消防单兵定位系统的现状研究.docx

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1、消防单兵定位麴婀!状研究摘要：文章选择消防单兵定位系统这一装备作为研究对象，简单介绍了几种现存技术的实现路径，并结合火场救援的实际情况，对不同技术在实际救援场景中的限制条件进行了分析讨论。最后，通过对最新技术动向的调研，对未来技术方案进行了展望。关键词：单兵装备;定位系统;人员安全随着我国城市化水平不断提升，高层和高密度建筑日益增加。为适应新社会的发展需求，打造面向高层复杂建筑物火灾的现代化救援指挥体系，是当前消防界所面临的重要议题。针对灾情环境的复杂性和差异性，具体的救援指挥方案需要依托火灾现场的实时反馈信息进行制定，而传统技术无法在无电、高温、烟雾和多遮挡墙体的现代化高层火灾救援环境中，完

2、成对消防人员的实时位置捕获、行为姿态监控和生命特征判断等工作。迫于需求，目前有几类基于不同技术路径的消防单兵定位系统被各消防单位陆续使用。一、当前消防救援的人员定位技术（一）基于无线通信信号（WIFI、蓝牙）的室内定位传统GPS技术由于信号的散射、衰减、多径传播等效应，使得信号无法穿越墙体，因此在高层建筑内部GPS可靠信号的维持时间仅为4.5%。在物联网时代背景下，为实现对消防人员的实时定位，基于WIFI、蓝牙等无线电信号的室内定位技术被提出。这类技术的定位过程分为离线和在线两个工作阶段，离线阶段系统主要是构建参考点的数据采样库，而在线阶段则根据测量信号的强弱，实现测量物体相对距离的解算1。当

3、前，WIFl和蓝牙技术高度普及，所以这类技术具有较大的成本优势，但为保证其测量精度，要求较高的无线信号覆盖率,通常能够达到的定位精度为3IOm。因此利用这类技术只能大概估计工作人员所处的救援区域，而面对火场浓烟所造成的可视性较差环境，该技术无法为救援指挥平台提供可靠的消防人员位置和姿态信息。（二）基于射频识别（RFlD）的室内定位射频识别室内定位技术的工作原理与无线通信定位技术基本相同，区别在于该技术采用射频天线进行无线信号的传输和采集。由于射频天线的接发信号可以调制为低频、高频、超高频和微波频这四种频率状态，因此该技术在对消防员进行初始位置标记时能够使用多种频率特征信号组合，这种技术特性利于

4、在复杂建筑的火灾环境中完成对多班组救援人员进行同时位置捕获、姿态监控和生命特征判断等任务,且测量数据通常能够精确到Im左右，而且不易受环境信号干扰2。但是，由于计算机需要分频处理无线电频率信号，所以这种混频处理的方式会为测量系统带来信号数据传输和处理速度降低的负面影响，这将造成人员位置、姿态和生命特征信息在救援指挥平台的延迟显示。因此，当遇到火场环境突变的危急时刻，该技术缺陷将影响救援指挥决策的实时性。（三）基于超宽带（UWB）的室内定位1989年，美国防部率先提出使用了超宽带（UWB）定位技术，该技术由脉冲通信技术发展而来，其工作原理是利用纳秒至微微秒级的非正弦波的窄脉冲无线电波以低功率的形

5、式对数据进行传输，因此具有超宽带的信息感知和测量特性。其传输速率可达到几十至几百兆每秒，且由于采用窄脉冲的发射形式，接收器能够有效分离多路径信号的各自分量，定位精度可达到分米级，是当前测量精度最高的室内定位技术3。但该技术在高层复杂建筑的消防救援中存在着明显的缺陷：第一，易受多路径信号干扰和系统误差的影响，从而造成初始位置的解算困难。第二，工作基站需采用串行处理芯片设计，因此当定位点数目随救援时间而逐步增加时，系统的工作效率明显降低，导致信号的延迟时间变长，因此该技术不适用于长时间救援行动中的消防人员实时性定位和姿态监控任务。（四）基于红外线的室内定位红外线室内定位技术最早被使用于重要机密部门

6、防范可疑人员的侵入行动中，随着该技术的日益成熟，消防界的相关技术人员正尝着将该技术衍生应用于面向高层复杂建筑的救灾灭火训练中。基于该技术的定位机理要求，在训练中消防人员需佩戴一个具有红外线发射功能的电子标签，它以固定周期或被要求的命令时刻向红外接收机发送对应的识别信号，再通过服务器对该信号进行算法处理,从而完成对消防人员位置、姿态和生命特征信息的解算，所能实现的定位精度可以达到Im之内4。但从以上工作流程中，不难发现此技术不适用于火灾现场应急救援的几点限制条件：第一，用于红外线信号接收端口的仪器需要预埋于建筑物内部。第二，预埋信号接收设备和信号处理设备需要固定电源供电。因此该技术较难满足火灾突

7、发的无电供应环境。（五）基于惯性导航的微机电（MEMS）室内定位惯性导航系统是一种自主无源式导航技术，最早用于导弹的航向确定和姿态感知任务，具有极高的定位精度。其工作原理是以牛顿力学定律为基础，利用惯性器件通过测量载体在惯性参考坐标系中的加速度，并将其对时间进行积分，实现在导航定位坐标系中的速度和姿态角度信息的转化5。因此，该技术并不依赖于外部的电、磁、声、光等各种测量信号源，具有极好的抗干扰性能。但针对现有各消防单位人员配置短缺，经费预算紧张的实际情况，该技术所存在的缺点为：第一，惯性系统存在固有零漂特性，因此需要对设备进行定期的校正维护。第二，导航定位数据依赖于传感器的测量性能，因此对传感

8、器的自身工艺精度要求较高，生产成本昂贵。二、未来消防救援的人员定位新技术（一）国家大力推进的相关技术国家科技部制定并颁发了2020年度“重大自然灾害监测预警与防范”的重点科技攻关项目，其中地下空间灾情信息感知与应急通讯装备专项提出了面向遮蔽空间内人员伤亡、基础设施损毁等灾情信息实时获取的需求，并明确了面向以地下遮蔽空间内应急通信、定位、定向、灾情感知等关键技术进行科技突破的任务。该文件所描述的灾情环境不仅符合地下灾情救援，而且其中高遮挡、多坍塌场景也极其吻合高层复杂结构建筑的火灾救援环境。根据文件，未来用于这些救援场景中科技设备的发展方向为：第一，人机信息可交互设备，即机器人（无人机、陆地行径

9、机器车）和人员可穿戴设备之间的信息互通系统。第二，多类型定位、定姿技术相互融合的多路径补偿技术。随着这些技术的快速发展，未来面向高层复杂建筑的火灾救援工作将有望实现全面智能化。（二）军方已经普及但未应用于消防界的相关技术近年来，美国海军陆战队的相关作战装备陆续得以解密，其中一款用于作战人员多作战场环境的综合定位和动作捕获装备备受关注。该装备采用了多类型传感器叠加融合式的设计理念，设备的穿戴位置遍布作战人员的各个运动关节。据悉，该装备的设计结构充分考虑了各类型传感器测量特性和人体关节运动特征之间的融合度问题，所获取的测量数据具有超高的原始精度。不仅如此，该设备还依托于计算机领域的神经网络算法将无

10、线、惯性、超宽带和成像等多传感器的测量数据进行了完美融合性处理。因此通过该装备，可准确的模拟各种复杂建筑环境中作战人员的运动轨迹、姿态、生命等信息，并具有拒止卫星信号、信号返回率高等众多性能优点。（三）科学界研究相关的热点技术美国电气与电子工程师协会（IEEE）和英国物理学会（IOP）近期陆续公布了关于室内定位、定姿的最新全球科研成果。其中对于消防单兵定位系统具有积极性意义的研究报道主要体现为两个方面：第一，多类型定位、定姿技术的融合式系统设计方案。例如利用地磁探测器或高清摄像机与惯性测量元件相固定，从而构建具有多源异构结构的刚性定位组合，并通过设计信息互补融合算法，实现对固有惯性导航系统中的

11、零漂特性抑制。第二，面向现有的消防单兵定位技术,研究新型位置与姿态信息处理的解算方法。根据报道，如利用最小二乘法处理定位系统频域特征信号，可获得更加精确的系统定位精度。随着这些技术的日益成熟，制造工艺相对简单的低成本惯性器件将适用于高精度的室内人员定位系统，同时还可以实维护频率的降低。三、结语随着现代化建设进程的不断加快，消防救援工作所面临的作业环境日渐复杂,意外风险因素明显增加，这使得传统的火场救援指挥体系面临严峻挑战。针对复杂建筑物内部火灾救援场景，消防员的实时位置、行为姿态和生命特征信息是现代化救援指挥方案制定的重要依据，而高精度、便穿戴、工时长、能够进行实时性测量的消防单兵定位技术，将大力推进消防现代化建设。