超高層建筑內(nèi)部人員定位系統(tǒng)的研究與應(yīng)用*

馬 鑫，馬 偉，疏學(xué)明，馬小雯，康 燕

（1.清華大學(xué)公共安全研究院 工程物理系，北京 100084;2.北京科技大學(xué) 計算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083;3.河北科技師范學(xué)院計算機(jī)系，河北秦皇島 066004）

0 引言

超高層建筑物具有規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員密集等特點，其公共安全問題涉及到消防、安防等各種系統(tǒng)，是一個復(fù)雜多元多系統(tǒng)的協(xié)同工作，給應(yīng)急管理和救援指揮帶來了巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)了解，我國現(xiàn)有高層建筑162 000多棟，其中超過100 m的超高層建筑就有1 500余棟［1］。截至2009年底，北京已有28層100 m以上的超高層建筑58座，最高的國貿(mào)三期高度已達(dá)329.9 m。高層建筑消防形勢嚴(yán)峻，僅2005年北京市就發(fā)生高層建筑火災(zāi)87起，2006年發(fā)生101起［2］，對于這類高層建筑，一旦發(fā)生火災(zāi)或者其他緊急事件，人員救援與應(yīng)急疏散將變得尤為重要。

我國火災(zāi)導(dǎo)致的傷亡人數(shù)年均達(dá)到2500余人，其中大量人員因為消防救援人員難以確定其位置導(dǎo)致錯過最佳救援時機(jī)而死亡。故本文研究在超高層建筑內(nèi)安裝人員定位系統(tǒng)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)應(yīng)用于公共安全，在災(zāi)害環(huán)境下對人員實施定位［3］。在發(fā)生突發(fā)事故時，利用人員定位系統(tǒng)能夠及時獲取建筑內(nèi)的人員位置分布，使應(yīng)急救援力量最短時間內(nèi)到達(dá)事件發(fā)生地點，對受災(zāi)人員實施救援，同時選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行人員的疏散與疏導(dǎo)工作，保障公共安全。

1 實驗環(huán)境

1.1 開發(fā)平臺

定位系統(tǒng)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用IEEE 802.15.4協(xié)議［4］和Wi-Fi通信標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)出自身的適合于在災(zāi)害場景下使用的魯棒性強(qiáng)的通信協(xié)議棧。在硬件方面，設(shè)計并制作出多個嵌入式通信模塊，包含定位卡片、基站和協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器與基站外形一致，只是在基站功能的基礎(chǔ)上添加了IEEE 802.15.4和Wi-Fi間協(xié)議轉(zhuǎn)換算法和其他一些必要功能。定位卡片使用的是TI公司生產(chǎn)的CC2431芯片［5］，而基站和協(xié)調(diào)器中使用的是CC2520芯片。

1.2 定位準(zhǔn)則

建筑的每個樓層安裝一個協(xié)調(diào)器，房間根據(jù)大小來布置基站，建筑中人員隨身攜帶一個定位卡片（該卡片可與參觀卡或者員工卡集成在一起）。在各個樓層中，協(xié)調(diào)器與基站和定位卡片形成IEEE 802.15.4無線通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是容量大、路由靈活且健壯、具備精確調(diào)度和時間同步功能。而各個樓層間的協(xié)調(diào)器則通過Wi-Fi相互連通，主要利用了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離和高帶寬的優(yōu)勢，將所有樓層的信息匯總至中控室，中控室操作人員對該建筑實施總體監(jiān)控。

合理地選取建筑物的規(guī)則外墻交點為坐標(biāo)原點，構(gòu)筑該建筑的三維坐標(biāo)系（x，y，z），其中z軸代表樓層高度，數(shù)值設(shè)定在每層安裝的協(xié)調(diào)器中，而（x，y）則代表對應(yīng)樓層的二維平面。在具體的樓層中，根據(jù)房間大小，在每個房間內(nèi)安裝定位基站，一般是安裝3個或3個以上的基站，使用定位算法來計算出人員的位置，以二維平面內(nèi)的（x，y）坐標(biāo)值來表示。而針對某些小房間，一般只安裝一個基站，房間內(nèi)人員的位置歸結(jié)到該基站的坐標(biāo)信息上。

在已知建筑物的構(gòu)造布局情況下，可以將每個房間的范圍映射到合適的坐標(biāo)區(qū)間內(nèi)，這樣在得到人員的位置后，判斷屬于哪個坐標(biāo)區(qū)間，也就知道了人員所處的房間。協(xié)調(diào)器收集該樓層內(nèi)所有定位卡片的坐標(biāo)，以及所對應(yīng)的房間，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計出該樓層每個房間內(nèi)的人員數(shù)量。協(xié)調(diào)器收集到的本樓層內(nèi)人員方位的二維坐標(biāo)添加上樓層信息z值，構(gòu)成完整的三維坐標(biāo)，連同各個房間的人員數(shù)量一起通過Wi-Fi傳送至中控室，中控室的監(jiān)控界面中運行著該建筑的三維模型，操作人員能夠有選擇地查詢某個卡片的坐標(biāo)位置和所在房間，或者某個房間內(nèi)的人員數(shù)量。因此，該定位系統(tǒng)能夠為高層建筑的應(yīng)急救援提供強(qiáng)而有力的支持。

2 定位算法

綜合考慮并比較無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中已有的相關(guān)節(jié)點定位算法［6］，并且結(jié)合制作成本、通信實時性、節(jié)能及開銷控制，初步選擇使用基于接收信號強(qiáng)度指示（received signal strength indication，RSSI）的距離定位算法［7］。RSSI方法在已知發(fā)射功率的情況下，在接收節(jié)點測量接收功率，計算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗的信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)換為距離，該技術(shù)主要使用RF信號，因傳感器節(jié)點本身具有無線通信能力，故無需增加額外的硬件設(shè)備。

在本定位系統(tǒng)中，RSSI是通過讀取協(xié)議棧中max_rx.c文件中的數(shù)組rxBuf的第一位得到的，將RSSI_dec讀數(shù)從十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，再轉(zhuǎn)換為以dBm為單位的絕對功率電平:

判斷RSSI_dec是否大于128，如果成立，則

如果小于128，則為

高中物理教學(xué)的基本目標(biāo)是要以創(chuàng)建問題為入手點，以觀察實驗為基礎(chǔ)，以打開學(xué)生的思維為核心，以提升學(xué)生的探究能力為重點。在高中物理電磁學(xué)部分，庫倫定律被當(dāng)作是基礎(chǔ)性的物理定律，這也就決定了它在物理學(xué)科體系所占據(jù)的主導(dǎo)性的地位。因此，教師要采用多樣化的教學(xué)方法，改進(jìn)物理課堂教學(xué)的模式，通過對庫倫定律的教學(xué)及應(yīng)用，打開學(xué)生思維的生長點，重視培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，以更好的幫助學(xué)生提高物理成績，提升學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)面發(fā)展。

考慮到本系統(tǒng)的通信頻率為2.4 GHz，網(wǎng)絡(luò)帶寬為250 kbps/s，故選取RSSI_offset為79，接收端在收到發(fā)射端的信號并解析出RSSI值后，根據(jù)IEEE 802.15.4的經(jīng)驗傳播模型

可將RSSI的測量值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二者之間的距離

其中，射頻參數(shù)A被定義為用dBm表示的距離發(fā)射器1 m接收到的平均能量絕對值;n為信號傳輸常數(shù)，與信號傳輸環(huán)境有關(guān);D為距發(fā)射節(jié)點的距離。根據(jù)在室內(nèi)環(huán)境中的多次試驗結(jié)果，通過線性回歸分析得到參數(shù)A和n的取值，分別為A=40，n=2.1。

將定位系統(tǒng)布置在建筑內(nèi)，首先確定好該建筑的坐標(biāo)系，然后根據(jù)基站的安裝位置確定每個基站的坐標(biāo)值。待每層的定位網(wǎng)絡(luò)形成后，基站會周期性地發(fā)送含有自身位置信息的廣播，卡片接收到周圍多個基站的信號，從中選取信號強(qiáng)度最好的3個作為定位基準(zhǔn)，使用三邊測量法進(jìn)行定位。如圖1所示，未知卡片處于D點，而其周邊有3個定位基站，分別處于A，B，C三點。通過上述傳播模型能夠計算得出D點分別到這3個基站的距離d1，d2，d3，因此，能夠聯(lián)立如下方程

圖1 三邊測量法示意圖Fig 1 Diagram of Trilateration algorithm

解之，可得未知卡片D點的坐標(biāo)為

但該方法的主要誤差來源是環(huán)境影響所造成的信號傳播模型的復(fù)雜性、多徑傳播、非視距因素等，因此，圖1中所示的3個圓在多數(shù)情況下不能相交于一點，而是出現(xiàn)類似于圖2相交于一個區(qū)域的情況，故選擇在卡片里面的CC2431芯片中運行三角形質(zhì)心定位算法［8］。

圖2 三角形質(zhì)心定位算法示意圖Fig 2 Diagram of triangle centroid localization algorithm

3 仿真模擬

為了評估該定位系統(tǒng)的性能，使用Matlab對所用定位算法進(jìn)行仿真。在70 m×70 m的區(qū)域內(nèi)，布置3個基站作為錨節(jié)點（以○表示），坐標(biāo)分別為（6，43 m），（33，12 m），（50，61 m），隨機(jī)選取未知節(jié)點也即是卡片的位置（以◇表示）。通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎憧ㄆ嚯x3個基站分別為24.2650，28.1663，28.9338 m。

首先使用三邊測量法對卡片進(jìn)行定位，運算9次得到9個估計位置（以“+”號表示），如圖3所示。

然后使用三角形質(zhì)心定位算法，同樣運算9次，得到9個估計位置，如圖4所示。

將使用上述兩種算法各自所得到的9個估計位置（xi，yi）分別與卡片的實際位置（x0，y0）=（30，40m）進(jìn)行比較，按照式（8）得到誤差ε。

圖3 三邊測量法仿真結(jié)果Fig 3 Simulation result of Trilateration algorithm

圖4 三角形質(zhì)心算法仿真結(jié)果Fig 4 Simulation result of Triangle Centroid algorithm

經(jīng)計算，三邊測量法的誤差分別為:1.913 7，1.695 3，2.6347，3.2489，3.0526，2.6249，3.1727，2.2108，3.2339 m。三角形質(zhì)心定位算法的誤差分別為:1.098 7，0.458 5，0.8809，0.1793，0.9210，1.7061，0.7233，1.1864，1.5768 m。對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得圖5誤差分析圖。

圖5 誤差對比圖Fig 5 Diagram of error contrast

三邊測量法的平均誤差為2.643 1 m，三角形質(zhì)心算法的平均誤差為0.9701 m，可見使用三角形質(zhì)心法后使得定位的平均誤差降低了約63%，精度達(dá)到了1 m以內(nèi)。因此，在建筑物內(nèi)部這種屬于多徑效應(yīng)較為明顯的環(huán)境中，本定位系統(tǒng)使用三角形質(zhì)心算法來實施定位，通過軟硬件的配合與聯(lián)調(diào)，定位精度已初步滿足要求。

4 結(jié)論

針對超高層建筑失火后，由于難以確定受困人員位置而導(dǎo)致傷亡這一亟待解決的問題，本文開發(fā)出建筑物室內(nèi)人員定位的原型系統(tǒng)。通過對定位算法的性能仿真和數(shù)據(jù)分析，選擇在定位卡片的定位引擎中運行三角形質(zhì)心算法，在魯棒性和實時性方面能夠滿足目前的要求，具有較大的應(yīng)用價值。

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［3］馬 鑫，黃全義，疏學(xué)明，等.物聯(lián)網(wǎng)在公共安全領(lǐng)域中的應(yīng)用研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2010，20（7）:170 －176.

［4］IEEE Standard 802.15.4—2006.Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks（WPANs）［S］.LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society，2006.

［5］徐志京，胡 波.基于CC2431的無線定位技術(shù)研究［J］.電子設(shè)計工程，2009，17（10）:10 －12.

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