基于RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)在醫(yī)院暴力預(yù)警中的應(yīng)用

胡亮+湯國平+鮑旭強(qiáng)

摘要：醫(yī)院暴力事件頻繁發(fā)生，不僅給醫(yī)護(hù)人員的身心健康帶來負(fù)面影響，同時(shí)嚴(yán)重妨礙了醫(yī)院正常的就醫(yī)秩序，已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)峻的社會(huì)公共衛(wèi)生問題。為了有效預(yù)防醫(yī)院暴力事件的發(fā)生，因此應(yīng)用室內(nèi)定位技術(shù)，開發(fā)研制了一套醫(yī)院暴力預(yù)警系統(tǒng)，通過系統(tǒng)報(bào)警、實(shí)時(shí)定位和攝像系統(tǒng)，能夠讓安保人員第一時(shí)間采取保護(hù)措施，有效預(yù)防和阻止醫(yī)院暴力事件的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；醫(yī)院暴力；提前干預(yù)

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.09.098

隨著無線通信技術(shù)發(fā)展，基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）在室外的定位幾乎達(dá)到了完美的地步，其良好的定位精度解決了很多實(shí)際問題。然而在室內(nèi)環(huán)境下，由于衛(wèi)星信號受到噪聲、障礙物的阻擋，折射、反射和嚴(yán)重多徑效應(yīng)等環(huán)境因素的影響，GPS的定位精度明顯下降，而且室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，GPS定位已經(jīng)不能滿足室內(nèi)定位的要求。近年來，研究人員開始尋找新的室內(nèi)定位解決方案，如A-GPS定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紅外線技術(shù)、射頻識別技術(shù)（RFID）、超寬帶技術(shù)、無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）、光跟蹤定位技術(shù)，以及圖像分析、信標(biāo)定位、計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)等等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中，超寬帶技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)厘米級別的定位，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但是由于實(shí)施成本較高，目前只應(yīng)用于一些專業(yè)領(lǐng)域。隨著IEEE802.11技術(shù)的不斷成熟，Wi-Fi技術(shù)的普及，能夠最大程度地利用已有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和不斷普及的終端用戶設(shè)備，從而顯著降低了初始成本和長期支持成本。另外，基于Wi-Fi的定位系統(tǒng)還降低了射頻（RF）干擾可能性，因此，Wi-Fi無線定位技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，越來越受到室內(nèi)定位學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

醫(yī)院暴力（即醫(yī)院工作場所暴力）是指衛(wèi)生人員在其工作場所受到辱罵、威脅和攻擊，從而對其安全、幸福和健康造成明確或潛在的挑戰(zhàn)。醫(yī)院暴力事件的頻繁發(fā)生，不僅給醫(yī)護(hù)人員的身體和心理產(chǎn)生惡劣影響，降低了醫(yī)護(hù)人員的職業(yè)幸福感，同時(shí)也嚴(yán)重影響了醫(yī)院的就醫(yī)秩序。本文應(yīng)用Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)，研制了一套醫(yī)院暴力預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)醫(yī)療暴力預(yù)兆或剛發(fā)生時(shí)，醫(yī)務(wù)人員按下隨身攜帶的胸牌卡上的報(bào)警按鈕，啟動(dòng)醫(yī)療暴力預(yù)警系統(tǒng)，向醫(yī)院安保中心發(fā)出求救信號，安保中心收到求救信號后，立即啟動(dòng)對醫(yī)護(hù)人員的實(shí)時(shí)定位，并通過攝像系統(tǒng)及時(shí)了解現(xiàn)場情況，準(zhǔn)確出動(dòng)保衛(wèi)人員維護(hù)現(xiàn)場秩序，從而有效地防止醫(yī)院暴力事件的發(fā)生。

1室內(nèi)定位算法

為了獲取精確的室內(nèi)定位信息，國內(nèi)外一些研究人員提出了許多定位算法，其中應(yīng)用于Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)的算法主要有：基于時(shí)間到達(dá)算法（Time Of Arrival，TOA）、基于到達(dá)的角度算法（Angle Of Arrival，AOA）、到達(dá)的時(shí)間差算法（Time Difference Of Arrival，TDOA）和接收信號強(qiáng)度指示算法（Received Signal Strength Indicator，RSSI）等，其中基于RSSI算法的定位方法具有低成本、低功耗、無需額外硬件開銷等特點(diǎn)，所以RSSI已經(jīng)成為Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)的主要方法。

確定性定位技術(shù)是一種相對簡單的位置指紋定位技術(shù)，該方法依賴于RSSI與物理位置的對應(yīng)關(guān)系，具體分為：訓(xùn)練階段和定位階段。訓(xùn)練階段的工作是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并建立位置指紋數(shù)據(jù)庫，定位階段的工作是進(jìn)行位置匹配工作，計(jì)算實(shí)時(shí)RSSI與對應(yīng)位置指紋數(shù)據(jù)庫中RSSI均值之間的歐式距離，最后找出歐式距離最小的一個(gè)參考位置或K個(gè)參考位置的平均值作為估計(jì)位置，整個(gè)過程如公式（1）所示：

min（D），D=∑ni=1（RSSIi-Pi）2

（1）

其中，i=1，…，n，RSSIi表示實(shí)時(shí)測量的第i個(gè)AP的RSSI，Pi表示位置指紋數(shù)據(jù)庫中第i個(gè)AP的RSSI的均值。

確定性定位算法中最常用的算法是近鄰近算法，近鄰近算法包括最近鄰法（NN）、K最近鄰法（KNN）和WKNN最近鄰法。在環(huán)境因素一定的情況下，能對KNN算法和WKNN算法結(jié)果產(chǎn)生影響的參數(shù)都取決于K值的選取，這里將主要討論最近鄰法（NN）和K最近鄰法（KNN）：（1）最近鄰法是尋找尋找歐式距離最小對應(yīng)參考點(diǎn)位置，即最鄰近參考點(diǎn)位置，直接將它最為測試點(diǎn)位置的估算，其定位精度具有隨機(jī)性，依賴于測試點(diǎn)與最近鄰指紋點(diǎn)的匹配情況；（2）K最近鄰法是最近鄰法的改進(jìn)，將歐式距離進(jìn)行排序，并取K（K≥2）個(gè)歐式距離最小的參考點(diǎn)，計(jì)算參考點(diǎn)位置坐標(biāo)的平均值，將其作為測試點(diǎn)的位置坐標(biāo)，如公式（2）所示：

（x，y）=-1K∑Ki=1（xi，yi）（2）

其中，（x，y）表示測試坐標(biāo)，（xi，yi）是前K個(gè)參考點(diǎn)中第i個(gè)參考點(diǎn)的坐標(biāo)。

經(jīng)過測試和實(shí)驗(yàn)，當(dāng)K的取值為1、2、3時(shí)，平均定位誤差、均方根誤差、標(biāo)準(zhǔn)差以及誤差最大值和最小值之間的差值，隨K值的增大而減?。划?dāng)K的取值為4、5時(shí)，定位誤差的相關(guān)數(shù)據(jù)隨著K值的增大幾乎都增大了。因此，對于本實(shí)驗(yàn)來說K值為3是定位精度最好。

2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和基本功能

系統(tǒng)主要由Wi-Fi定位標(biāo)簽、低頻觸發(fā)定位器、AP定位器、移動(dòng)端SDK、攝像系統(tǒng)和后端定位管理中心等六部分組成（如圖1所示）。

基本工作原理為：低頻觸發(fā)定位器的天線產(chǎn)生125KHz的低頻信號場，當(dāng)我們的定位標(biāo)簽進(jìn)入這個(gè)信號磁場并按下報(bào)警按鈕后，會(huì)感應(yīng)到這個(gè)磁場的ID，并會(huì)在數(shù)據(jù)包里加入這個(gè)磁場的ID，發(fā)出的2.4GHZ信號，這樣AP收到的信號中不僅包含了信號強(qiáng)度還包括磁場ID，服務(wù)器收到這個(gè)信息，再結(jié)合RSSI三角定位算法，就可以得到一個(gè)比較精確的定位結(jié)果。

2.1Wi-Fi定位標(biāo)簽

將對人體無害的，雙頻定位電子標(biāo)簽（2.4GHz和125KHz）集成于醫(yī)護(hù)人員胸牌上，如圖2所示。為了保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的隱私，Wi-Fi定位標(biāo)簽卡在非報(bào)警狀態(tài)下不發(fā)出信號，當(dāng)遇到醫(yī)療暴力時(shí)，醫(yī)務(wù)人員按下報(bào)警按鈕后，Wi-Fi定位標(biāo)簽卡才發(fā)出報(bào)警信號。Wi-Fi定位標(biāo)簽由單片機(jī)、125K低頻接收模塊、24GHZ信號發(fā)射模塊、陶瓷天線等部分組成。125K低頻接受模塊用于接受低頻信號，在單片機(jī)的協(xié)調(diào)下發(fā)射24GHZ信號。endprint

2.2低頻觸發(fā)定位器

觸發(fā)定位器通過天線可以持續(xù)不間斷的發(fā)射信號，每個(gè)天線的信號包含了唯一ID，記錄位置信息，在天線覆蓋的特定區(qū)域內(nèi)能激活進(jìn)入信號范圍的低頻標(biāo)簽。觸發(fā)定位器安裝方便，只需要接通電源即可，布線簡單，觸發(fā)定位器可以同時(shí)支持6個(gè)天線，每個(gè)天線覆蓋范圍從1米到6米可調(diào)。

2.3AP定位器

AP定位器采用2.4GHz頻段，支持802.11b/g/n模式和無線探針掃描功能，能夠識別周圍存在的Wi-Fi設(shè)備，如AP、Wi-Fi標(biāo)簽、Wi-Fi手機(jī)、PDA、筆記本等；可轉(zhuǎn)發(fā)Wi-Fi標(biāo)簽的報(bào)警功能，如按鈕報(bào)警、低電壓報(bào)警和拆卸報(bào)警等；可上報(bào)信號強(qiáng)度（RSSI），判斷Wi-Fi終端距離的遠(yuǎn)近；支持企業(yè)級無線數(shù)據(jù)傳輸功能，具有無線掃描成功率高，信號強(qiáng)度的特點(diǎn)。

2.4移動(dòng)端SDK

工作人員可以通過微信或APP隨時(shí)隨地查看和處理報(bào)警。支持跨平臺（Android/iOS/微信/網(wǎng)頁/PC）的一款定位導(dǎo)航開發(fā)包，能方便迅速地集成到第三方APP或HTML5應(yīng)用中。

2.5攝像系統(tǒng)

在醫(yī)護(hù)人員啟動(dòng)報(bào)警功能后，系統(tǒng)將根據(jù)定位信息自動(dòng)啟動(dòng)定醫(yī)護(hù)人員附近的攝像頭。監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)查看攝像信息，并且根據(jù)設(shè)定條件彈出多個(gè)視頻窗口，軌跡回放時(shí)也可以同時(shí)調(diào)取相應(yīng)時(shí)間地點(diǎn)的錄像。通過視頻聯(lián)動(dòng)，使監(jiān)控中心準(zhǔn)確判斷出醫(yī)院暴力事件的類型和級別，使醫(yī)院安保系統(tǒng)做出正確的判斷和反應(yīng)。

2.6后端定位管理中心

主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析處理，根據(jù)信號強(qiáng)度（RSSI）算法進(jìn)行三角定位，計(jì)算出報(bào)警標(biāo)簽的位置，并通過電子地圖進(jìn)行查看。管理人員可鎖定一個(gè)或多個(gè)定位標(biāo)簽，按時(shí)間段播放，顯示移動(dòng)，地圖切換。

3討論

在過去的十年間 （2003-2013年），暴力傷醫(yī)事件的數(shù)量和造成的危害是觸目驚心的，共發(fā)生101 起嚴(yán)重暴力襲醫(yī)事件，其中23 起殺醫(yī)事件造成24名醫(yī)護(hù)人員死亡，占整個(gè)醫(yī)療暴力事件的 23%。根據(jù) 2012 年中國醫(yī)院協(xié)會(huì)公布的一組數(shù)據(jù)顯示，2008 年平均醫(yī)院發(fā)生醫(yī)護(hù)被襲事件為 20.6 起，可到了2012 年，這個(gè)數(shù)據(jù)陡增到27.3起。僅在2013 年10 月17日到 27 日的十天時(shí)間內(nèi)，就發(fā)生了6起暴力襲醫(yī)事件，造成 2 名醫(yī)生死亡，6 位醫(yī)生受重傷。醫(yī)院暴力事件已經(jīng)是全球現(xiàn)象，并且呈逐年上升趨勢，嚴(yán)重危及醫(yī)護(hù)人員的人身安全。

然而，醫(yī)院暴力不是一個(gè)偶發(fā)事件，其發(fā)生、發(fā)展必然經(jīng)歷一個(gè)過程，大部分醫(yī)院暴力事件具有可預(yù)防、可干預(yù)性。本文應(yīng)用室內(nèi)定位技術(shù)研制的“醫(yī)院暴力預(yù)警系統(tǒng)”具有報(bào)警方式隱蔽、定位精度高（定位精度 ≤ 2米）、實(shí)時(shí)定位、視頻聯(lián)動(dòng)等功能和特點(diǎn)，為防范醫(yī)院暴力、保證醫(yī)護(hù)人員的人身安全提供了新的思路和手段。

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