一种针对火场消防队员的作战跟踪系统及其方法
【专利摘要】本发明提供一种针对火场消防队员的作战跟踪系统及其方法，该系统包括鞋体、位置标签和消防指挥系统，所述鞋体在鞋底脚后跟位置设有微控制单元、GPS模块、惯导系统模块、标签识别模块、环境感应传感模块、报警模块、通讯模块以及电源。标签识别模块用于扫描识别建筑物内的位置标签，获取标签所在位置的三维绝对坐标值；鞋体通过通讯模块与消防指挥系统进行通讯传递数据。其有益效果在于：本发明定位系统与消防队员的专用鞋结合，实现火场作战消防队员的实时位置跟踪和火场灾情的实时检测监控，并通过通讯模块及时反馈于指挥人员，方便指挥人员掌握全局，最大程度的保证人民生命财产安全，降低火灾损失。
【专利说明】一种针对火场消防队员的作战跟踪系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及定位跟踪系统及其方法，特别涉及一种针对火场消防队员的作战跟踪 系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 城市快速发展的同时也带来了巨大的火灾安全隐患，诱发火灾因素急剧增多，火 灾一旦发生或救援不及，将会给人民的生命财产带来巨大的损失，这就给公安消防的灭火 抢险工作提出了更高的要求。在实际火灾现场，消防队员凭着对火灾建筑的记忆路线冲在 救险一线，但火场内部情况的复杂多变，不仅使得灭火救险效率低，甚至还可能威胁自身安 全。
[0003] 卫星导航技术的发展使得室外位置服务应用日益广泛，但由于建筑物等障碍物的 遮挡，使得室内卫星信号急剧减弱甚至不存在，导致基于卫星信号的精确室内定位无法实 现。也使得消防指挥人员无法获得当前火场作战队员的实时位置而难以进行指挥、调度和 引导工作。专利号为【CN 203275661U】一种针对火场消防队员的室内定位系统，提出以GPS 定位信息作为初始位置，利用惯导系统进行位置估算来实现消防队员室内位置的实时获 取。但惯导系统本身受环境影响较大，且存在误差累积特征，在长时间运作时，定位精度大 大降低。而更多基于WIFI等无线技术的室内定位，由于火灾发生时，难以保证电路的完备 性，所以依靠外在的无线设备定位技术在火灾现场并不可靠。
[0004] 申请公布号为【CN 103499808 A】将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中 的方法，提出在建筑物内部人员可能到达的区域内布置好无源RFID标签，并在建筑物设计 图纸上标定每个RFID标签的室内位置坐标及其安装方向信息，通过消防员佩戴的智能头 盔上安装的RFID阅读器对标签进行识别读取相应的位置坐标。该专利采用一对多的超高 频RFID标签识别技术，根据采集到的信号强度配合基于相关运算定位算法程序实现室内 定位。该定位技术的定位精度与算法程序关系紧密，目前市场上尚无该类成熟的定位产品。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述现有技术缺陷以及实现上述功能，本发明提供一种针对火场消防队 员的作战跟踪系统及其方法，它能够有效帮助火场指挥人员快速做出精准合理的指挥、调 度以及引导决策，最大程度的保障人民生命财产安全，降低火灾损失。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种针对火场消防队员的作战跟踪系 统，该系统包括鞋体、位置标签和消防指挥系统；
[0007] 所述鞋体包括有鞋帮和鞋底，在鞋底脚后跟位置设有微控制单元、GPS模块、惯导 系统模块、标签识别模块、环境感应传感模块、报警模块、通讯模块以及电源；微控制单元与 GPS模块、惯导系统模块、标签识别模块、环境感应传感模块、报警模块、通讯模块以及电源 分别连接。
[0008] 所述鞋体上设有一开关按钮和一应急呼救按钮；
[0009] 所述鞋体上的标签识别模块包括一阅读器和一天线，用于识别室内绝对坐标信 息；其中，阅读器通过天线与建筑物内部设定的位置标签进行无线通信，实现位置标签中位 置信息的识别读取；鞋体通过标签识别模块读取位置标签的位置信息；
[0010] 所述消防指挥系统，其载体终端是台式电脑或手提电脑PC设备，鞋体通过通讯模 块向该消防指挥系统进行通讯传递数据。
[0011] 所述鞋体上的通讯模块为GSM、GPRS、3G或4G通讯模块之一。
[0012] 一种针对火场消防队员的作战跟踪方法，包括以下步骤：
[0013] (1)消防支队在建筑物部署消防设施或制作消防预案时，在建筑物内部房间内及 通道上便于消防队员踩踏经过的地方，直线以10米间隔、转弯处在拐点位置安置位置标 签，在标签内写入对应位置的绝对三维坐标信息；
[0014] (2)接到火灾报警后，消防队员按下鞋体上设置的开关按钮，启动定位跟踪和灾情 检测模式；指挥人员在消防指挥系统上打开发生火场的建筑物三维结构图，并启动接收消 防队员的位置信息和环境指标数据，设置接收频率后开始接收；
[0015] (3)定位系统的鞋体在微控制单元的控制下，自主选择定位模式：当卫星信号很 强的情况下，单独启动GPS定位模式；在卫星信号弱或不存在时，自动切换至惯导系统，并 以前一时刻的GPS定位信息作为初始位置，继续定位；进入建筑物后，当消防队员靠近任意 位置标签时，鞋体上的标签识别模块便对其进行阅读并解密获取绝对三维坐标信息，越靠 近位置标签，所获取的位置信息越准确，然后微控制单元将所获取的三维坐标作为惯导系 统的新初始位置信息，连续进行高精度的惯导定位。
[0016] ⑷环境感应传感模块在微控制单元的控制下，启动该模块中的温度传感器、气 体传感器、湿度传感器和气压传感器，分别开始检测火灾现场的温度、多种气体的类型及浓 度、湿度和气压值的环境指标；利用所述的气体传感器对火灾现场的气体类型进行识别并 检测其浓度，当一氧化碳有毒有害气体浓度超标时，微控制单元向报警模块发送相应气体 超标指令，触发语音警报，告知消防队员超标气体类型及浓度值，通知消防队员做好撤离或 防护准备；
[0017] (5)微控制单元按照所设置频率将消防队员的三维位置信息和表达火场灾情的环 境指标数据通过通讯模块发送至消防指挥系统；此时，消防队员位置在消防指挥系统的三 维结构图中直观显示；根据接收的环境指标数据，消防指挥系统自动发出蓝色/黄色/橙色 /红色不同级别的警报信息；
[0018] (6)指挥人员根据消防队员及时反馈的火场灾情，进一步分析火场事态，进行有序 的指挥、引导工作；当消防指挥员在三维图上发现消防队员的位置出现异常，迅速确定消防 队员附近可能的位置标签，并通知消防队员以最快方式进行位置更正，获取新初始位置信 息继续高精度定位；当消防指挥人员接到环境指标超标警报后，根据警报等级，向消防队员 下达撤离或防护相应指令；
[0019] (7)消防队员在火场作战过程中，如遇到突发威胁，继续支援或救援的情况下，迅 速按下应急呼救按钮；呼救信号由微控制单元通过通讯模块立即发送至消防指挥系统；指 挥人员接收呼救信息后迅速做好救援引导和救援调度决策；
[0020] (8)火场救灾一切工作完成后，消防人员按下开关按钮，关闭鞋体的功能模式。
[0021] 有益效果，由于采用了上述方案：将GPS定位技术、惯导技术和射频技术三者结 合，实现室内外的高精度定位；同时利用传感技术实现火灾现场的环境指标实时检测监控； 将消防队员的位置信息和火场灾情环境指标一起通过通讯模块传递给指挥人员，让指挥人 员及时掌握火场全局，从而提高指挥、调度以及引导的决策能力。
[0022] ①该系统采用非接触式、自动识别的RFID射频技术，其识别工作无须人工干预， 且可工作于各种恶劣环境。利用该射频技术，当识别模块靠近标签时，一次仅识别一个标 签，获取对应的位置信息，及时纠正惯导系统的定位结果，极大的提高了室内定位精度；
[0023] ②该系统将GPS定位技术、惯导定位技术和射频技术三者结合，能够实现实时的、 高精度的室内外定位，保障消防指挥人员对消防队员的实时位置跟踪；
[0024] ③该系统还结合使用了传感技术，利用环境感应传感器中的温度传感器、多气体 传感器、湿度传感器、气压传感器分别检测火场的温度、气体类型及浓度、湿度和气压值等 环境指标。通过通讯模块将这些环境指标数据发送给指挥人员，使得消防指挥人员能够及 时掌握火场灾情；
[0025] ④该系统及其方法与鞋类结合，在保障实时定位与火场灾情检测监控的同时，因 无需携带额外定位监测的硬件设备而很大程度地提高了消防队员的作战效率；
[0026] ⑤与鞋类结合，其设计简单，安装便捷，因无需额外购买定位和灾情检测功能的载 体硬件而大大的降低了制造成本；
[0027] ⑥该系统及方法有效的帮助消防指挥人员及时掌握消防作战人员的实时位置及 火场实时灾情，统筹把握火场全局，从而很大程度上提高其指挥、调度和引导的决策能力， 保障人民生命财产安全，尽最大可能降低火灾损失。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明所述系统的总体结构框图。
[0029] 图2为本发明所述系统的作战跟踪方法流程图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0031] 实施例1 :在图1中，一种针对火场消防队员的作战跟踪系统，该系统包括鞋体、位 置标签和消防指挥系统，所述鞋体包括有鞋帮和鞋底，在鞋底脚后跟位置设有微控制单元、 GPS模块、惯导系统模块、标签识别模块、环境感应传感模块、报警模块、通讯模块以及电源。 微控制单元与GPS模块、惯导系统模块、标签识别模块、环境感应传感模块、报警模块、通讯 模块以及电源分别连接。
[0032] 所述鞋体上的标签识别模块包括一阅读器和一天线，用于识别室内绝对坐标信 息；其中，阅读器通过天线与建筑物内部设定的位置标签进行无线通信，实现位置标签中位 置信息的识别读取；鞋体通过标签识别模块读取位置标签的位置信息。
[0033] 所述位置标签是RFID标签，包含位置点的三维坐标信息。
[0034] 所述消防指挥系统，其载体终端是台式电脑或手提电脑等PC设备。在该PC设备 上装载消防指挥系统，包括建筑物三维结构图，三维结构图上直观显示建筑物内外消防设 施和内部位置标签的空间分布。所述鞋体通过通讯模块向该消防指挥系统通讯传递数据。
[0035] 在鞋体还设有充电插口，该充电插口通过软导线与鞋体内的电源连接，且有线连 接外部电源。
[0036] 在鞋体还设有一按钮组，该按钮组包括一开关按钮和一应急呼救按钮。所述开关 按钮通过导线连接微控制单元，用于控制鞋体定位和灾情检测功能的状态模式；所述应急 呼救按钮与微控制单元连接，用于当作战消防队员遇到突发威胁急需支援、救援的时候，通 过通讯模块向指挥人员传递求援信息。
[0037] 所述鞋体上的GPS模块用于室外定位，惯导系统模块用于室内或卫星信号微弱环 境定位，标签识别模块用于识别室内绝对位置信息。由于室内卫星信号骤减甚至不存在，导 致卫星定位系统在室内环境无法使用，而惯导系统因极易受环境的磁场等因素影响，且具 有误差累积特征，长时间的定位精度势必大大降低。因此当采用惯导系统进行室内定位时， 需要在适当的时间为其重新设置初始位置以消除累积误差。消防支队在建筑物部署消防设 施或制作消防预案时，在建筑物内部，直线处按10米间隔、转弯处在拐点位置安置位置标 签，标签的布设方案可按实际需求而定，该标签的唯一标识符是该位置的三维坐标。所述鞋 体消防跟踪盒中的标签识别模块，当火场作战的消防人员近距离接近该位置标签时，即能 扫描识别并解密获取当前的三维坐标，距离越靠近，获取的位置信息越准确，然后将其作为 惯导系统的新初始位置信息。从而实现指挥人员对火场消防作战人员的三维位置监控。
[0038] 所述鞋体上的环境感应传感模块包括温度传感器、气体传感器、湿度传感器、气压 传感器，分别用于检测温度、多种气体的类型及浓度、湿度和气压值等环境指标。火灾现场 经常集聚有一氧化碳、二氧化碳以及其他多种有毒有害气体，利用该多气体传感器进行火 场气体类型的识别及其浓度检测。环境感应传感模块所采集环境指标数据由微控制单元通 过通讯模块传递于指挥人员，便于消防指挥人员实时掌握火场灾情。
[0039] 所述鞋体上的通讯模块是GSM、GPRS、3G或4G通讯模块之一.
[0040] 一种针对火场消防队员的作战跟踪方法，包括以下步骤：
[0041] (1)消防支队在建筑物部署消防设施或制作消防预案时，在建筑物内部房间内及 通道上便于消防队员踩踏经过的位置，直线以10米间隔、转弯处在拐点安置位置标签，在 标签内写入对应位置的绝对三维坐标信息。
[0042] (2)接到火灾报警后，消防队员按下鞋体上设置的开关按钮，启动定位跟踪和灾情 检测模式；指挥人员在消防指挥系统上打开发生火场的建筑物三维结构图，并启动接收消 防队员的位置信息和环境指标数据，设置接收频率后开始接收。
[0043] (3)定位系统的鞋体在微控制单元的控制下，自主选择定位模式：当卫星信号很 强的情况下，单独启动GPS定位模式；在卫星信号弱或不存在时，自动切换至惯导系统，并 以前一时刻的GPS定位信息作为初始位置，继续定位。进入建筑物后，当消防队员靠近任意 位置标签时，鞋体上的标签识别模块便对其进行阅读并解密获取绝对三维坐标信息，越靠 近位置标签，所获取的位置信息越准确，然后微控制单元将所获取的三维坐标作为惯导系 统的新初始位置信息，连续进行高精度的惯导定位。
[0044] (4)环境感应传感模块在微控制单元的控制下，启动该模块中的温度传感器、气体 传感器、湿度传感器、气压传感器，分别开始检测火灾现场的温度、多种气体的类型及浓度、 湿度和气压值的环境指标。利用所述的气体传感器队火灾现场的气体类型进行识别并检测 其浓度，当一氧化碳等有毒有害气体浓度超标时，微控制单元向报警模块发送相应气体超 标指令，触发语音警报，告知消防队员超标气体类型及浓度值，通知消防队员做好撤离或防 护准备。
[0045] (5)微控制单元按照所设置频率将消防队员的三维位置信息和表达火场灾情的环 境指标数据通过通讯模块发送至消防指挥系统。此时，消防队员位置在消防指挥系统的三 维结构图中直观显示；根据接收的环境指标数据，消防指挥系统自动发出蓝色/黄色/橙色 /红色不同级别的警报信息。
[0046] (6)指挥人员根据消防队员及时反馈的火场灾情，进一步分析火场事态，进行有序 的指挥、引导工作。当消防指挥员在三维图上发现消防队员的位置出现异常，迅速确定消防 队员附近可能的位置标签，并通知消防队员以最快方式进行位置更正，获取新初始位置信 息继续高精度定位；当消防指挥人员接到环境指标超标警报后，根据警报等级，向消防队员 下达撤离或防护等相应指令。
[0047] (7)火场救灾一切工作完成后，消防人员按下开关按钮，关闭鞋体的功能模式。
[0048] 实施例2 :消防队员在火场作战过程中，遇到了突发威胁，急需外界力量的支援和 救援，此时消防队员便可以迅速按下应急呼救按钮，呼救信号由微控制单元通过通讯模块 立即发送至消防指挥系统，其发送机制不受消防指挥系统所设定的接收频率影响，而是采 取触发即发送的模式；当指挥人员接收到呼救信息后以最快速度做好救援引导和救援调度 的决策。与它与实施例1同。
【权利要求】
1. 一种针对火场消防队员的作战跟踪系统，其特征是：该系统包括鞋体、位置标签和 消防指挥系统；所述鞋体包括有鞋帮和鞋底，在鞋底脚后跟位置设有微控制单元、GPS模 块、惯导系统模块、标签识别模块、环境感应传感模块、报警模块、通讯模块以及电源；微控 制单元与GPS模块、惯导系统模块、标签识别模块、环境感应传感模块、报警模块、通讯模块 以及电源分别连接；在鞋体上设有一开关按钮和一应急呼救按钮； (1) 所述鞋体上的标签识别模块包括一阅读器和一天线，用于识别室内绝对坐标信息； 其中，阅读器通过天线与建筑物内部设定的位置标签进行无线通信，实现位置标签中位置 信息的识别读取；鞋体通过标签识别模块读取位置标签的位置信息； (2) 所述消防指挥系统，其载体终端是台式电脑或手提电脑等PC设备，鞋体通过通讯 模块向该消防指挥系统进行通讯传递数据。
2. 根据权利要求1所述的一种针对火场消防队员的作战跟踪方法，其特征在于，包括 以下步骤： (1) 消防支队在建筑物部署消防设施或制作消防预案时，在建筑物内部房间内及通道 上便于消防队员踩踏经过的地方，直线以10米间隔、转弯处在拐点位置安置位置标签，在 标签内写入对应位置的绝对三维坐标信息； (2) 接到火灾报警后，消防队员按下鞋体上设置的开关按钮，启动定位跟踪和灾情检测 模式；指挥人员在消防指挥系统上打开发生火场的建筑物三维结构图，并启动接收消防队 员的位置信息和环境指标数据，设置接收频率后开始接收； (3) 定位系统的鞋体在微控制单元的控制下，自主选择定位模式：当卫星信号很强的情 况下，单独启动GPS定位模式；在卫星信号弱或不存在时，自动切换至惯导系统，并以前一 时刻的GPS定位信息作为初始位置，继续定位；进入建筑物后，当消防队员靠近任意位置标 签时，鞋体上的标签识别模块便对其进行阅读并解密获取绝对三维坐标信息，越靠近位置 标签，所获取的位置信息越准确，然后微控制单元将所获取的三维坐标作为惯导系统的新 初始位置信息，连续进行高精度的惯导定位； (4) 环境感应传感模块在微控制单元的控制下，启动该模块中的温度传感器、气体传感 器、湿度传感器、气压传感器，分别开始检测火灾现场的温度、多种气体的类型及浓度、湿度 和气压值的环境指标；利用所述的气体传感器队火灾现场的气体类型进行识别并检测其浓 度，当一氧化碳等有毒有害气体浓度超标时，微控制单元向报警模块发送相应气体超标指 令，触发语音警报，告知消防队员超标气体类型及浓度值，通知消防队员做好撤离或防护准 备； (5) 微控制单元按照所设置频率将消防队员的三维位置信息和表达火场灾情的环境指 标数据通过通讯模块发送至消防指挥系统；此时，消防队员位置在消防指挥系统的三维结 构图中直观显示；根据接收的环境指标数据，消防指挥系统自动发出蓝色/黄色/橙色/红 色不同级别的警报信息； (6) 指挥人员根据消防队员及时反馈的火场灾情，进一步分析火场事态，进行有序的指 挥、引导工作；当消防指挥员在三维图上发现消防队员的位置出现异常，迅速确定消防队员 附近可能的位置标签，并通知消防队员以最快方式进行位置更正，获取新初始位置信息继 续高精度定位；当消防指挥人员接到环境指标超标警报后，根据警报等级，向消防队员下达 撤离或防护的相应指令； (7) 消防队员在火场作战过程中，如遇到突发威胁，急需支援或救援的情况下，迅速按 下鞋体上设置的应急呼救按钮；呼救信号由微控制单元通过通讯模块立即发送至消防指挥 系统；指挥人员接收呼救信息后迅速做好救援引导和救援调度决策； (8) 火场救灾一切工作完成后，消防人员按下开关按钮，关闭鞋体的功能模式。
【文档编号】G01S19/48GK104155670SQ201410378251
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】王坚, 刘春燕, 胡安冬, 汪云甲 申请人:中国矿业大学