基于室内定位的智能疏散诱导系统的构建探讨

郭昕曜，冯雨，罗宁宁，杜晓阳，刘亚威

（郑州航空工业管理学院）

1 引言

当前，我国大中型城市高层建筑日益增多，各建筑造型争奇斗艳，室内面积错综复杂，在给人民生活提供便利的同时也为密集人群的安全疏散及消防救援等问题提出了新的挑战。据统计，2019年全年共接报火灾23.3万起，亡1335人，伤837人，其中高层建筑发生火灾6974起，同比上升10.6%[1]。高层建筑内人口密度较大，一旦发生火灾，楼内人员只能通过楼道及就近的安全出口进行疏散和逃生，然而高层建筑多在300m以上，逃生距离过长。此外火灾发生时会产生大量烟气，加之建筑结构内部复杂，消防人员对受困人员进行搜寻时常采用口头呼喊的方式，导致救援效率不高[2]。高层建筑内行人疏散逃生概率与个体的疏散逃生能力与消防人员救援能力息息相关。因此，在完善高层建筑内部消防设施及培养管理人员火灾应对能力的基础上，丰富我国民众个人的疏散技能，提高消防人员救援效率是当前亟待解决的现实问题。

随着信息化技术的全面推广，通过相关设备进行人员信息的实时自主采集及室内监测定位技术的研究得到了消防部队与相关学者的高度关注。当前主要集中为物联网RFID技术[3]、WIFI电测向定位[4]、蓝牙定位及ZigBee等方法[5]，然而上述方法中，对于人员精确位置的估计都存在一定缺陷，与以上室内定位技术相比，超宽带（UWB）作为一种新兴的无线通信技术，在无需正弦载波的前提下，可直接产生纳米级以下的窄脉冲激励天线。因此，文中通过结合UWB室内监测定位技术、互联网技术、智能视频系统，综合考虑大型商场火灾应急救援能力，建立一种智能应急救援系统的框架，为火灾受困人员如何自救提供新的思维方式及方法策略，也为消防救援队伍的高效工作提供全新的理论指导。

2 系统整体框架

本系统包含基于UWB协议无线通讯系统、疏散指示子系统、火灾监测报警子系统、人群密集区域监测子系统等和对距离信息进行处理并定位的软件系统。硬件装置还包含在建筑物内体提前预设的定位基站以及人员随身佩戴的定位标签。如定位基站设置范围覆盖完备，则建筑空间内部人员个体可实现在区域内随意移动。由于需要在三维空间内获取高度信息，定位系统至少需要多个参考节点，1个移动非参考节点。软件系统包括下位机测距和上位机距离处理，系统功能框架如图1所示。

3 系统主要硬件设计

3.1 火灾监测报警子系统

传统的报警系统具有一定的局限性，如相关预警阈值设置不当，常会出现灾情误判的可能。多传感器数据融合技术的火灾报警装置结合了多种微型传感器技术进行信息采集，基于无线通信技术、无线传感器技术、集成芯片等敏感性较高的设备，对火灾发生前产生的相关险兆如温度、烟气、热辐射信号因子进行全面收集、辨别并做出数据分析和相关决策工作，以达到预先判别火灾发生概率的效果。系统通过将不同的传感器在高层建筑空间的妥当预设分布并全面监测火灾态势，实现降低火灾风险的目的。因此，在人员监测定位的智能疏散诱导与救援指示系统中，多传感器数据融合的火灾报警装置可较好的实现对火灾险情发生前的相关预兆进行监测并预警，是本系统的“眼睛”。

3.2 密集人群环境监测与疏散诱导子系统

高层建筑内疏散路径过长且高峰时期人群密集程度较大，一旦发生火灾事故，势必会造成疏散路径或关键节点的人群聚集现象，极易造成踩踏事故的发生。因此，基于信息技术实现密集人群的监测至关重要。基于此，本系统在梳理前针对人群密度监测系统的研究基础上，选择并集成北京市劳动保护科学研究所开发的人群聚集风险监测与预警系统作为本系统的人群监测子系统。该子系统基于图像采集分析技术，识别并分析高清摄像头拍摄的监控视频中密集人群的行人交通参数，通过系统内集成的相关数学模型对人群的集聚风险进行智能评估并预测某“瓶颈”处的人群状态，进而为决策者提供预警准则以及疏散诱导策略。火灾环境下该子系统针对出口、安全通道的监控以及最优疏散路径的计算、人群密集态势评估结果将最终的疏散决策通过UWB智能标签传送给高层建筑内的相关人员与安全管理者，为人群的主动撤离及安全疏散提供最优决策。该子系统可以有效弥补人员密集场所在预测预警、应急决策和社会联动响应等方面的不足，有助于进一步提高公共场所的人群安全管理水平。

3.3 室内人员定位子系统

当前，高层建筑空间不断往多元化发展，空间结构庞大且复杂。因此，为提高救援效率，减少消防人员的搜救时间，对室内人员的精确定位显得至关重要。与室外环境相比，在室内环境中感测位置信息需要非常可观的精准性，UWB超宽带技术与传统通信技术有极大的差异，它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。针对高层建筑而言，UWB的三维定位主要是将平面二维定位于辅助定位相结合的一种定位方式，即每个楼层平面按照二维定位来部署实现，楼层之间采用辅助基站定位实现定位，最终实现立体化的三维定位。

图1 系统功能框架图

4 系统应用前景及结语

该系统通过集成智能消防报警子系统、密集人群监测的环境子系统、室内精确定位子系统结合建筑物空间拓扑结构，通过不同传感器采集数据，进行数据融合和决策输出，可实现根据火灾态势发展结合建筑出口、通道瓶颈、人群密度、人员位置等信息主动地向待疏散人员提供最优路径指示、向救援人员提供被困人员的准确位置信息，使受困人员主动避让火、烟和人群密集区，指引受困人员往其他相对安全的最近疏散出口进行分流疏散，全面提高疏散效率和救援成功率。从管理学角度出发，为我国相关火灾受困人员如何自救提供新的思维方式及方法策略，也为消防救援队伍的高效工作提供全新的理论指导。