建筑物內(nèi)部火災(zāi)應(yīng)急導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

鄔志鋒 卓璧湖 趙軍源

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省廣州市 510650）

1 背景

根據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年全國(guó)共接報(bào)火災(zāi)25.2 萬(wàn)起，死亡1183 人，受傷775 人，直接財(cái)產(chǎn)損失40.09億元，造成如此巨大傷亡一個(gè)重要的原因就是建筑物內(nèi)部的被困人員和建筑外部的消防人員都不能準(zhǔn)確此時(shí)了解建筑物內(nèi)部可通行的通道，不能明確判斷出最安全、快捷的逃生線路和最佳營(yíng)救路線。

目前對(duì)火災(zāi)建筑物內(nèi)部通道暢通情況的探測(cè)方法研發(fā)、對(duì)營(yíng)救人員定位方法的研究比較少。文獻(xiàn)[1~4]提出的是利用消防機(jī)器人探測(cè)建筑物內(nèi)部通道。該方法是目前最成熟的方法，做法是通過(guò)遠(yuǎn)程遙控方式操控消防機(jī)器人進(jìn)入建筑物內(nèi)部，通過(guò)其攝像頭回傳前方視頻圖像，后面操作人員根據(jù)圖像分析判斷通道損毀程度和火情，再做出救援決策。該方法優(yōu)勢(shì)明顯，缺點(diǎn)也很顯著：首先是攝像頭容易受到煙霧的影響；其次是機(jī)器人必須是在火情得到有效控制的條件下才能使用，影響了救援的及時(shí)性。文獻(xiàn)[5~6]提出了使用慣性測(cè)量單元（Inertial measurement unit, IMU）的室內(nèi)定位方法。該方法是使用6 軸或9 軸傳感器測(cè)量消防員的姿態(tài)，然后根據(jù)慣性導(dǎo)航原理對(duì)消防員進(jìn)行跟蹤，從而得到消防員的實(shí)時(shí)位置，再根據(jù)消防員的行進(jìn)路線推測(cè)火災(zāi)建筑物內(nèi)部通道的情況。這種方法存在兩大弊端：首先消防員需要進(jìn)行火災(zāi)建筑物內(nèi)部，給消防員帶來(lái)了巨大的生命危險(xiǎn)；其次是慣性導(dǎo)航方法存在較大的誤差，消防員的定位數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[7-8]提出了基于Wi-Fi 的消防員室內(nèi)定位。該方法是通過(guò)測(cè)量消防員接收到的多個(gè)Wi-Fi 接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication,RSSI）后計(jì)算相互之間的距離，最后通過(guò)坐標(biāo)估算方法進(jìn)行室內(nèi)定位。這種方法也存在兩個(gè)突出的弊端：首先是建筑物起火以后，大部分的Wi-Fi 接入點(diǎn)都會(huì)斷電；其次RSSI 測(cè)量方法是一種估算方法，對(duì)于室內(nèi)小范圍定位而言其相對(duì)誤差極大。

2 實(shí)現(xiàn)思路

針對(duì)現(xiàn)有消防設(shè)施智能化程度低的缺點(diǎn)，本文探索通過(guò)加入U(xiǎn)WB 傳輸模塊、使用LED 點(diǎn)陣代替固定顯示、加裝智能傳感器等技術(shù)手段對(duì)消防應(yīng)急燈進(jìn)行改造，在建筑物內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)分米級(jí)定位精度的定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在內(nèi)部火災(zāi)時(shí)對(duì)受困人員進(jìn)行室內(nèi)導(dǎo)航，同時(shí)使外部救援人員及時(shí)掌握建筑物內(nèi)部的通道情況、被困人員的分布情況，引導(dǎo)他們從最安全、快捷的通道逃離火場(chǎng)，從而有效降低火災(zāi)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡，提高救災(zāi)效率，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1：系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)主要由智能消防應(yīng)急燈、手持定位標(biāo)簽、智能消防管理中心三部分構(gòu)成。智能消防應(yīng)急燈除了具有傳統(tǒng)的消防應(yīng)急燈的功能外還起到了定位基站、環(huán)境數(shù)據(jù)收集的作用，其通過(guò)NB-IoT 模塊與智能消防管理中心進(jìn)行通信。手持定位標(biāo)簽的主要作用確定被困人員在建筑物中的位置。智能消防管理中心的主要作用是平時(shí)對(duì)消防設(shè)備進(jìn)行日常巡檢，火災(zāi)時(shí)通過(guò)手持式標(biāo)簽的定位數(shù)據(jù)確定被困人員的位置并通過(guò)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的分析為被困人員提供最佳逃生線路。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 智能消防應(yīng)急燈

智能消防應(yīng)急燈不僅具有傳統(tǒng)的消防應(yīng)急燈火災(zāi)時(shí)為應(yīng)急疏散通道提供照明的功能，同時(shí)還具備定位基站和環(huán)境狀態(tài)收集的功能，主要電路圖2 所示。

如圖2 所示，智能消防應(yīng)急燈使用了Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103C8T6（U1）作為主控單片機(jī)，該單片機(jī)具有成本低、速度快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[9]。智能消防應(yīng)急燈使用DWM1000 模塊（M1）實(shí)現(xiàn)UWB 通信，DWM1000 是DecaWave 公司生產(chǎn)的一款基于超寬帶收發(fā)模塊，該模塊內(nèi)部集成了部射頻電路、電源管理和時(shí)鐘電路以及天線，具有時(shí)間分辨率高、通信距離遠(yuǎn)、集成簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)與云端的智能消防管理中心通信，本系統(tǒng)使用了有方科技的N21 模組(U6)，該模組是一款超小封裝的NB-IoT 工業(yè)級(jí)無(wú)線通訊模塊，特點(diǎn)是超低功耗、廣域覆蓋、外圍電路簡(jiǎn)單，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[10]，適合用于低速率低功耗的物聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)備。為了防止因?yàn)樽藨B(tài)變化而錯(cuò)誤顯示指向信息，智能消防應(yīng)急燈使用了超低功耗、高分辨率高的3 軸加速度計(jì)ADXL345（U3）測(cè)量其自身姿態(tài)[11]，確保顯示指向信息準(zhǔn)確無(wú)誤。智能消防應(yīng)急燈使用了DS18B20 數(shù)字溫度傳感器（U4）測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度，并使用了P10 標(biāo)準(zhǔn)LED 燈板作為顯示部分（P1），改善了傳統(tǒng)應(yīng)急消防燈具只能指示固定逃離方向、提示信息量少的不足。

圖2：智能消防應(yīng)急燈主要電路

3.2 手持定位標(biāo)簽

手持定位標(biāo)簽是當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)受困人員攜帶在身上的設(shè)備，主要作用確定被困人員的位置、運(yùn)動(dòng)軌跡，主要電路如圖3 所示。

圖3：手持標(biāo)簽主要電路

手持定位標(biāo)簽是使用電池供電的設(shè)備，所以使用了STM32L011F 作為主控單片機(jī)，該單片機(jī)是基于 Cortex-M0+ 內(nèi)核的超低功耗 32 位 MCU，當(dāng)使用 LDO 時(shí)該單片機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式電流消耗僅有 76 μA/MHz，非常適合使用電池供電的設(shè)備使用[12]。UWB 通信使用的DWM1000 模塊，不再贅述。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分主要由智能消防應(yīng)急燈、智能消防中心服務(wù)器上運(yùn)行的標(biāo)簽定位軟件、導(dǎo)航指示控制軟件構(gòu)成。

4.1 UWB測(cè)距原理

被困人員的定位是通過(guò)對(duì)其于智能消防應(yīng)急燈之間的距離實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)是通過(guò)雙邊雙向測(cè)距法(double-sided two-way Ranging，DS-TWR)的方法實(shí)現(xiàn)的，測(cè)量過(guò)程如圖4 所示。

圖4：UWB 測(cè)距過(guò)程

手持標(biāo)簽在激活后首先發(fā)送Poll 數(shù)據(jù)包，并記錄發(fā)送時(shí)間tTP。消防應(yīng)急燈在接收到Poll 數(shù)據(jù)包后記錄時(shí)間tRP，然后發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包Resp，記錄發(fā)送時(shí)間tTR。手持標(biāo)簽在接收到消防應(yīng)急燈的Resp 數(shù)據(jù)包時(shí)記錄當(dāng)前時(shí)間tRR，然后發(fā)送最后數(shù)據(jù)包Final，記錄發(fā)送時(shí)間tTF。消防應(yīng)急燈在接收到該數(shù)據(jù)包記錄接收時(shí)間tRF，至此測(cè)距通信結(jié)束。根據(jù)記錄的時(shí)間戳，計(jì)算得到四個(gè)時(shí)間差數(shù)據(jù)：

根據(jù)以上四個(gè)時(shí)間差，可以計(jì)算出來(lái)空中飛行時(shí)間[13]為：

根據(jù)無(wú)線電信號(hào)在空氣中傳輸?shù)奶攸c(diǎn)可得到手持標(biāo)簽與智能消防應(yīng)急燈之間的距離為：

其中c 為光速。

由于UWB 模塊的接收帶寬很大，所以容易受到周圍電磁波的干擾而產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)使用了中值濾波的方法去除異常值。中值濾波法作為一種非線性平滑技術(shù)，它的原理是采用排序統(tǒng)計(jì)理論降低信號(hào)中的噪聲，該方面對(duì)信號(hào)中的孤立噪聲有很好的降低效果[14]。計(jì)算公式如（4）所示：

程序流程圖如圖5 所示。

圖5：中值濾波

4.2 被困人員定位

本系統(tǒng)使用三邊測(cè)量法通過(guò)定位被困人員的手持定位標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)來(lái)確定被困人員的位置。三邊測(cè)量法是一種常用的定位算法，方法通過(guò)測(cè)量三角形的邊長(zhǎng)，再根據(jù)已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)、起始邊的邊長(zhǎng)和坐標(biāo)方位角，解算各三角形頂點(diǎn)水平位置，測(cè)量方法如圖6 所示。

圖6：被困人員定位原理

如圖6 所示，圖中智能消防應(yīng)急燈的位置在施工時(shí)使用激光測(cè)距儀進(jìn)行定位，其位置分別是(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3) 、(x4,y4)，智能消防應(yīng)急燈作為定位的基站。設(shè)被困人員手持定位標(biāo)簽的位置為(x,y)。使用UWB 通信模塊DWM1000 利用4.1 所示的方法測(cè)量標(biāo)簽與各基站的距離，可得：

將公式（5）中的第一個(gè)方程減去第二和第三個(gè)方程可得：

即：

使用最小二乘法即可求解公式（8），結(jié)果為：

從而確定被困人員的位置。

4.3 導(dǎo)航路徑計(jì)算

運(yùn)行在智能消防中心服務(wù)器上的導(dǎo)航指示控制軟件主要是根據(jù)受困人員的位置、傳感器測(cè)量出來(lái)周圍的溫度等信息分析通道的阻塞情況，通過(guò)控制應(yīng)急消防燈指示牌的指示方向引導(dǎo)受困人員脫困，其程序流程圖如圖7 所示。

圖7：導(dǎo)航路徑計(jì)算

5 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試本系統(tǒng)的性能，本文利用高等院校常見(jiàn)的丁字形過(guò)道進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試區(qū)域如圖8 所示。測(cè)試區(qū)域內(nèi)共布置了7 個(gè)智能消防應(yīng)急燈，其中智能消防應(yīng)急燈1 設(shè)置為原點(diǎn)坐標(biāo)；共設(shè)置了3個(gè)模擬著火點(diǎn)，用點(diǎn)燃的木柴模擬火災(zāi)，分別位于圖中的A、B、C 三點(diǎn)，位置如圖8 所示。

圖8：測(cè)試圖

5.1 定位測(cè)試

UWB 的定位測(cè)試是通過(guò)測(cè)試人員手持定位標(biāo)簽在區(qū)域內(nèi)移動(dòng)變換位置實(shí)現(xiàn)的，測(cè)試人員手持移動(dòng)標(biāo)簽，雙臂自然下垂，測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

圖9：定位精度

其中圖9a 為水平方向的誤差，圖9b 為垂直方向的誤差，由圖可見(jiàn)隨著距離變大，直接計(jì)算和中值濾波兩種定位方面的定位誤差均隨著距離的增大而增大，尤其是當(dāng)距離超過(guò)4 米時(shí)誤差明顯變大。同時(shí)也可以看出經(jīng)過(guò)中值濾波后得到的定位誤差明顯小于直接計(jì)算方法，且誤差的波動(dòng)較小，可見(jiàn)中值濾波法是可以提高定位精度的。

5.2 導(dǎo)航測(cè)試

通過(guò)點(diǎn)燃不同模擬著火點(diǎn)，本文測(cè)試了系統(tǒng)的導(dǎo)航性能，結(jié)果如圖10、圖11 所示。

圖10：?jiǎn)吸c(diǎn)著火測(cè)試

圖11：多點(diǎn)著火測(cè)試

由圖可見(jiàn)，無(wú)論是單點(diǎn)著火還是多點(diǎn)著火，本系統(tǒng)均比較好指示了逃離的方向，給受困人員提供了良好的應(yīng)急逃生導(dǎo)航。

6 結(jié)論

本文針對(duì)建筑物火災(zāi)時(shí)室內(nèi)被困人員難以順利逃離的難點(diǎn)設(shè)計(jì)了應(yīng)急導(dǎo)航定位系統(tǒng)，測(cè)試表明該系統(tǒng)使用的中值濾波法提高了室內(nèi)定位的精度，硬件系統(tǒng)很好識(shí)別了室內(nèi)的著火點(diǎn)，軟件系統(tǒng)在單點(diǎn)著火、多點(diǎn)著火等常見(jiàn)火宅情況下給受困人員正確指示了逃生方向，起到了導(dǎo)航作用。