■ 何 鋒

（烏魯木齊市消防救援支隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000）

采取案例分析法，歸納消防員參與大型火場(chǎng)撲救傷亡案情，在查閱文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步總結(jié)消防員傷亡原因，分析消防員定位系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并結(jié)合當(dāng)前Raspberry Pi的卡片機(jī)優(yōu)勢(shì)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)Raspberry Pi消防員定位系統(tǒng)所需的模塊和實(shí)現(xiàn)的功能。

消防員；Raspberry Pi；火災(zāi)事故；定位系統(tǒng)

0 引言

消防員在大跨度大空間的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，因迷失方向而傷亡的案例較多。例如，2010年2月9日，中央電視臺(tái)新臺(tái)址的北配樓因違法燃放煙花引發(fā)大火，參加救援的消防指戰(zhàn)員6人負(fù)傷，內(nèi)攻搜救時(shí)1名消防員犧牲；2012年2月1日，蘇州工業(yè)園區(qū)廠房發(fā)生火災(zāi)，1名消防員在內(nèi)攻偵察時(shí)，因?qū)蚶K被倒塌的貨物埋住，在復(fù)雜的環(huán)境中迷失方向英勇?tīng)奚?013年10月11日，北京石景山區(qū)蘋(píng)果園南路喜隆多商場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)，在處置過(guò)程中，2名消防員進(jìn)入火場(chǎng)偵查，因火勢(shì)迅速蔓延，建筑突然坍塌，導(dǎo)致2人在火場(chǎng)迷失方向壯烈犧牲。

分析上述案例，可以看出進(jìn)入火場(chǎng)的消防員除了配備常規(guī)個(gè)人防護(hù)裝備，并沒(méi)有配備內(nèi)攻定位設(shè)備。定位設(shè)備既可以充當(dāng)消防員“搜救眼睛”，避免在濃煙能見(jiàn)度低的環(huán)境中重復(fù)搜索，又可以充當(dāng)消防員“自救眼睛”，找到安全出口。本文應(yīng)用卡片機(jī)Raspberry Pi與加速度傳感器模塊，提出消防員內(nèi)攻定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。消防員攜帶Raspberry Pi定位系統(tǒng)，能即時(shí)顯示所處位置，并具備實(shí)時(shí)原路返回導(dǎo)航指示和定時(shí)報(bào)警功能。

1 當(dāng)前消防員定位系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1 定位精度低

在進(jìn)入災(zāi)害環(huán)境作業(yè)后遇到意外情況，消防員啟動(dòng)身上的報(bào)警裝置，外界人員根據(jù)發(fā)出信號(hào)的強(qiáng)弱，搜索被困消防員所在位置，這種定位技術(shù)操作簡(jiǎn)便，但是定位性不強(qiáng)、搜救時(shí)間長(zhǎng)。2011年，沈陽(yáng)消防支隊(duì)分析無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的方案及其選擇原則，探討手機(jī)定位技術(shù)的原理、方案及應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，這種定位方式需要每個(gè)房間安裝屏蔽器。另外，進(jìn)入室內(nèi)消防員在搜救、滅火等過(guò)程中很容易與手機(jī)分離，不一定能準(zhǔn)確定位到被困人員。

1.2 環(huán)境適應(yīng)差

對(duì)進(jìn)入樓層的消防員進(jìn)行定位，主要是在火災(zāi)初期和發(fā)展階段，還未大面積燃燒的時(shí)候。因此，消防員定位系統(tǒng)要克服烈火、濃煙、高溫、噪聲、建筑物遮蔽等的影響。目前，在一些消防員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)定位準(zhǔn)確性考慮多，對(duì)特殊應(yīng)用環(huán)境考慮少。2013年，云南省消防總隊(duì)結(jié)合慣導(dǎo)技術(shù),設(shè)計(jì)了可對(duì)建筑內(nèi)消防救援人員位置分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及分析的無(wú)線(xiàn)消防定位系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)在信號(hào)傳輸過(guò)程易受建筑物遮蔽，實(shí)際火場(chǎng)應(yīng)用不便。

1.3 系統(tǒng)造價(jià)高

消防員定位系統(tǒng)中，有一種采用預(yù)布點(diǎn)的定位技術(shù)。該方案需要預(yù)先布置感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，建立建筑物室內(nèi)分布圖，消防員攜帶發(fā)射芯片進(jìn)入建筑物內(nèi)，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)接收到芯片發(fā)射的無(wú)線(xiàn)信號(hào)后相互傳遞，相互協(xié)調(diào)通信進(jìn)而準(zhǔn)確定位，但造價(jià)高。2009年，極頻譜公司和摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)一套基于超寬帶（UWB）無(wú)線(xiàn)電人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)計(jì)劃耗資約1 000萬(wàn)美金。

2 Raspberry Pi消防員定位系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

消防火場(chǎng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮定位精度、環(huán)境適應(yīng)性、系統(tǒng)造價(jià)等問(wèn)題，而本系統(tǒng)利用Raspberry Pi卡片機(jī)開(kāi)源的Linux系統(tǒng)，編寫(xiě)程序方便，市場(chǎng)上售價(jià)200元人民幣左右，用于消防員建筑物內(nèi)自助式定位導(dǎo)航，較好地解決了以上問(wèn)題。圖1為Raspberry Pi自助定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 Raspberry Pi自助定位系統(tǒng)組成

2.1 Raspberry Pi模塊

Raspberry Pi模塊又稱(chēng)為樹(shù)莓派模塊，該模塊是整個(gè)自助定位系統(tǒng)的核心構(gòu)件模塊，能夠執(zhí)行所編程序代碼，驅(qū)動(dòng)加速度傳感器模塊和報(bào)警器模塊，輸出的信號(hào)能直接轉(zhuǎn)化為顯示器模塊讀取。Raspberry Pi中文名叫“樹(shù)莓派”，雖然只有名片盒子一樣大小，但是具備電腦所有基本功能。該產(chǎn)品與其他單片機(jī)相比具有兩大優(yōu)勢(shì)：1）硬件價(jià)格便宜，目前在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的Raspberry Pi主要有兩款型號(hào)（如圖2、3），Raspberry Pi A型只需25美元，Raspberry Pi B型只需35美元；2）采用Linux作為操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開(kāi)放源代碼的特點(diǎn)，很容易移植到其他硬件上，使其更方便調(diào)試操作。

圖2 Raspberry Pi A型

圖3 Raspberry Pi B型

2.2 加速度傳感器模塊

將該模塊與Raspberry Pi卡片機(jī)相連，可以實(shí)時(shí)測(cè)量出進(jìn)入室內(nèi)消防員移動(dòng)的數(shù)據(jù)。消防員在建筑物內(nèi)部搜救滅火過(guò)程中，加速度傳感器模塊顯示的加速度、矢量實(shí)時(shí)變化，通過(guò)一定的方法，采用最小二乘法處理數(shù)據(jù)減少測(cè)量誤差，建立速度、位移模型。

2.3 顯示器模塊

顯示器模塊主要與Raspberry Pi相連，能夠顯示出系統(tǒng)的界面，如在路徑顯示模式下，將消防員運(yùn)動(dòng)軌跡的坐標(biāo)數(shù)據(jù)直觀顯示在界面上；在返回路徑模式下，同樣還能顯示消防員返回路線(xiàn)的數(shù)據(jù)。由于Raspberry Pi自助導(dǎo)航系統(tǒng)主要應(yīng)用于消防員進(jìn)入的著火建筑物內(nèi)，因此該顯示器模塊要考慮防水、耐高溫等設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2.4 報(bào)警器模塊

由于在火場(chǎng)濃煙高溫、視線(xiàn)模糊的環(huán)境中，消防員進(jìn)入后對(duì)時(shí)間估算不準(zhǔn)確易造成進(jìn)入著火建筑時(shí)間長(zhǎng)，沒(méi)有及時(shí)聽(tīng)到空氣呼吸器的報(bào)警閥聲音，氣瓶空氣量少而無(wú)法及時(shí)返回出口，添加報(bào)警器模塊可以在有效時(shí)間內(nèi)提醒消防員及時(shí)返回。報(bào)警器模塊通過(guò)擴(kuò)展板與Raspberry Pi主板的GPIO接口相連，設(shè)定一個(gè)時(shí)間間隔進(jìn)行報(bào)警，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在有效時(shí)間內(nèi)提醒消防員及時(shí)返回。

2.5 移動(dòng)電源模塊

由于Raspberry Pi自助導(dǎo)航系統(tǒng)是消防員自己攜帶的，因此要給本系統(tǒng)配備移動(dòng)電源模塊。該模塊要能符合Raspberry Pi主板和顯示器模塊的供電設(shè)計(jì)需求，滿(mǎn)足消防員進(jìn)入建筑物內(nèi)偵察搜救所需時(shí)間的要求，并且能夠具備一定的防水功能，在高溫環(huán)境下仍然能夠持續(xù)供電。

3 Raspberry Pi消防員定位系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 位置路徑顯示

設(shè)計(jì)路徑顯示功能，是Raspberry Pi自助導(dǎo)航系統(tǒng)最為主要的部分。室內(nèi)建筑物火災(zāi)復(fù)雜多變，消防員在其環(huán)境中進(jìn)行偵察搜救時(shí)，利用本系統(tǒng)將自己行走的路徑實(shí)時(shí)顯示在電子屏上，可以在心理上克服黑暗濃煙帶來(lái)的恐懼感。

具體設(shè)計(jì)思路，消防員進(jìn)入著火建筑物內(nèi)，自己?jiǎn)?dòng)隨身攜帶的Raspberry Pi自助導(dǎo)航系統(tǒng)，加速度傳感器模塊開(kāi)始實(shí)時(shí)收集測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)擴(kuò)展板模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絉aspberry Pi卡片機(jī)預(yù)先設(shè)計(jì)的程序上，該程序?qū)崟r(shí)計(jì)算出其移動(dòng)的距離，然后傳輸?shù)较噙B的HDMI顯示器模塊上顯示出人員移動(dòng)移動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)信息。位置路徑顯示流程如圖4所示。

圖4 定位路徑設(shè)計(jì)流程

3.2 路徑返回指向

設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)返回路徑指示功能，是為進(jìn)入建筑物內(nèi)偵察搜救消防人員如遇建筑物坍塌、空氣呼吸器報(bào)警等突發(fā)情況，能夠以較快速度及時(shí)準(zhǔn)確返回到原安全入口的設(shè)計(jì)。

具體設(shè)計(jì)思路，在Raspberry Pi自助定位系統(tǒng)中編寫(xiě)一套返回路徑模式程序，消防員若想原路返回，點(diǎn)擊進(jìn)入返回路徑模式。該模式程序，能讀取剛開(kāi)始啟動(dòng)定位路徑模式里存儲(chǔ)的三維坐標(biāo)（x軸、y軸、z軸）數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算出當(dāng)前的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與之分析處理，通過(guò)顯示器模塊標(biāo)出一條返回路線(xiàn)圖。該程序模式下實(shí)時(shí)響應(yīng)加速度傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)每次移動(dòng)過(guò)程中都自動(dòng)計(jì)算返回的路徑，并在顯示器模塊標(biāo)出路線(xiàn)，并設(shè)計(jì)可視箭頭指示返回方向。圖5為返回路徑模式效果圖。

圖5 返回路徑模式效果

圖6 定時(shí)報(bào)警模式方式

3.3 定時(shí)報(bào)警提醒

設(shè)計(jì)的定時(shí)報(bào)警模式連接方式如圖6所示。設(shè)計(jì)此功能，是為提醒消防員進(jìn)入室內(nèi)建筑物內(nèi)，如遇惡劣環(huán)境（濃煙、高溫、能見(jiàn)度低、聲音嘈雜等）搜索救援時(shí)間長(zhǎng)，在未聽(tīng)到空氣呼吸器氣壓不足發(fā)出的報(bào)警聲時(shí)，消防員能夠通過(guò)定時(shí)報(bào)警器提醒功能，及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)，減少人員傷亡。

具體設(shè)計(jì)思路，在Raspberry Pi卡片機(jī)的通用輸出輸入接口上，添加聲音報(bào)警器模塊。消防員佩戴空氣呼吸器的使用時(shí)間與氣瓶的壓力、氣瓶的體積、消防員呼吸速率有關(guān)，具體關(guān)系如下：t=VP/kv。其中，t表示消防員佩戴作業(yè)時(shí)的時(shí)間；V表示氣瓶?jī)?chǔ)存空氣的容量；P表示消防員在打開(kāi)閥門(mén)作業(yè)時(shí)的壓力；v表示消防員在內(nèi)攻搜救過(guò)程消耗氣瓶氣量的速率，；k為常數(shù)，通常取0.098。

基層消防救援站常規(guī)配備的空氣呼吸器的體積是6.8 L，正常操作過(guò)程時(shí)壓力值上限是30 MPa，從而可以推算出一般消防員佩戴空氣呼吸器使用的時(shí)間為30 min左右。為有效提醒消防員空氣呼吸器氣壓不足，設(shè)計(jì)的報(bào)警程序應(yīng)在啟動(dòng)后25 min開(kāi)始發(fā)出報(bào)警聲音，提醒進(jìn)入室內(nèi)消防員返回出口。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出消防員在樓層平面自助式定位方案，解決了火場(chǎng)信號(hào)傳輸難題。有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)火場(chǎng)導(dǎo)航，都需要實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸，在實(shí)際著火建筑物中高溫、火焰可能損壞線(xiàn)路，或者鋼筋混泥土墻體屏蔽網(wǎng)絡(luò)都有可能將火場(chǎng)內(nèi)信號(hào)中斷，而本系統(tǒng)為消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境采用自助式定位，因而能避免信號(hào)傳輸不暢、無(wú)法定位問(wèn)題。