安全監(jiān)護(hù)場(chǎng)景下的高效定位報(bào)警策略研究

杜武恭，杜惠英/Du Wugong，Du Huiying

（1.中國(guó)廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司 北京100045；2.北京信息科技大學(xué)信息管理學(xué)院 北京100192）

1 引言

隨著移動(dòng)終端的逐漸普及和移動(dòng)定位技術(shù)的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越多地把移動(dòng)終端作為一種監(jiān)護(hù)手段?，F(xiàn)在常見(jiàn)的監(jiān)護(hù)方式是：業(yè)務(wù)監(jiān)護(hù)人為被監(jiān)護(hù)人配備移動(dòng)終端，通過(guò)獲取被監(jiān)護(hù)人的位置信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)老人、小孩、寵物、貴重物品等的監(jiān)護(hù)。實(shí)現(xiàn)形式主要包括被監(jiān)護(hù)人進(jìn)出預(yù)先設(shè)好的電子圍欄發(fā)出報(bào)警或者當(dāng)兩個(gè)終端相互距離超過(guò)安全距離發(fā)出報(bào)警等。當(dāng)監(jiān)護(hù)人和監(jiān)護(hù)對(duì)象同時(shí)攜帶手機(jī)（或移動(dòng)終端），且兩個(gè)終端距離超過(guò)安全距離時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警。報(bào)警后，通過(guò)定位技術(shù)將被監(jiān)護(hù)對(duì)象手機(jī)（或移動(dòng)終端）的具體位置信息發(fā)給監(jiān)護(hù)人。

現(xiàn)有的定位策略中，僅能提供通用的模式，即采用單一的定位時(shí)間間隔的機(jī)制對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象進(jìn)行定位，輸出監(jiān)護(hù)對(duì)象的位置信息，將該信息傳遞給監(jiān)護(hù)人。然而，一旦發(fā)生報(bào)警，監(jiān)護(hù)人會(huì)非常著急，需要更及時(shí)、更頻繁地獲取監(jiān)護(hù)對(duì)象的位置信息，這是現(xiàn)有定位策略無(wú)法解決的。

2 定位系統(tǒng)現(xiàn)狀

1996年6月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）采納了一份報(bào)告并通過(guò)一項(xiàng)法令來(lái)強(qiáng)制推行 “911 無(wú)線(xiàn)服務(wù)（E911）”。該法令要求無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商將主叫移動(dòng)電話(huà)號(hào)碼轉(zhuǎn)發(fā)到“911”，并提供始發(fā)移動(dòng)電話(huà)（MS）的位置。對(duì)于基于手機(jī)的解決方案，F(xiàn)CC要求無(wú)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)商可以將67%的呼叫定位在50 m的范圍內(nèi)，95%的呼叫定位在米級(jí)范圍內(nèi)。該法令推動(dòng)了美國(guó)全球定位服務(wù)的應(yīng)用，也是移動(dòng)位置服務(wù)（Location Based Service，LBS）的開(kāi)始。移動(dòng)位置業(yè)務(wù)又稱(chēng)定位服務(wù)，是通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)獲取移動(dòng)終端用戶(hù)的位置信息，提供給該用戶(hù)本人或通信系統(tǒng)的一種增值業(yè)務(wù)。目前技術(shù)上實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位的方案有兩類(lèi)：基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)方案和輔助衛(wèi)星的定位技術(shù)方案。其中，手機(jī)話(huà)音或短信息定位技術(shù)屬于前者，話(huà)音或短信中包含發(fā)送者的地理位置信息，接收端服務(wù)器通過(guò)解析接收數(shù)據(jù)，讀出發(fā)送者位置的經(jīng)緯度，并輸入警用地理信息系統(tǒng)中，將位置顯示在電子地圖上[1]。

歐盟委員會(huì)也在2002年發(fā)起了類(lèi)似的法案E112。到2006年，25 個(gè)歐盟國(guó)家中，7 個(gè)具備了可實(shí)施E112的條件，3 個(gè)已局部實(shí)施，9 個(gè)實(shí)現(xiàn)了E112 基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于定位服務(wù)的研究主要針對(duì)LBS 應(yīng)用和定位技術(shù)方面。全球范圍內(nèi)流行的LBS服務(wù)有五大類(lèi)，見(jiàn)表1。

如今LBS的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了電子地圖、位置搜索、交通導(dǎo)航、餐館、旅館、停車(chē)場(chǎng)等興趣點(diǎn)以及推薦、旅行指南、出行指南、兒童、老人、重癥病人監(jiān)護(hù)、位置交友等諸多領(lǐng)域[2]。瑞典的TASS 公司等新研制了一種基于Android 手機(jī)的移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)無(wú)線(xiàn)接口，通過(guò)SDIO 接口與手機(jī)交互，該接口作為橋梁實(shí)現(xiàn)手機(jī)與體域無(wú)線(xiàn)網(wǎng)（BAN）的數(shù)據(jù)交互，能采集ECG、EEG 等多種生理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的分析與報(bào)警功能在Android平臺(tái)的軟件中實(shí)現(xiàn)[3]。浙江大學(xué)的文耀峰等人[4]研究了一種實(shí)時(shí)的心率和跌倒檢測(cè)系統(tǒng)：采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)信號(hào)到PDA的匯集；采用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能；使用兩個(gè)電極采集心電信號(hào)，在PDA 上用小波分析做心電信號(hào)預(yù)處理，然后采用一種投票表決的方法提取心率；采用三軸加速度傳感器采集腹部位置加速度數(shù)據(jù)，使用閾值法實(shí)現(xiàn)對(duì)跌倒事件的檢測(cè)。

3 定位系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程

一般的移動(dòng)定位系統(tǒng)包括監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端、監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)和監(jiān)護(hù)人手機(jī)。其中，監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端可以是手機(jī)、跟蹤器、PAD 等移動(dòng)終端。監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)包括報(bào)警模式管理模塊、定位終端管理模塊和定位模塊。本文在監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)中新增了報(bào)警模式策略模塊，用于報(bào)警模式策略制定，設(shè)置報(bào)警模式下監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)等級(jí)、定位間隔等，進(jìn)而提供報(bào)警模式下可選用的定位頻次和定位等級(jí)。電信業(yè)務(wù)定位平臺(tái)設(shè)計(jì)若干定位業(yè)務(wù)等級(jí)，對(duì)于等級(jí)高的業(yè)務(wù)提供優(yōu)先的定位服務(wù)，同時(shí)電信定位平臺(tái)可以提供不同的定位時(shí)間間隔，針對(duì)等級(jí)越高的業(yè)務(wù)，可以提供間隔時(shí)間越短的定位頻次服務(wù)。

一般業(yè)務(wù)流程簡(jiǎn)述如下。

①監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)根據(jù)定位業(yè)務(wù)等級(jí)、業(yè)務(wù)等級(jí)對(duì)應(yīng)的最短定位時(shí)間間隔等參數(shù)，制定報(bào)警模式定位策略。

②監(jiān)護(hù)人手機(jī)和監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端開(kāi)啟射頻信號(hào)，兩個(gè)終端建立射頻鏈接，互相檢測(cè)對(duì)端信號(hào)強(qiáng)度。

③當(dāng)兩個(gè)終端之間的信號(hào)強(qiáng)度及變化率滿(mǎn)足報(bào)警條件，即觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端把報(bào)警信號(hào)上傳給監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)；監(jiān)護(hù)人手機(jī)啟動(dòng)自定位，獲取自身位置信息。

④監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)收到監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端上報(bào)的報(bào)警信號(hào)后，根據(jù)報(bào)警模式定位策略對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端進(jìn)行定位，獲取持續(xù)更新的監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端的位置信息，并將監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端的位置信息持續(xù)發(fā)給監(jiān)護(hù)人手機(jī)。獲取位置信息的方法包括GPS 定位、GPSOne 定位、基站定位、Wi-Fi 定位、混合定位等方式。監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端位置信息可以通過(guò)平臺(tái)發(fā)到監(jiān)護(hù)人手機(jī)，也可以通過(guò)監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端發(fā)到監(jiān)護(hù)人手機(jī)。

⑤監(jiān)護(hù)人手機(jī)計(jì)算自身和監(jiān)護(hù)對(duì)象移動(dòng)終端的相對(duì)距離和方位。監(jiān)護(hù)人手機(jī)可以通過(guò)客戶(hù)端方式進(jìn)行顯示，此處的位置信息為系列位置信息，且不斷更新變化。

⑥監(jiān)護(hù)人手機(jī)通過(guò)短信、客戶(hù)端或Web的方式告訴監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)停止報(bào)警模式定位服務(wù)。

表1 全球范圍內(nèi)流行的LBS 應(yīng)用分類(lèi)

4 定位策略建模及分析

4.1 對(duì)所涉及的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義

（1）監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)

監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)是由運(yùn)營(yíng)商提供的基于移動(dòng)定位技術(shù)延伸出來(lái)的一種業(yè)務(wù)，一般涉及監(jiān)護(hù)人和被監(jiān)護(hù)人。在具體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)中，監(jiān)護(hù)人和被監(jiān)護(hù)人均以移動(dòng)終端的方式參與到業(yè)務(wù)中。監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)模式分為一般業(yè)務(wù)模式和報(bào)警業(yè)務(wù)模式。根據(jù)不同需求和網(wǎng)絡(luò)提供的能力水平可以設(shè)計(jì)出不同等級(jí)的業(yè)務(wù)。高等級(jí)業(yè)務(wù)可以享受更頻繁的定位服務(wù)，低等級(jí)業(yè)務(wù)可享受的定位服務(wù)頻次相對(duì)較低。

（2）監(jiān)護(hù)人

監(jiān)護(hù)人是指業(yè)務(wù)訂購(gòu)方，監(jiān)護(hù)人對(duì)應(yīng)的移動(dòng)終端通常是手機(jī)，主要用于發(fā)起業(yè)務(wù)訂購(gòu)請(qǐng)求、取消業(yè)務(wù)、接收被監(jiān)護(hù)人的位置信息等。

（3）被監(jiān)護(hù)人

被監(jiān)護(hù)人是指位置信息貢獻(xiàn)方，由于安全監(jiān)護(hù)等需求被監(jiān)護(hù)人監(jiān)護(hù)。被監(jiān)護(hù)人終端通過(guò)接收監(jiān)護(hù)人信息或定位平臺(tái)信息進(jìn)行定位，自主完成或與平臺(tái)配合完成終端位置信息的計(jì)算和報(bào)送。

4.2 定位策略模型建立

報(bào)警模式定位策略模型結(jié)合監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的定位等級(jí)、定位允許時(shí)間間隔，設(shè)置緊急報(bào)警模式，并提供緊急報(bào)警模式下的追蹤定位服務(wù)。

不同的業(yè)務(wù)等級(jí)和定位模式可以組合出不同的具體定位策略。

以監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)等級(jí)、定位時(shí)間間隔作為主要輸入，給出報(bào)警模式下的定位策略。以此為依據(jù)，對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象進(jìn)行持續(xù)定位，最后輸出持續(xù)更新的監(jiān)護(hù)對(duì)象的位置信息。

假定監(jiān)護(hù)人選擇的監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)報(bào)警模式下對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)定位等級(jí)為F′（s），業(yè)務(wù)模式為F′（b），在時(shí)間長(zhǎng)度為T(mén)的周期內(nèi)定位次數(shù)為F′（T，t），通過(guò)定位獲得的監(jiān)護(hù)對(duì)象的位置信息為F（t，p）。

其中，F(xiàn)′（s）、F′（b）、F′（t）、F′（T，t）、F（t，p）分別是以s、b、t、（T，t）、（t，p）為自變量的函數(shù)。

并且，滿(mǎn)足s 在業(yè)務(wù)等級(jí)范圍內(nèi)取值，如業(yè)務(wù)等級(jí)分為4 級(jí)，則s 取值為1、2、3、4，數(shù)字越小，業(yè)務(wù)等級(jí)越高；b 為業(yè)務(wù)模式，分為一般模式、報(bào)警模式，取值分別為1、2；t 代表時(shí)間間隔，大于等于網(wǎng)絡(luò)允許的最小時(shí)間間隔，業(yè)務(wù)等級(jí)越高，F(xiàn)′（t）越?。籉′（s）滿(mǎn)足同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，報(bào)警模式給出的定位結(jié)果數(shù)量比一般模式多；p 代表位置經(jīng)緯度信息。

報(bào)警模式下，在時(shí)間長(zhǎng)度為T(mén)的周期內(nèi)，最終輸出的持續(xù)更新的系列位置信息為F′（t，p），由下式表示

F′（t，p）= F（F′（s）×F′（T，t）×F′（b），p）

上述函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)具體監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)定，保證其滿(mǎn)足上述約束條件即可。該函數(shù)的一種簡(jiǎn)單實(shí)例如下：

F′（s）=1/s；F′（T，t）=T/t；F′（b）；

F′（t，p）= F（1/s×b×T/t，p）

其中，1/s×b 不小于網(wǎng)絡(luò)能力允許的最小時(shí)間間隔。

4.3 結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行模型分析

由于受到定位服務(wù)平臺(tái)的定位計(jì)算能力和終端耗電量的限制，定位時(shí)間間隔不能設(shè)計(jì)得過(guò)短，否則容易導(dǎo)致定位失敗和被定位移動(dòng)終端沒(méi)電。通常情況下，時(shí)間間隔為5 min。在學(xué)生上學(xué)期間，將每節(jié)課設(shè)定為50 min，那么可認(rèn)為在50 min 內(nèi)，被監(jiān)護(hù)人的位置相對(duì)固定，因此，對(duì)于學(xué)生的監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)，可將定位時(shí)間周期設(shè)為50 min。

在定位時(shí)間間隔t=5 min，定位時(shí)間周期T=50 min的情況下：

當(dāng)業(yè)務(wù)等級(jí)s=1，業(yè)務(wù)模式b=1（一般模式）時(shí)，F(xiàn)′（t，p）為10 個(gè)位置信息點(diǎn)，分別為P1、P2、…、P10；

當(dāng)業(yè)務(wù)等級(jí)s=1，業(yè)務(wù)模式b=2（報(bào)警模式）時(shí)，F(xiàn)′（t，p）為20 個(gè)位置信息點(diǎn)，分別為P1、P2、…、P20；

當(dāng)業(yè)務(wù)等級(jí)s=2，業(yè)務(wù)模式b=1（一般模式）時(shí)，F(xiàn)′（t，p）為5 個(gè)位置信息點(diǎn)，分別為P1、P2、…、P5；

當(dāng)業(yè)務(wù)等級(jí)s=2，業(yè)務(wù)模式b=2（報(bào)警模式）時(shí)，F(xiàn)′（t，p）為10 個(gè)位置信息點(diǎn)，分別為P1、P2、…、P10。

可以看出，當(dāng)監(jiān)護(hù)人選擇高等級(jí)業(yè)務(wù)的情況下，一旦被監(jiān)護(hù)人的終端被判斷為離開(kāi)了安全區(qū)域的電子圍欄或安全區(qū)域，那么將會(huì)比選擇低等級(jí)業(yè)務(wù)的情況下獲得的位置信息數(shù)量多1 倍，比低等級(jí)業(yè)務(wù)一般模式下的定位信息數(shù)量多3 倍，從而大大提升了監(jiān)護(hù)人在緊急情況下對(duì)于被監(jiān)護(hù)人位置信息的獲取需求，采取更加準(zhǔn)確、有效的針對(duì)性措施。相反，如果監(jiān)護(hù)人選擇的是低等級(jí)業(yè)務(wù)，那么各種情況下，其獲得被監(jiān)護(hù)人位置信息的數(shù)量都將比選擇高等級(jí)業(yè)務(wù)時(shí)少。

5 結(jié)束語(yǔ)

與一般的定位報(bào)警策略相比，本文增加了報(bào)警情景模式的定位策略，并且通過(guò)具體策略模型給出了實(shí)施建議。相比已有的定位報(bào)警策略，更有利于充分挖掘運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、終端和平臺(tái)的定位能力，更有利于發(fā)揮緊急情況下運(yùn)營(yíng)商定位能力的作用。通過(guò)引入報(bào)警模式定位策略系統(tǒng)以及在業(yè)務(wù)管理平臺(tái)預(yù)設(shè)緊急情況下的定位模式，可以提供比普通模式下業(yè)務(wù)等級(jí)更高、定位間隔更短等更加頻繁、及時(shí)的定位服務(wù)。當(dāng)被監(jiān)護(hù)人的終端發(fā)出報(bào)警后，業(yè)務(wù)管理平臺(tái)馬上啟動(dòng)報(bào)警模式下的定位服務(wù)，按照事先設(shè)好的最短定位時(shí)間間隔，不斷地和被監(jiān)護(hù)人移動(dòng)終端協(xié)同，獲取被監(jiān)護(hù)人的位置信息，并且向監(jiān)護(hù)人提供監(jiān)護(hù)對(duì)象的位置信息。在監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)中，使用本策略模型可以改進(jìn)現(xiàn)有對(duì)于老人、兒童、寵物、貴重物品等的監(jiān)護(hù)業(yè)務(wù)，幫助監(jiān)護(hù)人更有效地采取對(duì)被監(jiān)護(hù)人的緊急行動(dòng)措施，實(shí)現(xiàn)通信行業(yè)應(yīng)用用戶(hù)的規(guī)模發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]劉宇，朱仲英.位置信息服務(wù)（LBS）體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].微型電腦應(yīng)用，2003，19（5）：5-7.

[2]IRIS A J，RICHARD T W.Location based service[J].Communications of the ACM，2008，51：65-69.

[3]姚金森.位置可視化方法及其應(yīng)用研究[D].南京郵電大學(xué)，2014.

[4]LEUVEN，BELGIUM，EINDHOVEN.Monitoring your health with your mobile phone[EB/OL].http://www2.imec.be/be_en/press/imecnews/wirelesshealthnecklaceinterface.html，2010.

[5]文耀峰.一種實(shí)時(shí)的跌倒姿態(tài)檢測(cè)和心率監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究[D].浙江大學(xué)，2008.