一種基于卡爾曼濾波函數的消防員室內定位算法研究

趙學磊

（新疆消防救援總隊，烏魯木齊 830063）

1 消防員滅火救援中面臨的危險

在城市化發展過程中，各類高層建筑、地下建筑逐漸增多，很多建筑在設計過程中追求個性化，導致建筑結構日趨多樣，疏散通道長度增加，疏散路徑更加復雜，建筑火災危險性急速增大，同時這類建筑往往人員密集，一旦發生火災將會對人民生命財產安全構成重大威脅。當消防員進入這樣復雜的火場環境后，現場指揮人員僅能通過對講機與其進行通信聯絡，對于消防員所處位置和基本環境情況不能通過有效的手段進行獲取，當消防員遇到危險后不能組織人員進行精準施救，也不能正確引導其安全撤離火場，消防員自身安全得不到有效保障。近年來，全國消防隊伍在滅火救援過程中犧牲人數已超300人，受傷人數達到數千人，全國各級消防部門都在積極探索利用消防員室內定位系統確保消防員的人身安全。

2 傳統消防員室內定位算法存在的問題

傳統消防員室內定位算法基本分為三點定位和慣導定位兩種，本文重點討論三點定位的方法，三點定位法首先要在建筑物內或建筑物周邊設置若干定位基準信標點，持續向周圍發送無線信號，定位模塊在同時收到三個以上基準信標點的無線信號后，根據信號的RSSI 值測算出定位模塊與基準信標點間的距離，并通過一定的算法進行修正，最后利用三組以上的距離數據計算出定位模塊所在的位置。在復雜的火場環境里，RSSI 值非常容易受到火焰、煙氣、高溫和水漬的影響，往往出現較大的波動，造成定位精度偏差較大，直接影響到滅火救援指揮決策，難以確保消防員自身安全。

3 基于卡爾曼濾波函數的消防員室內定位算法實現

卡爾曼濾波函數具有最小無偏方差的特性，目前廣泛應用于計算機圖像處理、智能導航、傳感器數據融合、機器控制等領域，本文主要利用卡爾曼濾波函數對數據進行統計估算，通過對一組帶有誤差的實際測量的RSSI值進行處理，從而得到所需要的定位參數的最佳估算值。

利用卡爾曼濾波函數進行處理的過程是：不斷對測量值Y（k+1）進行更新，并利用Y（k+1）對待求狀態向量X（k+1）進行估計，處理過程中會利用到噪聲協方差矩陣Qk和觀測噪聲協方差矩陣Rk兩個參數，通過對準確值和待求狀態向量的觀測值之間誤差的計算和描述，不斷消除誤差對準確值的影響，最后估算出待求狀態向量的最佳近似值。在不斷的更新循環過程中，噪聲協方差矩陣Qk和觀測噪聲協方差矩陣Rk設定了過程噪聲和觀測噪聲值，當出現其值與實際測量誤差所等效的過程噪聲和觀測噪聲能夠保持一致的情況時，則卡爾曼濾波函數所得到的參數估計值可以與準確值相等。

離散信號的狀態方程和測量方程為：

濾波評估方程：

濾波增益方程：

預測協防差陣：

濾波協方差陣：

利用卡爾曼濾波函數對測量到的RSSI 值進行處理最終得到量測數據列為Y。

得到定位模塊距基準信標點的距離：我們再根據多個基準信標點與定位模塊之間的距離，在建筑物平面圖中擬合出消防員大概的位置，為現場指揮的各級指揮員提供重要的輔助決策信息。

4 結束語

通過實際測試，利用卡爾曼濾波函數對傳統消防員室內定位算法進行改進，能夠大幅提升定位精準性，計算結果基本符合實際需求，能夠成為保障消防員生命安全的重要數據支撐，能夠為進一步提升滅火救援指揮效能發揮重要作用。