基于A-GPS的城市災(zāi)害搜救人員定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

吳響，卞水榮，臧昊，俞嘯

（徐州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，徐州　221000）

基于A-GPS的城市災(zāi)害搜救人員定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

吳響，卞水榮，臧昊，俞嘯

（徐州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，徐州221000）

0　引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，城市災(zāi)害對(duì)城市發(fā)展的影響日益引起人們的關(guān)注，包括地震、洪水等自然災(zāi)害，也包括火災(zāi)、化學(xué)物質(zhì)泄漏、突發(fā)公共衛(wèi)生事件等技術(shù)災(zāi)害和社會(huì)災(zāi)害［1］。

與城市災(zāi)害日益嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)比較，我國(guó)目前城市的災(zāi)害搜救管理能力是比較薄弱的［2］，而科學(xué)、先進(jìn)的災(zāi)害救援手段是城市災(zāi)害應(yīng)急管理的重要技術(shù)支撐。面對(duì)各種突發(fā)災(zāi)害事故，應(yīng)急救援可以加強(qiáng)對(duì)重大災(zāi)害事故的處理能力，一旦重大事故發(fā)生，合理有效的安排搜救工作，做到臨危不亂，高效、迅速做出應(yīng)急反應(yīng)，盡可能縮小事故危害。

本文把A-GPS（Assisted-Global Positioning System，網(wǎng)絡(luò)輔助的全球定位系統(tǒng)）定位技術(shù)和移動(dòng)無線通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合，利用A-GPS定位技術(shù)定位精度高、首次捕獲GPS信號(hào)時(shí)間短、服務(wù)連續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，以及城市健全的無線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一套城市災(zāi)害搜救人員實(shí)時(shí)定位調(diào)度系統(tǒng)，以解決諸如火災(zāi)、地震等傳統(tǒng)災(zāi)害救援執(zhí)行效率低，救援調(diào)度性差的缺點(diǎn)。

1　移動(dòng)終端A-GPS技術(shù)介紹

A-GPS技術(shù)指使用全球定位系統(tǒng)GPS，并接受來自移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的輔助信息進(jìn)行定位。跟傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)相比較，A-GPS定位終端直接從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接收輔助定位信息，篩選出該位置信號(hào)較強(qiáng)的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，大大降低了首次定位時(shí)間（TTFF），增加定位靈敏度，同時(shí)又可以大幅減少每次定位所需的客觀的能量損耗，實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。此外，針對(duì)城市環(huán)境下高樓建筑對(duì)GPS信號(hào)有削弱這一問題，A-GPS提供了在GPS信號(hào)較弱情況下自動(dòng)切換為CELL-ID定位模式這一解決方案，很大程度上彌補(bǔ)了城市建筑對(duì)GPS信號(hào)遮蓋帶來的定位誤差［3］。

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)定位技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，特別是3G/4G技術(shù)的日益成熟為移動(dòng)定位技術(shù)的發(fā)展提供了支持。在2G或2.5G的網(wǎng)絡(luò)里，由于受到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的限制，A-GPS的應(yīng)用受到局限，而3G/4G網(wǎng)絡(luò)可以提供高速無線下載功能，這就為移動(dòng)終端A-GPS定位技術(shù)提供了更加廣闊的發(fā)展空間［4］。

2　系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由四部分組成：智能移動(dòng)終端A-GPS定位模塊，該移動(dòng)終端還帶有Android操作系統(tǒng)；3G/ 4G無線通信模塊，可以傳輸搜救過程中搜救人員及災(zāi)害發(fā)生地的定位及調(diào)度信息；總臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊及調(diào)度決策模塊，協(xié)同負(fù)責(zé)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、道路匹配、調(diào)度決策等功能。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

在救援過程中，救援人員攜帶的移動(dòng)終端在AGPS服務(wù)器和基站的協(xié)助下，通過終端A-GPS定位模塊實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前所在位置信息，并通過無線通信模塊傳輸至總臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊，總臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊通過實(shí)時(shí)獲取的位置信息（包括移動(dòng)方向、移動(dòng)速度、停留時(shí)間等）判斷當(dāng)前位置所處路況信息，進(jìn)一步由調(diào)度決策模塊匹配決策出最優(yōu)化的救援路徑，最后再由無線通信模塊發(fā)送至移動(dòng)終端，并詳盡顯示。

3　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1搜救人員實(shí)時(shí)位置獲取

如圖2所示，A-GPS從定位啟動(dòng)到移動(dòng)終端找到可用衛(wèi)星進(jìn)行定位的基本流程分為以下幾步：①移動(dòng)終端從蜂窩基站獲取到當(dāng)前所在的小區(qū)位置。②移動(dòng)終端通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)前蜂窩小區(qū)位置傳送給網(wǎng)絡(luò)中的A-GPS位置服務(wù)器。③A-GPS位置服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前小區(qū)位置查詢A-GPS參考網(wǎng)絡(luò)中該區(qū)域當(dāng)前可用的衛(wèi)星信息，并返回給移動(dòng)終端。④移動(dòng)終端根據(jù)得到的可用衛(wèi)星信息，快速找到當(dāng)前可用的GPS衛(wèi)星。至此，終端已經(jīng)可正常接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。為了確定搜救人員的空間位置P（xu，yu，zu）和偏移量tu，對(duì)n顆衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量，得出方程［5］：

其中，pn為測(cè)到的偽距，（xn，yn，zn）為從星歷信息得到的衛(wèi)星位置坐標(biāo)，dTn為已知衛(wèi)星的時(shí)鐘偏差，c為光速，dt為未知移動(dòng)終端時(shí)間偏差。根據(jù)四個(gè)及以上的偽距方程，求解出當(dāng)前移動(dòng)終端的空間位置坐標(biāo)P。最后通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將位置信息傳輸至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進(jìn)行位置分析及路徑匹配等處理。

圖2　A-GPS定位流程

在定位過程中，A-GPS參考網(wǎng)絡(luò)主要是用來提供GPS信號(hào)近似的多普勒頻移，通過參考自帶的GPS接收機(jī)，計(jì)算出衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移，并將其獲得的信息發(fā)送給移動(dòng)終端設(shè)備，這樣就大大減少了移動(dòng)終端的搜索空間，只要對(duì)有限個(gè)頻率區(qū)進(jìn)行搜索，使得定位時(shí)間縮短為短短的幾秒鐘，實(shí)現(xiàn)正真意義上的實(shí)時(shí)定位。

3.2地圖匹配算法確定有效路徑

地圖匹配是一種軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)下的定位修正方法，它將其他定位方法（如A-GPS）獲取的目標(biāo)位置或移動(dòng)軌跡，與已有的地圖信息軟件進(jìn)行比較，得到目標(biāo)所在的道路信息。其常規(guī)的算法有位置點(diǎn)匹配算法、基于加權(quán)系統(tǒng)的匹配算法、基于模糊邏輯的算法、基于代價(jià)函數(shù)的地圖匹配算法等［6-8］。本系統(tǒng)采用的是一種基于位置點(diǎn)匹配與基于加權(quán)系統(tǒng)匹配相互結(jié)合的綜合地圖匹配算法。

鑒于城市建筑對(duì)GPS信號(hào)的影響，實(shí)際的A-GPS定位可能會(huì)存在數(shù)據(jù)漂移，使得定位點(diǎn)不在地圖中的道路之上。我們將路徑匹配分為兩個(gè)獨(dú)立的過程：找到救援人員當(dāng)前所在道路；多個(gè)可選路徑情況下根據(jù)當(dāng)前A-GPS定位點(diǎn)算出每條道路的距離度量值，并選擇最適合的道路。具體的實(shí)現(xiàn)過程如圖3a所示，以救援人員當(dāng)前的二維坐標(biāo)為圓心，選擇合適的半徑做圓，如果該圓只與一條路徑相交，則說明這條道路即為當(dāng)前最合適的路徑；如果相交的路徑不止一條，則引入距離度量值R=Wrr+Wθθ，如圖3b，r為救援人員位置到道路的投影距離，θ為救援人員移動(dòng)方向與道路的夾角，Wr、Wθ分別為投影距離和方向夾角的權(quán)值，在所有相交路徑中，我們選擇距離度量值最小的道路做為匹配路徑［9-10］；如果一定半徑范圍的圓沒有相交的路徑，則說明救援人員進(jìn)入建筑內(nèi)部或者開闊地帶。

圖3　

對(duì)于城市復(fù)雜的交通路線狀況，由于紅綠燈、堵車等因素的影響導(dǎo)致目標(biāo)移動(dòng)方向不一致，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)這樣一種狀況：即救援人員位于F點(diǎn)類似的交叉路口（如圖3a所示），從而可能存在這樣一種情況：路徑B、D的距離度量值相同，但實(shí)際情況下可以看出路徑B明顯優(yōu)于路徑D。這種情況下我們引入相似度權(quán)重值TWS［11］：它由方向相似性加權(quán)系數(shù)、位置點(diǎn)到道路的接近度加權(quán)系數(shù)、前后兩個(gè)連續(xù)的定位點(diǎn)連線與道路的相交性加權(quán)系數(shù)、定位點(diǎn)F與道路的相關(guān)性加權(quán)系數(shù)四者相加而得。

如圖4所示，其中四個(gè)加權(quán)系數(shù)分別表示如下：①WSH為方向相似性加權(quán)系數(shù)，AH為控制WSH大小的加權(quán)系數(shù)，Δα'為救援人員移動(dòng)方向與道路方向的差值。②WSD為位置點(diǎn)到道路的接近度加權(quán)系數(shù)，AD為控制WSD大小的加權(quán)系數(shù)，r表示點(diǎn)到路段的投影距離，σ為移動(dòng)終端A-GPS接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)誤差值。③WSP為前后兩個(gè)連續(xù)的定位點(diǎn)連線與道路的相交性加權(quán)系數(shù)，如果垂直，則WSP等于0，AI為控制WSP大小的加權(quán)系數(shù)，θ為定點(diǎn)連線與道路的夾角。④WSR為定位點(diǎn)F與道路的相關(guān)性加權(quán)系數(shù)，AR為控制WSP大小的加權(quán)系數(shù)，β表示候選道路與F點(diǎn)最近的定位點(diǎn)的夾角。根據(jù)最終計(jì)算得到的相似度權(quán)重值，選擇值最大的道路做為匹配路徑。

圖4　交叉路口地圖匹配算法原理圖

3.3系統(tǒng)的前端展示功能實(shí)現(xiàn)

智能移動(dòng)終端的表示層主要是對(duì)救援信息的綜合展示，包括為搜救人員演示救援方案、展示各環(huán)節(jié)的相關(guān)救援任務(wù)、提供相應(yīng)的地形信息等。我們以Android技術(shù)為核心，結(jié)合ArcGIS for Android SDK［12-13］，將搜救信息與ArcGIS Server提供的地圖資源信息嵌入到前端移動(dòng)應(yīng)用中。服務(wù)端則由后臺(tái)調(diào)度決策層和數(shù)據(jù)訪問層組成，主要是匯總救援人員位置信息以及周圍的道路信息，并進(jìn)行綜合的道路匹配，最后發(fā)布一系列的救援信息到客戶端展示，服務(wù)端由C#技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能夠很好地處理復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯以及數(shù)據(jù)庫操作。表示層與服務(wù)端的通信則是在無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過Socket協(xié)議實(shí)現(xiàn)，以Json格式組裝通信數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

4　系統(tǒng)功能測(cè)試

基于以上的設(shè)計(jì)，我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，如圖5所示，紅色標(biāo)志為人工設(shè)定的災(zāi)害發(fā)生地坐標(biāo)，災(zāi)害發(fā)生地與救援出發(fā)地理想的空間直線距離約為0.5公里，整個(gè)過程中在直線道路上進(jìn)行定位及生成救援路線若干次，在交叉路口定位及生成救援路線四次，圖中白色小點(diǎn)表示抽取的七個(gè)定位與路徑匹配點(diǎn) （包含四個(gè)交叉路口定位點(diǎn)，從出發(fā)地到目標(biāo)地依次標(biāo)號(hào)為1-7，具體數(shù)據(jù)見表1）。紅色路線為整個(gè)過程中匹配出來的救援路線，總長(zhǎng)約為0.8公里，為實(shí)際道路中最接近理想路線的通道。

圖5　系統(tǒng)匹配出的災(zāi)害救援路線

5　結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)合智能移動(dòng)終端上A-GPS定位，移動(dòng)無線通信等技術(shù)手段，獲取并傳輸搜救人員的位置信息，并協(xié)同已開發(fā)的地圖信息軟件，利用地圖匹配算法匹配出搜救人員位置與災(zāi)害發(fā)生地的有效通道，同時(shí)終端接收總臺(tái)實(shí)時(shí)調(diào)度任務(wù)信息，以移動(dòng)開發(fā)技術(shù)進(jìn)行形象和清晰的展示，為災(zāi)害救援人員提供一套最優(yōu)化的救援方案，使其能夠在最少時(shí)間內(nèi)開展救援行動(dòng)，有效的減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

表1　系統(tǒng)實(shí)地測(cè)試參數(shù)

［1］吳新燕，顧建華.國(guó)內(nèi)外城市災(zāi)害應(yīng)急能力評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2007，16（6）:110-113.

［2］孫斌，韓傳峰.城市災(zāi)害應(yīng)急管理體制研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2009，18（1）:39-44.

［3］汶曉勇，肖越.GPS和A-GPS技術(shù)研討［J］.通信技術(shù)，2011，44（8）:76-77.

［4］劉晶，周建新，李競(jìng)，伍彬彬.基于 C/S結(jié)構(gòu)的多用戶 GPS移動(dòng)定位與遠(yuǎn)程追蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10（5）:124-128.

［5］黃丁發(fā).GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與方法［M］.科學(xué)出版社，2009.

［6］陳梅，尹蓓蓓，李鑫，許正榮.GPS/DR與電子地圖匹配的定位研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16（6）:837-839.

［7］王忠民，王青，張榮，宋輝.一種基于位置點(diǎn)的地圖匹配改進(jìn)算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013，30（11）：3318-3323.

［8］Barrow H G，Tnenbaum J M，Bolles R C，et al.Paramatric Correspondence and Chamfer Matching:The New Techniques for Image Matching［C］.Proc.5th Int，Joint Conf.Artificial Intelligence，Cambridge，MA，1997:659-663.

［9］郟東耀，艾艷可.基于雙圓法區(qū)域劃分的高精度GPS匹配算法［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2013，35（10）:67-72.

［10］王敏，魏衡華，鮑遠(yuǎn)律.GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中的地圖匹配算法［J］.計(jì)算機(jī)工程，2012，38（14）:259-261.

［11］林娜，李志，王斌.一種綜合地圖匹配算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪科學(xué)，2008，33（2）:183-184.

［12］何超，彭慧，尚文利，周曉峰，紀(jì)曉楠.利用ArcGIS Silverlight實(shí)現(xiàn)的車輛監(jiān)控技術(shù)［J］.自動(dòng)化儀表，2013，34（7）:54-57.

［13］Huang Zechun，Huang Dingfa，Zhu Xu，et al.GPS Vehicle Positioning Monitoring System Integrated with CORS and Mobile GIS［J］. Environmental Sciences，2011，10（1）:2498-2504.

City Disaster Rescue；Assisted Global Positioning System；Intelligent Mobile Terminal；Map-Matching Algorithm

Implementation of City Disaster Rescuer's Positioning System Based on A-GPS

WU Xiang，BIAN Shui-rong，ZANG Hao，YU Xiao

（School of Medical Informatics，Xuzhou Medical College，Xuzhou 221000，China）

1007-1423（2015）34-0051-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.014

吳響（1985-），男，江蘇徐州人，博士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闉?zāi)害醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)、時(shí)間序列分析等

卞水榮（1991-），男，江蘇南通人，本科，學(xué)士，研究方向?yàn)檫h(yuǎn)程醫(yī)療與區(qū)域信息平臺(tái)

臧昊（1992-），男，江蘇鹽城人，本科，學(xué)士，研究方向?yàn)檫h(yuǎn)程醫(yī)療與區(qū)域信息平臺(tái)

俞嘯（1989-），男，江蘇徐州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)

2015-11-25

2015-12-02

針對(duì)當(dāng)前城市事故頻發(fā)，城市道路錯(cuò)綜復(fù)雜，救援實(shí)時(shí)調(diào)度性差等問題，采用A-GPS定位技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于移動(dòng)終端的搜救人員實(shí)時(shí)定位調(diào)度系統(tǒng)。其工作原理是在衛(wèi)星，基站和A-GPS服務(wù)器的協(xié)同處理下確定搜救人員與災(zāi)害發(fā)生地兩點(diǎn)位置，再結(jié)合地圖匹配算法獲取兩點(diǎn)之間多條通道，為城市災(zāi)害救援過程提供科學(xué)依據(jù)。經(jīng)測(cè)試，在模擬救援過程中，系統(tǒng)具有定位誤差低，調(diào)度通信迅速，匹配路段效率高等特點(diǎn)。

城市災(zāi)害救援；A-GPS；智能移動(dòng)終端；地圖匹配算法

江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（No.BY2014033）、徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.XM13B021）、徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.XM12B077）

Provides the problems of the current city disaster situation，the perplexing city roads，the worse real-time dispatching of disaster rescue，uses the A-GPS positioning technology，designs and realizes a real-time positioning and dispatching system for rescuer based on the mobile terminal.The working principle of the system is that the satellites，base stations and the A-GPS server confirm the positioning of rescuer and disaster place coordinated，and then combines with map matching algorithm to obtain a plurality of channels between two points，provides the scientific basis for the city disaster rescuing process.The test result shows that the system has low localization errors，high dispatching and communication speedily，effective matching optimization route at the simulation of the rescue process.