基于CSS技術SDS-TWR的艦船艙內(nèi)報警人員定位系統(tǒng)研究

曹保根，滿真真，喻錫成，張 建，趙紅旗，呂傳祿，倪 健，邵壯超

（海軍特色醫(yī)學中心，上海 200433）

0 引言

艦船戰(zhàn)時遭受攻擊或平時遭遇爆炸、火災、撞擊、傾覆等突發(fā)事件可能造成批量人員傷亡，這些傷亡者中有相當一部分是受爆震沖擊或煙霧窒息處于暫時性休克或意識喪失等狀態(tài)以及受困未被及時發(fā)現(xiàn)。一方面，傷員與受困人員因錯過救援、救治的“白金時間”與“黃金時間”，或傷情加劇，或二次損傷致死；另一方面，艦艇損害管控與醫(yī)療救護人員缺乏對傷員與受困人員所處位置與狀態(tài)信息的了解，無法采取針對性的措施而錯失受困人員救援與傷員救護的最佳時機。

現(xiàn)代艦船，特別是大型作戰(zhàn)平臺與游輪等，功能布局復雜，艙室種類繁多，為滿足作戰(zhàn)性能和生活舒適性等綜合要求，采用封閉型結構，主要艙室采用鋼質防火分區(qū)隔段。遭受攻擊和突發(fā)事故時，熾熱的有毒煙霧及充斥殘雜物的艙室很難以傳統(tǒng)的手段搜尋傷員與受困人員，從而影響進一步救援救護工作展開。

為了逐步解決艦船遭受攻擊和突發(fā)事故應急救援中傷員與受困人員搜索定位的難題，為艦員生命安全提供“托底”的信息化保障，本研究參照已應用的消防與礦井隧道等環(huán)境作業(yè)人員定位系統(tǒng)[1-6]，根據(jù)艦船艙室環(huán)境特點，結合艙內(nèi)艦員崗位履職和訓練、生活等需要，以多種低負荷穿戴方式實時監(jiān)測生命體征。遭受攻擊或發(fā)生突發(fā)事件產(chǎn)生傷員時，監(jiān)測到生命體征參數(shù)異常，聯(lián)合振動及姿態(tài)等狀態(tài)自動發(fā)出無線報警信號，受困人員也可自主觸發(fā)救助無線報警信號。由于電磁波難以穿過艙室鋼質分隔壁板傳播，艦船艙室報警人員定位需采用無線定位結合有線傳輸?shù)姆绞?，將傷員與受困人員的報警信息傳送至相關指揮、損害管控與救護部門，為第一時間內(nèi)有的放矢地采取救援救護措施贏得寶貴時間。

為此，本文根據(jù)現(xiàn)代艦船封閉及鋼質材料艙室隔斷等特點，運用室內(nèi)定位技術研究適用于艙室人員使用的低負荷穿戴裝置，在戰(zhàn)時及突發(fā)事件中進行傷員與受困人員定位指示，提高艦艇損害管控、人員救援和傷員救護效能。

1 室內(nèi)無線定位技術

1.1 室內(nèi)無線定位主要方法與技術

無線定位主要分為室外和室內(nèi)兩類。室外無線定位普遍采用衛(wèi)星信號覆蓋的形式，目前可使用中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Beidou navigation satallite system，BDS）、美國的全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）和俄羅斯的格洛納斯通信導航系統(tǒng)（global navigation satallite system，GLNASS）等。由于衛(wèi)星信號只能覆蓋室外空曠區(qū)域，而不能穿透建筑物和艦船圍壁鋼板的局限性，室內(nèi)（含艦船內(nèi)部）無法使用衛(wèi)星定位。

根據(jù)室內(nèi)無線定位的原理，其基本算法有：到達時間法（time of arrival，TOA），如紅外線定位；到達時間差法（time difference of arrival，TDOA），如超寬帶（ultra-wideband，UWB）和線性調頻擴頻定位（chirp spread spectrum，CSS）；接收信號強度法（received signal strength indicator，RSSI），如 ZigBee、藍牙定位；到達角度法（angleofarrival，AOA）等?，F(xiàn)常用室內(nèi)無線定位技術有Wi-Fi、超聲、藍牙、射頻識別（radio frequency identification，RFID）、ZigBee 、UWB、CSS 等[1-2，5-8]，其主要特征比較見表1。

艦船艙內(nèi)金屬材質裝備設施密集，戰(zhàn)時遭受攻擊及平時爆炸火災、碰撞傾覆等情況下，人員報警定位影響因素多、干擾大，安全性、穩(wěn)定性與可靠性要求高。綜合定位精度、技術復雜度和成本及擴展性等，本項目研究的艦船艙內(nèi)報警人員無線定位系統(tǒng)經(jīng)遴選后采用CSS技術。

表1 常用室內(nèi)無線定位技術特征比較

1.2 基于CSS技術對稱雙邊雙路測距（symmetric double-sided two way ranging，SDS-TWR）的無線定位

CSS是一種運用啁啾（chirp）信號載波通信的室內(nèi)定位技術，其顯著特征是利用脈沖壓縮技術，使得接收信號脈沖能量非常集中，極易分辨與檢測，具有較高的抗干擾和多路徑效應能力。CSS采用軍用小孔徑雷達的chirp測距信號，基于TDOA測距算法，實現(xiàn)在2.4 GHz頻段帶寬的信號傳輸。采用80 MHz帶寬時，頻譜密度較低，但能夠獲取較大的通道增益，可快速分辨出脈沖信號，識別出傳輸信號的發(fā)送時間、對應回復信號到達時間，進行傳輸路徑長度計算，具有高魯棒性和超低的能量消耗。

SDS-TWR采用時分多址（time division multiple access，TFMA）無線定位方法[1-2，9]。SDS-TWR 通過精確測量雙向到達時間及內(nèi)部反應時間計算兩點間距離，原理如圖1所示。通過載波的chirp信號測出TroundA、TroundB、TreplyB、TreplyA，并得出 Td，根據(jù)電磁波傳播速度計算兩點間的距離。結合所處環(huán)境及非視距定位修正算法等，可獲得測距數(shù)據(jù)[10]。

圖1SDS-TWR原理示意圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

艦船艙內(nèi)報警人員定位主要于應急狀態(tài)下為損害管控、傷員救護等提供傷員與受困報警人員目標位置指示信息。將艙內(nèi)報警人員定位系統(tǒng)研究涉及實體空間分3個層級：艦船艙內(nèi)人員、艦船各艙室（含艦船內(nèi)通道）和艦船內(nèi)部空間，所對應的空間分別標稱為體域（body area，BA）、艙域（cabin area，CA）和艦船局域（local area，LA）。

在BA范圍內(nèi)建立生命體征監(jiān)測報警體域網(wǎng)。采用頭盔、背心、腕帶等低負荷穿戴方式，實時監(jiān)測艦員生命體征參數(shù)，結合姿態(tài)與運動和所處環(huán)境等，采用生命體征異常等多參數(shù)聯(lián)合判別，進行傷員自動報警；受困人員自主觸發(fā)穿戴式裝置的按鈕報警。并在艦員穿戴式裝置內(nèi)嵌入SDS-TWR無線定位測距與CSS通信模塊。

在CA范圍內(nèi)建立無線報警定位艙域網(wǎng)。根據(jù)艙室空間與結構，在艙室側壁頂部邊緣設置無線定位錨點，接收艙內(nèi)艦員穿戴式裝置發(fā)出的報警信號，進行測距定位，并實現(xiàn)無線定位、通信有線路由與多模式信號轉換。

在LA范圍內(nèi)建立無線定位通信有線路由冗余傳輸局域網(wǎng)?？衫门灤扔腥哂嗤ㄐ啪€路與按要求設計敷設線路相結合的形式，以多通道冗余傳輸?shù)姆绞?，增強系統(tǒng)在突發(fā)狀態(tài)下的信息傳輸?shù)目煽啃浴⑴撌遗瀱T穿戴式生命體征監(jiān)測裝置的傷員自動報警與受困人員自主報警信息傳輸至艦船指揮、損害管控和救護等部門的圖形化網(wǎng)絡終端界面，為救援與救護等部門提供目標指示。

2.2 結構與配置

基于總體的3級實體與艦員生命體征實時監(jiān)測報警→無線定位→有線路由→冗余傳輸→定位目標指示的技術路徑，艦船艙內(nèi)報警人員定位系統(tǒng)拓撲結構示意圖如圖2所示。

系統(tǒng)主要配置包括：每名艙室人員配置1套穿戴式（頭盔、背心、腕帶式可選）生命體征監(jiān)測報警裝置；每個艙室根據(jù)空間布局和結構形式等冗余設置集無線定位錨點、無線定位通信有線路由和多模式信號轉換于一體的定位節(jié)點通信裝置，并按傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission control protocol/internet protocl，TCP/IP）、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（user datagram protocal，UDP）以太網(wǎng)和 CAN、RS485 總線型通信網(wǎng)絡等要求配置交換機、集線器與中繼器等；配置1套（2臺）熱備份網(wǎng)絡服務器、3臺網(wǎng)絡終端、1套艦船艙室人員報警定位應用軟件系統(tǒng)以及救援現(xiàn)場使用的便攜式艙室人員無線定位指示裝置。

圖2 艦船艙內(nèi)報警人員定位系統(tǒng)拓撲結構

2.3 功能與性能

（1）艦船艙室傷員與受困人員報警。按艦船執(zhí)行任務期間艦內(nèi)各類崗位作業(yè)、訓練與日常生活要求，為艦員選擇配置使用頭盔、背心和腕帶之一的穿戴方式生命體征監(jiān)測裝置?？蛇M行呼吸、心率、血壓、血氧等生命體征和姿態(tài)與振動等多參數(shù)實時連續(xù)監(jiān)測，待機工作時間≮72 h，連續(xù)工作時間≮12 h。艦船突發(fā)事件及日?；顒又?，可根據(jù)實時監(jiān)測的體征參數(shù)，進行異常多參數(shù)聯(lián)合判別，1 min內(nèi)自動發(fā)出報警信號；受困人員通過應急按鈕進行自主求助發(fā)送報警信號。

（2）艦船艙室傷員與受困報警人員無線定位。艦船應急狀態(tài)環(huán)境下，一旦艙室部分定位錨點損毀，冗余設置的無線定位錨點可完成報警信號接收、測距定位與無線路由發(fā)送定位，測距定位精度≯2 m；具有2通道冗余的共3條網(wǎng)絡線路可將各艙室的報警定位信號傳輸至具有熱備份的服務器；系統(tǒng)設置應急電源，供電時間≮3 h；服務器熱備份自動切換時間≯60s；無線及有線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)綜合傳輸速率≮200kbit/s。

（3）艦船艙室傷員與受困報警人員無線定位指示。在與突發(fā)事件應急救援密切相關的指揮、損害管控和醫(yī)療救護部門設置網(wǎng)絡終端，或利用現(xiàn)有終端進行接口與軟件集成，接收艙內(nèi)報警人員定位信號。在艙室布局的圖形化界面以特效呈現(xiàn)傷員或受困報警人員在船艙的位置，可按時間序列、艙室類別、報警類型等進行分類顯示；可按部門、艙段區(qū)域、時間等進行綜合查詢與統(tǒng)計，并可對顯示的報警信息進行閉環(huán)處理。損害管控救援現(xiàn)場人員可利用配置的便攜式無線定位目標指示裝置，監(jiān)測艙內(nèi)報警信號源（即報警傷員與受困人員），并可與艙內(nèi)錨點或穿戴式生命體征報警裝置進行無線通信，獲取具體位置信息，確認報警類型，了解掌握傷員與受困人員的生命體征。

3 系統(tǒng)應用

根據(jù)系統(tǒng)總體目標與科研及工程應用程序，對研制的樣機系統(tǒng)在多層建筑進行模擬艦船環(huán)境的試用與原理驗證，并針對試用中出現(xiàn)的問題進行設計完善。

按圖2的結構形式，于某多層建筑的3～5層，選擇8個房間模擬艦船特征艙室，進行樣機系統(tǒng)部署。分別模擬某艦2、1和01甲板相鄰的指揮控制室、通信機房、聲吶機房、雷達機房、數(shù)據(jù)中心、觀通報房等6間功能艙室，以及主機艙和輔機艙2個大空間艙室。在各艙室側壁頂部邊沿每隔約8 m布設1套定位節(jié)點通信裝置，每條大于3 m的邊沿至少設置1套定位節(jié)點通信裝置，并在間隔大于5 m的頂部邊沿設置冗余節(jié)點。有線通信線纜在3個不同樓（甲板）層采用不同的主干與分支走向，并設置熱備份網(wǎng)絡服務器，在3個區(qū)域設置圖形化報警信息終端。試用模擬測試的各艙室戰(zhàn)位設置及穿戴式生命體征監(jiān)測報警裝置配置見表2。

表2 模擬測試艙室及穿戴式裝置配置分布

模擬艦船遭受攻擊（非破壞性，狀態(tài)模擬）情形，采用模擬傷員異常生命體征預置觸發(fā)報警及受困人員自主觸發(fā)報警的方式進行驅動。經(jīng)系統(tǒng)時間統(tǒng)一校準與測試統(tǒng)計，各穿戴式報警裝置均能在異常體征觸發(fā)后60 s內(nèi)自動發(fā)出報警信號，在75 s內(nèi)于圖形化終端界面顯示報警詳細信息。除受大型金屬材質裝備設施（模擬的主機艙、輔機艙內(nèi)）遮擋外，報警定位精度在1 m內(nèi)，主、輔機艙各1名人員在大型設備遮擋下的定位精度分別為2.8、2.2 m，80 s內(nèi)在設置的3臺圖形化終端顯示各艙室模擬的傷員與受困人員報警類型及具體位置等信息。

針對上述定位精度超限的現(xiàn)象，在可能造成遮擋的大型裝備設施兩側對應側壁頂部邊沿，結合艙室高度適當增加定位節(jié)點通信裝置的布設密度后，可滿足定位測距精度≯2 m的指標要求。此外，報警定位信號可通過3條通道傳輸至2臺熱備份服務器，但系統(tǒng)的各設備與裝置及線纜只進行了原理與效用驗證，環(huán)境適應性方面仍需開展進一步研究。

4 結語

本研究以戰(zhàn)時及平時多樣化軍事任務海上衛(wèi)勤準備需求為牽引，以提升艦船救援與救護響應信息化保障能力實際應用為驅動，探索艦船衛(wèi)勤保障的前伸核心要素，充分挖掘現(xiàn)代信息技術在戰(zhàn)時及艦船突發(fā)事件中人員救援和傷員救護中的應用潛力，發(fā)揮信息化的技術優(yōu)勢和能力“倍增器”作用。從艦船遭受攻擊及突發(fā)事件與損害管控等流程出發(fā)，以人為本，運用信息化手段在第一時間監(jiān)測、定位并指示傷員及受困報警人員，為集中資源、有的放矢地開展救援與救護提供重要目標指引，推動以人為本的理念在海軍裝備建設實際工作的運用，將現(xiàn)代科技轉化為艦船作業(yè)人員的保障能力，對提高平戰(zhàn)時艦船突發(fā)事故應急救援與醫(yī)療救護效率，減少人員傷亡具有重要作用。

在后續(xù)的應用深化研究中，一方面將根據(jù)樣機系統(tǒng)模擬試驗與驗證中出現(xiàn)的部分大型艙內(nèi)空間與物件附近定位精度不足和BA穿戴式裝置適配性等進行改進、完善。另一方面將結合現(xiàn)有艦船采用嵌入式方法進行系統(tǒng)加裝試點，與既有的指揮控制、損害管控、醫(yī)療救護系統(tǒng)等進行綜合集成；對新設計建造艦船，采用與艦船電氣系統(tǒng)同步設計與施工的方式，與相關系統(tǒng)無縫聯(lián)接、有機融合，實現(xiàn)系統(tǒng)的勤務、技術、裝備和保障能力的一體化。