李靜 陳劉成

摘要：我國已經(jīng)有約60%的人口生活在城市，人類有近80%的時(shí)間生活在室內(nèi)，城市和地下空間日益擁擠，建筑消防、地下消防形勢(shì)嚴(yán)峻。如何解決衛(wèi)星導(dǎo)航在遮擋環(huán)境下的應(yīng)用問題，充分發(fā)揮衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)智慧消防建設(shè)的支撐和促進(jìn)作用，本文提出了建立地基北斗系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天基真北斗、地基偽北斗的獨(dú)立或者聯(lián)合應(yīng)用，基于普通GNSS接收機(jī)或個(gè)人智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫無感連續(xù)精確定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)。設(shè)計(jì)了典型應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用模式，在消防出警全過程路徑優(yōu)化、輔助建立綜合火場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息、有效保障火場(chǎng)內(nèi)攻人員安全、自動(dòng)考核消防巡查制度落實(shí)、輔助地下工程人員逃生等方面可以顯著提升消防指揮、消防救援和人員自主疏散效率，提升城市消防信息化、智能化水平。

關(guān)鍵字：衛(wèi)星導(dǎo)航;地基北斗;智慧消防;室內(nèi)定位

中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組在《關(guān)于推進(jìn)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)體制機(jī)制改革的意見》中提出要注重災(zāi)前預(yù)防、減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、健全體制，全面提高防災(zāi)救災(zāi)能力?；馂?zāi)精準(zhǔn)防控及高效滅火救援已成為消防研究的重點(diǎn)，智慧消防成為破解城市消防難題的鑰匙，消防應(yīng)急救援逐步向“科技消防”和“智能消防”邁進(jìn)。各類位置信息是消防信息化和智能化的基礎(chǔ)和支撐，如進(jìn)行逃生路線設(shè)計(jì)，獲取被困人員位置、消防員火場(chǎng)位置、消防車輛停靠點(diǎn)、消防設(shè)施位置等信息，對(duì)消防救援行動(dòng)和指揮決策日趨重要，對(duì)定位技術(shù)的便利化、自動(dòng)化、智能化要求越來越高。

衛(wèi)星導(dǎo)航是目前在各行各業(yè)應(yīng)用范圍最廣、綜合服務(wù)性能最好的定位技術(shù)，其應(yīng)用只受人類想象力的限制，正在智慧城市和智慧消防建設(shè)中發(fā)揮越來重要的作用。衛(wèi)星導(dǎo)航提供的定位、導(dǎo)航和授時(shí)信息已經(jīng)成為社會(huì)有序運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐，是人類活動(dòng)空間有序拓展的重要保證，也是推動(dòng)人與人、人與物、物與物建立緊密聯(lián)系的技術(shù)手段，對(duì)智慧消防裝備設(shè)施建設(shè)具有顯著的“基礎(chǔ)性、支撐性、滲透性、融合性”作用。但由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)極為微弱，在地面物理遮擋環(huán)境下難以發(fā)揮作用，使其在城市消防和建筑消防中的作用受到了限制。本文提出利用偽北斗衛(wèi)星技術(shù)建立“地基北斗系統(tǒng)”，支撐衛(wèi)星導(dǎo)航在消防領(lǐng)域的無縫室內(nèi)外連續(xù)應(yīng)用。相比較其他室內(nèi)定位技術(shù)，具有“與真實(shí)北斗系統(tǒng)時(shí)空基準(zhǔn)和信號(hào)體制完全兼容，可聯(lián)合或獨(dú)立部署和使用;無需輔助設(shè)備僅基于普通衛(wèi)星導(dǎo)航硬件裝備，定位精度和自動(dòng)化程度高”等優(yōu)點(diǎn)，借助個(gè)人智能手機(jī)APP就可實(shí)現(xiàn)消防施救與被救方的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接聯(lián)系，形成實(shí)時(shí)高效的綜合消防救援態(tài)勢(shì)信息，破除衛(wèi)星導(dǎo)航在室內(nèi)、地下、城市峽谷等消防作業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用限制。

一、常用室內(nèi)定位技術(shù)比較分析

（一）慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航設(shè)備安裝在運(yùn)動(dòng)載體內(nèi)部，工作時(shí)不依賴外界信息，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng);不向外界輻射能量，不易受到干擾，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。能提供位置、速度、航向、姿態(tài)數(shù)據(jù)，導(dǎo)航信息連續(xù)性好。但不能輸出時(shí)間信息，每次使用時(shí)需要首先初始對(duì)準(zhǔn);漂移誤差會(huì)隨時(shí)間累積，通常和其他導(dǎo)航手段組合使用。高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常價(jià)格昂貴、體積較大，適用于消防領(lǐng)域的是微機(jī)電（MEMS）慣性傳感器，它包括陀螺儀和加速度計(jì)，根據(jù)精度由高低可分為消費(fèi)級(jí)（零偏>100°/h）和戰(zhàn)術(shù)級(jí)（零偏0.1°/h到10°/h）。MEMS慣性導(dǎo)航具有小型化、低成本的優(yōu)勢(shì)，在過去幾十年內(nèi)得到了迅速發(fā)展。但是適合消防救援場(chǎng)景的MEMS慣性導(dǎo)航設(shè)備獨(dú)立工作時(shí)，還難以滿足精度要求。

（二）基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)

基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)是指通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)控制信令來傳遞定位相關(guān)消息的定位技術(shù)，也稱控制平面的定位技術(shù)。其原理是：首先運(yùn)營商根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信令消息確定任意移動(dòng)終端的服務(wù)基站的扇區(qū)，然后根據(jù)扇區(qū)的中心位置估計(jì)該終端的大概位置。目前主要采用的是扇區(qū)定位技術(shù)，通過智能網(wǎng)信令來尋找每個(gè)終端的服務(wù)基站。扇區(qū)定位技術(shù)對(duì)終端要求低，適用范圍廣，但是定位精度較低，一般只能平面定位。通過“時(shí)-空-碼”域相關(guān)性與差分定位處理，可在一定程度上提升定位性能。目前基于手機(jī)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，室內(nèi)定位性能如下：

基于Wi-Fi的室內(nèi)定位系統(tǒng)主要有兩類。一類是Wi-Fi無線AP（AccessPoint）區(qū)間定位，通過收集Wi-Fi無線AP安裝位置和定位臺(tái)接收到的全球唯一的MAC地址，實(shí)現(xiàn)區(qū)間定位。此類技術(shù)成本低，但是通常精度不高。另一類采用Wi-Fi無線信號(hào)RSSI指紋匹配定位技術(shù)。該技術(shù)需要建立相關(guān)指紋特征數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)庫運(yùn)維要求高。定位精度受信號(hào)強(qiáng)度的影響大，適合用于重點(diǎn)場(chǎng)所的局部應(yīng)用。

ZigBee定位技術(shù)與Wi-Fi定位技術(shù)相似，定位精度較高，但是信號(hào)強(qiáng)度受環(huán)境影響大，定位算法要求高，人員走動(dòng)、墻體和門的遮擋反射均會(huì)導(dǎo)致定位精度顯著下降。

基于RFID的定位技術(shù)主要有兩類：一是采用門禁方式進(jìn)行區(qū)間定位;二是根據(jù)RFID標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度及已知標(biāo)簽位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。后者定位精度高，但是需要密集布設(shè)大量的參考標(biāo)簽，難以大范圍推廣應(yīng)用。

藍(lán)牙定位技術(shù)與Wi-Fi定位類似，成本低、功耗小，可以在筆記本或手機(jī)上普及使用。但是指紋數(shù)據(jù)獲取成本高，而且維護(hù)難度大，信號(hào)容易被干擾，目前藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)不如Wi-Fi無線AP普及。

UWB定位基于無載波通信技術(shù)，早期用于近距離高速數(shù)據(jù)傳輸，近年也利用納秒至亞納秒級(jí)非正弦波窄脈沖做室內(nèi)定位。UWB室內(nèi)定位脈沖寬度窄，時(shí)間分辨率高，偽距測(cè)量精度高、抗多路徑能力強(qiáng)。但是作用距離非常有限，僅在數(shù)十米的范圍，限制了推廣應(yīng)用。

從定位技術(shù)自動(dòng)化程度、適用范圍場(chǎng)景、定位精度性能、系統(tǒng)裝備要求、用戶設(shè)備體積重量功耗、抗干擾能力、技術(shù)成熟程度、服務(wù)容量、經(jīng)濟(jì)成本等多個(gè)角度綜合比較來看，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)具有相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)，如果能夠克服遮擋環(huán)境的應(yīng)用限制，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫連續(xù)應(yīng)用，將在智慧消防領(lǐng)域發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。

二、地基北斗增強(qiáng)系統(tǒng)

我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)完成全球基本系統(tǒng)建設(shè)，在我國本土范圍內(nèi)的定位精度已達(dá)3-6米。但是受遮擋和環(huán)境多路徑影響，在城市峽谷、地下工程、室內(nèi)環(huán)境等消費(fèi)典型應(yīng)用環(huán)境，其可用性和定位性能尚不能保證滿足要求。為此，本文設(shè)計(jì)提出了地基北斗增強(qiáng)系統(tǒng)。

（一）系統(tǒng)簡(jiǎn)介

地基北斗增強(qiáng)系統(tǒng)包括偽衛(wèi)星和接收機(jī)。偽衛(wèi)星充當(dāng)導(dǎo)航衛(wèi)星（如圖1），價(jià)格低廉，發(fā)射與北斗真實(shí)衛(wèi)星一致的導(dǎo)航信號(hào)。必要時(shí)信號(hào)發(fā)射功率和空域可利用功放和陣列天線進(jìn)行自動(dòng)控制。接收機(jī)即為普通的GNSS接收機(jī)，例如個(gè)人手機(jī)。偽衛(wèi)星基帶由接收天基真實(shí)北斗信號(hào)的授時(shí)模塊PPS驅(qū)動(dòng)，可以將本地偽北斗的發(fā)射信號(hào)同步到天基北斗時(shí)。偽衛(wèi)星之間通過雙向觀測(cè)實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星之間的精確時(shí)間同步。

地基北斗系統(tǒng)部署采用星型、鏈?zhǔn)椒绞交蛘邇烧叩幕旌戏绞竭M(jìn)行布置。偽衛(wèi)星至少要設(shè)置一個(gè)主星，負(fù)責(zé)接收天基北斗系統(tǒng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)自身與真實(shí)北斗系統(tǒng)的時(shí)間同步;其他偽衛(wèi)星通過直接或者間接與主星雙向觀測(cè)實(shí)現(xiàn)與主星時(shí)間同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)地基北斗偽衛(wèi)星、與真實(shí)天基北斗系統(tǒng)的時(shí)間精確同步。偽衛(wèi)星可以提前在建筑內(nèi)部、地下工程或者室內(nèi)環(huán)境部署;也可以隨消防車在需要時(shí)現(xiàn)場(chǎng)部署，面向特定救援環(huán)境臨時(shí)快速提供增強(qiáng)服務(wù)。

從消防站車庫停車位到火災(zāi)作業(yè)救援作業(yè)場(chǎng)地的全過程精確導(dǎo)航。消防隊(duì)接到火災(zāi)出警命令后，最需要的到達(dá)失火目標(biāo)的路徑信息、失火目標(biāo)環(huán)境信息和周邊消防設(shè)施位置信息等。在地基北斗的支持下，基于“衛(wèi)星導(dǎo)航+地理信息+移動(dòng)（無線）通信技術(shù)”，可以消除遮蔽環(huán)境對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的影響，在隧道、高架橋下、城市峽谷、地下工程等任何環(huán)境下，基于普通智能終端實(shí)時(shí)獲取的自身精確位置，以最優(yōu)路徑、最快速度到達(dá)求援位置，以最科學(xué)的方式展開救援作業(yè)。甚至在行進(jìn)過程中，可以根據(jù)實(shí)時(shí)路況信息，實(shí)時(shí)優(yōu)化行進(jìn)路線。

建立火場(chǎng)救援綜合態(tài)勢(shì)信息。在地基北斗系統(tǒng)支撐下，基于消費(fèi)級(jí)的個(gè)人手機(jī)，就可幫助消防員實(shí)時(shí)向指揮所自動(dòng)報(bào)告精確位置，甚至可以實(shí)現(xiàn)消防員間的實(shí)時(shí)位置的共享;火場(chǎng)被困人員也可以通過個(gè)人手機(jī)APP準(zhǔn)確發(fā)送自身位置;支持火場(chǎng)個(gè)人在濃煙等不易識(shí)別位置和方向的情況下，依靠手機(jī)導(dǎo)航選擇最優(yōu)逃生路線。上述綜合態(tài)勢(shì)信息可以極大地優(yōu)化救援力量部署、提高救援效率，有效保障消防員和人民群眾的生命安全。

有效保障火場(chǎng)內(nèi)攻人員安全。當(dāng)火場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)有人員被困、救援環(huán)境復(fù)雜時(shí)，消防人員需深入火場(chǎng)進(jìn)行偵察、救助、滅火，這對(duì)消防人員來說具有較大的危險(xiǎn)性。在地基北斗支持下，現(xiàn)場(chǎng)人員將自身位置信息和內(nèi)部情況實(shí)時(shí)傳輸給指揮所，輔助指揮員優(yōu)化決策，優(yōu)化內(nèi)攻和撤離路徑，提高內(nèi)功搜救效率和安全性。在救援人員遇到危險(xiǎn)時(shí)組織有效施救，從而減少自身傷亡。

用于消防重點(diǎn)部位或者消防設(shè)施巡查的自動(dòng)考核。消防安全重點(diǎn)單位應(yīng)當(dāng)進(jìn)行每日防火巡查，并確定巡查的人員、內(nèi)容、部位和頻次。其他單位可以根據(jù)需要組織防火巡查。公眾聚集場(chǎng)所在營業(yè)期間的防火巡查應(yīng)當(dāng)至少每兩小時(shí)一次;營業(yè)結(jié)束時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)營業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，消除遺留火種。醫(yī)院、養(yǎng)老院、寄宿制學(xué)校、托兒所、幼兒所應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)夜間防火巡查，其他消防安全重點(diǎn)單位可以結(jié)合實(shí)際組織夜間防火巡查。消防設(shè)施、器材應(yīng)當(dāng)依法進(jìn)行維修保養(yǎng)檢測(cè)。地基北斗系統(tǒng)的部署可支持工作人員手機(jī)定位連續(xù)信息自動(dòng)對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行核查，極大降低消防管理成本、提高管理效率。

有效提高地下環(huán)境人員火災(zāi)逃生成功率。隨著城市發(fā)展空間的日益擁擠，多個(gè)國家或者城市已經(jīng)推出“地下發(fā)展戰(zhàn)略”。例如，地鐵已經(jīng)成為流動(dòng)人口密度最大的交通系統(tǒng)，但地鐵站不像自然光條件下容易辨別方向和觀察到著火點(diǎn)的位置及燃燒情況。在此類環(huán)境中部署地基北斗系統(tǒng)，可以支持用戶以類似地面路徑導(dǎo)航的方式以最優(yōu)的路線在陌生環(huán)境中自主逃離危險(xiǎn)區(qū)域。

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