許自輝，饒肇敏，張心馳，洪向共，王艷慶

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

基于六旋翼無(wú)人機(jī)的踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)

許自輝，饒肇敏，張心馳，洪向共，王艷慶

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

為彌補(bǔ)踩踏事故預(yù)防及救援過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)信息不全、穿越人群困難與信息溝通不暢等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于六旋翼無(wú)人機(jī)的新型踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的功能要求和整體設(shè)計(jì),以及六旋翼無(wú)人機(jī)、圖傳/視頻監(jiān)控、RFID(射頻識(shí)別)和調(diào)頻廣播等主要子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。最后利用研制的踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)開(kāi)展了功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)聚集區(qū)域的高效自主巡邏、事故現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)高清監(jiān)控、空中廣播、警員實(shí)時(shí)調(diào)配及快速現(xiàn)場(chǎng)救援，滿(mǎn)足踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)的功能要求。

踩踏；預(yù)防；救援；六旋翼無(wú)人機(jī)；視頻監(jiān)控；RFID；調(diào)頻廣播

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各地舉辦室外大型群眾性活動(dòng)的數(shù)量越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大，擁擠踩踏事件時(shí)有發(fā)生，并常伴有嚴(yán)重事故后果，例如：2014年12月31日，上海外灘陳毅廣場(chǎng)踩踏事故導(dǎo)致76人傷亡；2015年9月25日，麥加朝圣踩踏事故造成至少2 177人死亡[1]；2017年2月10日安哥拉一球場(chǎng)發(fā)生踩踏事故，致17人死亡，59人受傷[2]。而大多踩踏傷亡主要是由于缺乏專(zhuān)業(yè)的踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)造成的。在事故發(fā)生前，若可通過(guò)踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息，則可降低踩踏事故發(fā)生的概率，甚至避免踩踏事故的發(fā)生；在踩踏發(fā)生后，若能通過(guò)踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看踩踏事故區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面，保障現(xiàn)場(chǎng)各方溝通順暢，穿越人群快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，則可防止踩踏事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，縮短救援響應(yīng)時(shí)間，提升事故救援效率。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)領(lǐng)域研究，例如：Hughes等[3]研究表明人群運(yùn)動(dòng)規(guī)律和從眾心理對(duì)踩踏事件的發(fā)生起重要作用；任常興等[4]研究表明事故預(yù)防和控制重點(diǎn)是建立事故應(yīng)急機(jī)制,加強(qiáng)人群的管理、疏導(dǎo)及信息交流等；張青松等[5]研究了利用人群擁擠踩踏事故風(fēng)險(xiǎn)理論揭示事故成因機(jī)制。以上理論研究表明事故現(xiàn)場(chǎng)人群信息、場(chǎng)地信息和管理信息的獲取及溝通，對(duì)踩踏事故預(yù)防及救援有重要意義。方研[6]研究了國(guó)外踩踏防范經(jīng)驗(yàn)，特別有日本設(shè)立了“DJ警察”，“DJ警察”站在高于人群的指揮車(chē)上，不斷地通過(guò)高音喇叭疏導(dǎo)人群的心理和移動(dòng)；Sun Jingxuan等[7]運(yùn)用固定翼無(wú)人機(jī)(X-UAV Talon)進(jìn)行了目標(biāo)搜尋和救援；Greco等[8]運(yùn)用四旋翼小型無(wú)人機(jī)結(jié)合射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)進(jìn)行了地面標(biāo)簽信息獲取。以上研究為踩踏事故預(yù)防及救援提供了部分或者單一信息獲取及溝通的途徑，但仍不能全面滿(mǎn)足踩踏事故的預(yù)防及救援需求。

針對(duì)現(xiàn)有室外大型群眾性活動(dòng)對(duì)踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)的迫切需求以及目前已有研究的不足之處，筆者設(shè)計(jì)了一種基于六旋翼無(wú)人機(jī)的踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)，在踩踏事故發(fā)生前后，系統(tǒng)可獲取現(xiàn)場(chǎng)的完備信息，使救援人員迅速穿越人群到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息溝通，進(jìn)而大大提高預(yù)防和救援效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

為達(dá)到基于六旋翼無(wú)人機(jī)的踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，系統(tǒng)應(yīng)具備且滿(mǎn)足以下功能和要求：

(1)實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)信息：在踩踏發(fā)生前系統(tǒng)自動(dòng)依航跡對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡邏，將現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面實(shí)時(shí)發(fā)送至地面站，為防范和救援提供條件，并在巡邏的途中識(shí)別已部署的警員信息，將信息發(fā)至地面站，為防范和救援提供人力資源，防范踩踏事件的發(fā)生。

(2)快速穿越人群：事故發(fā)生前后，迅速?gòu)娜巳荷戏娇缭饺巳旱诌_(dá)目的地，縮短警報(bào)和救援時(shí)間，提高預(yù)防及救援效率。

(3)保障現(xiàn)場(chǎng)信息溝通順暢：運(yùn)用調(diào)頻廣播結(jié)合警燈，在事故前示警預(yù)防，在事故后通過(guò)廣播穩(wěn)定群眾心理，引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)群眾疏散，調(diào)配警員協(xié)同救援。

(4)現(xiàn)場(chǎng)信息的可視化：事故發(fā)生前后顯示現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面和警力部署信息，提高預(yù)防和救援系統(tǒng)的易操作性及完整性。

(5)物資運(yùn)送：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有需求的目標(biāo)進(jìn)行物資運(yùn)送，特別是需要急救的人或人群的急救物資運(yùn)送。

1.2 整體設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架。圖1(a)為踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)無(wú)人機(jī)框架，以零度雙子星飛控(ZERO GEMINI)為核心搭建六旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)。運(yùn)用該飛控的自主飛行功能結(jié)合警燈和兩只TAROT650電動(dòng)收放起落架，實(shí)現(xiàn)易發(fā)事故現(xiàn)場(chǎng)自主巡邏、示警、跨越人群迅速抵達(dá)及物資空投；運(yùn)用飛越T-2D云臺(tái)與鷹眼飛螢5S相機(jī)結(jié)合5.8 GHz RC832圖傳，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的畫(huà)面信息采集及傳送；運(yùn)用2.4 GHz RFID讀卡器與數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)警員分布信息采集及傳送；運(yùn)用調(diào)頻收音機(jī)結(jié)合功放電路驅(qū)動(dòng)高音質(zhì)喇叭，接收并播放地面站的調(diào)頻廣播，實(shí)現(xiàn)空中廣播和指揮。

圖1(b)為踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)地面站框架。地面站主要運(yùn)用RFID標(biāo)簽給現(xiàn)場(chǎng)警員佩戴并分區(qū)域部署警力，運(yùn)用Futaba無(wú)人機(jī)遙控器對(duì)六旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，運(yùn)用RC832圖傳接收器結(jié)合顯示屏顯示無(wú)人機(jī)所拍攝的現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面，運(yùn)用RFID數(shù)據(jù)接收器連接電腦顯示警力部署信息，運(yùn)用調(diào)頻100 MHz發(fā)射電臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行廣播,綜上運(yùn)用實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息在地面站可視，保障地面站與現(xiàn)場(chǎng)信息溝通順暢。

圖1 踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

2 主要子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 六旋翼無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)

選用零度GEMINI系列飛控、飛越TAROT 680機(jī)架、U3508電機(jī)、GPS模塊、警燈、兩支電動(dòng)收放起落架(TAROT 650，兩支起落架正面并排反向放置組成簡(jiǎn)易卡鉤)、鋰電池、Futaba T8遙控器等模塊，進(jìn)行搭建和調(diào)試六旋翼無(wú)人機(jī)。

其中，雙子星飛控自帶黑匣子功能，可在PC或手機(jī)地面站軟件上通過(guò)拓展的WiFi模塊，讀取回飛控一定時(shí)間內(nèi)的飛行參數(shù)等信息。高精度的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以及電子羅盤(pán)使雙子星飛控具備自定義航點(diǎn)、自主返航、自動(dòng)生成航線等功能，繼而能夠按照地面站上規(guī)劃好的航線進(jìn)行指點(diǎn)飛行，如圖2無(wú)人機(jī)指點(diǎn)飛行所示，在地圖上描好#1、#2、#3三點(diǎn)，無(wú)人機(jī)進(jìn)行自主按航線飛行?；诖斯δ軣o(wú)人機(jī)可以自主對(duì)事故易發(fā)區(qū)域自行巡邏，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行警燈閃爍，提醒現(xiàn)場(chǎng)群眾防范擁擠和踩踏，若已發(fā)生踩踏亦可結(jié)合電動(dòng)收放起落架進(jìn)行定點(diǎn)救援物資空投。

圖2 無(wú)人機(jī)指點(diǎn)飛行

2.2 RFID子系統(tǒng)

2.2.1硬件設(shè)計(jì)

圖3是2.4 GHz RFID硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。其中讀卡器設(shè)計(jì)框圖主要包含電源及外圍電路模塊、LPC1764微控模塊、HMC274功率放大模塊、nRF24L01射頻模塊、RS232模塊和RS232信號(hào)無(wú)線信號(hào)發(fā)送等模塊。其中LPC1764微控制器模塊主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)和控制nRF24L01射頻芯片對(duì)標(biāo)簽信息的讀取，HMC274功率放大模塊用于保障RFID子系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離識(shí)別能力，RS232串行通信接口用于與上位機(jī)通信，并可結(jié)合由Sp3232、Cc2530、Cc2591等芯片構(gòu)成的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射電路模塊，將讀卡器讀得數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸；讀卡器所傳數(shù)據(jù)經(jīng)由Cc2530、Cc2591芯片接收傳至Ch340g芯片處理后，通過(guò)USB端口連接到PC(電腦)進(jìn)行顯示；標(biāo)簽主要由nRF24L01芯片和紐扣電池設(shè)計(jì)構(gòu)成，其中nRF24L01芯片用于數(shù)據(jù)收發(fā)，考慮到標(biāo)簽的便攜性，天線選擇印制板天線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)[9]。

圖3 2.4 GHz RFID硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2.2工作流程

RFID系統(tǒng)工作流程如圖4所示，其中標(biāo)簽所儲(chǔ)備的信息為對(duì)預(yù)讀區(qū)域按面積等分的編號(hào)即警員部署編號(hào)，標(biāo)簽為有源標(biāo)簽。

(1)讀寫(xiě)器上電復(fù)位，之后每隔一定時(shí)間向外界發(fā)射讀取信號(hào)。

(2)讀寫(xiě)器外部中斷保持常開(kāi)，若有中斷發(fā)生，則外界有標(biāo)簽，向外界發(fā)送信號(hào)，從而使可讀范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽都向讀寫(xiě)器發(fā)送自身的數(shù)據(jù)。若收到的數(shù)據(jù)沒(méi)有沖突位，則外界為單標(biāo)簽，反之外界為多標(biāo)簽，讀寫(xiě)器調(diào)用防碰撞算法，來(lái)依次地讀取數(shù)據(jù)。

(3)讀寫(xiě)器所讀數(shù)據(jù)經(jīng)由RS232接口和Sp3232、Cc2530、Cc2591等芯片處理后由天線發(fā)射出去。

(4)讀得數(shù)據(jù)經(jīng)由Cc2530、Cc2591及Ch340g等芯片組成的接收模塊處理后在PC上顯示。其中數(shù)據(jù)速率為9 600 b/s。

圖4 RFID系統(tǒng)工作流程

2.3 調(diào)頻廣播子系統(tǒng)

調(diào)頻廣播子系統(tǒng)的設(shè)立健全了指揮中心與無(wú)人機(jī)的互動(dòng)，無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)下方群眾信息溝通，及指揮中心、無(wú)人機(jī)與警員三方的協(xié)同指揮，可及時(shí)有效部署警力、穩(wěn)定群眾情緒和疏散現(xiàn)場(chǎng)群眾。

圖5(a)為收音機(jī)模塊，收音模塊主體由天線、AU6210音頻處理集成芯片和兩個(gè)PAM8610功放，驅(qū)動(dòng)4支高音質(zhì)12 W/4 Ω喇叭組成。4個(gè)喇叭分別固定在4支旋翼的下部。無(wú)線收音模塊設(shè)定頻段為80～115 MHz，設(shè)定調(diào)頻100 MHz，當(dāng)k接收到廣播電臺(tái)信號(hào)之后可對(duì)應(yīng)播放警笛，指揮語(yǔ)音信號(hào)等各種廣播聲源實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)下方人群的實(shí)時(shí)廣播。

圖5(b)為調(diào)頻廣播電臺(tái)，主要由STC15W204S小型單片機(jī)和AD8027數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)構(gòu)成。

圖5 收音機(jī)與調(diào)頻廣播電臺(tái)設(shè)計(jì)框架

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所研制系統(tǒng)的功能，開(kāi)展了踩踏事故預(yù)防及救援實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景預(yù)設(shè)：在標(biāo)準(zhǔn)400 m跑道體育場(chǎng)，將體育場(chǎng)草坪分為3個(gè)同心內(nèi)外包含面積相等的橢圓環(huán)，并由外及內(nèi)依次編號(hào)分別寫(xiě)入3個(gè)標(biāo)簽，將標(biāo)簽分配給3個(gè)處于不同圓環(huán)的實(shí)驗(yàn)員，踩踏事故預(yù)防及救援無(wú)人機(jī)飛行高度10 m，勻速飛行速度2 m/s，事故易發(fā)生區(qū)域假定在體育場(chǎng)中心面積1 m2區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，六旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)工作正常，1 m2易發(fā)事故區(qū)域內(nèi)人群監(jiān)控視頻清晰，RFID工作正常，調(diào)頻廣播工作正常。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行載重和空投飛行測(cè)試表明，載重3 kg系統(tǒng)亦可正常飛行和空投。圖6(a)為機(jī)載RFID讀卡器最大識(shí)別距離實(shí)驗(yàn)，測(cè)得最遠(yuǎn)識(shí)別距離為50 m，即具備以無(wú)人機(jī)為中心、半徑為50 m的警員部署識(shí)別能力，識(shí)別面積類(lèi)似一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體育場(chǎng)大小,識(shí)別信息無(wú)線傳播距離可達(dá)800 m，識(shí)別信息傳到地面電腦顯示如圖6(b)所示。對(duì)機(jī)載廣播系統(tǒng)進(jìn)行聲壓測(cè)試，測(cè)得FM調(diào)頻系統(tǒng)最大聲壓為112.5 dB，能在踩踏嘈雜環(huán)境下保障聲音的有效辨識(shí)，從而保障指揮管理等聲音信息的有效傳播。綜上測(cè)試，可知系統(tǒng)滿(mǎn)足預(yù)防和救援的功能需求。

圖6 機(jī)載RFID讀卡器最大識(shí)別距離實(shí)驗(yàn)圖

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于六旋翼無(wú)人機(jī)的踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)信息獲取全面，機(jī)動(dòng)性能高，能快速穿越人群，信息溝通實(shí)時(shí)高效，易于操作，事故響應(yīng)能力快，成本低，可靠性高，為踩踏事故預(yù)防及救援提供了良好的技術(shù)平臺(tái)。

[1] 人民網(wǎng).美聯(lián)社:朝圣踩踏事故至少2177人死亡[EB/OL].(2015-10-21)[2017-02-20].http://www.people.com.cn.

[2] 搜狐體育.安哥拉一球場(chǎng)發(fā)生踩踏事故，已致17人死亡[EB/OL].(2017-02-11).http://sports.sohu.com.

[3] HUGHES R L.A continuum theory for the flow of pedestrians[J]. Transportation Research Part B: Methodology, 2002, 36(6): 507-535.

[4] 任常興,吳宗之,劉茂.城市公共場(chǎng)所人群擁擠踩踏事故分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2005,15(12): 102-106.

[5] 張青松,劉金蘭,趙國(guó)敏. 大型公共場(chǎng)所人群擁擠踩踏事故機(jī)理初探[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2009,18(6):81-86.

[6] 方研.國(guó)外防踩踏都有哪些經(jīng)驗(yàn)[J].生命與災(zāi)害,2015(1):6-7.

[7] Sun Jingxuan, Li Boyang, Jiang Yifan, et al. A camera-based target detection and positioning UAV system for search and rescue (SAR) purposes[J].Sensors, 2016,16(11): 1778.

[8] GRECO G, LUCIANAZ C, BERTOLDO S, et al. A solution for monitoring operations in harsh environment: a RFID reader for small UAV[C]. 2015 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications, 2015: 859-862.

[9] 付煒,馬建國(guó).2.4 GHz射頻識(shí)別中標(biāo)簽電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007,33(11):61-64.

Stampede prevention and rescue system based on six-rotor UAV

Xu Zihui, Rao Zhaomin, Zhang Xinchi, Hong Xianggong, Wang Yanqing

(School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

A stampede prevention and rescue system based on six-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) is designed to compensate for the shortcomings of trampling accident prevention and rescue, such as incomplete information in the rescue process, difficulty in crossing the crowd, and poor information communication. The functional requirements and overall design of the stampede prevention and rescue system of the six-rotor UAV, the design and workflow of the six-rotor UAV subsystem, the video surveillance subsystem, the RFID subsystem and the FM broadcasting subsystem are presented in detail. Finally, the experiments are conducted, and the results show that the system can meet the functional requirements of the stampede prevention and rescue system, which can realize high-efficient self-patrolling of the gathering area, real-time HD monitoring of the accident scene, air broadcasting, police deployment and rapid on-site real-time rescue.

stampede; prevention; rescue; six-rotor UAV; video surveillance; RFID; FM radio

X928.03; TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.022

許自輝，饒肇敏，張心馳，等.基于六旋翼無(wú)人機(jī)的踩踏事故預(yù)防及救援系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(23)：76-79.

2017-06-12)

許自輝(1989-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：信息系統(tǒng)及應(yīng)用。E-mail:xuzihui2015@163.com。

饒肇敏(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信息系統(tǒng)及應(yīng)用。

張心馳(1994-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信息系統(tǒng)及應(yīng)用。