消防單兵定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀研究

佘英　李鑫焱

摘要：文章選擇消防單兵定位系統(tǒng)這一裝備作為研究對(duì)象，簡(jiǎn)單介紹了幾種現(xiàn)存技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑，并結(jié)合火場(chǎng)救援的實(shí)際情況，對(duì)不同技術(shù)在實(shí)際救援場(chǎng)景中的限制條件進(jìn)行了分析討論。最后，通過對(duì)最新技術(shù)動(dòng)向的調(diào)研，對(duì)未來技術(shù)方案進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)伪b備;定位系統(tǒng);人員安全

隨著我國城市化水平不斷提升，高層和高密度建筑日益增加。為適應(yīng)新社會(huì)的發(fā)展需求，打造面向高層復(fù)雜建筑物火災(zāi)的現(xiàn)代化救援指揮體系，是當(dāng)前消防界所面臨的重要議題。針對(duì)災(zāi)情環(huán)境的復(fù)雜性和差異性，具體的救援指揮方案需要依托火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)反饋信息進(jìn)行制定，而傳統(tǒng)技術(shù)無法在無電、高溫、煙霧和多遮擋墻體的現(xiàn)代化高層火災(zāi)救援環(huán)境中，完成對(duì)消防人員的實(shí)時(shí)位置捕獲、行為姿態(tài)監(jiān)控和生命特征判斷等工作。迫于需求，目前有幾類基于不同技術(shù)路徑的消防單兵定位系統(tǒng)被各消防單位陸續(xù)使用。

一、當(dāng)前消防救援的人員定位技術(shù)

（一）基于無線通信信號(hào)（WIFI、藍(lán)牙）的室內(nèi)定位

傳統(tǒng)GPS技術(shù)由于信號(hào)的散射、衰減、多徑傳播等效應(yīng)，使得信號(hào)無法穿越墻體，因此在高層建筑內(nèi)部GPS可靠信號(hào)的維持時(shí)間僅為4.5%。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，為實(shí)現(xiàn)對(duì)消防人員的實(shí)時(shí)定位，基于WIFI、藍(lán)牙等無線電信號(hào)的室內(nèi)定位技術(shù)被提出。這類技術(shù)的定位過程分為離線和在線兩個(gè)工作階段，離線階段系統(tǒng)主要是構(gòu)建參考點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣庫，而在線階段則根據(jù)測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)測(cè)量物體相對(duì)距離的解算[1]。當(dāng)前，WIFI和藍(lán)牙技術(shù)高度普及，所以這類技術(shù)具有較大的成本優(yōu)勢(shì)，但為保證其測(cè)量精度，要求較高的無線信號(hào)覆蓋率，通常能夠達(dá)到的定位精度為3～10m。因此利用這類技術(shù)只能大概估計(jì)工作人員所處的救援區(qū)域，而面對(duì)火場(chǎng)濃煙所造成的可視性較差環(huán)境，該技術(shù)無法為救援指揮平臺(tái)提供可靠的消防人員位置和姿態(tài)信息。

（二）基于射頻識(shí)別（RFID）的室內(nèi)定位

射頻識(shí)別室內(nèi)定位技術(shù)的工作原理與無線通信定位技術(shù)基本相同，區(qū)別在于該技術(shù)采用射頻天線進(jìn)行無線信號(hào)的傳輸和采集。由于射頻天線的接發(fā)信號(hào)可以調(diào)制為低頻、高頻、超高頻和微波頻這四種頻率狀態(tài)，因此該技術(shù)在對(duì)消防員進(jìn)行初始位置標(biāo)記時(shí)能夠使用多種頻率特征信號(hào)組合，這種技術(shù)特性利于在復(fù)雜建筑的火災(zāi)環(huán)境中完成對(duì)多班組救援人員進(jìn)行同時(shí)位置捕獲、姿態(tài)監(jiān)控和生命特征判斷等任務(wù)，且測(cè)量數(shù)據(jù)通常能夠精確到1m左右，而且不易受環(huán)境信號(hào)干擾[2]。但是，由于計(jì)算機(jī)需要分頻處理無線電頻率信號(hào)，所以這種混頻處理的方式會(huì)為測(cè)量系統(tǒng)帶來信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸和處理速度降低的負(fù)面影響，這將造成人員位置、姿態(tài)和生命特征信息在救援指揮平臺(tái)的延遲顯示。因此，當(dāng)遇到火場(chǎng)環(huán)境突變的危急時(shí)刻，該技術(shù)缺陷將影響救援指揮決策的實(shí)時(shí)性。

（三）基于超寬帶（UWB）的室內(nèi)定位

1989年，美國國防部率先提出使用了超寬帶（UWB）定位技術(shù)，該技術(shù)由脈沖通信技術(shù)發(fā)展而來，其工作原理是利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波的窄脈沖無線電波以低功率的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，因此具有超寬帶的信息感知和測(cè)量特性。其傳輸速率可達(dá)到幾十至幾百兆每秒，且由于采用窄脈沖的發(fā)射形式，接收器能夠有效分離多路徑信號(hào)的各自分量，定位精度可達(dá)到分米級(jí)，是當(dāng)前測(cè)量精度最高的室內(nèi)定位技術(shù)[3]。但該技術(shù)在高層復(fù)雜建筑的消防救援中存在著明顯的缺陷：第一，易受多路徑信號(hào)干擾和系統(tǒng)誤差的影響，從而造成初始位置的解算困難。第二，工作基站需采用串行處理芯片設(shè)計(jì)，因此當(dāng)定位點(diǎn)數(shù)目隨救援時(shí)間而逐步增加時(shí)，系統(tǒng)的工作效率明顯降低，導(dǎo)致信號(hào)的延遲時(shí)間變長(zhǎng)，因此該技術(shù)不適用于長(zhǎng)時(shí)間救援行動(dòng)中的消防人員實(shí)時(shí)性定位和姿態(tài)監(jiān)控任務(wù)。

（四）基于紅外線的室內(nèi)定位

紅外線室內(nèi)定位技術(shù)最早被使用于重要機(jī)密部門防范可疑人員的侵入行動(dòng)中，隨著該技術(shù)的日益成熟，消防界的相關(guān)技術(shù)人員正嘗著將該技術(shù)衍生應(yīng)用于面向高層復(fù)雜建筑的救災(zāi)滅火訓(xùn)練中?；谠摷夹g(shù)的定位機(jī)理要求，在訓(xùn)練中消防人員需佩戴一個(gè)具有紅外線發(fā)射功能的電子標(biāo)簽，它以固定周期或被要求的命令時(shí)刻向紅外接收機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)的識(shí)別信號(hào)，再通過服務(wù)器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行算法處理，從而完成對(duì)消防人員位置、姿態(tài)和生命特征信息的解算，所能實(shí)現(xiàn)的定位精度可以達(dá)到1m之內(nèi)[4]。但從以上工作流程中，不難發(fā)現(xiàn)此技術(shù)不適用于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援的幾點(diǎn)限制條件：第一，用于紅外線信號(hào)接收端口的儀器需要預(yù)埋于建筑物內(nèi)部。第二，預(yù)埋信號(hào)接收設(shè)備和信號(hào)處理設(shè)備需要固定電源供電。因此該技術(shù)較難滿足火災(zāi)突發(fā)的無電供應(yīng)環(huán)境。

（五）基于慣性導(dǎo)航的微機(jī)電（MEMS）室內(nèi)定位

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主無源式導(dǎo)航技術(shù)，最早用于導(dǎo)彈的航向確定和姿態(tài)感知任務(wù)，具有極高的定位精度。其工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用慣性器件通過測(cè)量載體在慣性參考坐標(biāo)系中的加速度，并將其對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)航定位坐標(biāo)系中的速度和姿態(tài)角度信息的轉(zhuǎn)化[5]。因此，該技術(shù)并不依賴于外部的電、磁、聲、光等各種測(cè)量信號(hào)源，具有極好的抗干擾性能。但針對(duì)現(xiàn)有各消防單位人員配置短缺，經(jīng)費(fèi)預(yù)算緊張的實(shí)際情況，該技術(shù)所存在的缺點(diǎn)為：第一，慣性系統(tǒng)存在固有零漂特性，因此需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期的校正維護(hù)。第二，導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)依賴于傳感器的測(cè)量性能，因此對(duì)傳感器的自身工藝精度要求較高，生產(chǎn)成本昂貴。

二、未來消防救援的人員定位新技術(shù)

（一）國家大力推進(jìn)的相關(guān)技術(shù)

國家科技部制定并頒發(fā)了2020年度“重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與防范”的重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，其中《地下空間災(zāi)情信息感知與應(yīng)急通訊裝備》專項(xiàng)提出了面向遮蔽空間內(nèi)人員傷亡、基礎(chǔ)設(shè)施損毀等災(zāi)情信息實(shí)時(shí)獲取的需求，并明確了面向以地下遮蔽空間內(nèi)應(yīng)急通信、定位、定向、災(zāi)情感知等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行科技突破的任務(wù)。該文件所描述的災(zāi)情環(huán)境不僅符合地下災(zāi)情救援，而且其中高遮擋、多坍塌場(chǎng)景也極其吻合高層復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)救援環(huán)境。根據(jù)文件，未來用于這些救援場(chǎng)景中科技設(shè)備的發(fā)展方向?yàn)椋旱谝?，人機(jī)信息可交互設(shè)備，即機(jī)器人（無人機(jī)、陸地行徑機(jī)器車）和人員可穿戴設(shè)備之間的信息互通系統(tǒng)。第二，多類型定位、定姿技術(shù)相互融合的多路徑補(bǔ)償技術(shù)。隨著這些技術(shù)的快速發(fā)展，未來面向高層復(fù)雜建筑的火災(zāi)救援工作將有望實(shí)現(xiàn)全面智能化。

（二）軍方已經(jīng)普及但未應(yīng)用于消防界的相關(guān)技術(shù)

近年來，美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的相關(guān)作戰(zhàn)裝備陸續(xù)得以解密，其中一款用于作戰(zhàn)人員多作戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的綜合定位和動(dòng)作捕獲裝備備受關(guān)注。該裝備采用了多類型傳感器疊加融合式的設(shè)計(jì)理念，設(shè)備的穿戴位置遍布作戰(zhàn)人員的各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。據(jù)悉，該裝備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)充分考慮了各類型傳感器測(cè)量特性和人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特征之間的融合度問題，所獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)具有超高的原始精度。不僅如此，該設(shè)備還依托于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法將無線、慣性、超寬帶和成像等多傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了完美融合性處理。因此通過該裝備，可準(zhǔn)確的模擬各種復(fù)雜建筑環(huán)境中作戰(zhàn)人員的運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)、生命等信息，并具有拒止衛(wèi)星信號(hào)、信號(hào)返回率高等眾多性能優(yōu)點(diǎn)。

（三）科學(xué)界研究相關(guān)的熱點(diǎn)技術(shù)

美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）和英國物理學(xué)會(huì)（IOP）近期陸續(xù)公布了關(guān)于室內(nèi)定位、定姿的最新全球科研成果。其中對(duì)于消防單兵定位系統(tǒng)具有積極性意義的研究報(bào)道主要體現(xiàn)為兩個(gè)方面：第一，多類型定位、定姿技術(shù)的融合式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。例如利用地磁探測(cè)器或高清攝像機(jī)與慣性測(cè)量元件相固定，從而構(gòu)建具有多源異構(gòu)結(jié)構(gòu)的剛性定位組合，并通過設(shè)計(jì)信息互補(bǔ)融合算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)固有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的零漂特性抑制。第二，面向現(xiàn)有的消防單兵定位技術(shù)，研究新型位置與姿態(tài)信息處理的解算方法。根據(jù)報(bào)道，如利用最小二乘法處理定位系統(tǒng)頻域特征信號(hào)，可獲得更加精確的系統(tǒng)定位精度。隨著這些技術(shù)的日益成熟，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的低成本慣性器件將適用于高精度的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)維護(hù)頻率的降低。

三、結(jié)語

隨著現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，消防救援工作所面臨的作業(yè)環(huán)境日漸復(fù)雜，意外風(fēng)險(xiǎn)因素明顯增加，這使得傳統(tǒng)的火場(chǎng)救援指揮體系面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對(duì)復(fù)雜建筑物內(nèi)部火災(zāi)救援場(chǎng)景，消防員的實(shí)時(shí)位置、行為姿態(tài)和生命特征信息是現(xiàn)代化救援指揮方案制定的重要依據(jù)，而高精度、便穿戴、工時(shí)長(zhǎng)、能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)性測(cè)量的消防單兵定位技術(shù)，將大力推進(jìn)消防現(xiàn)代化建設(shè)。

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