顯示生命體征的海上落水人員智能搜救系統(tǒng)

曹 文 李川濤 司高潮 姚永杰 王 偉 戴圣龍*

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心航空醫(yī)學(xué)研究室，上海200433）

世界上最早研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家是美國(guó)和俄羅斯，我國(guó)直到20 世紀(jì)80 年代才開始進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究，相對(duì)于美俄起步較晚。2000 年，我國(guó)成功建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)；2012 年，我國(guó)正式向亞太地區(qū)提供無(wú)源定位、導(dǎo)航和授時(shí)等服務(wù)。顯示生命體征的海上落水人員智能搜救系統(tǒng)是在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將海上作業(yè)意外落水人員的實(shí)時(shí)定位信息和身份信息傳遞給岸基指揮系統(tǒng)，輔助海上作業(yè)意外落水人員進(jìn)行導(dǎo)航通訊，生命體征監(jiān)測(cè)等功能，幫助岸基指揮平臺(tái)提供及時(shí)有效的救援工作。較好地解決了海上作業(yè)人員意外落水后的搜救工作，極大地減少了海上作業(yè)過程中的人員傷亡。

1 北斗智能搜救系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主要功能

本智能搜救系統(tǒng)主要由個(gè)人佩帶的終端和船載的中心構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。

圖1 終端結(jié)構(gòu)圖

圖2 中心結(jié)構(gòu)圖

其中，①為北斗發(fā)射模塊，②為供電模塊，③為生理參數(shù)采集模塊。

其中，④為北斗接收模塊，⑤為輸入控制模塊，⑥為顯示模塊。

北斗發(fā)射模塊：采集落水者的實(shí)時(shí)位置信息和生命體征信息，經(jīng)過數(shù)字化處理后，以短消息形式發(fā)送至船載北斗信號(hào)接收端。將北斗一代天線和二代天線疊在一起，利用北斗二代更為精確的接收裝置來(lái)確定位置，通過北斗一代的短消息功能來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

供電模塊：采用成熟鋰電池，為終端供電。

生理參數(shù)采集模塊：利用自制的呼吸、心跳頻幅傳感器采集落水者的呼吸信號(hào)，設(shè)計(jì)濾波電路降低水面風(fēng)、流、浪、涌對(duì)傳感器的干擾，并將結(jié)果數(shù)字化，傳送至終端處理器，采集落水者的生命體征信息。

北斗接收模塊：配置在救援平臺(tái)，接收終端發(fā)出的衛(wèi)星信號(hào)，并將其傳送至中心處理器。將C 型天線至于救援平臺(tái)的合適位置，避免與救援平臺(tái)自身攜帶的電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，從而接收有效信息。

輸入控制模塊：配置在救援平臺(tái)，輸入控制指令，實(shí)時(shí)指揮救援工作，能有效地根據(jù)反饋信息實(shí)時(shí)指揮。

終端處理器：接收北斗模塊的定位數(shù)據(jù)以及生命體征信息，加密處理后再將其打包，發(fā)送至船載信號(hào)接收端。

中心處理器：配置在救援平臺(tái)，接收終端發(fā)出的衛(wèi)星信號(hào)，將數(shù)據(jù)解密后，通過配套的軟件自動(dòng)分析當(dāng)前落水者待救援情況，并形成相應(yīng)的救援方案，從而更好地展開救援工作。

2 北斗智能搜救系統(tǒng)工作原理

2.1 北斗智能搜救系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容和特點(diǎn)

低功耗北斗衛(wèi)星定位應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，以北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)為主,融合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)兩大資源，發(fā)揮兩種衛(wèi)星定位系統(tǒng)的各自優(yōu)勢(shì)。該研究?jī)?nèi)容主要包含:北斗定位系統(tǒng)與GPS 系統(tǒng)雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合研究, 北斗通訊和無(wú)線通信雙通信機(jī)制；定位信號(hào)的自主，可靠、保密性研究。

低功耗信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)的研制，低功耗信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)是本系統(tǒng)的重要組成部分，只有通過它才能將落水者的位置信息、身份信息、狀態(tài)信息等發(fā)送給遠(yuǎn)洋船舶上的搜救指揮系統(tǒng)，并且在滿足信號(hào)發(fā)射要求的基礎(chǔ)上做到低功耗，具體措施為：選用盡量簡(jiǎn)單的CPU 內(nèi)核，在選擇CPU 內(nèi)核時(shí)切忌一味追求性能，8 位機(jī)夠用，就沒有必要選用16 位機(jī)，選擇的原則應(yīng)該是“夠用就好”；選擇低電壓供電的系統(tǒng)；合理選擇系統(tǒng)工作頻率；選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)；盡量選擇集成度高的單片機(jī)；在滿足應(yīng)用要求的前提下，選擇配置較低的單片機(jī)，較小的RAM/ROM、較低的ADC 分辨率、較少的IO 管腳都可以減低單片機(jī)的整體功耗，使系統(tǒng)能夠工作盡可能長(zhǎng)的時(shí)間。

落水人員搜救指揮系統(tǒng)的研制，落水人員搜救指揮系統(tǒng)對(duì)所有佩戴智能搜救定位裝置的人員進(jìn)行安全監(jiān)控，時(shí)刻保護(hù)人員海上安全作業(yè)；當(dāng)人員遇險(xiǎn)落水，智能定位裝置發(fā)出求救信號(hào)后，系統(tǒng)平臺(tái)自動(dòng)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)，并在系統(tǒng)平臺(tái)中通過語(yǔ)音和圖標(biāo)閃爍的方式提示告警。

當(dāng)接收到來(lái)自智能定位裝置的報(bào)警信號(hào)后，可立刻查看遇險(xiǎn)人員身份信息（包含所屬船舶、姓名、年齡、聯(lián)系方式、親屬及聯(lián)系方式等）及遇險(xiǎn)人員實(shí)際位置，并通過上述信息對(duì)遇險(xiǎn)人員進(jìn)行確認(rèn)及聯(lián)系相關(guān)人員。通過落水人員搜救指揮系統(tǒng)搜集遇險(xiǎn)人員周邊海上搜救力量（可接入AIS 系統(tǒng)、北斗船舶監(jiān)控系統(tǒng)），并向其發(fā)出應(yīng)急搜救指令，實(shí)時(shí)調(diào)度指揮搜救。

智能搜救系統(tǒng)可滿足落水人員應(yīng)急救援的需要，由涉海人員隨身攜帶，實(shí)現(xiàn)海上人員遇險(xiǎn)自動(dòng)報(bào)警、衛(wèi)星精確定位、位置持續(xù)跟蹤，可以解決目前海上搜救工作中面臨的“無(wú)法及時(shí)獲取遇險(xiǎn)人員報(bào)警信號(hào)”和“無(wú)法確定遇險(xiǎn)人員位置”的難題，其特點(diǎn)為：

a.定位通信雙向功能：同時(shí)具有定位和通信兩種功能，可實(shí)時(shí)將遇險(xiǎn)人員告警及位置信息發(fā)送至船上搜救指揮系統(tǒng)；

b.信號(hào)覆蓋面廣：可覆蓋全球；

c.可實(shí)現(xiàn)快速搜救：能夠及時(shí)準(zhǔn)確獲取遇險(xiǎn)人員告警信息及遇險(xiǎn)位置，可隨時(shí)協(xié)調(diào)周邊船舶及搜救直升機(jī)等海上搜救力量，直線式搜救，告別傳統(tǒng)的“拉網(wǎng)式船海搜救模式”；

d.大幅降低搜救成本：由于能夠快速準(zhǔn)確的獲取遇險(xiǎn)位置信息，大大減少搜救力量的投入，大幅縮短搜救時(shí)間，可大幅降低海上應(yīng)急搜救成本；

e.提高遇險(xiǎn)人員搜救成活率：海上生存環(huán)境惡劣，人員遇險(xiǎn)落水后即面臨淡水、寒冷、饑餓、大型海洋生物等方面威脅，本系統(tǒng)可大大縮短搜救時(shí)間，可在最短的時(shí)間內(nèi)讓遇險(xiǎn)人員脫離上述危險(xiǎn)環(huán)境，提供遇險(xiǎn)人員搜救成活率。

2.2 北斗智能搜救系統(tǒng)工作原理

智能搜救系統(tǒng)主要由個(gè)人佩帶終端和船載指揮中心兩部分組成。個(gè)人佩帶終端主要由低功耗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、低功耗信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、低功耗報(bào)警觸發(fā)系統(tǒng)、能源供給系統(tǒng)、生命體征探測(cè)系統(tǒng)、人員基本信息存儲(chǔ)系統(tǒng)等組成（如圖3）。船載指揮中心主要由大功率信號(hào)接收及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和落水人員搜救指揮平臺(tái)（軟件）系統(tǒng)組成（如圖4）。

圖3 個(gè)人佩帶終端

圖4 船載指揮中心

當(dāng)船上人員意外落水時(shí)，其所佩帶的個(gè)人佩帶終端遇水觸發(fā)，立即對(duì)落水人員的位置信息和身份信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，生理參數(shù)采集模塊對(duì)落水者的生命體征信息進(jìn)行采集，信息采集完成后，通過個(gè)人佩帶終端的低功耗信息發(fā)射系統(tǒng)，自動(dòng)將所采集到的信息直接發(fā)給岸基（船載）落水人員搜救指揮中心，指揮中心自動(dòng)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)，并在系統(tǒng)平臺(tái)中通過語(yǔ)音和圖標(biāo)閃爍的方式提示告警。當(dāng)接收到來(lái)自智能定位系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)后，指揮中心可立刻查看遇險(xiǎn)人員身份信息（包含所屬船舶、姓名、年齡、聯(lián)系方式、親屬及聯(lián)系方式等）及遇險(xiǎn)人員實(shí)際位置，并通過上述信息對(duì)遇險(xiǎn)人員進(jìn)行確認(rèn)及聯(lián)系相關(guān)人員，讓整個(gè)救援搜救過程有據(jù)可查、透明、直觀，縮短搜救時(shí)間，為今后的搜救工作總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。另外，在有多人落水的情況下，系統(tǒng)發(fā)回的信息有利于救援組織優(yōu)化救援力量的分配，有利于根據(jù)不同落水者的情況進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別的規(guī)劃，從而做出及時(shí)有效的救援方案，順利完成救援工作。

3 結(jié)論

基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的智能搜救系統(tǒng)充分利用和發(fā)揮了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的特有功能，通過人員落水時(shí)身上佩帶的個(gè)人佩帶終端, 將求救人員位置信息、身份信息和生命體征信息發(fā)給岸基（船載）落水人員搜救指揮系統(tǒng)，從而使岸基搜救指揮系統(tǒng)快速的做出反應(yīng)，極大地提高了對(duì)落水人員的救援速度和精度。本智能搜救系統(tǒng)受外部環(huán)境影響較小，在晚間及風(fēng)浪較大的環(huán)境下仍具備快速定位和落水自動(dòng)報(bào)警能力，有利于船上人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)情況并開展救援，為救援爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。本智能搜救系統(tǒng)在人員落水后可自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)上傳落水人員位置、身份、及一定的生命體征信息，有利于救援人員根據(jù)落水人員的生命體征信息提前做好救援后的搶救工作。另外，在有多人落水的情況下，系統(tǒng)發(fā)回的信息有利于救援組織優(yōu)化救援力量的分配，有利于根據(jù)不同落水者的情況進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別的規(guī)劃。當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，人類的生產(chǎn)領(lǐng)域和生活方式不斷拓展，救援定位技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，上述產(chǎn)品的應(yīng)用也可延伸到礦難救災(zāi)、水災(zāi)救援、消防救援、以及探險(xiǎn)旅游等行業(yè)，其社會(huì)效益非常大。隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，顯示生命體征的海上落水人員智能搜救系統(tǒng)在搜救方面會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。