信息可視化技術在消防搜救中的應用研究

摘要：考慮到國內消防搜救的現狀和需求以及國外相關產品的先進技術，提出消防搜救可視化技術的設計應用。系統采用“微慣導+藍牙”融合定位技術，實現室內人員位置探測，同時設計生命體征探測模塊，實時監控消防員的心率、呼吸頻率、體表溫度、血壓等身體特征指標，實現信息綜合顯示。系統以穿戴方式使用，不僅穿戴輕便而且精準的掌握搜救人員的室內定位以及實時身體狀況，實現了我國消防搜救現狀的功能提升和實用創新，有一定的研究意義。

關鍵詞：消防;定位技術;生命體征;可視化

中圖分類號：TN402 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0192-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 背景

遵照《裝備建設規劃》中消防可視化搜救設備與指揮平臺的定義和定位，秉持“首戰用我，用我必勝”的自信和勇氣，參照國外相關產品的先進設計經驗，中航華東光電有限公司致力于消防搜救智能設備研發，目前已有應用于消防搜救的頭盔式紅外熱像儀，見圖1，該產品通過了國家消防裝備質量監督檢驗中心認證。本系統設計旨在實現全方位、多維度的保障火災中救援的消防人員的安全，提出人員定位與生命體征信息可視化技術，保障消防員自身安全的情況下，快速完成救援工作。

2 定位導航模塊

本系統采用的是“微慣導定位”與“藍牙技術”相結合的定位導航模式。不同于其他的定位系統，慣導定位技術可以不依賴無線基站、電子標簽、導航衛星等輔助的設備，不需要先驗的數據，他是完全自主式的，而藍牙技術可以布設便捷，兩者相結合，可以更加精準、快速地實現定位導航。

2.1“微慣導+藍牙”融合定位

微慣導系統是一種基于微機電傳感器技術的微型慣性導航系統，基本結構為加速度計和陀螺儀以及微處理器，除此以外，氣壓計、磁力計等MEMS器件也可以根據實際需求進行相應的增加。目前很多的場景定位都是單一使用慣導定位的，沒有配合任何輔助定位手段。而純慣導定位技術，適用于室內的小場景，行走在改場景下，位置和角度的漂移并不是很明顯。但是，本系統的應用是火災搜救現場，特定的環境條件致使純慣導系統出現兩個問題：一是精度問題，雖然在目前業內的純慣導系統有0.3%的精度相對較高，但是火災現場場景較大，環境未知，所以，慣導技術自身的固有漂移率導致定位結果產生較大的累積誤差，圖2給出了對于一個面積約200m*300m的范圍，利用純慣導定位的位置定位效果圖.可見定位效果欠佳。

二是純慣導技術的使用較為復雜，純慣導系統輸出的是相對軌跡，使用時需要所有人的軌跡可以統一在一個坐標的系統中，目前該系統實現的方法是保證所有人員在出發前需要共同經過同一段長直線，最后在應用層將大家的軌跡旋轉到一個統一的坐標中，又或者是安置兩個相隔10米以上的腳墊，系統需要保證所有人可以依次踩到兩個腳墊，最后通過后臺的旋轉，也可以將所有人統一到一個坐標。但是這兩種方法在火災搜救現場中實施困難較大。

針對上述問題，本系統采用藍牙技術輔助定位方式。藍牙技術主要用于室內定位，但是該技術有一定的局限性，比如發射范圍比較小、易受環境影響和干擾、定位的精度不高。然而藍牙技術的優勢是設備輕巧、成本較低，在實際應用中，藍牙布設方便，可以靈活的適應環境，這個優勢非常適用于現場環境未知的消防搜救的應用。

所以本系統采用高精度的慣導定位為主，同時藍牙技術輔助配合的模式，在進行慣導定位的同時，臨時布設藍牙信標。圖3給出與圖2 -樣的約200m*300m范圍的定位效果圖，該定位采用慣導技術，并輔助布設了3個藍牙信標（紅色標識）。

對比圖2與圖3的效果，可以看出，采用高精度的微慣導定位模塊結合藍牙信標做的數據融合定位，通過修正算法引擎將兩者的數據融合、優化后，可以快速地將所有人的相對軌跡統一到第一個人的坐標系中，定位精度高、速度快。

2.2 定位傳感器

定位傳感器采用微慣導結構，體積小、功耗低，可固定于定制鞋墊中。

定位導航系統主要包括數據采集模塊、數據處理模塊以及導航解算模塊等三大部分，數據采集模塊主要包括慣性傳感器和智能主機對數據的采集，慣性傳感器數據保存在SD卡中;數據處理模塊主要是對所采集的數據中的無效值進行剔除;導航解算模塊：1）對于三軸加速度計和三軸陀螺儀信息在數據預處理后進行實時的捷聯慣性導航解算，得到人體的姿態、速度、位置等信息;同時利用零速綜合判定條件對人體是否處于零速狀態進行檢測，當檢測到足部處于零速區間時，對速度、位置以及航向構建量測信息，通過基于多運動模態辨識的慣性誤差組合濾波修正方法對導航結果進行實時修正;2）當WiFi信號接收設備連續地接收到位置指紋庫中存儲的三個對應AP的信號強度值時，采用KNN算法和位置指紋庫的指紋特征信息對當前位置進行定位匹配;3）當采集到的WiFi信號數據無效時，將慣性組合濾波算法結果作為定位導航系統的最終定位結果;當WiFi信號數據有效時，將基于RSSI位置指紋的WiFi指紋匹配位結果與慣性組合濾波解算結果進行比較，如果兩者的距離差大于設定閾值，則仍使用慣性組合濾波算法的結果;當兩者的距離差小于設定閾值時，則將WiFi指紋匹配定位結果和慣性組合濾波定位結果進行加權平均作為該點最終的定位結果。

3 生命體征探測模塊

該模塊結合多傳感器技術、嵌入式技術以及網絡通信技術，用于消防員生命體征的監測，將消防員的生命體征值可視化，確保指揮中心可以第一時間準確地掌握前線消防戰士的生命狀態。生命體征模塊監測內容包括：消防員的心率、呼吸頻率、體表溫度、血壓等身體特征指標，并設定了正常對比值，當出現身體狀態出現異常時可以立即報警。

生命體征探測由生命體征傳感器、信息處理微控制器和藍牙傳輸裝置等三部分組成，如圖4所示。

生命體征傳感器包括：1）皮膚溫度傳感器;2）心率傳感器;3）呼吸率傳感器;和4）血壓傳感器等，用于捕捉生命狀態。可實現對消防員的心率、呼吸率、體溫、血壓等生命體征的采集。

消防員在進入火場救援時，佩戴于腕部，采集的數據通過微處理器進行數據處理后，再通過藍牙傳輸模塊，將信息上報給消防搜救可視化與指控平臺的處理終端。處理終端可將收到的生命體征信息進行處理分析，將數據實時顯示在顯示終端上，并可回傳至指揮控制中心，對異常數據進行報警處理。

消防員生命體征監測系統由生命體征信息采集終端和數據處理終端兩部分組成。手環或心率帶兩種生命體征信息采集終端形式具有佩戴方便、探測準確，其外形示意圖如圖5所示。

4 結束語

本系統采用MEMS慣導+藍牙的融合定位技術與生命體征探測系統相結合，結合多種探測傳感技術，以穿戴的方式進行模塊設計，不僅定位精度高、攜帶方便，而且還能探測人體姿態，確保及時了解人員健康狀況。本系統的應用實現搜救現場可視化、搜救人員安全保障多樣化，當消防隊員遇到危險時，通過系統報警可以快速得到救助。

參考文獻：

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【通聯編輯：謝媛媛】

作者簡介：朱標（1983-），男，安徽界首人，工程師，碩士，研究方向為增強現實技術、信號與信息處理。