搜索的生命探測平臺研究

洪利李亞南

洪利，防災科技學院防災儀器系主任、教授、博士后、碩士研究生導師，主要從事無線通信與網絡技術、物聯網、智能儀器等研究工作。2010年獲中國石油大學（華東）控制理論與工程專業博士學位，后在中國電力科學院進行電力物聯網AMI 通信領域的博士后研究，主持和參與國家863 計劃、國家重大專項、國家自然科學基金、省市科技計劃項目17 項。在國內外刊物公開發表學術論文50 余篇，其中三大檢索收錄30 余篇，出版專著教材5 部。先后獲省部級科技進步二、三等獎各1 項、廳局級科技進步一等獎3 項、國家專利16 項。

李亞南，防災科技學院助教，中國石油大學（華東）電子與通信工程專業碩士，主要從事無線通信系統等技術研究。

研究背景

破壞性地震發生后，如何在災后惡劣、復雜的地理環境中，快速有效地實施人員搜救，挽救更多的生命成為災后救援亟待解決的問題。正確合理地運用搜救方法和搜救設備對被壓埋人員進行搜救定位，可以達到事半功倍的效果。

目前，對災后被壓埋人員的搜索主要依賴于傳統的搜救犬或生命探測儀等進行搜救工作。由于生命探測儀在工作時受距離、光線、廢墟材質、溫度、濕度等因素的影響，因此在進行搜救時具有盲目性和不確定性，這在一定程度上限制了生命探測儀的應用。除了直接探測人體生命特征的探測技術，通過探測受災人員身邊的一些能發出信號的物品比如手機等，以此來找出受災人員的相關技術也逐漸成為生命探測領域的重要發展方向。

隨著無線通信技術的發展和電子產品的普及，手機已經成為人們隨身攜帶的重要通訊工具，通過搜索手機信號來進行移動終端搜索定位也成了新興的生命探測技術。因為當地震引發建筑物坍塌時，手機往往成為散落在人們身邊的僅有設備。通過對這些設備進行探測和定位，可以間接地找到被壓埋人員的大概位置，再配合生命探測設備，即可將人員及時救出。

目前手機探測方法可分為被動式和主動式兩種。被動式手機探測即通過被動接收手機的發射信號來進行探測，要求手機處于聯網狀態，國內外探測此類狀態的手機探測儀已有很成熟的產品。但是，震后房屋坍塌，線路中斷，基站被破壞，往往導致公共通信終端、無線通信網絡缺失，而且被壓埋者通常喪失行為能力，無法操作手機進行聯網，因此被動式手機探測不適合用于救援探測，無法滿足震后救援的需要。主動式手機探測是指設法激活手機，使手機主動對外發射某種信號，外界通過對該信號進行采集和處理，再根據定位算法得到手機位置，以幫助搜救隊員確定被壓埋者的具體位置，從而進行高效率地搜救的方法。

本研究針對震后公共通信中斷、無線通信網絡信息缺失環境下，如何搜救幸存人員，創新性提出利用手機WiFi 信號進行幸存者定位的方法。圍繞手機搜索定位的關鍵問題，在國內率先開展震后廢墟無線環境下的無線信號傳輸信道建模研究；在此基礎上，對手機激活策略進行了研究和分析，并對手機定位算法進行深入研究，取得了一系列成果。

研究目標、研究內容、技術路線

1.研究目標

建立地震廢墟環境下的無線信號傳播模型，為利用WiFi信號定位提供測量基礎，獲取該頻段無線信號的路徑損耗等大尺度參數以及平均超量時延、均方根時延擴展等小尺度參數。協同定位模型研究，利用最小二乘法和BFGS算法協同定位，進行決策級融合，實現對終端的識別和準確定位。

2.主要研究內容

（1）手機激活策略研究

通常情況下手機的激活由網絡完成，但在通信中斷情況下網絡信息缺失，無法正常激活手機，因此需要根據災害現場特點研究手機激活策略。一般在大地震發生時刻，被壓埋人員的手機通常會由于地面晃動而導致手機跌落，手機跌落就會引起加速度發生改變，針對手機的加速度變化設計出一種手機WiFi激活策略，實現手機激活。

（2）廢墟環境下無線信號傳輸模型廢墟環境中由于無線信號傳輸路徑與傳統傳輸路徑不同，手機掩埋的具體位置各異，傳統的無線信道模型不能適應于廢墟環境，無法測量出正確的定位參數。需要研究適應廢墟這種特殊環境的無線信道模型。在地震廢墟環境下使用頻譜分析儀獲取2.4GHz無線信號強度、信號傳輸時延、信號傳輸方向等定位所需的關鍵信息，再通過多模型融合和信號校正獲得正確的功率強度、無線信號方向和信號傳輸時延，為手機協同定位提供正確的基礎數據。

（3）手機協同定位算法研究

基于TDOA 定位技術，結合數據融合思想，研究一種無須先驗信息、利用最小二乘法和BFGS定位結果，進行融合的多算法協同定位，實現對手機的準確定位。利用不同定位算法的協同，經過數據融合處理進行目標的綜合定位，得到更準確可靠的手機估計位置，有效提高了定位精度。

3.技術路線

首先確定系統架構，在此基礎上，實現通信中斷、網絡信息缺失條件下的手機激活；其次，針對地震廢墟現場環境，不同無線傳輸路徑的信道模型不同，手機不同掩埋點信號傳輸特征不同，設計測量方案，對多種地震廢墟環境進行測量，獲取2.4GHz無線信號的傳播模型；最后，基于TDOA 定位技術，利用最小二乘法和BFGS算法定位結果，進行融合的多算法協同定位，開發相應軟件系統完成對手機的準確定位。

技術路線流程圖如圖1所示。

圖1 技術路線流程圖

關鍵技術與研究結果

1.廢墟環境下2.4GHz無線信號傳播模型的測量

本項目對2008年汶川地震重災區北川老縣城遺址進行現場測量，在廢墟環境下獲取2.4GHz無線信號的信號衰減特性，包含大尺度衰落和小尺度衰落兩部分內容。大尺度衰落主要包含信號在自由空間內傳播損耗以及建筑物的材料吸收損耗；小尺度衰落主要包含平均超量時延和均方根時延擴展等參數。

（1）測量系統

測量系統如圖2所示。整個測量系統包含三部分：

①手持式矢量網絡分析儀：分析無線信號數據在測量頻段的頻譜、相位以及S參數；

②前端放大器：放大接收信號；

③發射和接收天線：發送、接收信號。

（2）測量場景

在北川老縣城遺址，選取兩個較典型的場景進行測量，其中，場景1（圖3所示）屬于復合型倒塌結構類型，場景2（圖4所示）屬于翻轉型倒塌結構類型。

圖2 頻域掃頻測量系統框架圖

圖3 (a) 測量場景1整體情況

圖3 (b) 測量場景1內部圖

圖4 (a) 測量場景2整體情況

圖4 (b) 測量場景2內部圖

（3）數據處理

①大尺度衰落

信道大尺度衰落用PL表示，由無線信號在空氣中的自由傳播損耗和建筑物穿透損耗兩部分組成，分別用Afree和Aruin表示。

不同建筑物對無線信號的衰減效應各異，大致可分為墻體和家具等種類。信號經過不同材料時的穿透損耗是由材料的內部組成結構決定的。理論上，可以將混合材料分割后抽象為若干層障礙物疊加的模型，模型損耗可由式（2）表示：

式中，αk表示第k層障礙物材料的損耗因子， hk表示第k層障礙物材料的厚度。

圖5為信號穿過障礙物示意圖。

圖5 信號穿透障礙物示意圖

上述測量場景下，發送和接收天線之間的障礙物主要是鋼筋混凝土墻體，其厚度分別為28cm、26cm。對測量數據處理得到無線信號穿透的損耗因子約為0.72dB/cm。將測量結果代入公式（2），當頻率為2450MHz時，得出無線信號穿過鋼筋混凝土層不同測量點的預測值，并與實際測量值對比，如圖6所示。

圖6 2450MHz鋼筋混凝土層穿透損耗的預測值與測量值

由圖6可知，實際測量值和預測值存在一定誤差，這是由于實際測量場景下的混凝土密度和內部成分差異造成的；而且地震后混凝土層上碎土、碎石堆積以及裂縫等，造成電磁波穿過混凝土層時被吸收、散射、衍射和泄露，使各點的衰減值各不相同。經過計算測量值與預測值誤差約為3.81dB。

②小尺度衰落

對于無線信道的小尺度特性，在本次測量活動的研究中主要分析其平均超量時延和均方根時延擴展。

平均超量時延是功率延遲分布的一階矩，用來衡量信號多徑分量的能量集中度，可以通過對多徑分量幅值的平方進行加權平均計算得到：

實際通信中，由于頻帶有限寬，信號碼元都存在一定的擴展，接收到的每一個碼元都會受到在該脈沖之前其他碼元的擴展干擾，距離該脈沖越近，干擾越大。

為了估計平均超量時延的統計特性，本文首先根據測量的數據擬合出其累積分布函數（Cumulative Distribution Function，CDF），并和伽馬分布、正態分布、對數正態分布、韋伯分布進行比較，如圖7所示，所選的這四種分布都能較好擬合實測的數據。

圖7 RMS時延擴展的RMS分布

其中四種分布模型的估計參數如表1所示。

為了更好地評價所擬合出的這幾種分布模型，本文采用Kolmogorov-Smirnov檢驗（K-S檢驗）和卡方檢驗進行評估，得出實測的數據更符合正態分布和伽馬分布。

表1 所研究分布模型的參數估計值

2.基于WiFi的手機搜索定位系統

定位系統由無線搜索平臺組成，系統結構如圖8所示，系統包含3部分：（1）廢墟下掩埋的手機；（2）手機搜索探測平臺；（3）控制中心。其中被埋手機主要是啟動 WiFi 搜救并與探測平臺進行通信；探測平臺包含WiFi基站和顯示終端，主要實現被困手機信息的采集、傳輸、處理；控制中心實現整個系統的數據處理，定位算法運行和定位結果顯示等。

地震發生后，手機由于強烈震動激活WiFi功能，當搜救平臺進入該區域后，平臺探測手機WiFi信號強度，經過處理后，強度信息通過無線網絡匯總至控制中心，控制中心將信號強度信息結合廢墟環境下無線信號模型，使用定位算法定位被埋壓手機。

（1）手機

手機端安裝程序后，程序自動在系統后臺運行，實時監測手機震動情況，當震動值超出設定閾值，則激活WiFi功能（圖9）。