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象，簡單介紹了幾種現(xiàn)存技術的實現(xiàn)路徑，并結合火場救援的實際情況，對不同技術在實際救援場景中的限制條件進行了分析討論。最后，通過對最新技術動向的調研，對未來技術方案進行了展望。

關鍵詞：單兵裝備;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。為適應新社會的發(fā)展需求，打造面向高層復雜建筑物火災的現(xiàn)代化救援指揮體系，是當前消防界所面臨的重要議題。針對災情環(huán)境的復雜性和差異性，具體的救援指揮方案需要依托火災現(xiàn)場的實時反饋信息進行制定，而傳統(tǒng)技術無法在無電、高溫、煙霧和多遮擋墻體的現(xiàn)代化高層火災救援環(huán)境中，完成對消防人員的實時位置捕獲、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、當前消防救援的人員定位技術

（一）基于無線通信信號（WIFI、藍牙）的室內定位

傳統(tǒng)GPS技術由于信號的散射、衰減、多徑傳播等效應，使得信號無法穿越墻體，因此在高層建筑內部GPS可靠信號的維持時間僅為4.5%。在物聯(lián)網(wǎng)時代背景下，為實現(xiàn)對消防人員的實時定位，基于WIFI、藍牙等無線電信號的室內定位技術被提出。這類技術的定位過程分為離線和在線兩個工作階段，離線階段系統(tǒng)主要是構建參考點的數(shù)據(jù)采樣庫，而在線階段則根據(jù)測量信號的強弱，實現(xiàn)測量物體相對距離的解算[1]。當前，WIFI和藍牙技術高度普及，所以這類技術具有較大的成本優(yōu)勢，但為保證其測量精度，要求較高的無線信號覆蓋率，通常能夠達到的定位精度為3～10m。因此利用這類技術只能大概估計工作人員所處的救援區(qū)域，而面對火場濃煙所造成的可視性較差環(huán)境，該技術無法為救援指揮平臺提供可靠的消防人員位置和姿態(tài)信息。

（二）基于射頻識別（RFID）的室內定位

射頻識別室內定位技術的工作原理與無線通信定位技術基本相同，區(qū)別在于該技術采用射頻天線進行無線信號的傳輸和采集。由于射頻天線的接發(fā)信號可以調制為低頻、高頻、超高頻和微波頻這四種頻率狀態(tài)，因此該技術在對消防員進行初始位置標記時能夠使用多種頻率特征信號組合，這種技術特性利于在復雜建筑的火災環(huán)境中完成對多班組救援人員進行同時位置捕獲、姿態(tài)監(jiān)控和生命特征判斷等任務，且測量數(shù)據(jù)通常能夠精確到1m左右，而且不易受環(huán)境信號干擾[2]。但是，由于計算機需要分頻處理無線電頻率信號，所以這種混頻處理的方式會為測量系統(tǒng)帶來信號數(shù)據(jù)傳輸和處理速度降低的負面影響，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的延遲顯示。因此，當遇到火場環(huán)境突變的危急時刻，該技術缺陷將影響救援指揮決策的實時性。

（三）基于超寬帶（UWB）的室內定位

1989年，美國國防部率先提出使用了超寬帶（UWB）定位技術，該技術由脈沖通信技術發(fā)展而來，其工作原理是利用納秒至微微秒級的非正弦波的窄脈沖無線電波以低功率的形式對數(shù)據(jù)進行傳輸，因此具有超寬帶的信息感知和測量特性。其傳輸速率可達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的各自分量，定位精度可達到分米級，是當前測量精度最高的室內定位技術[3]。但該技術在高層復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計，因此當定位點數(shù)目隨救援時間而逐步增加時，系統(tǒng)的工作效率明顯降低，導致信號的延遲時間變長，因此該技術不適用于長時間救援行動中的消防人員實時性定位和姿態(tài)監(jiān)控任務。

（四）基于紅外線的室內定位

紅外線室內定位技術最早被使用于重要機密部門防范可疑人員的侵入行動中，隨著該技術的日益成熟，消防界的相關技術人員正嘗著將該技術衍生應用于面向高層復雜建筑的救災滅火訓練中?；谠摷夹g的定位機理要求，在訓練中消防人員需佩戴一個具有紅外線發(fā)射功能的電子標簽，它以固定周期或被要求的命令時刻向紅外接收機發(fā)送對應的識別信號，再通過服務器對該信號進行算法處理，從而完成對消防人員位置、姿態(tài)和生命特征信息的解算，所能實現(xiàn)的定位精度可以達到1m之內[4]。但從以上工作流程中，不難發(fā)現(xiàn)此技術不適用于火災現(xiàn)場應急救援的幾點限制條件：第一，用于紅外線信號接收端口的儀器需要預埋于建筑物內部。第二，預埋信號接收設備和信號處理設備需要固定電源供電。因此該技術較難滿足火災突發(fā)的無電供應環(huán)境。

（五）基于慣性導航的微機電（MEMS）室內定位

慣性導航系統(tǒng)是一種自主無源式導航技術，最早用于導彈的航向確定和姿態(tài)感知任務，具有極高的定位精度。其工作原理是以牛頓力學定律為基礎，利用慣性器件通過測量載體在慣性參考坐標系中的加速度，并將其對時間進行積分，實現(xiàn)在導航定位坐標系中的速度和姿態(tài)角度信息的轉化[5]。因此，該技術并不依賴于外部的電、磁、聲、光等各種測量信號源，具有極好的抗干擾性能。但針對現(xiàn)有各消防單位人員配置短缺，經(jīng)費預算緊張的實際情況，該技術所存在的缺點為：第一，慣性系統(tǒng)存在固有零漂特性，因此需要對設備進行定期的校正維護。第二，導航定位數(shù)據(jù)依賴于傳感器的測量性能，因此對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

（一）國家大力推進的相關技術

國家科技部制定并頒發(fā)了2020年度“重大自然災害監(jiān)測預警與防范”的重點科技攻關項目，其中《地下空間災情信息感知與應急通訊裝備》專項提出了面向遮蔽空間內人員傷亡、基礎設施損毀等災情信息實時獲取的需求，并明確了面向以地下遮蔽空間內應急通信、定位、定向、災情感知等關鍵技術進行科技突破的任務。該文件所描述的災情環(huán)境不僅符合地下災情救援，而且其中高遮擋、多坍塌場景也極其吻合高層復雜結構建筑的火災救援環(huán)境。根據(jù)文件，未來用于這些救援場景中科技設備的發(fā)展方向為：第一，人機信息可交互設備，即機器人（無人機、陸地行徑機器車）和人員可穿戴設備之間的信息互通系統(tǒng)。第二，多類型定位、定姿技術相互融合的多路徑補償技術。隨著這些技術的快速發(fā)展，未來面向高層復雜建筑的火災救援工作將有望實現(xiàn)全面智能化。

（二）軍方已經(jīng)普及但未應用于消防界的相關技術

近年來，美國海軍陸戰(zhàn)隊的相關作戰(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)場環(huán)境的綜合定位和動作捕獲裝備備受關注。該裝備采用了多類型傳感器疊加融合式的設計理念，設備的穿戴位置遍布作戰(zhàn)人員的各個運動關節(jié)。據(jù)悉，該裝備的設計結構充分考慮了各類型傳感器測量特性和人體關節(jié)運動特征之間的融合度問題，所獲取的測量數(shù)據(jù)具有超高的原始精度。不僅如此，該設備還依托于計算機領域的神經(jīng)網(wǎng)絡算法將無線、慣性、超寬帶和成像等多傳感器的測量數(shù)據(jù)進行了完美融合性處理。因此通過該裝備，可準確的模擬各種復雜建筑環(huán)境中作戰(zhàn)人員的運動軌跡、姿態(tài)、生命等信息，并具有拒止衛(wèi)星信號、信號返回率高等眾多性能優(yōu)點。

（三）科學界研究相關的熱點技術

美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）和英國物理學會（IOP）近期陸續(xù)公布了關于室內定位、定姿的最新全球科研成果。其中對于消防單兵定位系統(tǒng)具有積極性意義的研究報道主要體現(xiàn)為兩個方面：第一，多類型定位、定姿技術的融合式系統(tǒng)設計方案。例如利用地磁探測器或高清攝像機與慣性測量元件相固定，從而構建具有多源異構結構的剛性定位組合，并通過設計信息互補融合算法，實現(xiàn)對固有慣性導航系統(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，研究新型位置與姿態(tài)信息處理的解算方法。根據(jù)報道，如利用最小二乘法處理定位系統(tǒng)頻域特征信號，可獲得更加精確的系統(tǒng)定位精度。隨著這些技術的日益成熟，制造工藝相對簡單的低成本慣性器件將適用于高精度的室內人員定位系統(tǒng)，同時還可以實現(xiàn)維護頻率的降低。

三、結語

隨著現(xiàn)代化建設進程的不斷加快，消防救援工作所面臨的作業(yè)環(huán)境日漸復雜，意外風險因素明顯增加，這使得傳統(tǒng)的火場救援指揮體系面臨嚴峻挑戰(zhàn)。針對復雜建筑物內部火災救援場景，消防員的實時位置、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、工時長、能夠進行實時性測量的消防單兵定位技術，將大力推進消防現(xiàn)代化建設。

參考文獻：

[1]李彪，袁國良，朱若琪，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡WIFI輔助IMU室內聯(lián)合定位[J].計算機仿真，2021，38（07）：442-446.

[2]梁笑軒，黃樟欽，邱蘭馨.一種基于二維相控陣天線的RFID定位方法[J].電子學報，2018，46（04）：911-917.

[3]何永平，劉冉，付文鵬，等.非視距環(huán)境下基于UWB的室內動態(tài)目標定位[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（08）：46-49+54.

[4]董偉梁.室內定位技術的比較與問題探討[J].計算機產(chǎn)品與流通，2019（07）：171.

[5]王勝和.基于慣性導航的消防室內定位技術研究[J].西昌學院學報（自然科學版），2019，33（01）：67-69+95.