室內(nèi)定位技術(shù)在公共安全領(lǐng)域的研究

施紹鑫

（甘肅省消防救援總隊信息通信處，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

近年來，自然災(zāi)害、事故災(zāi)難以及社會安全等突發(fā)事件發(fā)生的頻率很高，且此類事件很難提前預(yù)判。發(fā)生上述事件時，需要進(jìn)行緊急狀態(tài)下的救援工作，此時如果可以相對準(zhǔn)確地定位室內(nèi)待解救人員的位置信息，將會大大提高指揮決策的精準(zhǔn)性，提高應(yīng)急救援的工作效率。通過寬窄帶融合網(wǎng)絡(luò)，不僅可以為現(xiàn)場提供暢通的語音和視頻通信鏈路，還可以傳送定位信息。因此，室內(nèi)定位技術(shù)在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大價值和應(yīng)用意義。

1 室內(nèi)定位技術(shù)對比分析

基于位置的服務(wù)（Location Based Service，LBS）致力于向客戶提供人們位置信息的定制服務(wù)。在室外，全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）應(yīng)用范圍廣且定位精度高，可基本滿足人們對定位的需求[1]。在室內(nèi)，由于建筑物鋼筋水泥的阻隔及室內(nèi)其他較為復(fù)雜狀況的影響，接收的GPS信號經(jīng)常很微弱。目前，室內(nèi)定位領(lǐng)域主要應(yīng)用的技術(shù)有藍(lán)牙、Wi-Fi、RFID以及UWB等，可為用戶提供不同精度的定位服務(wù)。以下簡要闡述目前幾個主流的室內(nèi)定位技術(shù)方案。

1.1 視覺定位

利用智能機(jī)器人可探測某些人類無法達(dá)到的領(lǐng)域，代替人類完成一些危險任務(wù)。這需要機(jī)器人具備根據(jù)當(dāng)前環(huán)境自動規(guī)劃路線的能力，因此視覺定位技術(shù)應(yīng)運而生。視覺定位技術(shù)在系統(tǒng)工作前，利用攝像機(jī)對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行圖片采集。機(jī)器人通過內(nèi)置的視覺傳感器獲取現(xiàn)場場景特征（顏色、紋理等），并與預(yù)備工作中采集的圖片信息進(jìn)行近似度對比實現(xiàn)定位。視覺定位技術(shù)對環(huán)境依賴性低，但機(jī)器人在視覺導(dǎo)航過程中需要連續(xù)不斷地定位，算法復(fù)雜且功耗高，所以不適宜民用[2]。

1.2 Wi-Fi

Wi-Fi技術(shù)是基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于局域網(wǎng)通信的無線技術(shù)，現(xiàn)已普及應(yīng)用。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的普及，使得室內(nèi)定位大大降低了定位系統(tǒng)的部署難度和建設(shè)成本。定位系統(tǒng)安裝便捷，信號覆蓋范圍大，且無需部署額外設(shè)備。Wi-Fi定位的總精度相對較高，但在室內(nèi)只能做到2 m左右的精準(zhǔn)定位。

1.3 RFID

射頻識別（RFID）是閱讀器和標(biāo)簽間進(jìn)行非直接接觸式的數(shù)據(jù)層面的通信，以達(dá)到識別目標(biāo)的目的，應(yīng)用非常廣泛。RFID技術(shù)作用距離短，但可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級的定位精度信息，標(biāo)識體積小，成本低，且傳輸范圍很大，但抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)中，且用戶的安全隱私保障和國際標(biāo)準(zhǔn)化不夠完善。現(xiàn)階段，射頻識別室內(nèi)定位被廣泛應(yīng)用于倉庫、工廠以及商場等對貨物和商品流轉(zhuǎn)的定位。

1.4 超寬帶

超寬帶（Ultra WideBand，UWB）是一種較為新興的通信技術(shù)，直接調(diào)制具有顯著上升和下降時間的沖激脈沖，使信號具有較大量級的帶寬。超寬帶技術(shù)理論上可實現(xiàn)厘米級的定位精度，穿透力強(qiáng)且精度高，但投入成本較高，導(dǎo)致很難大面積普及推廣。

1.5 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）通過陀螺儀和加速度計采集運動物體的速度、加速度以及方向等關(guān)鍵數(shù)據(jù)實現(xiàn)定位，通過航位推算得到物體的位置信息。它的定位精度取決于傳感器的質(zhì)量和傳感器安放的位置[3]。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的局限性在于其誤差會隨著時間不短累積，且高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)會增加成本。目前，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于武器、艦艇、火箭、飛機(jī)以及車輛等領(lǐng)域的導(dǎo)航與跟蹤。

1.6 地磁定位

地磁定位利用地磁場特征的特異性獲取位置信息。現(xiàn)代建筑物墻體內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)會在室內(nèi)的不同位置產(chǎn)生不同的磁場強(qiáng)度，根據(jù)室內(nèi)磁場的這種特異性進(jìn)行室內(nèi)定位。該技術(shù)使用前期需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集，不依賴外部設(shè)備，成本較低，但對地磁傳感器芯片的精度要求較高，且穩(wěn)定性較差。

1.7 藍(lán) 牙

藍(lán)牙是一種適用于短距離通信的無線技術(shù)。其中，iBeacon是一種低耗能藍(lán)牙技術(shù)，通過iBeacon發(fā)射信號，由iOS設(shè)備定位接收并反饋信號，是蘋果公司發(fā)布的移動設(shè)備OS（iOS7）上配備的新功能。該技術(shù)穩(wěn)定性差，易受環(huán)境干擾。藍(lán)牙定位技術(shù)的優(yōu)點在于其定位設(shè)備體積較小，具有一定的便攜性，集成在手持設(shè)備中也較為簡易，且定位精度也較高。缺點在于該定位技術(shù)較易受外界環(huán)境的干擾，穩(wěn)定性一般。

1.8 ZigBee

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，介于射頻識別和藍(lán)牙之間。ZigBee定位系統(tǒng)適用于傳輸范圍小、數(shù)據(jù)傳輸速率低的電子元器件設(shè)備。它在室內(nèi)布置一些參考節(jié)點，通過協(xié)調(diào)節(jié)點前的通信實現(xiàn)定位需求。ZigBee最大的特點是低功耗和低成本，但其穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大。

以上幾種室內(nèi)定位技術(shù)的對比分析如表1所示。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)對比

2 公共安全領(lǐng)域應(yīng)用室內(nèi)定位的需求

除了應(yīng)急救援工作對室內(nèi)定位具有迫切需求，日常勤務(wù)工作和臨時勤務(wù)工作對其也有一定的需求。不同的工作內(nèi)容和工作性質(zhì)，對室內(nèi)定位系統(tǒng)的精度、容量以及部署方式等的要求也不相同[4]。通過介紹不同性質(zhì)的工作內(nèi)容和工作場景的特點，分析不同工作環(huán)境下對室內(nèi)定位的需求，可為將來室內(nèi)定位系統(tǒng)提供參考。

2.1 應(yīng)急救援工作

在一些突發(fā)事件的應(yīng)急救援工作中，獲取被救援人員的位置信息十分重要。一方面，可根據(jù)現(xiàn)場的具體情況進(jìn)行臨時、動態(tài)的人員部署分配，另一方面實時掌握人員的位置信息，一定程度上保障工作人員的人身安全。此類場景的現(xiàn)場安裝施工條件一般較為惡劣，現(xiàn)場環(huán)境多樣且不可預(yù)知。因此，要考慮定位系統(tǒng)的堅固性和安裝的靈活性，且可不依賴外部條件獨立運行。定位系統(tǒng)具有一定的臨時性，以滿足系統(tǒng)實際需求。

2.2 室內(nèi)日常勤務(wù)工作

在大型火車站、機(jī)場以及地鐵等交通樞紐，人員流動性大且人員密集，屬于事故高發(fā)區(qū)域。這樣的環(huán)境一般會部署大量勤務(wù)人員及專家維持現(xiàn)場秩序，保障工作的順利進(jìn)行。通過獲取勤務(wù)人員的位置信息，可方便上級指揮根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行臨時的指揮調(diào)度，同時為勤務(wù)人員的出勤考核提供了數(shù)據(jù)支持[5]。此類場景勤務(wù)人員的部署量較大，對定位系統(tǒng)容量的要求較高，同時考慮到勤務(wù)人員工作流動性較大，要求攜帶的定位設(shè)備既要便攜又要具有較高的定位精度。這類人員需長期使用定位系統(tǒng)，故應(yīng)配置外接電源設(shè)備進(jìn)行供電。

2.3 臨時性勤務(wù)工作

臨時性勤務(wù)工作是指演唱會、體育賽事以及群眾性集會等大型室內(nèi)的勤務(wù)工作，現(xiàn)場空間有限，人員密度較大。發(fā)生突發(fā)狀況時，很可能由于人員疏散不利而造成二次事故。因此，需要大量人力維持現(xiàn)場秩序，通過定位勤務(wù)人員實時掌握現(xiàn)場人力分布狀況，從而迅速有效控制現(xiàn)場的意外情況。

臨時性勤務(wù)工作的任務(wù)地點一般是事先通知的，具有一定的時間部署定位系統(tǒng)，但安裝架設(shè)具有不確定性。由于任務(wù)工作的臨時性，需要定位系統(tǒng)能快速部署，不依賴基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)定位。系統(tǒng)需具有快速開展、快速收裝的特點，實現(xiàn)活動前的快速開展和活動后的快速撤離[6]。對定位精度要求不高時，可采用電池供電，滿足活動需求即可。

3 發(fā)展方向展望

基于以上研究對室內(nèi)定位在公共安全領(lǐng)域中的應(yīng)用提出如下展望。

3.1 高精度、低成本、低功耗

復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境對室內(nèi)定位精度的要求更高，然而高精度往往意味著高成本，因此實現(xiàn)高精度的同時可能會需要額外的硬件設(shè)備和大量的人為工作，很大程度上限制了定位技術(shù)的推廣和普及。功耗較低的定位技術(shù)在公共安全領(lǐng)域中的某些方面是十分重要的。

3.2 專網(wǎng)化

公網(wǎng)主要以盈利為目的，基站多架設(shè)在人員密集區(qū)域，因室內(nèi)物體遮擋等，使得室內(nèi)和多層地下場景中的公網(wǎng)信號覆蓋很弱，甚至無法接收到公網(wǎng)信號。此外，在發(fā)生火災(zāi)和地震等自然災(zāi)害時會導(dǎo)致公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施癱瘓，無法建立通信鏈路。相反，專網(wǎng)具有高度的可靠性，網(wǎng)絡(luò)具有專用屬性，在發(fā)生緊急事件時能保證網(wǎng)絡(luò)暢通并實現(xiàn)緊急信息的傳送[7]。專網(wǎng)中現(xiàn)有的專網(wǎng)無線自組網(wǎng)設(shè)備保證了專網(wǎng)不依賴于基礎(chǔ)設(shè)施便可提供穩(wěn)定、可靠的通信鏈路，這些相比于公網(wǎng)的獨有優(yōu)勢，使得在公共安全領(lǐng)域利用專網(wǎng)進(jìn)行室內(nèi)定位成為必然趨勢。

3.3 快速部署，迅速定位

在預(yù)先安裝定位系統(tǒng)的建筑物中進(jìn)行應(yīng)急工作，相對來說較容易開展。但是，現(xiàn)今定位技術(shù)還未廣泛普及，仍有大量樓宇內(nèi)未安裝定位系統(tǒng)。在這樣的情況下若發(fā)生自然災(zāi)害、事故災(zāi)難以及社會安全等緊急情況時，需要能快速在現(xiàn)場部署定位系統(tǒng)，且能在地圖資源較少的情況下實現(xiàn)定位。這對定位技術(shù)要求更高，但對應(yīng)急情況下的救援工作具有十分重要的意義。

4 結(jié) 論

對比分析當(dāng)下主流定位技術(shù)，按照不同工作性質(zhì)將公共安全領(lǐng)域的工作分為應(yīng)急救援工作、室內(nèi)日常勤務(wù)工作以及臨時性勤務(wù)工作3大部分，并詳細(xì)分析不同性質(zhì)工作對定位技術(shù)的精度、系統(tǒng)容量以及部署等方面的要求，為不同場景下定位技術(shù)的應(yīng)用提供參考。最后，針對定位技術(shù)在公共安全領(lǐng)域中的應(yīng)用，提出了其應(yīng)朝著高精度、低成本、低功耗以及專網(wǎng)化方向發(fā)展；針對公共安全領(lǐng)域中的應(yīng)急救援工作，提出應(yīng)急場景下的室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)朝著快速部署和迅速定位的方向發(fā)展。