室内定位技术在公共安全领域的研究

施绍鑫

（甘肃省消防救援总队信息通信处，甘肃 兰州 730070）

0 引 言

近年来，自然灾害、事故灾难以及社会安全等突发事件发生的频率很高，且此类事件很难提前预判。发生上述事件时，需要进行紧急状态下的救援工作，此时如果可以相对准确地定位室内待解救人员的位置信息，将会大大提高指挥决策的精准性，提高应急救援的工作效率。通过宽窄带融合网络，不仅可以为现场提供畅通的语音和视频通信链路，还可以传送定位信息。因此，室内定位技术在公共安全领域的应用具有重大价值和应用意义。

1 室内定位技术对比分析

基于位置的服务（Location Based Service，LBS）致力于向客户提供人们位置信息的定制服务。在室外，全球定位系统（Global Positioning System，GPS）应用范围广且定位精度高，可基本满足人们对定位的需求[1]。在室内，由于建筑物钢筋水泥的阻隔及室内其他较为复杂状况的影响，接收的GPS信号经常很微弱。目前，室内定位领域主要应用的技术有蓝牙、Wi-Fi、RFID以及UWB等，可为用户提供不同精度的定位服务。以下简要阐述目前几个主流的室内定位技术方案。

1.1 视觉定位

利用智能机器人可探测某些人类无法达到的领域，代替人类完成一些危险任务。这需要机器人具备根据当前环境自动规划路线的能力，因此视觉定位技术应运而生。视觉定位技术在系统工作前，利用摄像机对现场环境进行图片采集。机器人通过内置的视觉传感器获取现场场景特征（颜色、纹理等），并与预备工作中采集的图片信息进行近似度对比实现定位。视觉定位技术对环境依赖性低，但机器人在视觉导航过程中需要连续不断地定位，算法复杂且功耗高，所以不适宜民用[2]。

1.2 Wi-Fi

Wi-Fi技术是基于IEEE802.11标准应用于局域网通信的无线技术，现已普及应用。Wi-Fi网络的普及，使得室内定位大大降低了定位系统的部署难度和建设成本。定位系统安装便捷，信号覆盖范围大，且无需部署额外设备。Wi-Fi定位的总精度相对较高，但在室内只能做到2 m左右的精准定位。

1.3 RFID

射频识别（RFID）是阅读器和标签间进行非直接接触式的数据层面的通信，以达到识别目标的目的，应用非常广泛。RFID技术作用距离短，但可以在几毫秒内得到厘米级的定位精度信息，标识体积小，成本低，且传输范围很大，但抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统中，且用户的安全隐私保障和国际标准化不够完善。现阶段，射频识别室内定位被广泛应用于仓库、工厂以及商场等对货物和商品流转的定位。

1.4 超宽带

超宽带（Ultra WideBand，UWB）是一种较为新兴的通信技术，直接调制具有显著上升和下降时间的冲激脉冲，使信号具有较大量级的带宽。超宽带技术理论上可实现厘米级的定位精度，穿透力强且精度高，但投入成本较高，导致很难大面积普及推广。

1.5 惯性导航

惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）通过陀螺仪和加速度计采集运动物体的速度、加速度以及方向等关键数据实现定位，通过航位推算得到物体的位置信息。它的定位精度取决于传感器的质量和传感器安放的位置[3]。惯性导航系统的局限性在于其误差会随着时间不短累积，且高精度的惯性导航系统会增加成本。目前，惯性导航系统广泛应用于武器、舰艇、火箭、飞机以及车辆等领域的导航与跟踪。

1.6 地磁定位

地磁定位利用地磁场特征的特异性获取位置信息。现代建筑物墙体内的金属结构会在室内的不同位置产生不同的磁场强度，根据室内磁场的这种特异性进行室内定位。该技术使用前期需要进行大量的数据采集，不依赖外部设备，成本较低，但对地磁传感器芯片的精度要求较高，且稳定性较差。

1.7 蓝 牙

蓝牙是一种适用于短距离通信的无线技术。其中，iBeacon是一种低耗能蓝牙技术，通过iBeacon发射信号，由iOS设备定位接收并反馈信号，是苹果公司发布的移动设备OS（iOS7）上配备的新功能。该技术稳定性差，易受环境干扰。蓝牙定位技术的优点在于其定位设备体积较小，具有一定的便携性，集成在手持设备中也较为简易，且定位精度也较高。缺点在于该定位技术较易受外界环境的干扰，稳定性一般。

1.8 ZigBee

ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率的无线传感器网络技术，介于射频识别和蓝牙之间。ZigBee定位系统适用于传输范围小、数据传输速率低的电子元器件设备。它在室内布置一些参考节点，通过协调节点前的通信实现定位需求。ZigBee最大的特点是低功耗和低成本，但其稳定性较差，受环境影响较大。

以上几种室内定位技术的对比分析如表1所示。

表1 室内定位技术对比

2 公共安全领域应用室内定位的需求

除了应急救援工作对室内定位具有迫切需求，日常勤务工作和临时勤务工作对其也有一定的需求。不同的工作内容和工作性质，对室内定位系统的精度、容量以及部署方式等的要求也不相同[4]。通过介绍不同性质的工作内容和工作场景的特点，分析不同工作环境下对室内定位的需求，可为将来室内定位系统提供参考。

2.1 应急救援工作

在一些突发事件的应急救援工作中，获取被救援人员的位置信息十分重要。一方面，可根据现场的具体情况进行临时、动态的人员部署分配，另一方面实时掌握人员的位置信息，一定程度上保障工作人员的人身安全。此类场景的现场安装施工条件一般较为恶劣，现场环境多样且不可预知。因此，要考虑定位系统的坚固性和安装的灵活性，且可不依赖外部条件独立运行。定位系统具有一定的临时性，以满足系统实际需求。

2.2 室内日常勤务工作

在大型火车站、机场以及地铁等交通枢纽，人员流动性大且人员密集，属于事故高发区域。这样的环境一般会部署大量勤务人员及专家维持现场秩序，保障工作的顺利进行。通过获取勤务人员的位置信息，可方便上级指挥根据现场情况进行临时的指挥调度，同时为勤务人员的出勤考核提供了数据支持[5]。此类场景勤务人员的部署量较大，对定位系统容量的要求较高，同时考虑到勤务人员工作流动性较大，要求携带的定位设备既要便携又要具有较高的定位精度。这类人员需长期使用定位系统，故应配置外接电源设备进行供电。

2.3 临时性勤务工作

临时性勤务工作是指演唱会、体育赛事以及群众性集会等大型室内的勤务工作，现场空间有限，人员密度较大。发生突发状况时，很可能由于人员疏散不利而造成二次事故。因此，需要大量人力维持现场秩序，通过定位勤务人员实时掌握现场人力分布状况，从而迅速有效控制现场的意外情况。

临时性勤务工作的任务地点一般是事先通知的，具有一定的时间部署定位系统，但安装架设具有不确定性。由于任务工作的临时性，需要定位系统能快速部署，不依赖基础设施实现定位。系统需具有快速开展、快速收装的特点，实现活动前的快速开展和活动后的快速撤离[6]。对定位精度要求不高时，可采用电池供电，满足活动需求即可。

3 发展方向展望

基于以上研究对室内定位在公共安全领域中的应用提出如下展望。

3.1 高精度、低成本、低功耗

复杂的室内环境对室内定位精度的要求更高，然而高精度往往意味着高成本，因此实现高精度的同时可能会需要额外的硬件设备和大量的人为工作，很大程度上限制了定位技术的推广和普及。功耗较低的定位技术在公共安全领域中的某些方面是十分重要的。

3.2 专网化

公网主要以盈利为目的，基站多架设在人员密集区域，因室内物体遮挡等，使得室内和多层地下场景中的公网信号覆盖很弱，甚至无法接收到公网信号。此外，在发生火灾和地震等自然灾害时会导致公网网络基础设施瘫痪，无法建立通信链路。相反，专网具有高度的可靠性，网络具有专用属性，在发生紧急事件时能保证网络畅通并实现紧急信息的传送[7]。专网中现有的专网无线自组网设备保证了专网不依赖于基础设施便可提供稳定、可靠的通信链路，这些相比于公网的独有优势，使得在公共安全领域利用专网进行室内定位成为必然趋势。

3.3 快速部署，迅速定位

在预先安装定位系统的建筑物中进行应急工作，相对来说较容易开展。但是，现今定位技术还未广泛普及，仍有大量楼宇内未安装定位系统。在这样的情况下若发生自然灾害、事故灾难以及社会安全等紧急情况时，需要能快速在现场部署定位系统，且能在地图资源较少的情况下实现定位。这对定位技术要求更高，但对应急情况下的救援工作具有十分重要的意义。

4 结 论

对比分析当下主流定位技术，按照不同工作性质将公共安全领域的工作分为应急救援工作、室内日常勤务工作以及临时性勤务工作3大部分，并详细分析不同性质工作对定位技术的精度、系统容量以及部署等方面的要求，为不同场景下定位技术的应用提供参考。最后，针对定位技术在公共安全领域中的应用，提出了其应朝着高精度、低成本、低功耗以及专网化方向发展；针对公共安全领域中的应急救援工作，提出应急场景下的室内定位技术应朝着快速部署和迅速定位的方向发展。