室內(nèi)定位技術(shù)在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用探討和技術(shù)實踐

周千里

(北京市公安局信息通信處,北京 100740)

0 引言

隨著 GPS技術(shù)在全球各個領(lǐng)域和行業(yè)的廣泛應(yīng)用,使定位技術(shù)越來越受到人們的重視,從人們?nèi)粘＼噧?nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)、個人手機定位服務(wù)到物流運輸?shù)母?無處不應(yīng)用到位置信息服務(wù)。同樣,在公共安全領(lǐng)域,GPS定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于公安指揮調(diào)度、警力動態(tài)部署、應(yīng)急現(xiàn)場快速處置等警務(wù)實戰(zhàn)中,為精確指揮、準確打擊提供了重要的手段。但是,由于GPS本身技術(shù)的限制,使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的定位信號不能夠有效穿越建筑物的屋頂或墻壁,從而導(dǎo)致該技術(shù)只能實現(xiàn)室外露天環(huán)境的定位應(yīng)用,不能解決室內(nèi)環(huán)境的定位問題。

然而,公共安全領(lǐng)域的工作在很多情況是在室內(nèi)環(huán)境開展的,如大型體育館的勤務(wù)活動,民警在地鐵站、機場車站的巡邏,消防隊員建筑物內(nèi)的滅火行動,災(zāi)難現(xiàn)場的救援處置等等,指揮部門都需要實時動態(tài)掌控一線警力的分布狀況和位置信息,所以如何通過技術(shù)手段來解決這一難題,滿足業(yè)務(wù)實戰(zhàn)的需求將成為亟待解決的問題。

1 國內(nèi)外室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

對于室內(nèi)定位技術(shù)和應(yīng)用的探索在世界范圍內(nèi)其實早就開始,從早期的利用 GPS轉(zhuǎn)發(fā)器將 GPS信號引入封閉空間實現(xiàn)模糊定位,利用基站對進入室內(nèi)的手機定位導(dǎo)航,到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于物流等方面的 RFID技術(shù)完成貨物的定位。如美國的 Sonitor公司就成功利用超聲波定位技術(shù),實現(xiàn)了醫(yī)院內(nèi)對重點病人的定位和監(jiān)控;全球各大物流配送公司利用RFID技術(shù)實時跟蹤和定位運輸?shù)呢浳?實現(xiàn)了對配送貨物的實時監(jiān)控;美國 Ekahau公司充分利用無線局域網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了 Wi-fi定位能力,在醫(yī)院、零售、礦井等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在公共安全領(lǐng)域方面,美國較早將定位服務(wù)應(yīng)用于緊急救援中,1996年,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)發(fā)布E911規(guī)則,以法律的形式要求電信運營商為應(yīng)急事件管理部門提供手機用戶的位置信息,以便及時救援,該法案還對定位服務(wù)的進度提出了硬性要求,故運營商也采用了能夠進行室內(nèi)定位的LBS①LBS-Location Based Service,移動位置服務(wù),它是通過電信移動運營商的網(wǎng)絡(luò)獲取移動終端用戶的位置信息(經(jīng)緯度坐標),在電子地圖平臺的支持下,為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。技術(shù);在國內(nèi),上海長城金點公司利用以色列Ituran系統(tǒng)構(gòu)建了全上海市范圍的無線定位測控網(wǎng)絡(luò),能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)目標的定位,目前已經(jīng)能夠為城市應(yīng)急聯(lián)動、公安、消防等多個公共安全部門提供服務(wù)。

但目前從整體上看,在國內(nèi)室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段,筆者認為其中的原因,一方面是由于相關(guān)的室內(nèi)定位技術(shù)在國內(nèi)還處于發(fā)展階段,有的技術(shù)還停留在理論研究,沒有成熟的商用產(chǎn)品;另一方面室內(nèi)定位技術(shù)種類繁多,不同技術(shù)應(yīng)用的范圍和服務(wù)的場景又不盡相同,而由于缺乏對具體業(yè)務(wù)的詳細分析,造成需求不明確,不知道具體選用哪種技術(shù)來滿足自身業(yè)務(wù)的要求。

2 室內(nèi)定位技術(shù)在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用探討

隨著各類突發(fā)性、災(zāi)難性事件在大城市的頻發(fā),公共安全領(lǐng)域?qū)κ覂?nèi)定位的需要在不斷增加并且越來越迫切。

通過調(diào)研分析,我們認為目前室內(nèi)定位在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在三方面,即室內(nèi)日常警務(wù)工作、臨時性勤務(wù)以及應(yīng)急突發(fā)事件的處置。三種應(yīng)用對室內(nèi)定位的精度、容量、部署方式等方面要求各不相同,所以在實現(xiàn)手段的選擇上就要求對每種應(yīng)用的特點進行綜合分析考慮,最終找出最可行、最有效的技術(shù)實現(xiàn)方式。

2.1 室內(nèi)日常警務(wù)工作的需要

在大型的火車站、汽車站、地鐵、機場等交通樞紐,人流大,環(huán)境復(fù)雜,是各類治安、刑事案件的高發(fā)區(qū)域,同時也是反恐處突的重點防范區(qū)域,所以一般在這類地點會有專門的部門或多家單位共同開展工作,大量警力會出現(xiàn)在這些場所。作為上級指揮調(diào)度部門的指揮員,需要實時掌握投入警力的位置分布狀況和出勤到位的情況,為突發(fā)事件的快速處置以及民警到崗到位情況的考核提供數(shù)據(jù)和決策輔助。這就需要通過技術(shù)手段實現(xiàn)對警力的定位以及定位信息的可視化展現(xiàn)。

應(yīng)用特點:人流密度大,區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜且面積大,相對封閉;工作模式基本固定,警力主要以巡邏方式開展工作,活動范圍相對固定;區(qū)域內(nèi)有一些系統(tǒng)搭建的基礎(chǔ)設(shè)施,如供電,在展示上也有工程圖或三維立體的電子地圖,有利于定位點的展示。

需求分析:定位精度要求相對較高,能夠適應(yīng)人流密度大的環(huán)境;系統(tǒng)的部署方式要盡量簡單易行,充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施,不改變或不破壞已有的設(shè)施;由于需要長期使用,故系統(tǒng)設(shè)施應(yīng)該有外接電源供電;避免與現(xiàn)有建筑物內(nèi)的其他系統(tǒng)發(fā)生干擾;系統(tǒng)容量要求相對較大,民警佩戴的設(shè)備要小型化、便攜化,避免增加民警負擔;定位數(shù)據(jù)的采集要實時,展示方式要直觀。

2.2 臨時性勤務(wù)的需要

針對臨時性各類大型的安全保衛(wèi)勤務(wù)活動,需要大量的警力在活動現(xiàn)場開展工作,由于現(xiàn)場的人員密度大,不易控制,警力的分布也相對分散,所以需要現(xiàn)場指揮部能夠?qū)崟r掌控上勤警力的位置分布狀況。例如在大型場館的各類體育比賽、演唱會、群眾性集會活動、展覽會等,由于人員密度大,情緒激動,容易造成現(xiàn)場混亂或失控的情況,對警力分布的有效掌握,將有利于現(xiàn)場突發(fā)狀況的控制和處置。

應(yīng)用特點:勤務(wù)的地點一般都是事先通知,具有準備的時間,勤務(wù)是臨時性的,活動舉行完成后就結(jié)束;警力的組成是各個相關(guān)單位共同參與的;開展勤務(wù)的區(qū)域狀況和基礎(chǔ)設(shè)施具有不確定性。

需求分析:系統(tǒng)的部署要求快速,不依賴現(xiàn)場的各種設(shè)施,具有能夠全程獨立支撐勤務(wù)工作的能力;整套系統(tǒng)具備較強的便攜性,能夠快速展開,使用完畢后又能夠較快地撤走;具備較強的靈活性,能夠適應(yīng)各種不同的應(yīng)用環(huán)境;基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)采用電池供電方式,能夠提供幾天的持續(xù)供電;由于環(huán)境不固定,所以定位精度要求一般,能夠知道大致位置即可;考慮到現(xiàn)場上勤警力的數(shù)量,系統(tǒng)容量要求較高。

2.3 應(yīng)急突發(fā)事件處置的需要

對于一些重大突發(fā)事件的處置,由于核心現(xiàn)場一般具有高危險性,處置人員的位置信息獲取極為重要,指揮員不僅能夠通過位置信息指導(dǎo)現(xiàn)場處置人員行動,還能夠根據(jù)現(xiàn)場需要動態(tài)調(diào)整其分布。例如,消防隊員進入濃煙密布的著火建筑物救火,特警隊員進入封閉區(qū)域解救人質(zhì)或排除爆炸物,救災(zāi)隊員在廢墟下進行營救行動等等。

應(yīng)用特點:現(xiàn)場環(huán)境具有不確定性,條件可能非常惡劣,一般不具備在核心區(qū)域架設(shè)設(shè)備的條件;人員環(huán)境相對簡單,建筑物阻擋情況不能確定;需要定位的人員數(shù)量不會很多,需要知道所處的位置。

需求分析:系統(tǒng)具備很強的堅固性,能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件;架設(shè)方便靈活快捷,能夠不依賴外在條件獨立運行,且不需要在核心區(qū)域內(nèi)架設(shè)設(shè)備;系統(tǒng)容量不要求很大,但要提供準確位置;供電僅需能夠滿足處置的實際需要即可。

三種室內(nèi)定位應(yīng)用需求見表1。

3 室內(nèi)定位系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)分析

室內(nèi)定位系統(tǒng)(IPS)在實現(xiàn)上具有多種技術(shù),目前國際上比較普遍的是采用 RTLS技術(shù)標準來實現(xiàn)目標室內(nèi)定位,一般分為兩個環(huán)節(jié),一是目標點的定位技術(shù),二是定位信息的傳輸技術(shù)。而在目標點的定位技術(shù)方面,根據(jù)位置計算的主體不同,又可分為網(wǎng)絡(luò)定位方式和終端定位方式兩種。

表1 三種室內(nèi)定位應(yīng)用需求比較

3.1 定位技術(shù)

從室內(nèi)定位技術(shù)的實現(xiàn)原理上看,一般采用鄰近檢測(Proximity Detection)、接收信息強度指示(RSSI)、到達時間 (TOA)、到達時間差 (TDOA)、到達角度(AOA)等幾種方式,再結(jié)合幾何上的算法,如三邊定位法、三角定位法、雙曲線定位法,實現(xiàn)對目標點的相對位置確定。從具體的實現(xiàn)方式上來看,有多種技術(shù)能夠完成室內(nèi)定位的功能,如紅外線、超聲波、藍牙、無線局域網(wǎng)、超寬帶、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻定位、激光定位等等。除此之外,還有幾種可以用于精度不太高的室內(nèi)定位方式,如基于基站的定位方案(LBS)、以色列的 Ituran系統(tǒng)等,這些技術(shù)都是基于室外的基站對目標點位置進行大致測量計算,比較適合用于范圍較大的定位應(yīng)用。

本文通過介紹幾種常用和典型的技術(shù),分析比較各種手段的優(yōu)勢和不足,為實際應(yīng)用提供參考。

無線局域網(wǎng)定位技術(shù)(Wi-fi):當前比較流行的Wi-fi定位是無線局域網(wǎng)絡(luò)系列標準之 IEEE802.11的一種定位解決方案。該技術(shù)采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結(jié)合的方式,易于安裝,需要很少基站,能采用相同的底層無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但由于 AP參考點少,該技術(shù)依靠接收信號強度(RSSI)的衰減和特定無線電的傳輸模型,受室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)和材料的影響大,往往需要進行校準,定位精度較差,實際應(yīng)用的精度在 2～5米。

超寬帶定位技術(shù)(UWB):超寬帶技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波,而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù),從而具有 GHz量級的帶寬,該方式具有精度高(可以做到厘米精度),實用的環(huán)境很廣的特點。UWB定位一般采用信號到達時間差(TDOA)與到達角度(AOA)用于室內(nèi)精確定位,具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點,但依賴于超寬帶收發(fā)的電子電路或者芯片,對系統(tǒng)的設(shè)計和成本要求比較高。

Zigbee定位技術(shù):ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它介于射頻識別和藍牙之間,使用 IEEE802.15.4協(xié)議通信,一般采用 RSSI測量的方式,在數(shù)個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實現(xiàn)定位。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器,通信效率非常高。ZigBee最顯著的技術(shù)特點是它的低功耗和低成本,但較容易受到室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境多徑衰落以及 2.4GHz同頻段其他干擾信號的影響。

射頻定位技術(shù)(RFID):射頻識別技術(shù)利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別和定位的目的。這種技術(shù)作用距離短,一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息,且傳輸范圍很大,該技術(shù)優(yōu)點是標識的體積比較小,成本較低,缺點是作用距離近,不具有通信能力,而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中。

超聲波定位技術(shù)(Ultrasonic):超聲波測距主要采用反射式測距法,通過三角定位等算法確定物體的位置,即發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波,根據(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出待測距離,有的則采用單向測距法。超聲波定位整體定位精度較高,不會與電磁波相互影響,所以比較適合電磁環(huán)境比較復(fù)雜的環(huán)境,如國外就將該技術(shù)用于追蹤醫(yī)院里的住院病人,可以避免干擾其他醫(yī)療設(shè)備。但超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大,同時需要大量的底層硬件設(shè)施投資,成本太高。室內(nèi)定位技術(shù)的比較見表2。

表2 幾種室內(nèi)定位技術(shù)的比較

3.2 定位信息傳輸技術(shù)

不論采用何種定位方式,定位信息最終都將傳輸?shù)较到y(tǒng)端,傳輸?shù)姆绞揭话惴譃橛芯€方式和無線方式兩種。有線方式就是將各個接入點(AP)通過有線方式接入 IP網(wǎng)絡(luò),目標點將位置信息傳輸給接入點,通過接入點落地傳輸給系統(tǒng)端;無線方式中比較通用的方式是采用無線局域網(wǎng)或多跳的 Ad-hoc技術(shù)(如 Mesh或 WSN技術(shù))將目標點計算出的位置信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)端。

采用有線方式傳輸具有較高的可靠性、穩(wěn)定性和保密性,但在部署實施時需各個接入點都有有線鏈路,成本較高,實施時間較長;采用無線方式部署方便,靈活性強,可充分借助室內(nèi)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)完成,但易受到電磁環(huán)境的影響。所以要根據(jù)具體的應(yīng)用方式和需求,選擇合適的傳輸方式。

3.3 幾種典型系統(tǒng)應(yīng)用

(1)基于 Wi-fi網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng),即 WPS。美國的 Ekahau公司開發(fā)了能夠利用 Wi-fi網(wǎng)絡(luò)進行室內(nèi)定位的軟件。該系統(tǒng)提供了 Wi-fi終端(包括筆記本電腦、PDA等)運行的終端軟件,或定位標簽(Tag),以及系統(tǒng)端使用的含有定位算法的定位引擎、客戶端展示軟件、第三方軟件開發(fā)包等,借助現(xiàn)成的 Wi-fi網(wǎng)絡(luò)和不同接入點(AP)的位置,通過定位算法實現(xiàn)對具有 Wi-fi功能的終端相對定位的功能。精確度大約在 1～20米的范圍內(nèi),總體而言,它比蜂窩網(wǎng)絡(luò)三角測量定位方法更精確。但是,無論是用于室內(nèi)還是室外定位,Wi-fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑 90米以內(nèi)的區(qū)域,而且很容易受到其他信號的干擾,從而影響其精度,定位器的能耗也較高,比較適合應(yīng)用于Wi-fi網(wǎng)絡(luò)接入點覆蓋密度較大,對定位精度要求不是太高的區(qū)域。

(2)利用超寬帶技術(shù)(UWB)進行定位,利用Wi-fi網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的定位系統(tǒng)。英國 Ubisense公司利用超寬帶技術(shù)構(gòu)建了實時室內(nèi)定位系統(tǒng)(RTLS),該系統(tǒng)利用信號到達角度(AOA)和到達時間差(TDOA)方式,能夠在傳統(tǒng)的挑戰(zhàn)性應(yīng)用環(huán)境中達到較高的定位精度,并具有很好的穩(wěn)定性。高達 15 cm的 3D定位精度,使得用戶能夠完成一系列的新型應(yīng)用,同時利用 Wi-fi網(wǎng)絡(luò)完成定位數(shù)據(jù)的傳輸。該公司提供了從定位標簽(Tag)、定位傳感器節(jié)點設(shè)備到定位引擎軟件、第三方開發(fā)包等全套解決方案。但由于采用了 Wi-fi網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的傳輸,該系統(tǒng)的部署要求較好的部署環(huán)境提供電源和鏈路,適用于相對固定場所的長期使用。

(3)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的室內(nèi)定位系統(tǒng)。美國的 TI公司開發(fā)了一款可用于室內(nèi)定位的無線傳感器芯片 cc2431。該芯片基于 Zigbee協(xié)議,定位標簽通過測量參考傳感器的 RSSI(信號強度),利用定位算法得到相對位置,然后通過多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),將定位信息傳輸?shù)接脩舳?。該方式的定位精度不?若要提高精度,必須以矩陣的形式增加傳感器參考點部署密度,而且該方式只能計算出二維的定位信息,對于三維的定位需要用戶端軟件進行判斷,但由于使用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳信息傳輸技術(shù),所以該方式組網(wǎng)靈活,成本低廉,節(jié)點耗能少,非常適合在應(yīng)急狀況下的臨時使用。

4 公共安全領(lǐng)域不同應(yīng)用場景的技術(shù)實踐

通過對公共安全領(lǐng)域需求的分析和對目前室內(nèi)定位技術(shù)的探討,可以看出,針對不同事件或不同的現(xiàn)場情況,如何采用這些不同的技術(shù)或組合這些技術(shù)手段,充分發(fā)揮多種技術(shù)手段的優(yōu)勢來滿足不同的現(xiàn)實需求,是需要探索和研究的關(guān)鍵問題。

4.1 針對“室內(nèi)日常警務(wù)工作需要”的室內(nèi)定位

對于這類需求,考慮到建設(shè)成本和使用效率等方面的問題,建議充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源,如以現(xiàn)成的 Wi-fi接入點,或其他無線通信網(wǎng)絡(luò)基站為基本參考點,充分發(fā)揮后臺軟件定位引擎的強大功能,將項目建設(shè)的主要精力放在終端(Tag)的研發(fā)和后臺軟件的開發(fā)上,來滿足定位的需求;如果區(qū)域內(nèi)不具備類似可以利用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,或精度不能夠滿足使用的需要,可以考慮采用 RFID、WSN或 UWB技術(shù),重新建設(shè)專用的定位網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,滿足定位精度和可靠性方面的需求,但建設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在成本和實施難度方面,都是需要充分考慮的因素。

4.2 針對“臨時性勤務(wù)需要”的室內(nèi)定位

對這類需求建議采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的定位技術(shù),定位方式采用信號強度指示(RSSI)的定位算法,無線信號協(xié)議采用 Zigbee,組網(wǎng)采用 adhoc多跳方式。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點耗能少,結(jié)構(gòu)簡單,很容易將節(jié)點設(shè)備小型化,并采用電池供電,這樣能夠確保設(shè)備不依賴周邊環(huán)境獨立運行較長時間(一般 3～5天),而且由于該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)備同時具備了定位計算和定位數(shù)據(jù)傳輸能力,不需要為傳輸信息而單獨部署網(wǎng)絡(luò),所以一套節(jié)點設(shè)備就可以完成室內(nèi)定位所需的所有功能。通過一體化、便攜化的設(shè)計,可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備方便快速地進行部署,較好地滿足了實際需求;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位終端的設(shè)計上也能夠做到小型化和節(jié)能化,不給攜帶人員帶來負擔。

該方式在定位精度上和抗干擾能力方面是軟肋,定位精度與傳感器節(jié)點的分布和密度有直接的關(guān)系,要提高精度就需要增加傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,但真正的實際部署狀況要根據(jù)現(xiàn)場的具體情況才能確定,所以該方案在實施的時候需要實施人員提前勘察現(xiàn)場,然后制定傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署方案,并完成部署。在抗干擾方面,由于 Zigbee采用 2.4G的頻率,可能與現(xiàn)場的其他無線網(wǎng)絡(luò),如 Wi-fi的頻率發(fā)生沖突,因此在使用前應(yīng)協(xié)調(diào)好相應(yīng)的頻率規(guī)劃,確保使用時不發(fā)生沖突(見圖1)。

圖1 體育館現(xiàn)場勤務(wù)警力定位示意圖

4.3 針對“應(yīng)急突發(fā)事件處置需要”的室內(nèi)定位

這類需求的代表為在火災(zāi)現(xiàn)場處置過程中,對進入火場的消防隊員進行精確定位,指揮員根據(jù)定位信息可以對現(xiàn)場消防員進行有效的引導(dǎo),減小意外發(fā)生的可能。為滿足這類惡劣現(xiàn)場的應(yīng)用條件,建議將 GPS、UWB、Wi-fi等技術(shù)有效融合,共同組成一套適用于應(yīng)急現(xiàn)場的全能型定位系統(tǒng)。這套系統(tǒng)采用 UWB解決室內(nèi)定位的問題,利用超寬帶技術(shù)在抗多徑效應(yīng)方面的優(yōu)勢,用 TDOA和 AOA算法解決定位精度的問題;采用 GPS定位解決參考點的位置問題,便于實現(xiàn)與電子地圖的有效融合;采用現(xiàn)場臨時搭建的Wi-fi網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)定位信息的傳輸,使現(xiàn)場臨時指揮部能夠?qū)崟r掌控情況。

考慮到現(xiàn)場沒有通信基礎(chǔ)設(shè)施的情況,將基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分別構(gòu)建在多輛通信車上,車上通信設(shè)備包括了 GPS的定位終端、UWB參考點傳感器和 Wifi網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備。在應(yīng)急突發(fā)現(xiàn)場,多輛通信車分別部署于核心現(xiàn)場的四周,構(gòu)建起 UWB室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)和Wi-fi傳輸網(wǎng)絡(luò),進入核心現(xiàn)場的處置人員配備定位終端,該終端發(fā)出 UWB無線信號,部署在車上的多個參考點傳感器接收該信號并進行信號測量,并通過 Wi-fi網(wǎng)絡(luò)將測量值傳至控制中心,控制中心定位服務(wù)器使用 AOA與 TDOA混合定位方法,得到目標定位終端的位置信息,同時,還利用每個參考點傳感器的 GPS定位數(shù)據(jù)對目標點位置信息進行校正,最終展現(xiàn)在地圖上。

該方式有效克服了現(xiàn)場惡劣環(huán)境給網(wǎng)絡(luò)部署帶來的困難,組網(wǎng)方式機動靈活,充分發(fā)揮多種技術(shù)手段的優(yōu)勢,互為補充,能夠滿足應(yīng)急現(xiàn)場對室內(nèi)定位的需求,有效輔助現(xiàn)場指揮決策。

目前,法國泰雷斯公司(Thales)在英國的研究中心已經(jīng)開發(fā)出這種室內(nèi)定位的演示產(chǎn)品,并在漢普郡(Hampshire)的消防部門進行了成功實驗。該演示系統(tǒng)將 GPS接收設(shè)備、UWB參考點和 Wi-fi接入點的一體設(shè)備構(gòu)建在火場周邊的消防車和警車上,對著火建筑物形成信號的全面覆蓋,使用 UWB信號對進入火場消防員佩戴的定位終端進行定位,并利用 W i-fi網(wǎng)絡(luò)將定位信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場的指揮車內(nèi),并以各個車的 GPS定位信息為參考,完成對消防員位置信息精度的校準,為現(xiàn)場指揮人員提供了較為精確的室內(nèi)位置信息。實驗最終證明,該室內(nèi)定位技術(shù)對于火場的救援工作非常有用,可以幫助他們有效快速地搜尋幸存者,同時可以避免消防隊員迷失方向,或重復(fù)地搜尋相同區(qū)域(見圖2)。

圖2 泰雷斯火災(zāi)現(xiàn)場室內(nèi)定位示意圖

除了上述方案外,摩托羅拉公司利用 Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了自己的室內(nèi)定位方案。該方案利用Mesh網(wǎng)絡(luò)的多個參考點進行定位,同時利用 Mesh的多跳傳輸特性完成定位信息的傳輸。該方案同樣是將設(shè)備部署在周邊消防車或警車上,同時還部署到了直升機上,不同的是部署的設(shè)備 Mesh網(wǎng)絡(luò)的無線路由器,定位技術(shù)沒有用 UWB。利用 Mesh網(wǎng)絡(luò)的定位能力和多跳傳輸?shù)奶攸c,實現(xiàn)室內(nèi)定位信息在現(xiàn)場指揮部的顯示(見圖3)。

綜上所述,針對不同的室內(nèi)定位應(yīng)用給出建議的技術(shù)實踐(見表3),但具體的解決方式還需不斷將業(yè)務(wù)的發(fā)展和技術(shù)的更新進行緊密的結(jié)合,才能夠得出最佳的方案。

5 結(jié)語

圖3 摩托羅拉火災(zāi)現(xiàn)場室內(nèi)定位示意圖

表3 不同應(yīng)用的技術(shù)實踐建議

室內(nèi)定位技術(shù)交叉融合了多個學(xué)科和多種技術(shù),但目前仍有許多有待解決的技術(shù)問題,包括:體系結(jié)構(gòu)的標準化問題、各種技術(shù)的無縫整合問題、室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議問題、嵌入式微處理器的性能問題等。另外,在提高可測量性和靈活性、降低成本和各種費用、減少基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量等方面,也有大量工作要做。

盡管如此,這類技術(shù)在公共安全領(lǐng)域有著不可估量的巨大應(yīng)用潛力。目前有些政府部門,如消防、公交等部門,已經(jīng)建成了部分高層建筑物、地鐵站臺等封閉空間的三維地圖,并投入到了實際的應(yīng)用當中,這些工作為室內(nèi)定位信息的應(yīng)用搭建好了展現(xiàn)平臺,為室內(nèi)定位的使用奠定了重要的基礎(chǔ)。

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