基于物聯(lián)網(wǎng)的高危領(lǐng)域救援設(shè)備研究

沈雪微+趙丹+郝秀召+毛文濤

摘 要：以物聯(lián)網(wǎng)與高危領(lǐng)域應(yīng)用的結(jié)合作為研究點(diǎn)，通過(guò)調(diào)查和分析，將重心放在高危領(lǐng)域救援安全方向，并利用學(xué)科交叉融合和相互影響的特性，進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用。文章基于WiFi和ZigBee的聯(lián)合定位技術(shù)、傳感器的環(huán)境感知技術(shù)、六軸重力加速度的行為識(shí)別技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，并利用這些技術(shù)對(duì)高危領(lǐng)域的救援體系進(jìn)行了完善，從而實(shí)現(xiàn)了智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合定位;行為識(shí)別;智慧救援;ELM

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-1302（2015）09-00-03

0 ?引 ?言

伴隨經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和工業(yè)化、城市化、市場(chǎng)化的快速推進(jìn)，我國(guó)進(jìn)入社會(huì)轉(zhuǎn)型期和矛盾凸顯期，公共安全形勢(shì)嚴(yán)峻。全國(guó)因自然災(zāi)害、事故災(zāi)害和社會(huì)安全事件造成的非正常死亡超過(guò)20萬(wàn)人，經(jīng)濟(jì)損失6 500億元左右。

可見(jiàn)，在高危領(lǐng)域中，一旦事故發(fā)生，不僅嚴(yán)重威脅著作業(yè)人員生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)的安全，而且會(huì)引起社會(huì)極大的震動(dòng)，造成巨大而不可挽回的損失。所以，如何保障高危領(lǐng)域安全作業(yè)已成為一項(xiàng)重要的研究課題。

本文選擇以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在消防以及煤礦作業(yè)的應(yīng)用為研究方向，目的是完善高危領(lǐng)域方面的救援體系。希望通過(guò)此項(xiàng)研究來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)作業(yè)人員的救援能力、指揮部下達(dá)指令的精確即時(shí)，并提高重點(diǎn)保護(hù)單位現(xiàn)場(chǎng)救援的高效性、可靠性。

1 ?技術(shù)分析

首先以消防救援為研究切入點(diǎn)，利用基于WiFi和ZigBee的聯(lián)合定位技術(shù)、基于傳感器的環(huán)境感知技術(shù)、基于六軸重力加速度的行為識(shí)別技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，將其與救援過(guò)程科學(xué)高效的結(jié)合，目的是研究高效救援、安全低損耗的智能救援應(yīng)用體系。

1.1 ?基于WiFi和ZigBee的聯(lián)合定位技術(shù)

在處理移動(dòng)滅火救援等高危復(fù)雜場(chǎng)所的問(wèn)題中，WiFi定位技術(shù)具有精度高、對(duì)網(wǎng)絡(luò)變動(dòng)適應(yīng)性好的特點(diǎn)，但因其抗干擾能力較差，故而考慮到當(dāng)前廣泛應(yīng)用的ZigBee定位技術(shù)作為互補(bǔ)。其節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，有自組網(wǎng)功能，并具備能耗低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。二者結(jié)合，提供較好的定位效果，能夠適應(yīng)救援現(xiàn)場(chǎng)變化復(fù)雜的環(huán)境。

1.1.1 ?技術(shù)特性

通過(guò)信息融合技術(shù)，利用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸小數(shù)據(jù)量的監(jiān)測(cè)活動(dòng)信息，利用WiFi技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)局域網(wǎng)絡(luò)，傳輸大數(shù)據(jù)量的監(jiān)測(cè)活動(dòng)信息，同時(shí)可具備以下特性：

（1）實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性

該設(shè)計(jì)屬于遠(yuǎn)程檢測(cè)，通過(guò)接收終端信號(hào)，再根據(jù)WiFi和ZigBee采集的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)消防人員的精確定位。能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反饋救援人員情況，并反饋指揮中心的決策指令。

（2）可靠性、抗干擾性

系統(tǒng)中的ZigBee模塊與WiFi模塊同時(shí)工作，具備較強(qiáng)的抗干擾能力以適應(yīng)火場(chǎng)等各種復(fù)雜環(huán)境，保證系統(tǒng)連續(xù)可靠地運(yùn)行。

（3）可擴(kuò)展性

本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)多種技術(shù)的融合，能夠?qū)⑵溥w移至其他場(chǎng)合，增強(qiáng)系統(tǒng)功能性。

1.1.2 ?技術(shù)方案

本方案主要包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與最佳定位三個(gè)方面，這三個(gè)方面主要實(shí)現(xiàn)兩大功能，即預(yù)警和跟蹤定位。

（1）數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸主要由WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和已有的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將不再可靠。由以WiFi模塊為依托的數(shù)據(jù)采集模塊傳遞信息后，通過(guò)AP自組網(wǎng)傳遞到指揮中心，具有高速、及時(shí)、穩(wěn)定、靈活、有效的特點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

鑒于室外無(wú)線(xiàn)定位的特點(diǎn)，須提前對(duì)定位的地理環(huán)境進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度樣點(diǎn)采集，將采集的信號(hào)強(qiáng)度信息進(jìn)行處理，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。在之后的具體定位中，只要將信號(hào)強(qiáng)度信息傳輸?shù)椒?wù)器，比較標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考值，并利用極限學(xué)習(xí)機(jī)算法進(jìn)行不斷調(diào)整，得到最佳值，方可精確定位。

（3）最佳定位實(shí)現(xiàn)

通過(guò)WiFi和ZigBee定位技術(shù)的結(jié)合，利用ZigBee抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ)WiFi的不足。該模塊分為兩部分，一部分是后臺(tái)服務(wù)器，利于指揮部人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，另一部分可以在終端上實(shí)現(xiàn)救援人員實(shí)時(shí)定位。

待定位區(qū)域內(nèi)有很多固定的參考標(biāo)簽，將此標(biāo)簽的位置信息通過(guò)定位服務(wù)器送入數(shù)據(jù)庫(kù)集中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后分別將WiFi和ZigBee單獨(dú)工作時(shí)的定位信息經(jīng)由定位服務(wù)器送到數(shù)據(jù)庫(kù)集中的定位數(shù)據(jù)庫(kù)。

其中定位數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)每隔一段時(shí)間就會(huì)將參考標(biāo)簽的位置信息更新一次，相應(yīng)的分析處理部分就會(huì)對(duì)定位數(shù)據(jù)庫(kù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，以便能夠及時(shí)確定最優(yōu)的定位方式，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性。

在救援現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)定位時(shí)，通過(guò)WiFi將人員攜帶的定位終端采集的信息實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器，利用最佳定位選擇方式對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取人員所處的準(zhǔn)確位置，以實(shí)現(xiàn)指揮中心對(duì)救援人員的準(zhǔn)確指導(dǎo)。

1.2 ?基于傳感器的環(huán)境感知技術(shù)

考慮到高危作業(yè)環(huán)境中非視覺(jué)性因素也會(huì)干擾救援人員行動(dòng)或危及人身安全，身處如此環(huán)境無(wú)法感知外界，而遠(yuǎn)在現(xiàn)場(chǎng)之外的控制臺(tái)則更加鞭長(zhǎng)莫及。在上節(jié)所述方案中，我們考慮加入信息采集方面進(jìn)行綜合研究。

利用傳感器，主要包括煙霧傳感器、溫濕度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯?。將帶有傳感器的?biāo)簽加載在救援人員移動(dòng)終端上，一旦救援人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，傳感器便開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，通過(guò)WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等過(guò)程傳至控制中心。

此方面主要目的是采集其所處環(huán)境參數(shù)進(jìn)行感知檢測(cè)。將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜性以數(shù)值等形式直觀地向指揮官反饋，全方位掌控火災(zāi)情況，科學(xué)、合理地下達(dá)指令。

當(dāng)環(huán)境參數(shù)達(dá)到其設(shè)置的閾值，會(huì)立即向現(xiàn)場(chǎng)救援人員及指揮中心同時(shí)發(fā)起警報(bào)，以便于雙方進(jìn)行合理的戰(zhàn)略調(diào)整。

1.3 ?基于重力加速度的行為識(shí)別技術(shù)

為更好保證救援人員的人身安全，需對(duì)火場(chǎng)內(nèi)部救援人員的自身行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦遇到摔倒等危急情況，及時(shí)傳達(dá)給指揮部，請(qǐng)求配合救護(hù)。圖1所示是其行為識(shí)別算法流程圖。

1.3.1 ?技術(shù)概述

基于加速度的用戶(hù)行為識(shí)別，其中主要包含信號(hào)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、行為識(shí)別四個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集負(fù)責(zé)操作傳感器部件，獲取用戶(hù)行為采樣數(shù)據(jù)，例如加速度、陀螺儀或者生命體征。特征值提取主要負(fù)責(zé)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)獲得行為的特征值，既包括統(tǒng)計(jì)性特征值，例如均值、方差、相關(guān)性和能量等，還包括結(jié)構(gòu)性特征值，例如自回歸模型系數(shù)等。

圖1 ?行為識(shí)別算法流程

在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，本設(shè)計(jì)預(yù)先利用的加速度傳感器采集多組動(dòng)作數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包括眾多不同采集者的12類(lèi)動(dòng)作信息，此處選用靜止、行走、奔跑三類(lèi)數(shù)據(jù)作為原始加速度信號(hào)，為后續(xù)判斷人員摔倒等狀況的基礎(chǔ)。同時(shí)，為了減少噪聲對(duì)行為識(shí)別的影響，此處采用了FIR濾波器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。這里討論特征提取階段，通過(guò)對(duì)近年來(lái)人體運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別系統(tǒng)中使用的信號(hào)特征的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的傅里葉變換相比，小波變換是時(shí)間和頻率的局部變換，解決了許多傅里葉變換不能解決的問(wèn)題。

另外，作為行為識(shí)別的關(guān)鍵支持，本文通過(guò)與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法比較，選擇了根據(jù)極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）算法對(duì)所采集到的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。該方法隨機(jī)給定神經(jīng)元權(quán)值中的輸入權(quán)值和閾值，然后通過(guò)正則化原則計(jì)算輸出權(quán)值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依然能逼近任意連續(xù)系統(tǒng)。具有參數(shù)選擇容易，學(xué)習(xí)速度快，具有良好的泛化能力。

1.3.2 ?技術(shù)實(shí)現(xiàn)

該方法的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要分為4步：

（1）接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)，傳入上位機(jī)，方式在以上兩種技術(shù)應(yīng)用中已有體現(xiàn);

（2）上位機(jī)程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)預(yù)處理并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)。在原始加速度信號(hào)進(jìn)行特征提取前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)平滑、去噪、歸一化、加窗等方式處理。為了減少噪聲對(duì)行為識(shí)別的影響，本文采用FIR濾波器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行了濾波處理;

（3）通過(guò)時(shí)域分析法、頻域分析法和時(shí)頻分析法對(duì)所得預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。提取特征并處理為相對(duì)應(yīng)的特征矩陣，作為數(shù)據(jù)源，以備后續(xù)使用;

（4） 將得到的數(shù)據(jù)與建立好的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，利用ELM算法訓(xùn)練數(shù)據(jù)，獲取分類(lèi)信息，實(shí)現(xiàn)人體行為識(shí)別功能。具體如圖2和圖3所示。

2 ?擴(kuò)展救援范圍應(yīng)用方案

同樣處于高危領(lǐng)域的煤礦行業(yè)同樣也可以適用該方案，這對(duì)保障煤礦工人的安全是極其重要的。

將WiFi接入點(diǎn)AP，ZigBee節(jié)點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)傳感器可以固定在井下的巷道壁上。AP利用光纖與總控制器連接，總控制器將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包整理后，通過(guò)以太網(wǎng)傳送到地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

圖2 ?人員定位詳細(xì)顯示窗 ? ? ? ? ? ? ? ?圖3 ?環(huán)境感知

工人身上也帶有定位終端和無(wú)線(xiàn)傳感器。定位終端使工人在經(jīng)過(guò)WiFi和ZigBee覆蓋區(qū)域時(shí)，能夠獲取他們的位置并上傳到地面控制中心。從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出該ZigBee節(jié)點(diǎn)的相關(guān)采集信息，還實(shí)現(xiàn)對(duì)人員信息的采集記錄、分析處理，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)報(bào)表、查詢(xún)打印等功能，使管理人員能及時(shí)準(zhǔn)確的查詢(xún)各種信息，方便人員管理、考勤等，特別是當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，對(duì)人員的分布情況一目了然，為營(yíng)救工作提供了便利。

3 ?實(shí)驗(yàn)仿真

將以上討論研究作為實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)，在此進(jìn)行模擬仿真對(duì)其實(shí)踐性與應(yīng)用價(jià)值做出評(píng)估。

首先，在定位方案中，可選取一段走廊當(dāng)作模擬場(chǎng)所，盡量符合應(yīng)用領(lǐng)域的環(huán)境條件，通過(guò)技術(shù)融合，通過(guò)將其采集到的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考值進(jìn)行對(duì)比，并可采用多種算法確定最佳定位方案，如圖4所示。

圖 4 ?采用多種算法確定最佳定位方案

圖2中，每一格代表50 cm×50 cm的矩形區(qū)域，為測(cè)試精確，以紅色圓圈表示原始位置，藍(lán)色表示實(shí)際仿真中所確定的位置坐標(biāo)。可以看出兩者十分接近，盡管并未完全重合，在不足一米的誤差情況下，實(shí)際應(yīng)用已可以達(dá)到定位目的，確定人員狀況。其次，各類(lèi)環(huán)境感知傳感器的功能性仿真情況如圖5所示。

在正常環(huán)境條件下，由傳感器反映出當(dāng)前場(chǎng)所中實(shí)時(shí)環(huán)境值指數(shù)，作為指揮及行動(dòng)的參考。而由圖6可看出，在設(shè)定好限制值后，若檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出限制，則會(huì)提出相對(duì)應(yīng)的警告，以便救援策略的調(diào)整。

圖 5 ?環(huán)境感知傳感器的功能性仿真情況

另外就是行為識(shí)別方面，我們仿真出最終結(jié)果并對(duì)其中各個(gè)步驟進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 ?時(shí)域特征矩陣及應(yīng)用ELM后分類(lèi)精度

通過(guò)加速度傳感器提取原始數(shù)據(jù)后進(jìn)行一系列處理，得到行為比例，并根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)反饋是否有危險(xiǎn)。

在行為識(shí)別過(guò)程中，首先進(jìn)行濾波處理去除干擾影響，隨后通過(guò)程序提取加工為各類(lèi)特征矩陣，為了有比較的分析，提取了時(shí)域特征、FFT系數(shù)特征等。

4 ?結(jié) ?論

本體系主要適用于高危領(lǐng)域的救援方面，解決了高危作業(yè)人員的安全問(wèn)題。本文在現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)定位識(shí)別、環(huán)境感知及行為識(shí)別等功能發(fā)展共同進(jìn)行。本文對(duì)救援體系進(jìn)行了描述，利用作業(yè)人員攜帶的便攜式裝置上的傳感器節(jié)點(diǎn)反映現(xiàn)場(chǎng)信息，指揮臺(tái)可直接獲得第一手現(xiàn)場(chǎng)資料，制定救援策略。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬、仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)實(shí)施的可行性、完整性，為將來(lái)推廣研究提供了仿真經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。闡明了一旦發(fā)生危險(xiǎn)事故，指揮部能夠精確即時(shí)地下達(dá)指令，并增強(qiáng)重點(diǎn)保護(hù)單位現(xiàn)場(chǎng)救援的高效性、科學(xué)性以及可靠性。

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