一种数字化消防单兵通信系统及数据感知采集通信方法与流程

本发明涉及一种消防救援领域的应急救援技术，具体为一种数字化消防单兵通信系统及数据感知采集通信方法。

背景技术：

1、据消防救援局统计，我国每年在灭火救援行动中牺牲的消防员大概有30人左右，牺牲的消防员大部分是只有20岁左右的年轻人。如何最大限度保障消防员在执行任务过程中的安全，减少消防员的伤亡，当下已迫在眉睫。在所有导致消防员伤亡的直接原因中，轰燃爆炸、迷途被困、中毒窒息在所有伤亡原因中占比较高，而发生消防员伤亡的主要场景集中在城市高层超高层建筑、地下空间以及大型综合体等场所。

2、消防员生命安全保障作为一个综合性的研究课题，涉及到防护装备、专业技能训练、风险评估等等多个科研领域，而单兵的数字化、智能化装备的配备，虽然不能为单兵提供物理防护，但其在信息通信、环境感知、趋势预测等方面的辅助，在救援过程中起到非常重要的作用。目前我国数字化消防单兵装备在智能化、集成化方面还具以下不足：其一，集成化水平不高，集成过程中由于缺少国家标准或行业标准的规范，导致各类单兵装备仅仅是功能的叠加，不同装备间不发生直接关联，最终单兵在应急救援过程中需要携带多种装备、线缆连接也较为复杂，操作较为复杂，导致单兵的负重增加，不利于单兵发挥个体的行动灵活优势；其二，信息感知能力较弱，复杂建筑场所(在消防灭火救援领域中，复杂建筑指城市中的高层超高层、地下空间、超大综合体和化工场所，此类建筑场所救援难度大，应急通信保障困难，处置不当极易导致人员伤亡和财产损失)在灾害事故发生时，现场信息种类繁杂，具体包含单兵生命体征信息、环境有毒有害气体信息、空间位置信息、建筑结构信息等，而且这些信息随着救援的进展会发生实时变化，如何依托单兵装备实时采集现场信息，一方面可以提升对单兵的防护，预警单兵可能会遭遇的危险，以达到提前避险的目的，另一方面也可以为辅助决策、科学指挥提供助力，提升指挥员的决策能力；其三，通信适应性能不强，传统消防救援队伍使用的350mhz集群通信系统，通过固定站、车载台及终端的联合应用，能够有效覆盖城市辖区，但是对于覆盖建筑物内部，特别是当救援场所是城市中高层超高层建筑、地下空间及综合体等，350mhz集群通信会存在大量的盲区，通信失联的情况也时有发生。随着无线通信技术的不断进步，4g、5g网络通信技术在民用领域的应用，也为消防队伍救援应急通信保障提供了新的技术思路，多种制式通信网络的融合与兼容，提升应急通信保障能力以及通信冗余度，是未来应急通信保障领域的重要研究热点。

技术实现思路

1、针对现有技术中数字化消防单兵装备集成化水平不高、信息感知能力较弱以及通信适应性能不强等缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种可有效保障消防救援人员在应急救援过程中的生命安全的数字化消防单兵通信系统及数据感知采集通信方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供一种数字化消防单兵通信系统，包括配装于现场消防单兵的一个核心通信终端和多个组网节点，其中核心通信终端具有多种网络通信制式，由消防单兵随身携带，与邻近的一个或者多个组网节点无线互联互通，与现场其他消防单兵或现场指挥部的现场实战指挥平台指挥员进行音视频通信；核心通信终端直接无线接入现场实战指挥平台，或者通过组网节点无线接入现场实战指挥平台。

4、组网节点包括自组网射频功能实现单元和空间定位功能实现单元，均由节点供电单元提供工作电源，其中自组网射频功能单元包括600mhz射频模组和射频天线，实现建筑内部临时应急通信网的构建，为内部应急救援单兵提供内外通信网络；空间定位功能实现单元包括uwb-tag模组和nfc匹配模组，uwb-tag模组是单兵位置获取的测距参考点，nfc匹配模组与建筑物内建筑消防设施内的nfc模组匹配，实现参考点空间位置坐标的确定。

5、所述核心通信终端为手持通信终端，核心通信终端由指挥射频功能单元、体域射频功能单元以及空间定位功能辅助单元构成，均由核心通信供电单元提供工作电源，其中，空间定位功能辅助单元采集单兵的位置信息并传输给体域射频功能单元；体域射频功能单元将接收及采集的各类信息传输给指挥射频功能单元；指挥射频功能单元与现场指挥部的现场实战指挥平台建立无线射频链路。

6、所述空间定位功能辅助单元包括惯导定位模组、uwb定位模组以及北斗定位模组，在建筑空间内通过惯导定位模组和uwb定位模组获取单兵位置信息，在室外通过北斗定位模组获取单兵位置信息；空间定位功能辅助单元通过惯导定位模组、uwb定位模组以及北斗定位模组实现室内外位置信息的采集，并将数据传输给体域射频功能单元。

7、所述体域射频功能单元具有wi-fi射频模组和bluetooth射频模组，其中wi-fi射频模组用于采集宽带数据，bluetooth射频模组用于采集窄带数据；体域射频功能单元通过wi-fi射频模组和bluetooth射频模组实现各类信息的采集，并将数据传输至指挥射频功能单元。

8、所述指挥射频功能单元包括370mhz集群射频模组、4g lte公网射频模组、4g lte专网射频模组以及600mhz自组网射频模组其中，370mhz集群射频模组用于集群语音通信，当现场370mhz集群调度网不足以覆盖建筑空间时，语集群音通信由4g lte公网射频、4glte专网射频或600mhz自组网射频承载；自组网射频功能单元采用600mhz射频模组实现建筑内部临时应急通信网的构建，为内部应急救援单兵提供内外通信网络。

9、所述组网节点采用黏贴式卡扣结构自由固定于建筑空间内部的任意墙体上。

10、本发明还提供一种数字化消防单兵通信系统及数据感知采集通信方法，包括以下步骤：

11、1)初始坐标确定，以现场指挥部所在位置作为现场的坐标原点p0(x，y)，现场指挥部部署rtk基站，对室外北斗卫星获取的定位位置进行精度校准；

12、2)参考坐标获取，消防单兵进入建筑内部后部署组网节点，组网节点部署完毕开启电源，组网节点内nfc模组与消防设施内部或者外部的nfc模组进行匹配，获得多个参考坐标rpn(x，y)；

13、3)单点参考定位，判断建筑物内部单兵邻近的uwb-tag的参考坐标rpn(x，y)数量是否超过规定阈值；当参考坐标rpn(x，y)数量未超过规定阈值时，依托惯导定位模组和uwb定位模组单点测距实现单兵建筑物内部位置获取，逐渐消除惯导定位模组产生的累计误差；

14、4)多点参考定位，当建筑物内部单兵邻近的uwb-tag的参考坐标rpn(x，y)数量超过规定阈值时，建筑物内单兵位置采用uwb测距定位方式获取，实现惯导定位模组累计误差的重置；

15、5)单兵高度获取，计算消防单兵所在的高度，根据高度ht与该复杂建筑结构图进行对比，确定该单兵所处的楼层。

16、步骤3)中，依托惯导定位模组和uwb定位模组单点测距实现单兵建筑物内部位置获取，具体为：

17、301)应用惯导定位模组获取前序两个时刻的位置坐标，通过以下公式计算l1、l2以及l3

18、

19、

20、

21、上式中，t为时刻，代表本时刻需要进行位置计算或者位置获取，pt(x，y)为t时刻单兵所在位置的坐标，ptx为t时刻单兵所在位置的x坐标，ptyt时刻单兵所在位置的y坐标；t-1为前序1个时间间隔，pt-1(x，y)表示前序1个时间间隔所在时刻的单兵所在位置坐标，t-2为前序2个时间间隔，pt-2(x，y)表示前序1个时间间隔所在时刻的单兵所在位置坐标；

22、l1代表点pt到点pt-1的距离，l2代表点pt到点pt-2的距离，l3代表点pt到点rpn的距离；

23、302)在t时间侦测到存在uwb-tag，利用uwb测距法获取到pt点距离最近的三个参考点rp1、rp2、rp3的距离l1、l2、l3，将求取pt坐标的问题，转换为已知rp1(x，y)、rp2(x，y)、rp3(x，y)三点坐标以及pt到rp1、rp2、rp3参考点的距离l1、l2、l3，求取pt(x，y)点坐标的数学问题，进而获得单兵所在点在t时刻的坐标pt(x，y)。

24、步骤5)中，单兵高度获取方法为，以室外北斗定位获取的高程作为初始h0，根据该复杂建筑的结构图确定该参考点相对于h0的高度，单兵行进过程中的高度获取是根据距离最近的三个参考点rp1、rp2、rp3的高度h1、h2、h3，根据以下公式最终获得该点的高度ht，然后根据高度ht与该复杂建筑结构图进行对比，确定该单兵所处的楼层：

25、ht＝(h1+h2+h3)/3         (4)。

26、本发明具有以下有益效果及优点：

27、1.本发明将信息采集、通信设备进行高度集成，能够实现消防单兵系统装备的有效融合，有利于减轻单兵作战负重，更好地发挥单兵灵活作战的优势；

28、2.本发明将复杂建筑救援现场划分为现场指挥网以及单兵体域网，并建立了两个网络之间信息通信交换的方法，解决了当前消防救援队伍“一套装备一张网”导致的多通信干扰严重的问题，能够有效提高了现场应急通信的适应能力；

29、3.本发明建立了惯导定位与uwb测距定位相结合的混合定位技术，并将其应用复杂建筑救援现场的消防单兵室内定位，该特点在于单uwb-tag即可实现位置获取，多uwb-tag即可实现高精度定位，能够有效提升单兵救援过程中位置获取的精准度；同时该定位方法不同于传统uwb测距定位之处在于，应用uwb-tag实现uwb基站的位置定位，对于降低实施成本进行大范围应用具有重大的优势；

30、4.感知能力的提升，通过本发明实现了多路宽窄带射频的综合集成，为单兵体域网信息(环境信息、生命体征信息、有毒有害气体信息、位置信息、双光图像采集信息等)的感知预留了信息传输链路，通过与各类传感设备的无线连接，能够有效提升消防单兵在执行救援任务过程中对周围潜在危险的感知预警能力。