基于智能服裝的消防員位置信息融合研究

林建琴，許武軍*，李媛媛

（1. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué) 教育部數(shù)字化紡織服裝工程技術(shù)工程研究中心，上海 201620；3.上海華力微電子有限公司，上海 201203）

基于智能服裝的消防員位置信息融合研究

林建琴1,2，許武軍*1,2，李媛媛3

（1. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué) 教育部數(shù)字化紡織服裝工程技術(shù)工程研究中心，上海 201620；3.上海華力微電子有限公司，上海 201203）

智能防護(hù)服在傳統(tǒng)的功能性消防服中嵌入檢測(cè)相關(guān)信息的各類(lèi)傳感器，以此可以實(shí)時(shí)檢測(cè)火場(chǎng)環(huán)境信息等。掌握消防人員在火場(chǎng)中的位置也非常重要，由于采用GPS接收器定位高度的精度并不理想，所以將其與氣壓高度測(cè)量?jī)x組合測(cè)量得出消防人員的位置信息。這樣可以及時(shí)反應(yīng)消防員所處環(huán)境情況和位置信息并同時(shí)傳輸?shù)较儡?chē)指揮系統(tǒng)，使消防指揮員在掌握現(xiàn)場(chǎng)情況下，更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)調(diào)度。將氣壓高度測(cè)量?jī)x和GPS接收器的收集的信息組合，基于聯(lián)合卡爾曼濾波算法，并由M atlab仿真，發(fā)現(xiàn)高度定位的精準(zhǔn)度提高較大幅度。

信息融合；智能防護(hù)服； GPS接收器；氣壓高度測(cè)量?jī)x；聯(lián)合卡爾曼濾波

隨著人口密度增長(zhǎng)，火災(zāi)發(fā)生率越來(lái)越高，對(duì)于工作在一線的消防員來(lái)說(shuō)隨時(shí)都要應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況。如今在智能服裝的發(fā)展前提下，消防服作為保障生命安全的重要防護(hù)裝備，更應(yīng)該朝著智能化的方向升級(jí)。傳統(tǒng)的消防防護(hù)服只有在面料和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，以此滿足基本防護(hù)性能要求。而通過(guò)模擬生命系統(tǒng)，智能服裝是指具有收集和反饋信息的雙重功能服裝。它可以感受內(nèi)部狀態(tài)變化和外部環(huán)境的信息，并且?guī)в蟹答仚C(jī)制，可以針對(duì)相應(yīng)的信息變化作出一定的反應(yīng)。在火場(chǎng)環(huán)境中，如果能隨時(shí)了解消防員在火場(chǎng)中的位置，這對(duì)消防現(xiàn)場(chǎng)的指揮調(diào)度提供極大便利。所以在傳統(tǒng)消防服上集成創(chuàng)新信息傳感技術(shù)，可以實(shí)時(shí)感知、傳導(dǎo)和匯集消防員的相關(guān)信息，從而方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮調(diào)度，極大地推動(dòng)消防防護(hù)服從功能服裝向智能服裝的發(fā)展和轉(zhuǎn)化[1-4]。

1　基于Zigbee的智能防護(hù)服系統(tǒng)

智能防護(hù)服是在傳統(tǒng)防護(hù)服中嵌入感知環(huán)境信息和消防員位置信息的傳感器以及一些信息與通信組件，并獲取和處理信息。

它可以在危險(xiǎn)的時(shí)候有效地預(yù)警，保障消防人員的安全，還可以及時(shí)將消防員所處環(huán)境信息和位置信息呈現(xiàn)給消防車(chē)指揮系統(tǒng)。本文中智能防護(hù)服是通過(guò)信息感知子系統(tǒng)中的GNSS定位系統(tǒng)以及氣壓傳感器來(lái)獲取位置信息。其中GNSS定位系統(tǒng)包含了GPS的定位模塊，鑒于GPS在測(cè)量高度時(shí)誤差比較大，將氣壓測(cè)量?jī)x測(cè)量的氣壓轉(zhuǎn)化為高度信息對(duì)GPS測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，就可以得到更為可靠的位置信息。

圖1　消防應(yīng)急系統(tǒng)的信息與通信拓?fù)鋱D

圖2　智能消防服的功能框圖

智能防護(hù)服獲取的消防員的周?chē)h(huán)境和位置信息均是使用Zigbee(短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù))傳輸。采用Mesh結(jié)構(gòu)構(gòu)成的感知路由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢砸勒胀ㄑ笭顩r合理地、隨時(shí)地調(diào)整相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便于更好的傳輸信息。圖1是整個(gè)系統(tǒng)的通信拓?fù)鋱D。圖2所示的是各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能框圖。參照WSN（無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)），消防人員的位置等信息能夠通過(guò)智能防護(hù)服隨時(shí)地傳遞和匯集到現(xiàn)場(chǎng)指揮車(chē)，為消防現(xiàn)場(chǎng)指揮決策提供了極好的支持。

2　消防人員的實(shí)時(shí)位置信息融合

在一定范圍內(nèi)，GPS定位效果還是相對(duì)可靠，但卻很難滿足高的經(jīng)度要求。鑒于此，結(jié)合GPS與氣壓高度測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)，就可以得到相對(duì)精準(zhǔn)可靠的高度信息。下面來(lái)簡(jiǎn)述GPS和氣壓高度測(cè)量?jī)x的測(cè)高原理。

2.1GPS測(cè)高原理和氣壓高度測(cè)量?jī)x測(cè)高原理

GPS測(cè)量的是在WGS84（World Geodetic System一1984 Coordinate System）坐標(biāo)系中定義的基線向量三維坐標(biāo)差，通過(guò)坐標(biāo)系變換，得到基于橢球面的高程參量，即大地高。橢球面指的是確定該地區(qū)大地水準(zhǔn)面的地球橢球，作為大地測(cè)量的參考基準(zhǔn)面。而我們通常要求是以近似大地水準(zhǔn)面為基礎(chǔ)的正常高。GPS測(cè)量出的大地高與正常高之間存在兩個(gè)基準(zhǔn)面的差距，就是所謂的高程異常，表達(dá)式如下：

式中H是大地高，Hzh為正常高，N是高度異常；若能求得高程異常就可以將大地高（GPS測(cè)得）轉(zhuǎn)換成要求的正常高。通常，實(shí)現(xiàn)GPS大地高向正常高轉(zhuǎn)換的比較有效的方法是組合利用GPS測(cè)得的數(shù)據(jù)、重力測(cè)量值以及地球的重力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。但重力資料不易獲取，所以擬合可以作為GPS高程的轉(zhuǎn)換一種權(quán)衡方案。目前比較常用的擬合方法有多項(xiàng)式擬合法、多面函數(shù)擬合和線性移動(dòng)擬合等[5-6]。

由于大氣壓力的數(shù)值與所在海拔高度向上到大氣上界的整個(gè)空氣柱質(zhì)量相等。海拔1000m以內(nèi)，上升每10m大氣壓強(qiáng)就減少近100Pa，而在海拔2000m以內(nèi)，上升每12m大氣壓強(qiáng)會(huì)減少133Pa。氣壓高度測(cè)量?jī)x對(duì)采集得到當(dāng)前氣壓值進(jìn)行分析計(jì)算，可得到相應(yīng)的海拔高度值[7]。

2.2GPS接收器與氣壓高度測(cè)量?jī)x信息融合

GPS接收器和氣壓高度測(cè)量?jī)x測(cè)出的高度信息是由不同傳感器得到的數(shù)據(jù)，如何有效結(jié)合二者信息需要用到多源信息融合。它是對(duì)多種不同的數(shù)據(jù)認(rèn)知、綜合、判斷的過(guò)程。其基本原理是通過(guò)充分利用多個(gè)信息資源，對(duì)各信息源和其檢測(cè)的信息進(jìn)行合理的利用，根據(jù)一定的優(yōu)化規(guī)則將各信息源在時(shí)間和空間上的互補(bǔ)和冗余信息進(jìn)行有效地重組，進(jìn)而得出對(duì)觀測(cè)環(huán)境的統(tǒng)一性的描述。多源融合的一般過(guò)程如圖3所示。

多傳感器信息融合系統(tǒng)的主要技術(shù)之一的聯(lián)合卡爾曼濾波已經(jīng)在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它是兩級(jí)處理數(shù)據(jù)的過(guò)程，包含了幾個(gè)子濾波器和一個(gè)主濾波器。子濾波器間的時(shí)間更新和測(cè)量更新的過(guò)程相互獨(dú)立，而主濾波器主要負(fù)責(zé)進(jìn)行時(shí)間更新和匯總所有子濾波器的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的融合處理，從而得到全局最優(yōu)解[8-10]。

通常情況下，多傳感器的線性組合系統(tǒng)可以由下面的離散表達(dá)式給出。

圖3　多源融合的一般過(guò)程

若使用n個(gè)傳感器對(duì)系統(tǒng)觀測(cè)，這樣就有n個(gè)子濾波器，且各個(gè)子濾波器都可以獨(dú)立進(jìn)行濾波運(yùn)算。以下為各個(gè)子濾波器的抽象模型

聯(lián)合卡爾曼濾波過(guò)程具體是在在眾多不同的子濾波器中選出一個(gè)輸出速率較高、信息量較全、且可靠性高的作為所有子濾波器的參照,后與剩余的其他子濾波器兩相融合，得出幾個(gè)子濾波器并同時(shí)運(yùn)行。而根據(jù)這些子濾波器的量測(cè)得出局部最優(yōu)化估計(jì)，并在主濾波器內(nèi)采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合方法合成得到最終的全局最優(yōu)化估計(jì)。下面簡(jiǎn)述聯(lián)合卡爾曼濾波器的具體算法過(guò)程。

將初始采集的信息通過(guò)下面的信息分配方法分配到子濾波器和主濾波器中。

其中，βi是各個(gè)濾波器的信息分配比重因子，且必須符合，根據(jù)不同傳感器差別確定 βi，通常情況下傳感器的穩(wěn)定性越高，測(cè)量值越精準(zhǔn)，則βi將越大。

且第i個(gè)子濾波器的測(cè)量更新可以表示成

且信息時(shí)間更新可以表示為

而最終最優(yōu)的全局估計(jì)是

所以由以上所述，本文根據(jù)聯(lián)合卡爾曼濾波器的信息分配方法來(lái)有效實(shí)現(xiàn)GPS接收器和氣壓高度測(cè)量?jī)x的信息融合。它的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　GPS接收器與氣壓高度測(cè)量?jī)x的信息融合基本結(jié)構(gòu)

卡爾曼濾波器1與卡爾曼濾波器2的時(shí)間更新過(guò)程是：

下面對(duì)主濾波器的算法過(guò)程做簡(jiǎn)單的敘述：

其中，當(dāng)協(xié)方差 Pi越大時(shí)，

且 kG是由它們的高度差值與器件工作精準(zhǔn)度的曲線決定的[11-13]。

3　仿真與分析

為驗(yàn)證氣壓高度測(cè)量?jī)x在GPS測(cè)高的標(biāo)定效果，進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)，仿真時(shí)間為400s。圖5的結(jié)果是單獨(dú)使用GPS模塊測(cè)高，并對(duì)其使用卡爾曼濾波器濾波得到的高度誤差。從圖5可以看出GPS的定位信息中的高度信息精度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較差，在400s的仿真時(shí)間內(nèi)高度誤差達(dá)到35m。而圖6是GPS接收器和氣壓高度測(cè)量?jī)x的組合定位的測(cè)量高度，并且對(duì)其采用聯(lián)合卡爾曼濾波器濾波得到的最終結(jié)果。這里可以明顯得出利用兩者組合定位的方法可以讓系統(tǒng)在豎直高度的測(cè)量精準(zhǔn)度得到比較大的提高，誤差可以被壓縮到7m之內(nèi)。因此認(rèn)為GPS接收器和氣壓高度測(cè)量?jī)x的組合定位方式效果更好，更能夠有效的反映出所需要的消防人員的位置信息，在智能消防服的應(yīng)用更為合理有效。

圖5　GPS接收器單獨(dú)定位誤差

圖6　GPS接收器和氣壓高度測(cè)量?jī)x組合定位高度誤差

4　小結(jié)

針對(duì)智能消防服使用過(guò)程中出現(xiàn)的無(wú)法正確定位消防人員的位置的情況，本文提出了智能消防服位置信息融合方法。智能消防服的定位位置信息的模塊同時(shí)采用GPS和氣壓傳感器用來(lái)代替單一的GPS定位。分析了GPS和氣壓傳感器的測(cè)高原理以及兩者信息的數(shù)據(jù)融合方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明用氣壓高度測(cè)量?jī)x測(cè)高結(jié)果對(duì) GPS的定位信息進(jìn)行標(biāo)定并采用有效可行的聯(lián)邦卡爾曼融合方法得到信息融合結(jié)果，在組合定位中極大的提高了精度；且誤差幾乎被控制在7m以內(nèi)，從而可以得到更為準(zhǔn)確的位置信息，為消防的后臺(tái)調(diào)度提供了重要依據(jù)。

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Study on the Fusion of the Information of the Firefighters’ Position Based on the Smart Textiles

LIN Jian-qin1,2, XU Wu-jun1,2, LI Yuan-yuan3
(1. College of Information Sciences and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. Engineering Research Center of Digitized Textile and Fashion Technology of Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China；3.Shanghai Huali Microelectronics Corporation, Shanghai 201203, China)

Sensors which are embedded in the firefighters’ protective clothing can detect the real-time environmental information. It’s critical to master the information of the firefighters’ position. Since the precision of the GPS receiver is not ideal, it will be much more accurate to measure the firefighters’ position information through barometric altimeter enhanced GPS combined position. And it can report the information of the environment and firefighters’ position in time, and transmit the information to the fire truck command system, so that the fire commanders can realize the dispatch more accurately under the understanding ofthescene situation. Based on the result of simulation, through Matlab and federal Kalman filtering algorithm of barometric altimeter combined GPS position, it can distinctly improve positioning accuracy significantly.

multi-source information fusion; smart textiles protecting system; GPS receiver; barometric altimeter; federal Kalman filtering

TP393；TP919

A

2095－414X(2015)06－0061－06

許武軍（1974-），男，副教授，博士，研究方向：圖像與視覺(jué)工程；嵌入式計(jì)算與系統(tǒng)；導(dǎo)航與定位技術(shù).

上海市科委長(zhǎng)三角聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目(10595812200）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(11D10417).