信息可视化技术在消防搜救中的应用研究

摘要：考虑到国内消防搜救的现状和需求以及国外相关产品的先进技术，提出消防搜救可视化技术的设计应用。系统采用“微惯导+蓝牙”融合定位技术，实现室内人员位置探测，同时设计生命体征探测模块，实时监控消防员的心率、呼吸频率、体表温度、血压等身体特征指标，实现信息综合显示。系统以穿戴方式使用，不仅穿戴轻便而且精准的掌握搜救人员的室内定位以及实时身体状况，实现了我国消防搜救现状的功能提升和实用创新，有一定的研究意义。

关键词：消防;定位技术;生命体征;可视化

中图分类号：TN402 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）18-0192-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 背景

遵照《装备建设规划》中消防可视化搜救设备与指挥平台的定义和定位，秉持“首战用我，用我必胜”的自信和勇气，参照国外相关产品的先进设计经验，中航华东光电有限公司致力于消防搜救智能设备研发，目前已有应用于消防搜救的头盔式红外热像仪，见图1，该产品通过了国家消防装备质量监督检验中心认证。本系统设计旨在实现全方位、多维度的保障火灾中救援的消防人员的安全，提出人员定位与生命体征信息可视化技术，保障消防员自身安全的情况下，快速完成救援工作。

2 定位导航模块

本系统采用的是“微惯导定位”与“蓝牙技术”相结合的定位导航模式。不同于其他的定位系统，惯导定位技术可以不依赖无线基站、电子标签、导航卫星等辅助的设备，不需要先验的数据，他是完全自主式的，而蓝牙技术可以布设便捷，两者相结合，可以更加精准、快速地实现定位导航。

2.1“微惯导+蓝牙”融合定位

微惯导系统是一种基于微机电传感器技术的微型惯性导航系统，基本结构为加速度计和陀螺仪以及微处理器，除此以外，气压计、磁力计等MEMS器件也可以根据实际需求进行相应的增加。目前很多的场景定位都是单一使用惯导定位的，没有配合任何辅助定位手段。而纯惯导定位技术，适用于室内的小场景，行走在改场景下，位置和角度的漂移并不是很明显。但是，本系统的应用是火灾搜救现场，特定的环境条件致使纯惯导系统出现两个问题：一是精度问题，虽然在目前业内的纯惯导系统有0.3%的精度相对较高，但是火灾现场场景较大，环境未知，所以，惯导技术自身的固有漂移率导致定位结果产生较大的累积误差，图2给出了对于一个面积约200m*300m的范围，利用纯惯导定位的位置定位效果图.可见定位效果欠佳。

二是纯惯导技术的使用较为复杂，纯惯导系统输出的是相对轨迹，使用时需要所有人的轨迹可以统一在一个坐标的系统中，目前该系统实现的方法是保证所有人员在出发前需要共同经过同一段长直线，最后在应用层将大家的轨迹旋转到一个统一的坐标中，又或者是安置两个相隔10米以上的脚垫，系统需要保证所有人可以依次踩到两个脚垫，最后通过后台的旋转，也可以将所有人统一到一个坐标。但是这两种方法在火灾搜救现场中实施困难较大。

针对上述问题，本系统采用蓝牙技术辅助定位方式。蓝牙技术主要用于室内定位，但是该技术有一定的局限性，比如发射范围比较小、易受环境影响和干扰、定位的精度不高。然而蓝牙技术的优势是设备轻巧、成本较低，在实际应用中，蓝牙布设方便，可以灵活的适应环境，这个优势非常适用于现场环境未知的消防搜救的应用。

所以本系统采用高精度的惯导定位为主，同时蓝牙技术辅助配合的模式，在进行惯导定位的同时，临时布设蓝牙信标。图3给出与图2 -样的约200m*300m范围的定位效果图，该定位采用惯导技术，并辅助布设了3个蓝牙信标（红色标识）。

对比图2与图3的效果，可以看出，采用高精度的微惯导定位模块结合蓝牙信标做的数据融合定位，通过修正算法引擎将两者的数据融合、优化后，可以快速地将所有人的相对轨迹统一到第一个人的坐标系中，定位精度高、速度快。

2.2 定位传感器

定位传感器采用微惯导结构，体积小、功耗低，可固定于定制鞋垫中。

定位导航系统主要包括数据采集模块、数据处理模块以及导航解算模块等三大部分，数据采集模块主要包括惯性传感器和智能主机对数据的采集，惯性传感器数据保存在SD卡中;数据处理模块主要是对所采集的数据中的无效值进行剔除;导航解算模块：1）对于三轴加速度计和三轴陀螺仪信息在数据预处理后进行实时的捷联惯性导航解算，得到人体的姿态、速度、位置等信息;同时利用零速综合判定条件对人体是否处于零速状态进行检测，当检测到足部处于零速区间时，对速度、位置以及航向构建量测信息，通过基于多运动模态辨识的惯性误差组合滤波修正方法对导航结果进行实时修正;2）当WiFi信号接收设备连续地接收到位置指纹库中存储的三个对应AP的信号强度值时，采用KNN算法和位置指纹库的指纹特征信息对当前位置进行定位匹配;3）当采集到的WiFi信号数据无效时，将惯性组合滤波算法结果作为定位导航系统的最终定位结果;当WiFi信号数据有效时，将基于RSSI位置指纹的WiFi指纹匹配位结果与惯性组合滤波解算结果进行比较，如果两者的距离差大于设定阈值，则仍使用惯性组合滤波算法的结果;当两者的距离差小于设定阈值时，则将WiFi指纹匹配定位结果和惯性组合滤波定位结果进行加权平均作为该点最终的定位结果。

3 生命体征探测模块

该模块结合多传感器技术、嵌入式技术以及网络通信技术，用于消防员生命体征的监测，将消防员的生命体征值可视化，确保指挥中心可以第一时间准确地掌握前线消防战士的生命状态。生命体征模块监测内容包括：消防员的心率、呼吸频率、体表温度、血压等身体特征指标，并设定了正常对比值，当出现身体状态出现异常时可以立即报警。

生命体征探测由生命体征传感器、信息处理微控制器和蓝牙传输装置等三部分组成，如图4所示。

生命体征传感器包括：1）皮肤温度传感器;2）心率传感器;3）呼吸率传感器;和4）血压传感器等，用于捕捉生命状态。可实现对消防员的心率、呼吸率、体温、血压等生命体征的采集。

消防员在进入火场救援时，佩戴于腕部，采集的数据通过微处理器进行数据处理后，再通过蓝牙传输模块，将信息上报给消防搜救可视化与指控平台的处理终端。处理终端可将收到的生命体征信息进行处理分析，将数据实时显示在显示终端上，并可回传至指挥控制中心，对异常数据进行报警处理。

消防员生命体征监测系统由生命体征信息采集终端和数据处理终端两部分组成。手环或心率带两种生命体征信息采集终端形式具有佩戴方便、探测准确，其外形示意图如图5所示。

4 结束语

本系统采用MEMS惯导+蓝牙的融合定位技术与生命体征探测系统相结合，结合多种探测传感技术，以穿戴的方式进行模块设计，不仅定位精度高、携带方便，而且还能探测人体姿态，确保及时了解人员健康状况。本系统的应用实现搜救现场可视化、搜救人员安全保障多样化，当消防队员遇到危险时，通过系统报警可以快速得到救助。

参考文献：

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【通联编辑：谢媛媛】

作者简介：朱标（1983-），男，安徽界首人，工程师，硕士，研究方向为增强现实技术、信号与信息处理。