基于手机定位服务的地震灾情速报和搜救技术探讨

何寿清 ， 王 挺

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室 （筹），广东 广州 510070）

0 引言

历次大地震造成最突出的灾害特征表现在建筑物破坏与倒塌，建筑物倒塌发生后，由于人们一时难以从倒塌的惊吓中恢复过来而造成埋压被困的人员众多，搜救中对于埋压被困人员的定位就成了最大的难题。我国的地震救援队已配备有搜索犬和很多的搜索仪器，包括声波振动生命探测仪、光学生命探测仪、红外生命探测仪等。这些现有的装备虽各有所长，但是对于大面积的搜索定位还是比较困难的。随着我国手机普及率的不断提高，一旦发生大地震时，一方面地震灾情可以通过手机短信方式快速获取，从而达到快速圈定受灾范围和基本的受灾情况；另一方面，建筑物的突然倒塌让被困人员极大可能与手机同时埋压在同一个有限的空间内，由于倒塌的建筑物并不容易直接造成手机破坏而无法接收信号，这就使得基于手机定位技术搜救地震灾区埋压与被困的人员成为可能。

1 地震灾区埋压和被困人员的搜寻方法

破坏性地震发生后，地震救援常用的搜寻与救援方法是立即集结和派出地震紧急救援队，救援队到达灾害现场后，首先通过调查询问和实地勘察等方式，对所有能收集到的相关信息进行综合分析，力求全面掌握以下信息：

（1）严重倒塌建筑物的分布与大小情况。

（2）建筑物内的总人数、受伤人数和死亡人数。

（3）被埋压人员的大致分布状况。

（4）被埋压人员存活的可能性。

（5）倒塌建筑的功能、结构类型、楼层数和破坏程度。

（6）倒塌现场的火情状况和二次坍塌的可能性。

（7)现场施救过程中其他方面潜在的危险性。

救援队掌握有关信息后，在灾害现场组组成搜救小组 （分队）实施现场埋压和被困人员的搜寻与救助。搜救小组（分队）向幸存者和有关人员询问失踪者在倒塌时所处的部位、活动情况及居住的环境等。并对倒塌的瓦砾堆进行全面的斟查和分析，分析其用途、结构、层次、倒塌方式，倒塌后可能存在的险情和人员幸存的安全部位。抢救队员在进入倒塌堆搜寻过程中会注意伤员爬动的痕迹及血迹。同时，充分利用生命探测仪、搜寻犬和采用听、看、敲、喊等方法寻找和确定被困与埋压人员的具体位置。研究表明，震后12小时之内是最佳抢救时间，可以获得最高的救治率，地震灾害发生后的72 h之内是抢救生命的有效时间[1]。对于遭受大地震而严重破坏的城市来说，在这个有限的时间段内，仅靠救援队有限的力量，用地震救援常用的搜寻与救援方法是很难对埋压被困人员进行快速、高效、有序的搜救。最大限度地减轻地震灾害造成的损失，是我国防震减灾工作的重要任务，而如何搜救被压埋人员是地震救援的关键[2]。探索通过移动通讯网络利用手机定位技术快速获得灾情信息和搜索、定位被困埋压人员的具体位置，动员各方面的力量有针对性地开展施救，最大限度上保护人民群众的生命安生，是现阶段我国应急救援亟待研究的一个重要问题。

2 无线移动台定位技术

无线定位技术是利用无线信号来判断某一范围内终端的物理位置的一种方法，通过对接收到的无线电波的某些参数进行测量，根据特定的算法计算出被测物体的位置[3]。要在蜂窝移动通信系统中实现对移动台的定位功能，首先必须选择适当的定位系统类型和相应的定位技术及实施方案。

2.1 定位系统的选择

无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位置收发信机之间传播信号的特征参数来估计目标移动台的几何位置。根据进行定位估计的位置及定位数据用途的不同可将对移动台的定位方案分为两类：基于移动台的定位方案和基于网络的定位方案，与之对应有以下两类定位系统。

2.1.1 基于移动台的定位系统

这类系统也称为移动台自定位系统，在蜂窝网络中也叫做前向链路定位系统。其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息来确定其与各发射机之间的几何位置关系，再根据有关算法对其自身位置进行定位估计，由移动台用户掌握其自身的位置信息，GPS系统即属于这类系统。

2.1.2 基于网络的定位系统

这类系统在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统。其定位过程是由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将从各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，计算出移动台的估计位置。自动车辆定位 (AVL)系统即属这类系统。

从上述两类定位系统的基本特征可以看出，在蜂窝网络中采用基于手机 （移动台）的前向链路定位方案必须对现有手机进行适当修改，如集成GPS接收机或能同时接收多个基站信号进行自定位的处理部件，还必须用适当方式将定位信息传送回蜂窝网络 （目前市面上销售的3G手机基本具备这些功能）。基于网络的反向链路定位方案只需移动服务商开放机站数据即可，不需要对现有手机作任何修改，能充分利用现有各种蜂窝系统的庞大资源，保护用户已有投资，实现相对容易。

2.2 定位方法的确定

在各种无线定位系统中，采用的基本定位技术都是类似的，通常可供选择的基本定位技术根据常用的特征参数有信号强度、到达角度 (AOA)[4]、到达时间 (TOA)[5]和到达时间差(TDOA)[6]，定位的精度取决于提供的参数和定位算法。

2.2.1 场强定位法

这种方法是通过测出接收信号的场强值和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估算出收发信机之间的距离，根据多个距离值即能估计出目标移动台的位置。

2.2.2 基于电波人射角 (AOA)的定位法

该方法是在接收机通过天线阵列测出电波的人射角，从而构成一根从接收机到发射机的径向连线，即测位线，待定位发射机的二维位置坐标可由两根测位线的交点获得。

2.2.3 基于电波传播时间 (TOA或TDOA)的定位法

该方法是通过测出电波从发射机传播到多个接收机的传播时间或时间差来确定目标移动台的位置。对于TOA方法，收发信机之间的距离可通过测出的电波传播时间获得；对于TDOA方法，则是根据多个TDOA数据对应的多条双曲线的交点来估计目标移动台的位置。上述定位法中，场强定位法最简单，但定位精度较差；AOA定位法虽有一定精度，但接收设备较复杂；TOA定位法精度较高，但对时间同步有较高要求；TDOA定位法能消除对时间基准的依赖性，可以降低成本并仍保证一定的定位精度；混合定位法能满足一定的定位精度，但在现有蜂窝系统中采用该法对网络设备的改动较大。故目前受到广泛关注和深人研究的是基于TOA或TDOA的反向链路定位法[7]。

与常用的定位方式相比，手机定位服务具有以下3个特点[8]：

（1）费用低廉。手机定位服务是移动通信的一个亮点，其市场潜力巨大，利用手机来定位不需要添加附属设备，而且服务费用低 （只占用少许网络通信费），容易被广大手机用户接受。

（2）快速得到当前位置。手机定位服务和GPS卫星定位技术一样，具有很强的定位功能。真所谓 “一机在手，走遍天下”，无论走到何处都可以方便地得到位置服务。此外，手机定位服务可以在网络覆盖范围内的任何地方进行定位，克服了GPS不能在被遮挡的地方(如室内、峡谷等地方)定位的缺点。

（3）可以进行信息传递。因为手机本身就具有通话和短信功能，可同指挥中心以及你的朋友随时发送信息，相互联络。传送着定位信息之外的其他信息，这是GPS不容易具备的功能。

3 TOA和TDOA定位技术原理与数学模型[9]

TOA方法的基本原理：基于移动台 （手机）到基站的距离定位，是通过测量移动台信号到达多个基站的传播时间来确定移动台 (MS)的位置。移动台到基站间的距离的测量是通过两者之间唯一的信号传播路径来确定的，这就要求MS必须位于以基站为中心的圆上。通过3个基站可以确定MS的唯一位置——MS位置位于以基站为中心的3个圆的交点上，如图1所示。

设移动台坐标为 (x0，y0)，基站i(i=1，2，3)坐标为 (xi，yi)，以基站i为圆心的圆半径为Ri，则:

设移动台发出的信号以直线到达基站i的时间为t，c为电磁波在空中传播的速度，则移动台与基站的距离应该为:

由式（1）和式（2）即可推导出移动台所在位置。TOA定位方式的优点为使用现有蜂窝移动通信网络与移动终端，在市区定位精度较高。其缺点为要求精确的时间同步，要用时间戳区分信号的发射时间 (增加上行链路数据量)，且响应时间较长。

TDOA方法则是通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置。移动台必定位于以两基站为焦点的双曲线上，确定移动台的二维位置坐标需要建立2个以上双曲线方程，也就是说需要至少3个以上的基站接收到移动台信号，3个基站即可确定两对双曲线，两对双曲线的交点就是移动台的位置所在，如图2所示。

设移动台坐标为 (x0，y0)，基站i(i=1，2，3)坐标为(xi，yi)，则有如下关系:

图1 TOA定位技术原理Fig.1 TOA positioning technique Schematic

图2 TDOA定位技术原理Fig.2 TDOA positioning technique Schematic

设移动台发出的信号到达基站的时间为ti， c为电磁波在空中传播的速度，则有:

由式（3）～（6）解方程组可推导出两个解，分别对应图2中两对双曲线的两个交点。这就需要一些先验知识 (如小区半径等)来确定移动台的真实位置。TDOA定位方式的优点为定位精度较高，不要求移动终端与基站之间的精确同步，易于实现，在非理想环境下性能相对优越。缺点是为了保证基站的定时精度，需改造基站设备。

4 手机定位服务的地震灾情速报和灾区埋压被困人员的搜救技术系统

4.1 手机定位服务的地震灾情速报技术

目前全国各省、市、自治区已按照中国地震局颁发的 《地震群测群防工作大纲》建立了灾情速报队伍，通常以各个街道办和乡镇的政府工作人员为主的灾情速报员为地震灾情的快速获取提供了较好的基础。中国地震局12322短信公益服务平台是在工业和信息化部、中国移动鼎力支持下的，为中国地震局、省级地震局及各地市地震局三级地震行政管理和服务机构提供的依托“12322”防震减灾公益号码，面向全国31个省、七万多名地震灾情速报员和志愿者，搭建全国震灾短信速报平台。通过该平台将地震消息与灾区的地震灾情速报人员和地震应急救援志愿者互动，以便迅速汇集灾情，并通过地震业务系统快速处理，迅速圈定地震灾区范围和宏观灾害情况，为地震应急指挥决策提供依据。

地震灾情短信息编辑格式约定：

（1）短信息编辑格式：灾情代码+分隔符+所在村庄或街道全称。

（2）格式说明：① 灾情代码：一、二、三、四；也可为1，2，3，4。② 灾情代码说明，一或1：无震感或震感轻；二或2：震感强，无破坏；三或3：有破坏，无伤亡；四或4： 破坏重， 有伤亡。 ③ 分隔符： 可以为逗号 （，）， 句号 （。）， 顿号 （、）， 分号 （；）。 ④所在村庄或街道全称：村庄全称是指农村地区的村或乡镇名称；街道全称是指城市的街道办事处名称。只回复所在位置的村庄或街道办事处的名称即可，不需写村庄或街道办事处所属县或市的名称。⑤灾情代码，分隔符和所在村庄或街道全称，三个部分的内容都要编写，缺一不可。

（3）示例：如2012-02-16 2∶34在河源市东源县 (北纬23.9°，东经114.5°)发生4.8级地震。①若您所在位置为村庄，则手机编辑短信息为：三，东源村 或3；东源村。②您所在位置为街道办事处，则手机编辑短信息为：三，东源街道或3；东源街道。

地震灾情速报系统是当某地区发生地震，地震等相关部门在震后尽可能短的时间内，通过GSM短信平台与灾区的地震速报员手机取得联系，并通过若干次的短信互动获得地震灾情速报员的地理位置和实际灾情信息[10]，再由计算机绘制出相应的灾情图。一方面能够对该地震的地震类型、震后趋势等尽早做出较为客观的判断，并给出相应的对策建议；另一方面，能够及时地在实施救灾决策之前对该地震所造成的灾害有一个初步的和与实际情况出入不会太大的基本估计，为政府部门实施救灾活动提供可靠的依据[11]。

笔者认为，地震灾情收集是一件面广量大的工作，地震灾情收集处理要快，而在地震灾情短信息编辑格式约定中，格式说明 “（4）所在村庄或街道全称”也就是确定灾情点的地理位置，由速报员临时填写不可取，存在的问题有：①速报员会不会用手机编辑汉字信息？②移动后的速报员对自己临时所处的位置清不清楚？③接收到的 “所在村庄或街道全称”信息难以快速处理和确定其与坐标 （经、纬度）相对应的位置。由于在圈定灾区地理位置时，并不需要太高的定位精度，可以通过利用手机定位技术由移动用户服务商自动附加速报员实时位置的经、纬度坐标以便更好更快地满足地震灾情速报的要求。在广东沿海地区移动机站的密度约250 m，在大中城市里就更加密集，大约100 m左右就有1个移动机站，小于100 m的精度对灾情速报员的定位已经足够。当然，在偏远的山区，可以通过加密移动式机站来满足定位精度，这需要移动商的积极配合。

4.2 手机定位服务的地震灾区搜救系统技术

在地震灾害搜救中，时间就是生命，搜救工作的主要特点体现在一个“快”字。而要做到“快”，首要解决的就是“搜”要快。刘懿[12]等人已经对手机定位技术在地震灾害中定位搜救等应用做过研究，提出了一种基于手机信号定位的地震灾害搜救系统。系统就采用了主动探测手机信号技术和TDOA/AOA混合定位技术，但由于远距离定位误差仍较大，于是系统采用了两次定位来解决远距离一次定位的不准确性，使定位精度和定位速度都得到提高，并取得了巨大的成果。

利用TOA和TDOA定位技术对埋压被困人员的手机进行定位与搜救的关键技术是主动探测手机信号技术。在整个搜救系统中，首先要解决的问题就是如何取得被掩埋手机的信号，以确定手机的位置。根据对手机工作原理的研究发现，只要能接收到手机发射的位置请求更新信号，就能够通过一定的算法处理来定位手机的掩埋位置。手机是一种无线电收发设备，无论是在GSM还是CDMA制式下工作，手机与网络的接续过程都是大致相同的。例如在GSM制式下，手机发射信号有3种情况：呼叫、通话和注册，注册也就是位置更新(Location update)。对于被掩埋的手机来说，只有当它跨越位置区更新时发射位置更新请求信号，才能对手机进行定位。手机要发射这种位置更新请求信号，只能在下面这种情况：当手机从一个位置区 (Location Area)移到另一位置区时，必须进行登记。手机判断进去一个新的位置区的标准就是收到一个更强的广播信道，并且解码同步信道 (SCH)消息显示其存储器中的手机所在位置区识别号 (Location Area Identification，LAI)与接收到的LAI发生了变化，便向基站发射位置更新请求信号进行登记[13]。但是被掩埋的手机是不可能随时移动的，所以就要求手机基站发射的广播信号与之前的广播信号不一样并且更加强烈,诱发被掩埋手机发射位置更新请求信号。通过对手机信号的主动探测，从而对手机掩埋位置定位。

利用手机定位技术可解决目前搜救方式的单一性和不灵活性，特别是用在大面积灾区内的搜索救援，更能体现出定位的快速而准确，为解决大面积地震灾害中掩埋被困人员的快速定位难题等提供了有价值的参考。但手机定位的技术在地震灾害搜救中应用目前还处于尝试阶段，有很多问题需要解决。手机的定位精度和GPS相比，还有一定的距离，也需要在技术的发展中逐步解决。在乡村地区，手机的基站密度较低、信号较差，为定位带来一定的困难。对于地震灾害搜救来说，手机定位技术的应用是一种有益补充。

根据上述手机定位服务在地震搜救与灾情速报系统中的技术特点，笔者提出了基于手机定位服务的地震灾情速报和地震灾区埋压被困人员搜救技术系统的工作架构，如图3。当地震灾情发生时，我们的应急救援人员可以要求本地移动服务商提供某个机站的用户在线量，然后监控所有在线用户移动情况，发现长时间不移动的判断为受困人员。然后把这些信息结合灾情速报数据库、基础数据库以及三网一员数据库，在GIS平台上实现综合处理，为现场搜救提供有效的数据和依据。

图3 地震搜救和灾情速报技术系统工作架构Fig.3 System architecture of earthquake search and rescue and rapid report technique

5 结束语

目前，制约手机定位服务迅速普及的几个问题是个人隐私、服务规模和应用习惯。在日常生活中，如果移动营运商开放了基站定位代码，则手机拥有者的行踪就暴露无遗，有些人认为这是侵犯了个人隐私权，这是制约手机定位的主要原因。也是由于这个原因，造成手机定位服务规模无法进一步扩大，这更加深了用户的应用习惯得不到改善。但随着技术的发展，可以做到对特定人群或特定区域的人群进行定位代码开放，这样手机定位服务就能更好地在地震灾区得到实现。在平时或灾情发生时，灾情速报人员可以利用手机终端实现舆情或灾情信息上报；在受灾的情况下，搜救人员通过移动商提供的服务，可以统计在这片区域有多少台手机一直不移动位置，有多少台手机在移动位置，这样基本能理清受困人员的数量。如果再作进一步的定位，可以确定一直没移动位置的手机在具体的那个位置上，这为救灾抢险提供极大的帮助。

[1]中国赴日地震考察团.日本阪神大地震考察[M].地震出版社，1995.

[2]顾建华.地震灾害现场救援搜索策略与搜索方法有关问题的讨论[J].国际地震动态，2003,（6）：6-12.

[3]EED J， RAPPAPORT T.An overview of the challenges and progress in meeting the E-911 requirement for location service[J].IEEE Communication Magazine， 1998， 36(4)： 30-37.

[4]毛永毅，李明远，张宅军.一种NLOS环境下的TOA／AOA定位算法[J].电子与信息学报，2009，(1)：37-40.

[5]杨天池，金梁，程娟.一种基于TOA定位的CHAN改进算法[J].电子学报，2009(4)：819-822.

[7]HO K C，WU W.An accurate algebraic solution for moving source location using TDOA and FDOA measurements[J].IEEE Trans.Signal Processing， 2004， 52(9)： 2453-2463.

[7]邓平，范平志.蜂窝系统无线定位原理及应用[J].移动通讯，2000， （5）：19-22.

[8]张国生，高博，姚慧敏.手机定位服务与电子地图[J].测绘科学技术学报，2007，24（3）：216-222.

[9]James Caffery Jr，Gordon L.Stuber.Overview of Radio Location in CDMA Cellular Systems[J].IEEE Communications Magazine， 1998， 36(4)： 38-45.

[10]南京市地震局.南京市基于GIS的地震灾情速报系统建设研究报告[R].南京：南京市地震局，2008.

[11]徐敬海，徐徐，刘伟庆.基于GIS／GSM的南京市地震灾情速报系统[J].南京工业大学学报 (自然科学版)， 2009， 31(1)： 101-106.

[12]刘懿，郭勇，郑凯元，等.基于手机信号定位的地震灾害搜救系统研究[J].计算机工程与应用，2008， 44(22)： 219-221.

[13]Gehring H， Bortfeldt A.A parallel genetic algorithm for solving the container loading problem [J].International Transactions in Operational Research， 2002， 9： 497-511.