消防綜合定位系統(tǒng)的一種改進方案研究

摘要：消防綜合定位系統(tǒng)是全國消防救援隊伍推廣應用的一套針對城市復雜建筑的消防員定位系統(tǒng)，是破解重大災害現場“內攻定位難、通信覆蓋難”等難題的重要手段，能夠有效保障內攻消防救援人員的生命安全。本文根據該系統(tǒng)在實際工作中的應用情況，深入分析了系統(tǒng)存在的不足，并提出了一種有效的改進方案，進一步提升消防救援隊伍各級聯合作戰(zhàn)指揮效能和安全管控能力。

關鍵詞：消防;定位;信標;慣導

一、消防綜合定位系統(tǒng)應用現狀

近年來，隨著社會經濟不斷發(fā)展，高層地下建筑、超大綜合體建筑大量涌現，給消防救援人員安全管控帶來巨大壓力和挑戰(zhàn)，為有效解決城市復雜建筑內消防救援人員定位難的問題，最大限度減少消防救援人員傷亡，在應急管理部消防救援局的大力推動下，全國消防救援隊伍逐步配備了消防綜合定位系統(tǒng)，利用室內精準定位技術，實時獲取內攻消防救援人員的位置信息，利用生命體征監(jiān)測、三維快速建模、現場掃碼等技術，使現場指揮員實時掌握單兵和班組的生命體征、行動軌跡，有效降低了作戰(zhàn)安全風險。

該系統(tǒng)包含綜合定位單兵終端、生命體征監(jiān)測裝置、綜合定位信標、內攻登記裝置和綜合定位管理終端五部分。

綜合定位單兵終端：佩戴于消防救援人員滅火戰(zhàn)斗服呼救器處，利用信標+GPS/北斗定位技術，通過數值引導，獲取人員間的距離，辨別人員所在方向，測量人員間的高度差，發(fā)出報警信號，接聽指揮員發(fā)出指揮命令。

生命體征監(jiān)測裝置：佩戴于消防救援人員手臂處，實時采集人員心率數據，并通過與綜合定位單兵終端無線連接上傳數據。

綜合定位信標：為系統(tǒng)提供定位基準數據，并能夠在信號較弱的地點擴展信號覆蓋范圍，同時在重要部位引導其他內攻消防救援人員快速到達指定位置。

內攻登記裝置：通過掃碼或無接觸感應方式，自動登記內攻消防救援人員的基礎信息，并根據空氣呼吸器壓力裝置數據自動發(fā)出撤離預警。

綜合定位管理終端：實時掌握本作戰(zhàn)單元所有隊員的位置、生命體征、空呼壓力等信息，及時發(fā)現異常情況，一鍵向所有綜合定位單兵終端發(fā)出緊急撤離命令，并可根據單兵終端間的距離下達就近增援命令。

二、消防綜合定位系統(tǒng)存在的不足

（一）方向判斷能力不足

系統(tǒng)中綜合定位管理終端可實時獲取與綜合定位單兵終端間信號的RSSI值，并通過濾波函數對RSSI值進行修正，從而得到綜合定位單兵終端的具體位置，同時多個綜合定位單兵終端間也通過此方法計算出彼此間的相對距離，消防救援人員通過綜合定位單兵終端顯示的數值引導，辨別人員所在方向，從而掌握各內攻成員的相對位置。但此種方式在使用過程中只能顯示終端間的相對距離，使用人員需要在多個方向鍵進行位置變化才能根據距離數值的變化判斷兩者間的相對方向，在內部環(huán)境非常復雜的滅火救援現場難以在短時間內快速準確判斷方向，尤其在發(fā)生消防救援人員被困的情況下，難以在第一時間組織有效營救。

（二）高度數值存在誤差

系統(tǒng)使用過程中，在室外情況下可借助GPS/北斗定位系統(tǒng)準確獲取綜合定位單兵終端的高度信息，進入火場內部后，只能依靠綜合定位單兵終端中的氣壓計數據計算出相對高度，但火場內部溫度高、著火部位多、過火面積大，極易形成火場內部氣壓分布不均勻的狀態(tài)，使用氣壓計計算出的高度數據存在不精準的情況，造成實際處于同層的救援人員顯示不同高度，易對救援工作產生誤導。

（三）信標定位受環(huán)境影響大

綜合定位信標發(fā)射的無線信號易受到火場中建筑墻壁、頂板、金屬等構建物影響，同時建筑各個部位受熱不均，對信號的影響也不相同，通過固定的濾波函數進行修正并不能有效消除定位數據的誤差，從而導致在不同情況下定位數據偏差較大，影響了指揮員對內攻消防救援人員位置的準確判斷。雖然系統(tǒng)中多個信標間設計了中繼轉發(fā)功能，可聯合修正產生的誤差，但內部信標的數據來源為外部信標，如內外信標間信號干擾較大則仍獲取不到準確的定位數據。

（四）消防救援人員內攻軌跡記錄不準確

由于系統(tǒng)采用了信標定位方式，通過綜合定位信標與綜合定位單兵終端間定時發(fā)送數據進行定位，為確保設備在有限重量和電池容量的情況下使用時間更長，定位數據發(fā)送間隙不易過短，這就造成消防救援人員內攻過程中的軌跡信息記錄不準確，特別是發(fā)生意外時，不能準確獲取人員在短時間內的具體動作和路徑，為后期救援工作增加了困難。

三、消防綜合定位系統(tǒng)的改進方案

1. 增加定向信號探測器

為綜合定位單兵終端增配定向信號探測器，設備采用平板定向天線，能夠根據無線信號的接收強度準確判斷發(fā)射源的大致方向，同時通過設備上的蜂鳴器聲音強度或震動強度提示方向的偏離角，使內攻消防救援人員能夠快速準確判斷各隊員的相對位置。

考慮到內攻消防救援人員除根據綜合定位單兵終端提供的方向信息外，還要根據火場內部的建筑環(huán)境、著火區(qū)域等情況綜合考慮選定行動路線，對終端方向判斷的精準度要求并不高，同時綜合定位單兵終端自身體積較小、結構簡單，不宜再增加過于復雜的設備，故本改進方案中將選取設備簡單、成本低廉的幅度定向方式進行方向定位，對于該方式檢測精度不高的缺點，將通過濾波函數對信號數據進行修正。

此改進方案中只在綜合定位單兵終端上增加一個平板定向天線，用于接收并檢測其他終端全向天線發(fā)出的無線信號，由于設備間無線信號頻率相同，故可與全向天線共用濾波器、射頻放大器、頻率合成單元等設備，在信號處理系統(tǒng)中增加方向判斷的相關程序，對檢測到的無線信號進行降噪處理，得到正確的方向數據。

通過以下公式計算出定向天線接收到發(fā)射信號的理論最強值 。

（1）

其中d0和RSS（d0）為已知距離和已知距離下的信號強度，n為路徑衰減系數，X為服從正態(tài)分布的隨機變量。上述數據可從原終端設備的已有數據中直接獲取，但終端設備中缺少Rss與角度θ的對應關系，改進方案中我們通過對大量測試數據進行擬合得到函數f（RSS，θ），按照發(fā)射終端與接收終端每5°一個區(qū)域得到信號閾值R1ss、R2ss、R3ss。

對于接收到的實際信號值，通過終端設備原有的卡爾曼濾波函數進行修正得到測量信號強度R'ss。

當Rss≥R'ss>R1ss，定義為區(qū)域1。

當R1ss≥R'ss>R2ss，定義為區(qū)域2。

當R2ss≥R'ss>R3ss，定義為區(qū)域3。

當R3ss≥R'ss，定義為區(qū)域4。

綜合定位單兵終端中的蜂鳴器和震動馬達根據所檢測到的區(qū)域不同，發(fā)出不同的聲音和震動，引導消防救援人員確定正確信號來源方向。

2. 增加慣導導航輔助定位

為內攻消防救援人員配備慣導導航設備，通過慣導數據與信標定位數據相互對應，及時修正兩種定位方式產生的誤差，從而得到更加精確的定位數據，同時慣導定位數據采用“實時采集，定時轉發(fā)”的方式，既確保了數據采集翔實性，又避免了數據發(fā)送對電量的消耗，為指揮作戰(zhàn)提供準確的輔助決策信息，同時為日后戰(zhàn)評總結工作提供了數據支撐。

此改進方案在原系統(tǒng)中增加一部基于MEMS技術的慣導多源傳感器，可預裝在消防救援靴內或佩戴于身體不易轉動的部位，記錄消防救援人員的行動數據，通過終端原有的數據傳輸模塊，經過綜合定位信標中繼轉發(fā)至綜合定位管理終端，利用數據處理模塊的行人航向估計算法對行動數據進行修正。算法根據傳感器采集數據，通過旋轉不變航向跟蹤算法估算出人員的行動方向，反饋步態(tài)檢測結果，若檢測到人員當前為非對稱運動模式，則通過行人航向補償算法對估算結果進行方向補償，最終得到人員的真實行動方向。是否為對稱運動的判斷需要提前使用大量測試數據對判斷模型進行訓練，從而得到準確的運動判斷分類器，如圖1所示。

由于內攻消防救援人員進入火場時間久、行動距離長，采用慣導導航易產生誤差積累，造成位置數據出現較大偏差，此改進方案以貝葉斯理論為基礎，采用融合圖論中基于有向圖和馬爾科夫隨機場的聯合信息融合方式，構建多源信息融合注意力數據融合框架，具有較強的伸縮性，能夠通過深度學習和環(huán)境交互優(yōu)化獎勵函數，對誤差進行反饋和自我進化，如圖2所示。

3. 增加基于衛(wèi)星定位的初始位置修正

慣導定位方式對初始位置的方向性依賴程度較高，一旦初始位置存在偏差，人員行動時間和距離越長，產生的誤差就會越大。此改進方案中將充分利用綜合定位單兵終端中的GPS/北斗定位數據對初始位置進行修正，內攻消防救援人員在進入室內前，需在空曠有衛(wèi)星信號的地區(qū)選取5-10米的距離進行往返或左右移動，建立慣導定位方向、角度偏移與經緯坐標系的對應關系，從而確定準確的初始位置和方向，最大限度減小誤差數據。

系統(tǒng)初始過程中，消防救援人員在特定路徑A和B之間往返過程中得到一組經緯度坐標[X，Y]和方向坐標[L，R]。坐標轉換方程為：

（2）

通過坐標轉換方程（2）得到經緯度坐標系與方向坐標系的轉換函數f（L，R）和g（L，R），將兩個函數作為此次行動軌跡檢測的固定轉換函數，初始化路徑的結束點為此次行動軌跡檢測的初始位置，該行動軌跡檢測任務完成后，將清除轉換函數f（L，R）和g（L，R），待下次行動軌跡檢測任務開始前再進行重新初始化。

4. 充分利用寬窄帶自組網系統(tǒng)優(yōu)化數據傳輸

系統(tǒng)中的數據傳輸主要依賴綜合定位信標與綜合定位單兵終端間自身的數據鏈路，抗干擾和容錯性不高，易出現數據丟失的情況，目前消防救援隊伍推廣應用了寬窄帶自組網設備，能夠在火場內外建立自主組網的寬窄帶通信鏈路，將消防綜合定位系統(tǒng)與寬窄帶自組網設備充分融合，建立多鏈路數據傳輸機制，實現火場內部綜合定位單兵終端擇優(yōu)選擇數據傳輸路徑，確保各類定位數據安全可靠傳輸。

由于寬帶圖像自組網、窄帶語音自組網與綜合定位系統(tǒng)的數據傳輸協議不同，要實現綜合定位系統(tǒng)數據的多路徑傳輸，必須增加協議轉換設備，考慮到綜合定位系統(tǒng)受體積和電池容量的限制，此改進方案不在綜合定位系統(tǒng)上增加協議轉換設備，在寬帶圖像自組網基站上增加Lora與MESH協議轉換設備，在窄帶語音自組網增加Lora與DMR/PDT協議轉換設備，并提供1個時隙作為數據傳輸通道。多路徑選擇方面，不改變原有系統(tǒng)的邏輯結構和轉發(fā)機制，將具有協議轉換功能的寬帶圖像自組網和窄帶語音自組網基站模擬成系統(tǒng)中的綜合定位信標節(jié)點，使綜合定位單兵終端在無感知的情況下擇優(yōu)選擇傳輸路徑。

四、結束語

本文對目前消防救援隊伍使用的綜合定位系統(tǒng)提出的改進方案，能夠在一定程度上優(yōu)化系統(tǒng)的定位精度，提升系統(tǒng)的安全可靠性，進一步增強系統(tǒng)的實用性，但真實的火場環(huán)境異常復雜、瞬息萬變，系統(tǒng)的全面應用還將面臨巨大挑戰(zhàn)，下一步還需對系統(tǒng)進行進一步的完善，確保系統(tǒng)能夠真正服務于實戰(zhàn)，切實保障消防救援人員生命安全。

作者單位：趙學磊" " 新疆消防救援總隊

參" 考" 文" 獻

[1]劉傳浩.穿戴式消防員導航定位系統(tǒng)設計，大連理工大學碩士學位論文，2009.

[2]王莉，趙艷陽，牛群峰，等.基于9軸傳感器的消防員姿態(tài)判定及定位系統(tǒng)，消防科學與技術，2016

[3]楊剛，李強，韓路，等.基于MEMS-MARG傳感器的消防員室內定位算法[J].中國慣性技術學報，2019.

[4]楊剛，朱士玲，李強，等.基于UWB的消防員室內協同定位算法[J].計算機工程與應用， 2022.

[5]朱新宇，陶庭葉，姜冬致.基于GPS/MEMS慣性傳感器的消防員室內定位研究[J].合肥工業(yè)大學學報，2018.

[6]陳濤，郭志強，康樂峰，等.基于信號強度比值的定向方法[J].火力與指揮控制，2021.

[7]華鋼，王永星.基于信號衰減模型補償的RSS指紋定位算法[J].徐州工程學院學報， 2015.