CN107170189A - 基于相对定位的遇险消防员搜索方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相对定位的遇险消防员搜索方法和设备，解决了遇险消防员救援中的目标定位问题。本方法中提供的任意两台相对定位设备之间都可以测量设备之间的高度差、相对方位和相对距离。每个进入火场的消防员佩戴一个相对定位设备。救援人员利用自身佩戴的相对定位设备与遇险消防员佩戴的相对定位设备之间测量得到的相对高度差、相对方位和相对距离找到遇险消防员。

Description

基于相对定位的遇险消防员搜索方法和设备

技术领域

本发明，即基于相对定位的遇险消防员搜索方法和设备属于消防应急救援领域。此外，本发明也可以用于搜救任何携带相对定位设备的人员或者物体。因此，该方法和系统也可以应用到其他遇险危险人员搜救的场合，包括军队、公安、户外运动、定向越野、地质灾害救援等等。

背景技术

高危行业的作业人员安全保障具有涉及行业广泛（包括：消防、煤矿、石化等）、人员数量巨大、危险性大等特点，是一项艰巨的任务。一旦发生恶性事件，会带来巨大的生命、财产损失，并造成一定的社会影响。因此，危险作业人员安全保障技术和装备的开发受到了国家、地方政府、企业、行业协会组织的高度重视。

遇险消防员搜救，尤其是高层建筑和大型城市综合体内的遇险消防员搜救，是全世界范围内的难题。随着现代化和城市化进程的快速推进，如何在开展高效灾害救援的同时，保障火灾现场消防官兵的人身安全，受到了各国政府、相关研究机构和消防设备厂商的广泛关注。美国、中国、日本等世界上的主要大国都从政府层面上资助了一些研究机构和公司开展人员搜救技术和装备的研发。这些机构试图开发人员实时定位跟踪系统，来解决遇险消防员搜救的难题。但是实时定位跟踪的解决方案实用性太差，应用到人员搜救上存在两个致命的缺陷：(1)需要准确的现场地图。目前，国内大量的建筑结构图存档只有纸质版本，实时获取火灾现场准确地图几乎是无法实现的。（2）救援人员无法获知被困消防员位置，不能主动搜索。即使获得了现场地图，由于火场内救援人员无法像指挥人员一样通过可视化软件获知其他搜救人员位置，必须依赖救援现场外的指挥人员通过对讲机指定行进路线。因此，经过多年的研究与开发，虽然小规模实验系统屡见不鲜，但是全世界范围内仍然没有能够大规模应用到实战的应急人员定位产品。

综上所述，现有的遇险消防员搜救技术难以满足应急救援场景复杂环境下的需求，实际应用能力差。实际应用需求迫切需要在深入分析遇险消防员搜救问题的本质需求和技术挑战基础上，创新性的开发一种快速搜救技术和装备，实现“有理有据”的搜救，解决当前只能“盲目搜索”困境。

发明内容

针对遇险消防员快速搜救问题，本发明实施例的目的是提供基于相对定位的遇险消防员快速搜救方法和设备，便于有依据的快速找到消防员在火场中的位置，保证对火场中遇险消防员的有效施救。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于任意两台相对定位设备之间都可以测量设备之间的高度差、相对方位和相对距离，任意一台相对定位设备都具有按键报警和静止报警功能并发送相应的报警信号，任意一台相对定位设备都具备接收其他相对定位报警信号的功能。每个进入火场的消防员佩戴一个相对定位设备。任意一个通过自身佩戴相对定位设备收到报警信号的消防员都可以对佩戴产生报警信号相对定位设备的消防员进行搜救。搜救过程中，救援人员所佩戴的相对定位设备与遇险消防员佩戴的相对定位设备之间周期性地测量相对高度差、接收信号强度和相对距离。救援人员根据相对定位设备测量得到的相对高度差、接收信号强度和相对距离找到遇险消防员。

作为技术方案的优选，所述的用于接收信号强度和相对距离测量可以通过以具有Time of Arrival (TOA) 测距功能射频芯片为核心的无线通信模块实现。

作为技术方案的优选，所述的报警信号发送和接收可以通过以通信频率较低（例如：433Mhz，900Mhz，470Mhz等）的射频芯片为核心的无线通信模块实现。

作为技术方案的优选，所述的静止报警功能可以通过以3轴加速度传感器为核心的惯性导航模块实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 相对位置关系示意图；

图2 为本发明实施例基于相对定位的遇险消防员搜索方法示意图；

图3 为TOA测距工作原理；

图4 为相对定位设备硬件系统结构示意图；

图5 为相对定位设备嵌入式软件功能结构示意图；

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

（1）基于相对定位的遇险消防员搜索方法

图1展示了相对位置关系示意图，如图1中所示，任意两个点之间只要知道相对高度差、水平相对方位 和水平相对距离 ，就可以形成一条搜索路径：先基于高度差信息到达同一水平面，再基于水平相对方位信息和水平相对距离找到搜索目标。在实际应用中，本发明的提供相对定位设备具备相对高度差、相对距离和接收信号强度测量的功能，并可基于相对距离和接收信号强度判断出相对方位，因此可以利用相对定位设备和相对位置关系原理实现遇险消防员搜索。

图2所示为本发明实施例提供了实际应用中基于相对定位的遇险消防员搜索方法示意图，如图2中所示，本发明的遇险消防员位置搜索可以分为两个阶段：

跨楼层搜索阶段：救援人员收到遇险报警后，根据相对定位设备显示的自己与遇险消防员之间的高度差值到达遇险消防员所在楼层，通常可以认为高度差1米以下的楼层即为遇险消防员所在楼层。

同层搜索阶段：到达同层后，救援人员在每个分支路口将相对定位设备的定向天线朝向各个分支方向，观察测量到的接收信号强度和相对距离值。根据各个方向上的信号强度和距离值确定行进方向，直到最终找到遇险消防员。通常信号强度越强、距离越短的方向为正确方向，如图中红色箭头方向。

在以上两个阶段的搜索过程中，利用测高、测向、测距达到三维快速搜救的设计目标。

针对快速搜救过程中，被困消防员的高度位置确定、精确位置搜索（即方向搜索和距离搜索）两个关键问题，本发明有针对性的提出了设计和解决方法。

A．高度差测量问题

本发明采用气压测高度差的方法。通过气压计测量气压，利用气压与高度之间的对应关系，以基准点气压（p0）为标准，测量点（气压用p表示）与基准点的高度差（altitude）可以由下式

计算得到。常规应用中，可以通过测量不同高度的气压而获得目标之间的相对高度。

B．方位测量问题

相对定位设备持有人可以根据相对距离和接收信号强度判断相对方位。通常正确的方向具有接收信号强度最强、距离最短的特征，因此这种根据接收信号强度和距离两个因素的判断方法比单纯依赖一个因素的方法具有更好的可靠性。

C．距离测量问题

作为优选，本发明采用无线测量基于信号到达时间（Time of Arrival, TOA）的距离测量方法,其工作原理如图3所示.

Node A 和Node B为进行TOA测距的两个节点。T1为Node A向Node B发送Ranging Data的时刻；T2为Node B收到Ranging Data的时刻；T3为Node B向Node A发送ACK的时刻；T4为Node A收到ACK的时刻。Node A和Node B通过本地时钟分别测量 和 的时间长度，计算出信号在两个设备之间的传输时间 。设备之间的距离计算公式如下：

（3）相对定位设备

相对定位设备硬件系统结构如图4所示。设计相对定位设备硬件电路，具有电源管理单元、TOA射频测向测距通信模块、433MHz或其它低频通信模块、惯性传感器处理单元（包括加速度计、陀螺仪、磁力计等）、气压计测高单元、定向/全向天线、蜂鸣器、爆闪灯等硬件结构，完成相对定位设备的硬件架构，形成基于“TOA/惯性传感器/气压计”相融合的基本框架，其软件结构和基本工作流程如图5所示。该设备主要具有以下功能：

人员姿态识别功能：能够实时分析人员的运动姿态，当判断人员处于长时间静止不动状态时，进行自动报警；

高效通讯功能：在附近有人遇困报警时，可以配合指挥站根据同层优先和距离优先原则，为所有搜救队员排序，搜救队员根据自己的排序，自主选择立即搜救或者待命；

测高、测向、测距功能：设备不断的主动向周围队友发起测距，掌握附近队友的数量及方位、距离，在执行搜救任务时，可以根据定向天线信号的强弱及时判断被困队友所处方位，根据TOA的测距结果判断被困队友与执行搜救人员之间的距离，使得搜救任务能够高效、有目的性的执行。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于任意两台相对定位设备之间都可以测量设备之间的相对高度差、相对距离和接收信号强度，设备持有人可以利用相对距离和接收信号强度判断出相对方位；任意一台相对定位设备都具有按键报警和静止报警功能并发送相应的报警信号；任意一台相对定位设备都具备接收其他相对定位设备报警信号的功能；每个进入火场的消防员佩戴一个相对定位设备；任意一个通过自身佩戴的相对定位设备收到报警信号的消防员都可以对通过自身佩戴的相对定位设备发出报警信号的消防员进行搜救；搜救过程中，救援人员所佩戴的相对定位设备与遇险消防员佩戴的相对定位设备之间周期性地测量相对高度差、接收信号强度和相对距离；救援人员根据相对定位设备测量得到的相对高度差、相对距离和接收信号强度找到遇险消防员。

2.根据权利要求1所述的基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于，所述的相对定位设备至少包含一个气压传感器、一个用于测距测向的无线通信模块及其相应的全向天线和定向天线、一个惯性导航传感器、一个用于数据通信的无线通信模块及其相应的全向天线；

所述的用于测距测向的无线通信模块能够测量接收信号强度、信号发送时间和信号到达时间。

3.根据权利要求1所述基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于，任意一台相对定位设备都具有报警按键，消防员遇险后可以按下报警按键，设备会自动通过用于数据通信的无线通信模块广播带有该设备编号的报警信号。

4.根据权利要求1所述基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于，任意一台相对定位设备都可以通过惯性导航传感器检测设备是否处于静止状态；

一旦检测到设备处于静止状态，该设备会自动通过用于数据通信的无线通信模块广播带有该设备编号的报警信号。

5.根据权利要求1所述基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于，任意一台相对定位设备都可以通过用于数据通信的无线通信模块接收其他相对定位设备的发送报警信号，并通过屏幕显示文字、发出提示音、产生提示震动等方式告知佩戴该设备的消防员。

6.根据权利要求1所述基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于，所述的两台设备之间的高度差通过设备自带的气压传感器测量气压值，计算气压差，根据气压差与高度差的对应关系计算得到。

7.根据权利要求1所述基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于，所述的两台设备之间的距离通过测量两台设备之间的无线信号传输时间，并根据无线信号传输时间与距离之间的关系计算的到设备之间的距离；所述的无线信号传输时间通过测量信号接收设备的信号接收时间和信号发送设备的信号发送时间，并计算两个时间的差值得到两个设备之间的信号传输时间。

8.根据权利要求1所述基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于，所述的两台设备之间接收信号强度测量通过一台设备无线通信模块和定向天线（简称：定向设备）、另一台设备无线通信模块和全向天线（简称：全向设备）以及两台设备之间的无线通信来实现；测量步骤如下：

步骤一：全向设备通过无线通信设备和全向天线周期性地广播无线信号或者直接向定向设备发送无线信号；

步骤二：定向设备通过无线通信模块和定向天线接收全向设备发送的无线信号并测量接收信号强度。

9.根据权利要求1所述基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于相对定位设备持有人可以根据相对距离和接收信号强度判断相对方位；通常正确的方向具有接收信号强度最强、距离最短的特征，因此这种根据接收信号强度和距离两个因素的判断方法比单纯依赖一个因素的方法具有更好的可靠性。

10.根据权利要求1所述基于相对定位的遇险消防员搜索方法与设备，其特征在于，所述的救援人员根据相对定位设备测量得到的相对高度差、接收信号强度和相对距离找到遇险消防员，步骤如下：

跨楼层搜索阶段：救援人员收到遇险报警后，根据相对定位设备显示的自己与遇险消防员之间的高度差值到达遇险消防员所在楼层，通常可以认为高度差1米以下的楼层即为遇险消防员所在楼层；

同层搜索阶段：到达同层后，救援人员在每个分支路口将相对定位设备的定向天线朝向各个分支方向，观察测量到的接收信号强度和相对距离值；根据各个方向上的信号强度和距离值确定行进方向，直到最终找到遇险消防员。