信息可視化技術(shù)在消防搜救中的應(yīng)用研究

摘要：考慮到國(guó)內(nèi)消防搜救的現(xiàn)狀和需求以及國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)，提出消防搜救可視化技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。系統(tǒng)采用“微慣導(dǎo)+藍(lán)牙”融合定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人員位置探測(cè)，同時(shí)設(shè)計(jì)生命體征探測(cè)模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控消防員的心率、呼吸頻率、體表溫度、血壓等身體特征指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)信息綜合顯示。系統(tǒng)以穿戴方式使用，不僅穿戴輕便而且精準(zhǔn)的掌握搜救人員的室內(nèi)定位以及實(shí)時(shí)身體狀況，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)消防搜救現(xiàn)狀的功能提升和實(shí)用創(chuàng)新，有一定的研究意義。

關(guān)鍵詞：消防;定位技術(shù);生命體征;可視化

中圖分類(lèi)號(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）18-0192-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 背景

遵照《裝備建設(shè)規(guī)劃》中消防可視化搜救設(shè)備與指揮平臺(tái)的定義和定位，秉持“首戰(zhàn)用我，用我必勝”的自信和勇氣，參照國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品的先進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，中航華東光電有限公司致力于消防搜救智能設(shè)備研發(fā)，目前已有應(yīng)用于消防搜救的頭盔式紅外熱像儀，見(jiàn)圖1，該產(chǎn)品通過(guò)了國(guó)家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心認(rèn)證。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)全方位、多維度的保障火災(zāi)中救援的消防人員的安全，提出人員定位與生命體征信息可視化技術(shù)，保障消防員自身安全的情況下，快速完成救援工作。

2 定位導(dǎo)航模塊

本系統(tǒng)采用的是“微慣導(dǎo)定位”與“藍(lán)牙技術(shù)”相結(jié)合的定位導(dǎo)航模式。不同于其他的定位系統(tǒng)，慣導(dǎo)定位技術(shù)可以不依賴無(wú)線基站、電子標(biāo)簽、導(dǎo)航衛(wèi)星等輔助的設(shè)備，不需要先驗(yàn)的數(shù)據(jù)，他是完全自主式的，而藍(lán)牙技術(shù)可以布設(shè)便捷，兩者相結(jié)合，可以更加精準(zhǔn)、快速地實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航。

2.1“微慣導(dǎo)+藍(lán)牙”融合定位

微慣導(dǎo)系統(tǒng)是一種基于微機(jī)電傳感器技術(shù)的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)為加速度計(jì)和陀螺儀以及微處理器，除此以外，氣壓計(jì)、磁力計(jì)等MEMS器件也可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)的增加。目前很多的場(chǎng)景定位都是單一使用慣導(dǎo)定位的，沒(méi)有配合任何輔助定位手段。而純慣導(dǎo)定位技術(shù)，適用于室內(nèi)的小場(chǎng)景，行走在改場(chǎng)景下，位置和角度的漂移并不是很明顯。但是，本系統(tǒng)的應(yīng)用是火災(zāi)搜救現(xiàn)場(chǎng)，特定的環(huán)境條件致使純慣導(dǎo)系統(tǒng)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是精度問(wèn)題，雖然在目前業(yè)內(nèi)的純慣導(dǎo)系統(tǒng)有0.3%的精度相對(duì)較高，但是火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景較大，環(huán)境未知，所以，慣導(dǎo)技術(shù)自身的固有漂移率導(dǎo)致定位結(jié)果產(chǎn)生較大的累積誤差，圖2給出了對(duì)于一個(gè)面積約200m*300m的范圍，利用純慣導(dǎo)定位的位置定位效果圖.可見(jiàn)定位效果欠佳。

二是純慣導(dǎo)技術(shù)的使用較為復(fù)雜，純慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的是相對(duì)軌跡，使用時(shí)需要所有人的軌跡可以統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)的系統(tǒng)中，目前該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法是保證所有人員在出發(fā)前需要共同經(jīng)過(guò)同一段長(zhǎng)直線，最后在應(yīng)用層將大家的軌跡旋轉(zhuǎn)到一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)中，又或者是安置兩個(gè)相隔10米以上的腳墊，系統(tǒng)需要保證所有人可以依次踩到兩個(gè)腳墊，最后通過(guò)后臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，也可以將所有人統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)。但是這兩種方法在火災(zāi)搜救現(xiàn)場(chǎng)中實(shí)施困難較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，本系統(tǒng)采用藍(lán)牙技術(shù)輔助定位方式。藍(lán)牙技術(shù)主要用于室內(nèi)定位，但是該技術(shù)有一定的局限性，比如發(fā)射范圍比較小、易受環(huán)境影響和干擾、定位的精度不高。然而藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是設(shè)備輕巧、成本較低，在實(shí)際應(yīng)用中，藍(lán)牙布設(shè)方便，可以靈活的適應(yīng)環(huán)境，這個(gè)優(yōu)勢(shì)非常適用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境未知的消防搜救的應(yīng)用。

所以本系統(tǒng)采用高精度的慣導(dǎo)定位為主，同時(shí)藍(lán)牙技術(shù)輔助配合的模式，在進(jìn)行慣導(dǎo)定位的同時(shí)，臨時(shí)布設(shè)藍(lán)牙信標(biāo)。圖3給出與圖2 -樣的約200m*300m范圍的定位效果圖，該定位采用慣導(dǎo)技術(shù)，并輔助布設(shè)了3個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)（紅色標(biāo)識(shí)）。

對(duì)比圖2與圖3的效果，可以看出，采用高精度的微慣導(dǎo)定位模塊結(jié)合藍(lán)牙信標(biāo)做的數(shù)據(jù)融合定位，通過(guò)修正算法引擎將兩者的數(shù)據(jù)融合、優(yōu)化后，可以快速地將所有人的相對(duì)軌跡統(tǒng)一到第一個(gè)人的坐標(biāo)系中，定位精度高、速度快。

2.2 定位傳感器

定位傳感器采用微慣導(dǎo)結(jié)構(gòu)，體積小、功耗低，可固定于定制鞋墊中。

定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及導(dǎo)航解算模塊等三大部分，數(shù)據(jù)采集模塊主要包括慣性傳感器和智能主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，慣性傳感器數(shù)據(jù)保存在SD卡中;數(shù)據(jù)處理模塊主要是對(duì)所采集的數(shù)據(jù)中的無(wú)效值進(jìn)行剔除;導(dǎo)航解算模塊：1）對(duì)于三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀信息在數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行實(shí)時(shí)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航解算，得到人體的姿態(tài)、速度、位置等信息;同時(shí)利用零速綜合判定條件對(duì)人體是否處于零速狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到足部處于零速區(qū)間時(shí)，對(duì)速度、位置以及航向構(gòu)建量測(cè)信息，通過(guò)基于多運(yùn)動(dòng)模態(tài)辨識(shí)的慣性誤差組合濾波修正方法對(duì)導(dǎo)航結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正;2）當(dāng)WiFi信號(hào)接收設(shè)備連續(xù)地接收到位置指紋庫(kù)中存儲(chǔ)的三個(gè)對(duì)應(yīng)AP的信號(hào)強(qiáng)度值時(shí)，采用KNN算法和位置指紋庫(kù)的指紋特征信息對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行定位匹配;3）當(dāng)采集到的WiFi信號(hào)數(shù)據(jù)無(wú)效時(shí)，將慣性組合濾波算法結(jié)果作為定位導(dǎo)航系統(tǒng)的最終定位結(jié)果;當(dāng)WiFi信號(hào)數(shù)據(jù)有效時(shí)，將基于RSSI位置指紋的WiFi指紋匹配位結(jié)果與慣性組合濾波解算結(jié)果進(jìn)行比較，如果兩者的距離差大于設(shè)定閾值，則仍使用慣性組合濾波算法的結(jié)果;當(dāng)兩者的距離差小于設(shè)定閾值時(shí)，則將WiFi指紋匹配定位結(jié)果和慣性組合濾波定位結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均作為該點(diǎn)最終的定位結(jié)果。

3 生命體征探測(cè)模塊

該模塊結(jié)合多傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，用于消防員生命體征的監(jiān)測(cè)，將消防員的生命體征值可視化，確保指揮中心可以第一時(shí)間準(zhǔn)確地掌握前線消防戰(zhàn)士的生命狀態(tài)。生命體征模塊監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：消防員的心率、呼吸頻率、體表溫度、血壓等身體特征指標(biāo)，并設(shè)定了正常對(duì)比值，當(dāng)出現(xiàn)身體狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)可以立即報(bào)警。

生命體征探測(cè)由生命體征傳感器、信息處理微控制器和藍(lán)牙傳輸裝置等三部分組成，如圖4所示。

生命體征傳感器包括：1）皮膚溫度傳感器;2）心率傳感器;3）呼吸率傳感器;和4）血壓傳感器等，用于捕捉生命狀態(tài)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)消防員的心率、呼吸率、體溫、血壓等生命體征的采集。

消防員在進(jìn)入火場(chǎng)救援時(shí)，佩戴于腕部，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再通過(guò)藍(lán)牙傳輸模塊，將信息上報(bào)給消防搜救可視化與指控平臺(tái)的處理終端。處理終端可將收到的生命體征信息進(jìn)行處理分析，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示終端上，并可回傳至指揮控制中心，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理。

消防員生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由生命體征信息采集終端和數(shù)據(jù)處理終端兩部分組成。手環(huán)或心率帶兩種生命體征信息采集終端形式具有佩戴方便、探測(cè)準(zhǔn)確，其外形示意圖如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用MEMS慣導(dǎo)+藍(lán)牙的融合定位技術(shù)與生命體征探測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，結(jié)合多種探測(cè)傳感技術(shù)，以穿戴的方式進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，不僅定位精度高、攜帶方便，而且還能探測(cè)人體姿態(tài)，確保及時(shí)了解人員健康狀況。本系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)搜救現(xiàn)場(chǎng)可視化、搜救人員安全保障多樣化，當(dāng)消防隊(duì)員遇到危險(xiǎn)時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)報(bào)警可以快速得到救助。

參考文獻(xiàn)：

[1]黨小超，李彩霞，郝占軍.一種RSS和CSI融合的二階段室內(nèi)定位方法[Jl.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，31（8）： 1258-1265.

[2]畢京學(xué)，汪云甲，曹鴻基，等.一種基于全向指紋庫(kù)的WiFi室內(nèi)定位方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2018（2）： 25-29.

[3]李金霞，張立強(qiáng).一種人體生理聲音分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2010，24（1）： 61-63.

[4]王利軍，郭樹(shù)楷，呂實(shí)誠(chéng).基于嵌入式人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010（1）： 19-21.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

作者簡(jiǎn)介：朱標(biāo)（1983-），男，安徽界首人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、信號(hào)與信息處理。