基于室內(nèi)外定位技術(shù)的消防應急指揮平臺的設計與實現(xiàn)

引言

火災是嚴重威脅人類生存和發(fā)展的常發(fā)性災害之一，具有發(fā)生頻率高、時空跨度大，造成的損失與危害嚴重等特點叫隨著社會科技的發(fā)展，火災報警或指揮調(diào)度的信息系統(tǒng)越來越多地應用到消防應急救援中，逐步向“科技消防”和“智能消防”的目標邁進。目前，縱觀國內(nèi)外，基于地理信息系統(tǒng)(GIS)、3G通信、虛擬現(xiàn)實、全球定位技術(shù)、視頻監(jiān)控等多種技術(shù)，構(gòu)建了大量的消防應急指揮系統(tǒng)，如基于GIS的消防應急指揮系統(tǒng)，基于3G通信技術(shù)的消防應急指揮系統(tǒng)，基于WebGIS的消防應急指揮系統(tǒng)，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的消防應急指揮系統(tǒng)等。

消防救援指揮決策必須依賴于各種定位信息，如消防員位置、消防車輛位置、消防設施及被困群眾位置信息等。目前,GPS技術(shù)、北斗導航技術(shù)等室外定位技術(shù)已被應用到消防應急指揮工作中，為消防應急指揮提供了實時的消防人員及消防車輛室外定位、救援路線規(guī)劃等服務。然而，消防員在室內(nèi)的實時位置信息，對消防救援具有極其重要的意義，但由于缺乏有效的室內(nèi)地圖和室內(nèi)定位技術(shù)的支持，目前消防應急救援指揮還僅停留在利用監(jiān)控技術(shù)來實現(xiàn)對室內(nèi)信息的及時掌控,而無法滿足消防應急指揮業(yè)務的需求。

近年來，室內(nèi)定位技術(shù)日趨成熟，如：文獻提出了一種運用無線射頻(RFID)技術(shù)提高室內(nèi)空間定位精度的方法,并通過實驗進行了驗證；文獻提出INS和GSM混合定位;文獻提出利用兩種濾波器進行數(shù)據(jù)融合的DGPS和WUB結(jié)合定位算法；文獻將DGPS和UWB結(jié)合定位，利用Kalman濾波器對UWB非視距誤差(NLOS)進行消除，采用粒子濾波器對不同傳感器進行數(shù)據(jù)融合，并使用GPRS通信模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸-隨著定位技術(shù)的發(fā)展，為消防應急救援指揮提供了室內(nèi)定位信息的支撐-

室內(nèi)地圖是限制室內(nèi)定位技術(shù)在消防指揮決策中應用的一個主要障礙-與成熟的室外電子地圖相比，室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一的標準規(guī)范，使得室內(nèi)電子地圖的生產(chǎn)、更新、維護和數(shù)據(jù)共享成為難點-室內(nèi)地圖的研究和應用基本上還處于起步階段-目前，室內(nèi)地圖服務已引起廣泛關(guān)注-一些公司正在繪制購物中心、會議中心和機場等大規(guī)模建筑空間的室內(nèi)地圖,以填補建筑內(nèi)部地理信息空白-微軟、百度、谷歌等廠商相繼發(fā)布了室內(nèi)地圖服務，實現(xiàn)了一些大城市的大型商店和機場的室內(nèi)地圖功能。

總之，現(xiàn)有消防應用平臺缺少室內(nèi)定位及室內(nèi)地圖的支持，使得火災現(xiàn)場指揮員主要依靠經(jīng)驗和直覺來指揮部隊、實施搶險救援活動，這勢必導致指揮具有很大的盲目性，缺少科技依據(jù)，從而大大降低了滅火救援的成功率和效率-為了把人員傷亡和火災損失控制在最小程度，需要消防部隊具有高效的指揮系統(tǒng)和科學的決策系統(tǒng)-基于室內(nèi)定位技術(shù)的消防應急指揮系統(tǒng)旨在建立一種集定位、指揮于一體的消防應急指揮系統(tǒng)，可為消防應急救援指揮提供更加詳細、準確的空間位置信息，使消防應急救援決策更加高效、科學，具有較高的應用價值和廣泛的應用前景。

1系統(tǒng)設計

基于室內(nèi)外定位技術(shù)的消防應急指揮平臺(IndoorPositioningServiceBasedFireEmergentCommandPlatform,IPS_FECP)構(gòu)建的目的是基于室內(nèi)定位技術(shù)和室內(nèi)地圖技術(shù)，為消防應急指揮提供建筑內(nèi)部地理信息和消防終端的室內(nèi)定位信息，支持消防救援指揮，其系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。一個完整的IPS_FECP系統(tǒng)由指揮平臺服務器、服務器控制程序和客戶端3部分構(gòu)成，其中客戶端包括普通用戶手持終端、消防員手持終端、指揮中心指揮系統(tǒng)和移動指揮系統(tǒng)4種。其中普通用戶手持終端為受災群眾持有的裝有室內(nèi)定位軟硬件的手持設備，可以將被困群眾的位置信息傳遞到服務器；消防員手持終端為消防員持有的具有室內(nèi)定功能的手持專業(yè)設備，將消防員位置信息及火場信息實時傳送到服務器；指揮平臺服務器接收并維護普通用戶手持終端及消防員手持終端發(fā)來的信息，實現(xiàn)消防信息共享與同步，為消防指揮系統(tǒng)(指揮中心指揮系統(tǒng)及移動指揮系統(tǒng))提供室內(nèi)外位置服務及地圖服務，指揮中心指揮系統(tǒng)主要實現(xiàn)消防員及被困群眾的位置動態(tài)跟蹤顯示及室內(nèi)外地圖顯示，為消防救援指揮提供決策支持信息；移動指揮系統(tǒng)則是指揮中心指揮系統(tǒng)在移動設備上的實現(xiàn)。

IP_FECP的核心問題是室內(nèi)外定位服務及室內(nèi)外地圖服務，不同消防設備及系統(tǒng)間的信息通訊，主要包括以下幾部分:

室內(nèi)外地圖一體化顯示。通過室內(nèi)外地圖關(guān)聯(lián)表，實現(xiàn)室外地圖與室內(nèi)地圖關(guān)聯(lián)。通過點擊室外建筑物，進入建筑物的室內(nèi)地圖，并實現(xiàn)以建筑物為單元的建筑物室內(nèi)地圖組織方式和地圖瀏覽；

室內(nèi)救援路徑分析。通過將同一建筑物內(nèi)各樓層的室內(nèi)疏散通道根據(jù)樓梯信息進行自動連接，生成樓宇的疏散網(wǎng)絡。在此基礎(chǔ)上，基于GIS路徑分析算法，實現(xiàn)室內(nèi)救援路徑分析功能；

室內(nèi)外定位信息的共享與顯示。能夠接收并解析消防員手持終端、普通用戶手持終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將接收到的信息實時發(fā)送到指揮中心服務器；能在室內(nèi)地圖中動態(tài)跟蹤與顯示接收到的消防員手持終端信息和普通用戶手持終端信息。

由于IPS_FECP中各個子系統(tǒng)需要部署到多種類型設備(移動設備、服務器及普通PC等)，因而對各系統(tǒng)間的程序可重用性、系統(tǒng)間的信息通信與信息共享提出了嚴格要求。本IPS_FECP原型系統(tǒng)基于Flex技術(shù)實現(xiàn)，主要是考慮到Flex技術(shù)的跨平臺性、跨設備性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)各系統(tǒng)間的程序可重用性，解決不同系統(tǒng)平臺間的信息通信與共享。

IPS_FECP系統(tǒng)總體設計架構(gòu)如圖2所示。

其中普通用戶手持終端及消防員手持終端通過HTTP信道，向服務器端實時發(fā)送位置信息及火場信息；指揮平臺服務器包括室內(nèi)外地圖服務器和消防信息共享服務器兩部分。室內(nèi)外地圖服務器基于ArcGISServer技術(shù)向指揮中心指揮系統(tǒng)及移動指揮系統(tǒng)提供室內(nèi)外地圖服務。消防信息服務器通過HTTP信道，接收普通手持終端及消防員手持終端傳來的信息，基于WCF(WindowsCommunicationFoundation)技術(shù)實現(xiàn)消防信息的共享，為移動指揮系統(tǒng)和指揮中心指揮系統(tǒng)提供室內(nèi)外定位信息和火場信息。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

基于以上設計，使用Flex技術(shù)、WCF技術(shù)及ArcGISServer技術(shù)開發(fā)了IPS_FECP原型系統(tǒng)。其中，普通群眾手持終端及消防員手持終端由第三方提供。本文重點介紹指揮平臺服務器及其控制系統(tǒng)，指揮中心指揮系統(tǒng)及移動指揮系統(tǒng)的實現(xiàn)。

2.1指揮平臺服務器及其控制系統(tǒng)

指揮平臺服務器由消防信息共享服務器和室內(nèi)外地圖服務器組成，如圖2所示。其中，室內(nèi)外地圖服務器是基于ArcGISServer技術(shù)實現(xiàn)的，它為指揮中心指揮系統(tǒng)及移動指揮系統(tǒng)提供室內(nèi)外地圖服務；消防信息共享服務器提供消防指揮信息的共享及同步服務，主要包括3個模塊：一是消防信息共享服務器?；赪CF技術(shù)在服務器端維持終端對象列表，提供消防信息共享；二是WCF服務控制模塊。該模塊主要實現(xiàn)WCF服務的控制功能，包括服務器地址及端口設置，及服務器啟動與停止;三是ASP.Net通信服務模塊。該模塊定義了一個線程，基于HTTP協(xié)議間隔訪問第三方提供的消防信息服務(ASP.NetWeb服務)，獲取消防員手持終端或普通用戶手持終端的狀態(tài)信息。

服務器控制系統(tǒng)主要提供服務器控制功能，其整體界面如圖3所示。其中監(jiān)聽面板提供監(jiān)聽接口設置，監(jiān)聽線程控制(開始、停止)功能；ASP服務器面板提供ASP服務器設置與控制功能，能夠添加所要監(jiān)聽的終端，提供服務器地址設置和監(jiān)聽線程控制(開始、停止)功能；而服務器終端列表面板則提供服務器終端實時信息顯示和終端服務器端對象管理功能,包括添加、刪除、更新等。

2.2指揮中心指揮系統(tǒng)

指揮中心指揮系統(tǒng)部署于消防指揮大廳的PC上。消防指揮人員通過該系統(tǒng)來實時跟蹤消防員位置信息，進行預案查詢管理、指揮調(diào)度以及災民疏散控制。其核心功能包括室內(nèi)外地圖展示和實時跟蹤消防員位置信息。

圖4所示是指揮中心指揮系統(tǒng)圖。其中圖4(a)左上部分為指揮平臺功能面板，左下角為指揮平臺消防員終端信息列表，右半部分為室外地圖面板。圖4(b)右半部分顯示了所選建筑物的室內(nèi)地圖。鑒于消防業(yè)務需求，系統(tǒng)默認打開四個樓層的室內(nèi)地圖，分別可展示著火層、著火層上一層、著火層下一層及監(jiān)控中心所在樓層四個與消防指揮緊密相關(guān)樓層的室內(nèi)地圖。每個室內(nèi)地圖窗口，都可以獨立控制其所顯示的樓層和地圖范圍。

2.3移動指揮系統(tǒng)

移動指揮系統(tǒng)實現(xiàn)的功能與指揮中心指揮系統(tǒng)類似，不同之處是將其部署于移動端上，使得消防指揮車上的人員也能及時利用該平臺進行指揮調(diào)度。移動指揮系統(tǒng)基本界面如圖5所示，其中圖5(a)上半部分為消防員終端列表，下半部分為室外地圖。與指揮中心指揮系統(tǒng)一樣，用戶點擊室外地圖建筑物，可進入該建筑物的室內(nèi)地圖，如圖5(b)所示。考慮到移動設備的屏幕限制，移動指揮系統(tǒng)只打開了一個室內(nèi)地圖窗口。

3應用案例

本案例以C#語言實現(xiàn)了一個消防員終端模擬器，以模擬消防員位置的動態(tài)移動，并與指揮平臺服務器交互。指揮中心指揮系統(tǒng)及移動指揮系統(tǒng)實時更新和顯示普通用戶手持終端和消防員手持終端的位置坐標和電話號碼等信息，分別如圖4(a)及5(a)所示。點擊室外地圖的建筑物，進入建筑物室內(nèi)地圖，實現(xiàn)消防員位置動態(tài)跟蹤，分別如圖4(b)及5(b)所示。

4結(jié)語

重大危險源和人員密集場所的滅火救援指揮是消防救援的兩大困難。由于缺少定位信息和室內(nèi)地圖信息，通常會導致樓內(nèi)人員找不到消防通道、消防員找不到被困者、消防指揮員無法確定消防員在火場中的具體位置等問題。因此，消防應急指揮，特別是在重大危險源和人員密集場所，需要一個消防應急指揮平臺為消防應急指揮提供室內(nèi)定位及室內(nèi)地圖的支持，從而輔助消防指揮員能夠?qū)崟r做出準確的救援決策。盡管目前已研發(fā)了各種消防應急救援指揮系統(tǒng)，但受限于室內(nèi)定位技術(shù)及室內(nèi)地圖的發(fā)展，目前的消防應急救援指揮系統(tǒng)仍然不能為消防應急指揮提供內(nèi)定位及室內(nèi)地圖信息。針對此問題,本文使用室內(nèi)外一體化地理信息系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合目前的室內(nèi)定位技術(shù)，研制了一個具有通用性、實用性的消防應急指揮平臺原型系統(tǒng)，為消防指揮員提供高層建筑及人員密集場所內(nèi)消防設施、戰(zhàn)斗員、被困群眾的準確定位信息，解決了室內(nèi)外地圖服務、消防室內(nèi)外定位信息的跟蹤與顯示、消防應急指揮平臺各子系統(tǒng)間的信息通信、共享與同步等關(guān)鍵問題。但目前該系統(tǒng)還處于初始階段，未來需要緊密結(jié)合消防業(yè)務需求，加入更多的消防指揮業(yè)務功能，實現(xiàn)消防救援“情報信息多元化,通信手段多樣化，輔助決策科學化，指揮控制實時化，指揮終端智能化”的要求。

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