一種基于卡爾曼濾波函數(shù)的消防員室內(nèi)定位算法研究

趙學(xué)磊

（新疆消防救援總隊，烏魯木齊 830063）

1 消防員滅火救援中面臨的危險

在城市化發(fā)展過程中，各類高層建筑、地下建筑逐漸增多，很多建筑在設(shè)計過程中追求個性化，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)日趨多樣，疏散通道長度增加，疏散路徑更加復(fù)雜，建筑火災(zāi)危險性急速增大，同時這類建筑往往人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)將會對人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅。當(dāng)消防員進(jìn)入這樣復(fù)雜的火場環(huán)境后，現(xiàn)場指揮人員僅能通過對講機(jī)與其進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，對于消防員所處位置和基本環(huán)境情況不能通過有效的手段進(jìn)行獲取，當(dāng)消防員遇到危險后不能組織人員進(jìn)行精準(zhǔn)施救，也不能正確引導(dǎo)其安全撤離火場，消防員自身安全得不到有效保障。近年來，全國消防隊伍在滅火救援過程中犧牲人數(shù)已超300人，受傷人數(shù)達(dá)到數(shù)千人，全國各級消防部門都在積極探索利用消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)確保消防員的人身安全。

2 傳統(tǒng)消防員室內(nèi)定位算法存在的問題

傳統(tǒng)消防員室內(nèi)定位算法基本分為三點定位和慣導(dǎo)定位兩種，本文重點討論三點定位的方法，三點定位法首先要在建筑物內(nèi)或建筑物周邊設(shè)置若干定位基準(zhǔn)信標(biāo)點，持續(xù)向周圍發(fā)送無線信號，定位模塊在同時收到三個以上基準(zhǔn)信標(biāo)點的無線信號后，根據(jù)信號的RSSI 值測算出定位模塊與基準(zhǔn)信標(biāo)點間的距離，并通過一定的算法進(jìn)行修正，最后利用三組以上的距離數(shù)據(jù)計算出定位模塊所在的位置。在復(fù)雜的火場環(huán)境里，RSSI 值非常容易受到火焰、煙氣、高溫和水漬的影響，往往出現(xiàn)較大的波動，造成定位精度偏差較大，直接影響到滅火救援指揮決策，難以確保消防員自身安全。

3 基于卡爾曼濾波函數(shù)的消防員室內(nèi)定位算法實現(xiàn)

卡爾曼濾波函數(shù)具有最小無偏方差的特性，目前廣泛應(yīng)用于計算機(jī)圖像處理、智能導(dǎo)航、傳感器數(shù)據(jù)融合、機(jī)器控制等領(lǐng)域，本文主要利用卡爾曼濾波函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計估算，通過對一組帶有誤差的實際測量的RSSI值進(jìn)行處理，從而得到所需要的定位參數(shù)的最佳估算值。

利用卡爾曼濾波函數(shù)進(jìn)行處理的過程是：不斷對測量值Y（k+1）進(jìn)行更新，并利用Y（k+1）對待求狀態(tài)向量X（k+1）進(jìn)行估計，處理過程中會利用到噪聲協(xié)方差矩陣Qk和觀測噪聲協(xié)方差矩陣Rk兩個參數(shù)，通過對準(zhǔn)確值和待求狀態(tài)向量的觀測值之間誤差的計算和描述，不斷消除誤差對準(zhǔn)確值的影響，最后估算出待求狀態(tài)向量的最佳近似值。在不斷的更新循環(huán)過程中，噪聲協(xié)方差矩陣Qk和觀測噪聲協(xié)方差矩陣Rk設(shè)定了過程噪聲和觀測噪聲值，當(dāng)出現(xiàn)其值與實際測量誤差所等效的過程噪聲和觀測噪聲能夠保持一致的情況時，則卡爾曼濾波函數(shù)所得到的參數(shù)估計值可以與準(zhǔn)確值相等。

離散信號的狀態(tài)方程和測量方程為：

濾波評估方程：

濾波增益方程：

預(yù)測協(xié)防差陣：

濾波協(xié)方差陣：

利用卡爾曼濾波函數(shù)對測量到的RSSI 值進(jìn)行處理最終得到量測數(shù)據(jù)列為Y。

得到定位模塊距基準(zhǔn)信標(biāo)點的距離：我們再根據(jù)多個基準(zhǔn)信標(biāo)點與定位模塊之間的距離，在建筑物平面圖中擬合出消防員大概的位置，為現(xiàn)場指揮的各級指揮員提供重要的輔助決策信息。

4 結(jié)束語

通過實際測試，利用卡爾曼濾波函數(shù)對傳統(tǒng)消防員室內(nèi)定位算法進(jìn)行改進(jìn)，能夠大幅提升定位精準(zhǔn)性，計算結(jié)果基本符合實際需求，能夠成為保障消防員生命安全的重要數(shù)據(jù)支撐，能夠為進(jìn)一步提升滅火救援指揮效能發(fā)揮重要作用。