江匯，金飛，姚承宗，何志聰，鄧興國

（河海大學江蘇南京210098）

由于災難的頻繁發(fā)生，對受災人員開展及時高效的救援工作就顯得尤為重要。開展有效的救援工作，就必須清楚被困人員的具體位置及營救路線，這就是救援工作中的定位與搜救策略。若想對被困人員定位，首先應進行生命探測，即探測災區(qū)是否存在被困人員。目前國內外的生命探測技術主要分為直接探測與間接探測技術。直接探測指的是探測由人的生命跡象直接反應出得一些物理量，從而判斷出是否有被困人員，如輻射的紅外線、發(fā)出的聲音頻率等。間接探測指的是探測由人攜帶的一些設備的信息，從而間接的判斷出是否有被困人員，如探測區(qū)域內是否有手機存在。

目前國內外進行生命探測時主要采用直接探測法，其適用范圍單一，成本很高。由于現(xiàn)代科技下手機普及率越來越高，故通過手機進行間接探測的生命探測法顯得越來越重要。手機探測定位方法的適用范圍廣，實現(xiàn)成本低，但其難點在于信號源的選取與定位精度的控制。在實際搜救中，僅僅定位出被困人員是不夠的，還需確定搜救的路徑。筆者將采用Floyd算法計算搜救的最短路，從而迅速的進行營救。

1 救災系統(tǒng)的主要設計思路

本設計的救災系統(tǒng)的主旨是對災難現(xiàn)場進行生命探測，繼而進行搜救，從而盡量挽救受災人員的生命安全。

本系統(tǒng)分為生命探測與搜救兩大模塊。首先進行生命探測，可分為直接與間接探測，其中以手機定位的間接探測為主要探測手段，輔以直接探測。最后將探測報告?zhèn)鬟f給搜救模塊。

搜救模塊接收探測報告，進行分析處理，利用定位算法得出位置信息。同時結合特定的災難情況，通過傳感器獲取救災路徑信息，利用Floyd算法得出搜救的最佳路徑。考慮到最佳路徑的適用情況，具體設計方案研究的重點是火災救援情況。

2 具體設計方案

2.1 生命探測模塊的設計

2.1.1 手機探測法

通過探測手機信號從而判斷是否有人員存在[1]，這是一種間接的生命探測方法。同時通過傳感器記錄相應信號信息，便可通過一定算法定位手機。

1）信號源的選取此種探測法的難點在于信號源的選取。若通過基站來定位移動臺，這種方法雖然簡單有效，但存在相當多的限制，例如存在基站未能覆蓋的區(qū)域，以及建筑物對基站信號具有屏蔽作用等。故利用基站信息定位手機在災難救援這種特殊的情況下不可行。本文的手機探測法為探測以目標手機作為信號源發(fā)出的信號。

2）觸發(fā)機制雖然手機本身會不定時的發(fā)出信號，但在災難情況下，需要迅速的探測信號，故必須有觸發(fā)機制觸發(fā)手機發(fā)出信號。文中設計了兩種觸發(fā)機制。

機制一，手機從盲區(qū)進入覆蓋區(qū)，將搜尋網(wǎng)絡，發(fā)出信號，利用這一點便可探測其信號。

機制二，建立室內小型基站，即偽基站，主動發(fā)出信令與手機通信，從而探測手機發(fā)出的信號。

由于機制二涉及AT指令與信令分析等，其實現(xiàn)成本與難度都很高。故重點考慮機制一。實現(xiàn)機制一的方法有很多，只需制造手機盲區(qū)環(huán)境即可，例如模仿手機屏蔽器原理便可在一定范圍內制造盲區(qū)，然后再撤去盲區(qū)即可利用信號接收機進行即時的手機信號探測。

3）具體流程手機探測流程圖如圖1所示。

圖1 手機探測流程圖Fig.1 Flow chart of phone detecting

4）模塊評價由于火災具有可以明顯檢測的特征，故可通過煙霧或溫度傳感器判斷火災的發(fā)生與否?？紤]到屏蔽形成盲區(qū)后可能會對區(qū)內人員手機通信造成影響，但其持續(xù)時間可以控制的很短，故此影響可忽略。

2.1.2 直接探測法

由于間接探測也有其局限性，故需輔以直接探測法進行生命探測。直接探測法是直接探測人體靜止或運動時表現(xiàn)出的一些生命跡象，如輻射的紅外線、運動速度等，從而判斷是否有生命存在。

本設計的直接探測法采用探測人體紅外線與移動相結合的方案。具體使用熱釋電紅外線傳感器與微波傳感器。利用熱釋電紅外線傳感器進行生命探測是目前廣泛使用的方法，但由于火場環(huán)境下會干擾此傳感器進行探測，故采用微波傳感器聯(lián)合工作。微波傳感器可以探測處物體的移動，當兩種傳感器結合起來時便可排除火的干擾。故采用此種方案可較為準確的探測出生命。

2.1.3 間接與直接的配合

雖然直接探測法探測的是直接的生命跡象[2]，應比間接探測手機存在與否更為準確，但實際上直接探測法易受傳感器精度、環(huán)境等因素影響，在實際應用中反而不如間接探測準確。綜合考慮兩種探測法的優(yōu)缺點，可通過邏輯關系運算進行兩種方法的平衡。若兩者關系為邏輯與，則表明探測要求強烈。若為邏輯或，則表明探測要求較為保險，容許有一種方式探測不成功，提高了安全儲備。在實際應用中，可降低直接探測的權重，同時保證一定的安全儲備。最后，通過邏輯運算生成探測報告，并傳輸給搜救模塊。

2.2 搜救模塊的設計

2.2.1 搜救模塊流程介紹

搜救模塊主要由定位算法與Floyd算法組成，其工作流程如圖2所示。

圖2 搜救模塊流程圖Fig.2 Flow chart of rescue module

2.2.2 定位算法

利用三角形質心定位算法，分析處理探測報告，得出手機位置信息。

1）三角質心法原理[3-4]某區(qū)域內存在3個手機信號接收機，與目標手機MS形成3個物理距離，以這3個距離為半徑作圓，三個圓的公共交點即應為MS的位置。但實際中需考慮環(huán)境對信號的衰減作用，即存在信號的損耗。故接收機收到的信號強度偏小，即相應的距離增大，故以這樣的距離做出的3個圓沒有公共交點，如圖3所示。

圖3 3個圓無公共交點Fig.3 No common point with three circles

由于信號衰減是始終存在的，尤其是室內環(huán)境更會阻礙信號傳播，故上述情況更為普遍。通過解3個圓的聯(lián)立方程組，易確定公共區(qū)3點的坐標（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）。故MS的坐標為：

2）實際應用分析三角質心定位算法直觀簡便，且定位精度很高，但當環(huán)境噪聲很大時可能會導致3個圓都不相交的情況出現(xiàn)，如圖4所示，故無法定位MS。

圖4 3個圓不相交Fig.4 No intersect with three circles

解決這種情況的方法有很多，但在算法上一般都很復雜，效果也不理想。在其適用范圍內，文中提出可進行多次取樣來彌補無法定位MS的情況。

3）適用范圍三角質心定位算法適用于較大范圍內的探測與定位，對于室內與室外環(huán)境都適用。由于文中重點考慮火災情況下的設計方案，故針對的環(huán)境較多為室內探測定位。當室內空間較小時，判斷出有無手機信號即可進行搜救，無需進行定位。若室內空間較大時，經(jīng)過多次取樣利用三角質心定位算法便可定位MS。

由于進行室內定位時無需精確定位，故三角質心定位算法的誤差在容許范圍之內。

2.2.3 Floyd算法

搜救模塊利用Floyd算法[5]得出起點到目標點的最短路。

1）Floyd算法原理

最短路徑是指：對于給定的有向網(wǎng)G=（V，E），要對G中任意一對頂點有序對V、W（V≠W），找出V到W的最短距離和W到V的最短距離。

弗洛伊德算法使用圖的鄰接矩陣D[n+1][n+1]來存儲帶權有向圖。算法的基本思想是:設置一個n×n的矩陣A（k），其中除對角線的元素都等于0外，其它元素A（k）[i][j]表示頂點i到頂點j的路徑長度，K表示運算步驟。開始時，以任意兩個頂點之間的有向邊的權值作為路徑長度，沒有有向邊時，路徑長度為∞，當K=0時，A（0）[i][j]=D[i][j]，以后逐步嘗試在原路徑中加入其它頂點作為中間頂點，如果增加中間頂點后，得到的路徑比原來的路徑長度減少了，則以此新路徑代替原路徑，修改矩陣元素。最終得到各點之間的最短路。

2）算法應用

考慮火災救援情形，當生成定位報告后，由傳感器確定各節(jié)點通路情況，即主要通道災情信息，然后通過Floyd算法得出搜救的最短路徑。

由于重特大火災一般需要多個消防力量共同協(xié)力進行火災救援，此時的最佳路徑問題屬于多源最佳路徑問題。所以求出任意兩個節(jié)點之間的最短路徑長度以及最短路徑就具有廣泛的實用性。

3 推廣與改進

由于Floyd算法計算最短路在火場救災時最為有效，故本文設計的救災系統(tǒng)重點考慮的是室內火災的救援情況。若希望適用于其他災情時，可相應的修改獲取節(jié)點通路信息的方式，即換成適當?shù)膫鞲衅鬟M行探測通路信息。

對于火災救援系統(tǒng)[6]，可預先對目標建筑物進行三維建模，對傳感器及探測器等進行標識，形成電子三維救災系統(tǒng)。當某區(qū)域發(fā)生火災時，在模型中顯示受災區(qū)，被困人員位置，搜救最短路徑等信息，這樣就能開展可視化下的迅速救援工作。

4 結論

文中設計與研究的救災系統(tǒng)以手機信號探測作為生命探測的主要方式，與傳統(tǒng)的直接探測相比，具有探測準確，精度滿足實際應用要求，成本低等優(yōu)勢，具有廣泛的理論研究與應用價值。

其設計的搜救模塊將定位與最短路搜救結合在一起，能夠在探測到定位信息后計算出搜救的最短路徑，使搜救工作更迅速更高效的開展，從而盡量保障被困人員生命安全。

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[5] 石為人，王楷.基于Floyd算法的移動機器人最短路徑規(guī)劃研究[J].儀器儀表學報，2009，30（12）:2088-2092.SHI Wei-ren，WANG Kai.Floyd algorithm for the shortest path planning of mobile robot[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2009，30（12）:2088-2092.

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