消防定位

定位技術以及人員的定位是一個科學研究的課題，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在複雜的城市環境，如密集的小區、大樓的內部、機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置信息，特別在災害現場，高層樓宇搶險搜救等行業中都有著重要的應用。但是受定位時間、定位精度以及複雜環境等條件的限制，依靠衛星定位的衛星定位系統無法很好地利用。對於戶外環境，GPS 是一種成熟的無線定位技術，已在很多行業得到了廣泛的應用；但是在人們活動最為頻繁的室內環境中是無法接收到 GPS 信號。為此，人們探索了很多技術方法以滿足無線室內定位的需求。隨著無線通信技術的發展，專家學者提出了許多以電磁波這類無線信號為基礎的定位技術解決方案，例如WiFi、ZigBee、藍牙和超寬頻等，這些技術在擁擠的城市街道、辦公室、家庭、工廠等複雜的環境下得到了廣泛應用。

在 這裡重點提出的是室內定位技術和室內定位系統及其相關技術問題。雖然室內定位是定位技術的一種，和室外的無線定位技術相比有一定的共性，但是室內環境的復 雜性和對定位精度和安全性的特殊要求，使得室內無線定位技術有著不同於普通定位系統的鮮明特點，而且這些特點是戶外定位技術所不具備的。

與 戶外環境相比，室內環境要複雜的多。建築物的布局、內部結構、材料、裝飾裝修情況等都會對室內定位的效果產生影響。除去純技術方面的考慮，許多人為的限制 因素，如安全性，個人隱私的考慮等，也對室內定位技術體系有很大的影響。從不同的應用和需求出發，人們提出了很多種不同的可用於室內定位的技術方法，如利 用紅外，超聲波，無線電波的傳播模型等推算位置。這些方法一般都有很強的應用背景，適用的定位服務對象也不盡相同。我們對目前的一些室內定位技術和定位服 務需求進行了考察，總結出以下幾個重要的特點。

1、定位系統坐標系的配置和位置信息的表達方法：

坐標系的建立是室內定位的前提。GPS 通過全球經緯坐標系統定位，可以給出某一點精確的經緯度。一般說來，室內定位系統是針對某一建築物建立獨立的坐標體系，並以此為定位依據。當然，我們也完全可以通過若干控制點的測量，換算建築物獨立坐標和全球坐標系統，以實現室內室外坐標系的整合。

在計算目標坐標位置時，一些定位系統建立固定的坐標系統，有固定的參照點；而另一些系統則不依賴固定的參照點定位，或者雖然通過和參照點的相對位置表達信息，但參照點的位置卻是動態變化的，每一個被定位對象的坐標都用它和其他物體的相對位置決定。也就是說系統並不真正建立一個坐標系統，而只是在需要的時候才進行換算。在室內環境中，人們往往不需要或者不關心定位對象的絕對坐標位置，人們更希望系統能夠提供諸如“消防員救助人員在一樓大廳，需要救護的人員在 20層樓936房間”，這樣的定位信息實際上是一種地址信息。地址信息是一種模糊的信息，並不能直接顯示在地圖上。

地理信息系統（GIS）中為了解決這個問題，提出了地址編碼（Geocoding）技術，用來匹配地址信息和地圖位置。由於在室內定位系統中，人們普遍關注地址信息，因此地址編碼在室內定位系統中將發揮重要的作用。

2、位置信息通信和室內位置信息計算的安全性：

人或物體在室內的位置是敏感的。除非在特定的環境下，人們並不希望把自己的位置信息透露給不相干的人，這就出現了位置信息的安全性問題。這個問題包括兩個方面：一是位置信息的計算方式，二是位置信息傳輸的安全性。

目前主要的位置計算方式是由計算機中心伺服器集中處理所有被定位者的信息，並按照一定的方式向相關人員廣播。一般認為本地計算是更安全的方式，系統應至少能夠允許進行本地計算。

3、室內定位的精度：

不 同的應用對定位精度有著不同的要求。室內環境本身比較小，一般說來要求定位精度比較高，這樣才能夠滿足應用需要。但是室內定位需要回答的往往是這樣的問 題：“需要救護的受傷者在哪個房間”？而被定位者在房間中的位置我們大部分情況下並不關心，因此實際上只要能夠達到定位到房間就可以滿足實際需要了。定位 精度可以通過改進設備來不斷提高，但是我們需要在精度和經濟效益之間作出權衡。

4、定位跟蹤和方向判別：

方向判別是定位系統中常見的問題。行進方向是很重要的信息，如 GPS 車輛導航中對車輛行進方向的判別。室內定位系統除了要求能夠跟蹤運動物體，判斷行進方向外，我們往往還要求能夠判斷靜止物體的朝向，例如人員的面向位置。靜止時物體朝向是室內定位中所特有的一個問題，也是一個很重要的問題。這個功能在關於RADAR 室內定位系統中有所涉及。RADAR 系統的定位是使用無線網路的基礎設施，通過對無線網卡和無線接入器(Access Point)所收到的信號強度，信噪比等參數來推算移動目標的位置。

5、自動識別能力：

定位系統要求具備一定的自動識別能力。這種識別能力一般可以通過把身份識別系統和室內定位系統集成起來，如胸卡識別和條形碼識別。我們還可以把成像系統或語音系統和定位系統結合，這樣就可以具備更複雜的識別能力。

6、系統穩定性：

無 線室內定位最關鍵之一是必須達到一定的穩定性，對於室內環境的變化能夠有一定的自我調節或適應能力。由於室內環境的格局，物品的擺放，裝飾裝修都有可能頻 繁變化，這要求定位技術必須具備一定抵抗環境變化干擾的能力。如房屋的格局如果發生了有限的變動，或用於定位的設備部分發生故障，我們希望系統仍然能夠繼 續正常工作，或能夠通過人工或自適應的方式進行調節，保證定位系統的可用性。從目前的技術來看，室內定位系統的抗環境干擾能力，穩定性都存在一定的問題，這是無線室內定位技術需要著重研究解決的一個問題。

一般的，我們可以把定位系統的組成部分為兩類：移動單元和固定單元。固定單元是定位系統的基礎設施，相當於移動通信中的基站，它的位置是不能輕易變動的；移動單元是被定位的人或物所攜帶的設備，通常是輕便的信號發射或接收裝置。移動單元通過和固定單元通信來確定它相對於固定單元的位置，從而得到它在真實世界中的坐標。設備的移動端和固定端都有可能接收或發射信號，這取決於定位系統的工作模式。一般的，定位系統有下列幾種工作模式：

1）採用單一的移動發射設備，多個設備在不同位置同步接收：

信號從一個佩戴的移動單元發射，並由多個位置通過物理網路連接且時間一致的信號接收設備來接收。這種工作模式可以很容易的獲得信號到達各站點的時間差，從而根據數學模型求解出移動端的坐標。

2）採用同一時間多個設備同步發射，使用單一的移動設備接收：

信號由多個已知位置的時間同步裝置發射，由佩戴的移動端接收，並根據信號計算自己的位置。這種工作模式移動端可自主進行定位計算和位置信息公布。

3）採用兩種或兩種以上的信號同步發射，使用單一的移動設備接收：

兩種或兩種以上的信號從一個已知位置的發射單元同時發出，移動設備具備同時接收這幾種信號的能力，並根據接收到的幾種信號的時間差和速度來確定位置。

一般來講，無論使用以上何種定位接收、發射方法，定位系統對位置的計算一般都要先獲得和位置相關的變數，然後再利用數學物理模型來求算位置坐標。常用的位置相關變數主要與信號傳播時間，接收信號強度，信號抵達時間差，位置計算方法有關。

無線定位技術主要有以下幾種：

1）紅外線定位技術

2）超聲波定位技術

3）藍牙定位技術

4）射頻識別技術

5）超寬頻定位技術

6）WIFI網路定位

7）ZigBee技術

1、紅外線室內定位技術：

紅外線室內定位技術定位的原理是，通過紅外線IR LED標識來發射調製能量在電磁波頻譜範圍內，波長大於700nm，比可見光略長，但是又比無線電波波長短的射線紅外射線，通過安裝在室內的光學感測器接收進行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內定位精度，但是由於光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使其室內定位的效果很差。當標識放在口袋裡或者有牆壁及其他遮擋時就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，造價較高。因此，紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內的燈光干擾，在精確定位上有局限性。

2、超聲波定位技術：

超聲波測距主要採用反射式測距法，是通過三角定位等演演算法確定物體的位置，即發射超聲波並接收由被測物產生的回波，根據回波與發射波的時間差計算出待測距離，有的則採用單向測距法。超聲波定位系統可由若干個應答器和一個主測距器 組成，主測距器放置在被測物體上，在微機指令信號的作用下向位置固定的應答器發射同頻率的無線電信號，應答器在收到無線電信號后同時向主測距器發射超聲波 信號，得到主測距器與各個應答器之間的距離。當同時有3個或3個以上不在同一直線上的應答器做出回應時，可以根據相關計算確定出被測物體所在的二維坐標系下的位置。

超聲波定位整體定位精度較高，結構簡單，但超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大，同時需要大量的底層硬體設施投資，成本太高。

3、藍牙技術：

藍牙技術通過測量信號強度進行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內安裝適當的藍牙區域網接入點，把網路配置成基於多用戶的基礎網路連接模式，並保證藍牙區域網接入點始終是這個微微網(piconet)的主設備，就可以獲得用戶的位置信息。藍牙技術主要應用於小範圍定位，例如單層大廳或倉庫。

藍牙室內定位技術最大的優點是設備體積小、易於集成在 PDA、PC以及手機中，因此很容易推廣普及。理論上，對於持有集成了藍牙功能移動終端設備的用戶，只要設備的藍牙功能開啟，藍牙室內定位系統就能夠對其進行位置判斷。採用該技術作室內短距離定位時容易發現設備且信號傳輸不受視距的影響。其不足在於藍牙器件和設備的價格比較昂貴，而且對於複雜的空間環境，藍牙系統的穩定性稍差，受雜訊信號干擾大。

4、射頻識別技術：

射頻識別技術，是利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數據以達到識別和定位的目的。這 種技術作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內得到厘米級定位精度的信息，且傳輸範圍很大，成本較低。同時由於其非接觸和非視距等優點，可望成 為優選的室內定位技術。目前，射頻識別研究的熱點和難點在於理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。優點是標識的體積比較小，造價比較 低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便於整合到其他系統之中。

5、超寬頻技術：

超寬頻技術是一種全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈衝來傳輸數據定位的。該納秒或納秒級以下的極窄脈衝具有GHz量級的帶寬(GHz千兆赫茲的簡寫，是超高頻(UHF)和微波信號的頻率指示單位)。超寬頻可用於室內精確定位，例如戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。

超寬頻系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統複雜度低、能提供精確定位精度等優點。因此，超寬頻技術可以應用於室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。

6、Wi-Fi技術：

“Wi-Fi”是（Wireless Fidelity ）無限區域網的縮寫。 Wi-Fi定位是通過移動設備和三個無線網路接入點的無線信號交流，來對移動設備所處的位置進行定位的。它遵循的是 802.11x系列標準，都採用基於802.11a/b/g等標準的硬體，能提供較高速的寬頻接入，是一種全新的信息獲取平台，可以在廣泛的應用領域內實現複雜的大範圍定位、監測和追蹤任務，而網路節點自身定位是大多數應用的基礎和前提。

目前Wi-Fi技術在快速定位，特別是第一次快速定位的實時性能，具有很好的優越性，同時Wi-Fi技術支持室內定位，符合城市的應用環境，易於安裝，需要很少基站，能採用相同的底層無線網路結構，系統總精度高。但是，如果定位的測算僅僅依賴於哪個Wi-Fi的接入點最近，而不是依賴於合成的信號強度圖，那麼用於樓層定位就很容易出錯。目前，它應用於小範圍的室內定位，成本較低。但無論是用於室內還是室外定位，Wi-Fi收發器都只能覆蓋半徑90米以內的區域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。

7、ZigBee技術：

ZigBee技術是一種新興的便宜的、短距離、低速率、低功耗的近距離無線組網通訊技術。它介於射頻識別和藍牙之間，可以用於室內定位。用於近距離無線連接。它有自己的協議標準，在數千個微小的感測器之間相互協調實現通信。

Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網路平台，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個Zigbee網路數傳模塊類似移動網路的一個基站，在整個網路範圍內，它們之間可以進行相互通信；

每個Zigbee網路節點間的距離可以到擴展后的幾百米，甚至幾公里；每個網路節點可以可支持多到31個的感測器和受控設備，每一個感測器和受控設備終可以有8種不同的介面方式。可以採集和傳輸數字量和模擬量。這些感測器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個感測器傳到另一個感測器，所以它們的通信效率非常高。另外整個Zigbee網路還可以與現有的其它的各種網路連接。例如，你可以通過網際網路在北京監控雲南某地的一個Zigbee控制網路。ZigBee最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。

消 防員室內定位技術的研究是保障消防員進出火場的安全，確定消防員在火場中的位置，保證對火場中遇險消防員的有效施救，保證指揮員與火場中消防員的有效的運 動監視和語音通訊是消防滅火救援工作中亟待解決的問題。目前，國內和國外對消防員室內定位技術的研究，都各有不相同之處。現對國外和國內的消防員室內定位 技術作一個分析和了解，並就發展方向做一個論述：

1）法國研究人員為了減少消防員在火場承擔的風險，一套能在充滿煙霧的房間內對人進行精確定位的“掌上跟蹤定位裝置”已研製成功，從而使消防隊員所面臨的危險大大減少。該裝置是基於歐洲和中國合作研究的伽利略衛星定位導航 系統開發研製的，具有地理位置功能的室內和室外定位系統，並且可以存儲利用當地的消防信息。通過掌上定位裝置傳回的信息，如果發現一個消防員不動出現問 題，控制中心的人員通過顯示屏可及時準確的通知其他消防員走那條路能最快到達消防現場。另外控制中心人員可通過掌上裝置，準確的跟蹤每個消防員的行蹤，並 指揮他們通過濃煙瀰漫的建築物去救受傷的同事。

伽利略衛星導航系統是1999年由歐洲提出的伽利略計劃，是一個獨立的民用的全球衛星導航系統。該系統2008年投入使用，總共發射30顆衛星，其中27顆衛星為工作衛星，3顆為候補衛星。衛星高度為24126公里，位於3個傾角為56度的軌道平面內。該系統除了30顆中高度圓軌道衛星外，還有2個地面控制中心，可為歐盟成員國和中國的公路、鐵路、空中和海洋運輸甚至徒步旅行者有保障地提供精度為1米的定位導航服務，從而也將打破美國獨霸全球衛星導航系統的格局，與美國的GPS衛星導航系統相比具有更加的精確性。

法國科研人員正是利用伽利略導航衛星定位準確的優勢和超寬頻無線電信號，能夠指揮救援人員深入建築物內部實施救援計劃。傳統的全球定位裝置在室內不起作用，因為它們的信號太弱，該系統實際上是一套室內衛星導航系統，它依靠的是一種被稱為超寬頻的無線電信號，利用無線電脈衝 來確定建築物內消防隊員彼此間的距離以及與外面消防車之間的距離。

2）日本消防廳正在開發一種“地下定位系統”，以便消防隊員在地鐵，地下商店等地下空間發生災害時，能夠安全地進行搶險救災活動。日本國土狹小，人口眾多，因此二戰 后東京、大販、橫濱等 大城市都積極修築地下鐵道、地下商店街及其它地下建築；因此地下空間的滅火等搶險救災活動成為重要的課題。目前，消防隊員在地下空間進行滅火等救災活動 時；是利用在身上繫繩索等方式與地面保持聯繫。據報道，日本消防廳開發的新系統能夠準確地把在地下空間進行消防作業的消防人員的配置等顯示在熒屏上，並就消防人員的脈搏、血壓及現場的氧氣濃度等數據發 出信息，以保證他們的人身安全和安全作業。日本開發消防員地下作業定位系統具有位置和信息定位。

1）北京龍旗瑞譜科技有限公司研發了一種專門針對應急救援部門的消防人員三維定位系統。系統在無線通訊、位置精度、展現方式三方面實現了技術創新和突破，實現了現場應急救援全過程的“三維定位可視化”，且定位準確靈敏，便於指揮協調，從而實現了由傳統“經驗式黑箱救援”向“定位導航式救援”的根本性轉變。。

北京龍旗瑞譜科技有限公司的消防人員三維定位系統包括一套先進完整的可視化軟體包，能現場快速形成建築樓宇三維結構模型。只需輕輕點擊一下建築物周邊，輸入樓層數，該產品就可為用戶創建出建築物的3D 線框形象。當人員小組進入實際建築物內部時，會以圖像的形式將人員們的位置顯示出來，以動態的形式將他們所處的地點呈現在虛擬的3D建築物內。這就保證了命令的精確性，方便了現場操作和實時控制的實施。

該產品無論是在室內還是在戶外，人員攜帶該定位系統都能在數秒鐘之內產生高準確性地理位置的數據，不受是否有無 GPS 環 境的影響。通過採用本公司的二維和三維軟體，世界上任何一座大樓的線框圖即可在數秒鐘內生成，而無需提前了解有關那座大樓的信息。這使指揮者能夠隨時通過 主機精確確定他們的人員所在的地理位置。對於消防員、武裝警察、軍事人員和其他先遣急救人員來說，這是一項可以挽救生命的新技術。”

它無需任何額外的基礎設施或網路，以無線方式實時輸出人員的行走距離與方向信息，可以實現在各種複雜環境中人員的準確定位，為保證人員的生命安全提供有效的保證。

它基本能實現以下系統功能：

1. 建築三維基本功能：能夠對建築三維實行縮放、平移、旋轉定位功能。

2. 人員三維定位：根據人員定位設備傳輸回來的三維參數在建築三維中實現佩帶人員定位設備的人員定位。

3. 人員軌跡模擬：根據人員定位設備傳輸回來的三維參數在建築三維中實現人員行走軌跡實時動態模擬，每個人行走的軌跡採用一種顏色表現。

4. 人員基本信息展示：能查看人員在樓宇內部分佈，以及人員的基本信息，人員狀態信息。

5. 消防設備信息展示：能查看樓宇內部的消防設備分佈，每個設備的基本信息及狀態信息。

6. 實現人員隊友搜救，安全退出引導，氧氣倒計時，現場毒氣報警。

7. 人員定位視頻聯動：對人員進行定位，聯動該位置周邊視頻。

2）北京普天海弘通信技術發展有限公司、北京長城電子裝備有限責任公司（原海軍6971廠）和北京郵電大學針對上述問題，集中了一批高中級科研人員，通過到北京公安消防總隊、山東公安消防總隊調研，在廣泛徵求總隊有關部門和一線官兵意見的基礎上，歷時三年研製出“消防員遇險定位安全救援指揮系統”。該系統為採用“信標”進行定位的“消防員遇險定位安全救援指揮系統”，是根據消防部隊滅火救援現場通訊工作的需求，滿足消防三級通信網建設的需要，確保一線消防員定位及生命安全和保障現場通信能力為目的而開發的專用定位通訊指揮設備。

本系統採用了無線自組網技術、數字通信技術、語音通信技術、無線跟蹤定位技術、無線編碼ID識別技術等世界多項先進技術手段，重點關注在複雜環境下消防員安全、救生、遇險等數據信息的實時跟蹤和發布，實現了對作戰現場環境及作戰人員生命體征、位置信息、語音信號等多種數據的採集和實時傳輸並建立了無線安全通道，方便了一線消防員在火災救援現場的安全出入及開展搜救工作，最大限度減輕了消防人員的心理壓力和思想負擔。為現場指揮員的決策提供了信息支持，本設備填補了當前消防救援通訊領域的一項空白。系統基站台單台最大容量可配置八台消防員單兵終端組網運行。

該系統較好的解決的人員前進和撤退的問題，但最特出的問題在現場複雜情況下並不是很實用，設計人員對現場的使用過於理想化，存在以下兩個問題：

（1）不適合現場緊急情況下的使用：信標的作用是具有導向功能的，主要靠現場人員一邊走一邊用按下讀寫器預置的“前、后、左、右、上、下”語音拷貝到信標里，用“加、減”來標識信標的編號。如第一個信標：【左上右前、右下左前】，代表上樓是從左邊上去向右拐前走，下樓的時候從右邊下左拐下樓。經過拷貝的信標就放 在樓梯附近通過語音無線發射，消防員隨身攜帶的單兵在5-10m範圍內接收，靠語音的提示上樓或下樓。理想的情況可以實現，不理想的情況下遠離了信標，就什麼也無法接收。而且如果兩個信標放的過近，很容易造成語音接收混亂，難於辨別。

（2）沒有回收再利用的價值：信標沒有方位指示功能。使用時間短，在2小時左右。攜帶不方便，上一個30層的樓就需要扔好幾十個。用一次扔出去就無法回收，而且雜亂的現場也無法找到，所以每次使用一次就要再次採購。或者一次要採購好多，成了消耗材料。

3）上海消防研究所組織工程技術人員研製的“消防員三維追蹤定位裝備”，是以地磁模型為基礎，結合人體運行學、脊柱運動多導探測技術、航位推測技術和無線組網技術研製而成。

該裝置具有運動姿態識別（靜止、步行、跑步、上下樓梯、上下電梯、卧倒、躺倒、左右側躺、跌落等）、三維運動軌跡實時顯示、3D軌跡回放、電源電量顯示和設備高溫異常報警等功能，可用於輔助現場指揮人員確定救援人員的位置信息，使現場人員調度更具科學性。在外界環境惡劣而迷失方向時指引消防員返回；當消防員遭遇危險時，現場指揮人員根據消防員的位置信息，及時有效地組織人員進行營救。

消防員單兵定位裝置是一種追蹤室內外應急救援人員實時方位信息的裝置，用於輔助現場指揮人員確定救援人員的位置和姿態信息，主要包括定位模塊、通信模塊和電腦信息處理模塊。

該 產品在可靠性方面還有不少問題，還需要通過多次試驗，進行硬體設計上的改進更新，軟體設計方面還要一步進行完善，比上一種產品有可取之處，有適用之處，但現場適用的人數有限，數據流量方面還有一些問題，需要從軟體設計上進行改進。目前，只是實驗使用的產品，要真正 符合複雜狀態下的現場使用，還必須加大現有產品的改進力度，不能停留在現在的狀態而被淘汰。

人員定位特別是室內人員三維定位，目前不管從國內和國外還沒有成熟的產品，都在試驗階段和完善階段，現有的產品也存在好多缺陷，定位位置的準確 性，產品的可靠性，時間的精確性，數據傳輸的穩定性這些方面還存在一定的問題，有些產品根本不適用，不能滿足於緊急狀態下的現場需要，概念上還有一定的缺 陷，只是理想狀態下使用的一些概念性的東西。因為火場現場各種複雜情況，聲音嘈雜，火光，煙霧中被困人員由於受高溫、煙氣、斷電等影響，很難感知自已所處 位置，場外指揮人員，也無法摸清火場中人員的行蹤狀態，要真正使指揮人員做出有效的判斷和指揮，必須有一套合符現場使用的高可靠性的指揮監視設備，從而有 效提高滅火效率，有效降低消防人員無法接受疏散而造成傷亡。這是每個產品設計生產商所擔負的，所賦予的不可推遲的義不容辭的重任。