本發(fā)明，即基于相對定位的遇險(xiǎn)消防員搜索方法和設(shè)備屬于消防應(yīng)急救援領(lǐng)域。此外，本發(fā)明也可以用于搜救任何攜帶相對定位設(shè)備的人員或者物體。因此，該方法和系統(tǒng)也可以應(yīng)用到其他遇險(xiǎn)危險(xiǎn)人員搜救的場合，包括軍隊(duì)、公安、戶外運(yùn)動、定向越野、地質(zhì)災(zāi)害救援等等。

背景技術(shù)：

高危行業(yè)的作業(yè)人員安全保障具有涉及行業(yè)廣泛（包括：消防、煤礦、石化等）、人員數(shù)量巨大、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。一旦發(fā)生惡性事件，會帶來巨大的生命、財(cái)產(chǎn)損失，并造成一定的社會影響。因此，危險(xiǎn)作業(yè)人員安全保障技術(shù)和裝備的開發(fā)受到了國家、地方政府、企業(yè)、行業(yè)協(xié)會組織的高度重視。

遇險(xiǎn)消防員搜救，尤其是高層建筑和大型城市綜合體內(nèi)的遇險(xiǎn)消防員搜救，是全世界范圍內(nèi)的難題。隨著現(xiàn)代化和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，如何在開展高效災(zāi)害救援的同時(shí)，保障火災(zāi)現(xiàn)場消防官兵的人身安全，受到了各國政府、相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和消防設(shè)備廠商的廣泛關(guān)注。美國、中國、日本等世界上的主要大國都從政府層面上資助了一些研究機(jī)構(gòu)和公司開展人員搜救技術(shù)和裝備的研發(fā)。這些機(jī)構(gòu)試圖開發(fā)人員實(shí)時(shí)定位跟蹤系統(tǒng)，來解決遇險(xiǎn)消防員搜救的難題。但是實(shí)時(shí)定位跟蹤的解決方案實(shí)用性太差，應(yīng)用到人員搜救上存在兩個(gè)致命的缺陷：(1)需要準(zhǔn)確的現(xiàn)場地圖。目前，國內(nèi)大量的建筑結(jié)構(gòu)圖存檔只有紙質(zhì)版本，實(shí)時(shí)獲取火災(zāi)現(xiàn)場準(zhǔn)確地圖幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的。（2）救援人員無法獲知被困消防員位置，不能主動搜索。即使獲得了現(xiàn)場地圖，由于火場內(nèi)救援人員無法像指揮人員一樣通過可視化軟件獲知其他搜救人員位置，必須依賴救援現(xiàn)場外的指揮人員通過對講機(jī)指定行進(jìn)路線。因此，經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，雖然小規(guī)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)屢見不鮮，但是全世界范圍內(nèi)仍然沒有能夠大規(guī)模應(yīng)用到實(shí)戰(zhàn)的應(yīng)急人員定位產(chǎn)品。

綜上所述，現(xiàn)有的遇險(xiǎn)消防員搜救技術(shù)難以滿足應(yīng)急救援場景復(fù)雜環(huán)境下的需求，實(shí)際應(yīng)用能力差。實(shí)際應(yīng)用需求迫切需要在深入分析遇險(xiǎn)消防員搜救問題的本質(zhì)需求和技術(shù)挑戰(zhàn)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的開發(fā)一種快速搜救技術(shù)和裝備，實(shí)現(xiàn)“有理有據(jù)”的搜救，解決當(dāng)前只能“盲目搜索”困境。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對遇險(xiǎn)消防員快速搜救問題，本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供基于相對定位的遇險(xiǎn)消防員快速搜救方法和設(shè)備，便于有依據(jù)的快速找到消防員在火場中的位置，保證對火場中遇險(xiǎn)消防員的有效施救。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于相對定位的遇險(xiǎn)消防員搜索方法與設(shè)備，其特征在于任意兩臺相對定位設(shè)備之間都可以測量設(shè)備之間的高度差、相對方位和相對距離，任意一臺相對定位設(shè)備都具有按鍵報(bào)警和靜止報(bào)警功能并發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信號，任意一臺相對定位設(shè)備都具備接收其他相對定位報(bào)警信號的功能。每個(gè)進(jìn)入火場的消防員佩戴一個(gè)相對定位設(shè)備。任意一個(gè)通過自身佩戴相對定位設(shè)備收到報(bào)警信號的消防員都可以對佩戴產(chǎn)生報(bào)警信號相對定位設(shè)備的消防員進(jìn)行搜救。搜救過程中，救援人員所佩戴的相對定位設(shè)備與遇險(xiǎn)消防員佩戴的相對定位設(shè)備之間周期性地測量相對高度差、接收信號強(qiáng)度和相對距離。救援人員根據(jù)相對定位設(shè)備測量得到的相對高度差、接收信號強(qiáng)度和相對距離找到遇險(xiǎn)消防員。

作為技術(shù)方案的優(yōu)選，所述的用于接收信號強(qiáng)度和相對距離測量可以通過以具有timeofarrival(toa)測距功能射頻芯片為核心的無線通信模塊實(shí)現(xiàn)。

作為技術(shù)方案的優(yōu)選，所述的報(bào)警信號發(fā)送和接收可以通過以通信頻率較低（例如：433mhz，900mhz，470mhz等）的射頻芯片為核心的無線通信模塊實(shí)現(xiàn)。

作為技術(shù)方案的優(yōu)選，所述的靜止報(bào)警功能可以通過以3軸加速度傳感器為核心的慣性導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1相對位置關(guān)系示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例基于相對定位的遇險(xiǎn)消防員搜索方法示意圖；

圖3為toa測距工作原理；

圖4為相對定位設(shè)備硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為相對定位設(shè)備嵌入式軟件功能結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

（1）基于相對定位的遇險(xiǎn)消防員搜索方法

圖1展示了相對位置關(guān)系示意圖，如圖1中所示，任意兩個(gè)點(diǎn)之間只要知道相對高度差、水平相對方位和水平相對距離，就可以形成一條搜索路徑：先基于高度差信息到達(dá)同一水平面，再基于水平相對方位信息和水平相對距離找到搜索目標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明的提供相對定位設(shè)備具備相對高度差、相對距離和接收信號強(qiáng)度測量的功能，并可基于相對距離和接收信號強(qiáng)度判斷出相對方位，因此可以利用相對定位設(shè)備和相對位置關(guān)系原理實(shí)現(xiàn)遇險(xiǎn)消防員搜索。

圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例提供了實(shí)際應(yīng)用中基于相對定位的遇險(xiǎn)消防員搜索方法示意圖，如圖2中所示，本發(fā)明的遇險(xiǎn)消防員位置搜索可以分為兩個(gè)階段：

跨樓層搜索階段：救援人員收到遇險(xiǎn)報(bào)警后，根據(jù)相對定位設(shè)備顯示的自己與遇險(xiǎn)消防員之間的高度差值到達(dá)遇險(xiǎn)消防員所在樓層，通?？梢哉J(rèn)為高度差1米以下的樓層即為遇險(xiǎn)消防員所在樓層。

同層搜索階段：到達(dá)同層后，救援人員在每個(gè)分支路口將相對定位設(shè)備的定向天線朝向各個(gè)分支方向，觀察測量到的接收信號強(qiáng)度和相對距離值。根據(jù)各個(gè)方向上的信號強(qiáng)度和距離值確定行進(jìn)方向，直到最終找到遇險(xiǎn)消防員。通常信號強(qiáng)度越強(qiáng)、距離越短的方向?yàn)檎_方向，如圖中紅色箭頭方向。

在以上兩個(gè)階段的搜索過程中，利用測高、測向、測距達(dá)到三維快速搜救的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

針對快速搜救過程中，被困消防員的高度位置確定、精確位置搜索（即方向搜索和距離搜索）兩個(gè)關(guān)鍵問題，本發(fā)明有針對性的提出了設(shè)計(jì)和解決方法。

a．高度差測量問題

本發(fā)明采用氣壓測高度差的方法。通過氣壓計(jì)測量氣壓，利用氣壓與高度之間的對應(yīng)關(guān)系，以基準(zhǔn)點(diǎn)氣壓（p0）為標(biāo)準(zhǔn)，測量點(diǎn)（氣壓用p表示）與基準(zhǔn)點(diǎn)的高度差（altitude）可以由下式

計(jì)算得到。常規(guī)應(yīng)用中，可以通過測量不同高度的氣壓而獲得目標(biāo)之間的相對高度。

b．方位測量問題

相對定位設(shè)備持有人可以根據(jù)相對距離和接收信號強(qiáng)度判斷相對方位。通常正確的方向具有接收信號強(qiáng)度最強(qiáng)、距離最短的特征，因此這種根據(jù)接收信號強(qiáng)度和距離兩個(gè)因素的判斷方法比單純依賴一個(gè)因素的方法具有更好的可靠性。

c．距離測量問題

作為優(yōu)選，本發(fā)明采用無線測量基于信號到達(dá)時(shí)間（timeofarrival,toa）的距離測量方法,其工作原理如圖3所示.

nodea和nodeb為進(jìn)行toa測距的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。t1為nodea向nodeb發(fā)送rangingdata的時(shí)刻；t2為nodeb收到rangingdata的時(shí)刻；t3為nodeb向nodea發(fā)送ack的時(shí)刻；t4為nodea收到ack的時(shí)刻。nodea和nodeb通過本地時(shí)鐘分別測量和的時(shí)間長度，計(jì)算出信號在兩個(gè)設(shè)備之間的傳輸時(shí)間。設(shè)備之間的距離計(jì)算公式如下：

（3）相對定位設(shè)備

相對定位設(shè)備硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。設(shè)計(jì)相對定位設(shè)備硬件電路，具有電源管理單元、toa射頻測向測距通信模塊、433mhz或其它低頻通信模塊、慣性傳感器處理單元（包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)等）、氣壓計(jì)測高單元、定向/全向天線、蜂鳴器、爆閃燈等硬件結(jié)構(gòu)，完成相對定位設(shè)備的硬件架構(gòu)，形成基于“toa/慣性傳感器/氣壓計(jì)”相融合的基本框架，其軟件結(jié)構(gòu)和基本工作流程如圖5所示。該設(shè)備主要具有以下功能：

人員姿態(tài)識別功能：能夠?qū)崟r(shí)分析人員的運(yùn)動姿態(tài)，當(dāng)判斷人員處于長時(shí)間靜止不動狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行自動報(bào)警；

高效通訊功能：在附近有人遇困報(bào)警時(shí)，可以配合指揮站根據(jù)同層優(yōu)先和距離優(yōu)先原則，為所有搜救隊(duì)員排序，搜救隊(duì)員根據(jù)自己的排序，自主選擇立即搜救或者待命；

測高、測向、測距功能：設(shè)備不斷的主動向周圍隊(duì)友發(fā)起測距，掌握附近隊(duì)友的數(shù)量及方位、距離，在執(zhí)行搜救任務(wù)時(shí)，可以根據(jù)定向天線信號的強(qiáng)弱及時(shí)判斷被困隊(duì)友所處方位，根據(jù)toa的測距結(jié)果判斷被困隊(duì)友與執(zhí)行搜救人員之間的距離，使得搜救任務(wù)能夠高效、有目的性的執(zhí)行。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。