超高层建筑内部人员定位系统的研究与应用

研究与应用

21 0 2年第 3 l卷第 2期

传感器与微系统 ( rndcr n c ss m Tc nl is Tasue dMi oyt eh o g ) a r e oe

5 7

超高层建筑内部人员定位系统的研究与应用马鑫马伟疏学明， ,, 马小雯康燕，(. 1清华大学公共安全研究院工程物理系。京 1 08 北 0 04:

2北京科技大学计算机与通信工程学院。京 10 8 .北 0 03:3河北科技师范学院计算机系， .河北秦皇岛 0 60 ) 60 4

摘

要：超高层建筑防火是近年来公共安全领域的研究重点，而建筑物内部的人员定位则是其中的技术

难点。依托具体科研项目，以实际应用为出发点，出超高层建筑人员定位系统。介绍了系统的软、并开发 硬件开发平台，提出了超高层建筑室内定位的准则；重点分析了基于距离定位的三边测量法和三角形质心算法。仿真结果和误差分析表明：三角形质心算法更适合室内环境定位。关键词：超高层建筑；公共安全；定位系统；算法；仿真中图分类号：T 3 3 X9 3 2 P 9; 1 .文献标识码：A 文章编号：10 - 7 7 2 1 )20 5 -3 0 09 8 (0 2 0- 070 -

S u y a d a lc to fp r o e o a i a i n t d n pp ia i n 0 e s nn ll c l to z s s e n i gIrs u l i g; t m i sde hi h- ie b id n s y I Dl UMA X n,MA e HU X e mi g i W i,S u . n .MA Xi o w n a . e,K ANG n Ya

( . p rme t f n ier gP yisIs tt rP bi S ft sac, s g u nvri, 1De at n gn ei h s, t uef u l aeyReerh T i h aU iesy oE n c ni o c n t

B in 0 0 4 C ia e ig1 08, hn; j 2 S h o fC mp tra dC mmu iainE gneig U vri f c n e& T c n l yB in . c o l o ue n o o nct n iern, n es yo i c o i t Se eh oo e ig g j B in 0 0 3 C ia e ig1 08, hn; j3 De a m e to mp t r He e r lUn

v r i f S in e a d Te h oo . pr t n fCo u e, b iNo ma i e s y o c e c n c n l g t y.

Qih a g a 6 0 4, hn ) n u n d o0 6 0 C ia

Ab t a t F r rv n in o ih r e b i i g a l a sb e h e e r h f c si o i f u l a ey i s r c: i p e e t fh g— s u l n s h sa w y e n te r s a c o u n d man o b i sf t n e o i d p c

r c n e r, n h e s n e o aiain i sd ul i g n fte tc nc l i c lis T k n e p a t a e e ty a s a d t e p ro n l c l t n ie b i n si o e o h ia f u t . a i gt r ci l l z o d s h e df i e h ca p i ain ssa t g p i t a s se o e s n e o aiain i sd ih b i ig i e eo e a e n s e i c p l t sa t r n on, y t m fp ro n l c l t n i eh g u l n sd v lp d b s d o p cf c o i l z o d i

si t cr erh poet h ow r ad hrw r dvlp etpa om fss m ae it d cd te ce i e ac r c nf i s j .T e sf ae n a ae ee m n lfr s o yt r nr ue,h t d o t e olc l ai n c tr n i sd i h rs u l i g i p o o e . k n h o u e n lss o e lc l ain me h d o ai t r e o n i e h g— e b i n s r p s d Ma i g te f c s d a ay i n t o ai t t o z o i i i d h z o

b s d o it n ei cu i gTr a e ain a d T a g eCe t i . h i lt n r s l a d er ra ay i h wst a a e n d s c n l d n i t rt n r n l n r d T e s a l o i o mua i e u t n ro n lsss o t o ht a ge c n r i l o i m smoe s i b e fr id o o aia

in r n l e tod ag r h i r u t l o n o rl c l t . i t a z o Ke r s h g—ie b i i g;p bi a ey o aiain s se;ag r h;smu ai n y wo d: i h rs u l n s u l s t;l c lz t y tm d c f o lo t m i i lt o

0引言

生 11 0起，于这类高层建筑，对一旦发生火灾或者其他紧急事件，员救援与应急疏散将变得尤为重要。人

超高层建筑物具有规模大、构复杂、员密集等特结人点，其公共安全问题涉及到消防、防等各种系统，一个安是复杂多元多系统的协同工作，给应急管理和救援指挥带来了巨大的挑战。据了解，国现有高层建筑 12 0我 6 0多栋， 0

我国火灾导致的伤亡人数年均达到 20 5 0余人，中大其量人员因为消防救援人员难以确定其位置导致错过最佳救

援时机而死亡。故本文研究在超高层建筑内安装人员定位系统，将无线传感器网络的定位技术应用于公共安全，在灾害环境下对人员实施定位。在发生突发事故时，用人 j利

其中超过 10m的超高层建筑就有 l 0 0 0余栋…。截至 5 20 09年底，北京已有 2 8层 10以上的超高层建筑 5 0m 8座， 最高的国贸三期高度已达 3 9 9m。高层建筑消防形势严 2 .峻， 20仅 0 5年北京市就发生高层建筑火灾 8起，0 6年发 7 20收稿日期：0 1 0 -0 2 1 - 72

员定位系统能够及时获取建筑内的人员位置分布，应急使救援力量最短时间内到达事件发生地点，对受灾人员实施

}基金项目：北京市科技计划资助项目( 0 16 4 1 0 0; D11 00 7 1 02)国家“ 7”划资助项目(0 2 B 17 5 93计 2 1C 79 0 )

研究与应用

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传感器与微系统

第3 l卷

救援，同时选择最优路径进行人员的疏散与疏导工作，保障公共安全。 1实验环境

点定位算法，并且结合制作成本、实时性、能及开通信节 销控制，初步选择使用基于接收信号强度指示 ( c vd i r e e g e i s—nl t nt dct n R S) a se g i iao, S I的距离定位算法 J S I r h n i。R S方法在已知发射功率的情况下，在接收节点测量接收功率，计算传

播损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转

1 1开发平台 .

定位系统以无线传感器网络为基础，用 IE 0 .采 E E82

1.协议和 wi i 54—通信标准， F开发出自身的适合于在灾害场景下使用的鲁棒性强的通信协议栈。在硬件方面，设计并制作出多个嵌入式通信模块，包含定位卡片、基站和协调器。协调器与基站外形一致，只是在基站功能的基础上

换为距离，该技术主要使用 R信号， F因传感器节点本身具有无线通信能力，故无需增加额外的硬件设备。 在本定位系统中， SI R S是通过读取协议栈中 IB—x C TX r. I文件中的数组 rB f x u的第一位得到的， R S— e读数从将 S Id c十六进制数转换为十进制数，转换为以 d m为单位的绝再 B对功率电平：

添加了 IE 0 .5 4和 wi i E E 82 1 . .间协议转换算法和其他一 F些必要功能。定位卡片使用的是 T公司生产的 C 23 I C 4 1芯片，而基站和协调器中使用的是 C 2 2 C 5 0芯片。1 2定位准则 .

判断 R S— e是否大于 1 8如果成立， SIdc 2,则R S B=( S Ida 26/ -R S_ fe ( ) SId m R S e - 5 )2- S Io st. f 1

建筑的每个楼层安装一个协调器，房间根据大小来布置基站，建筑中人员随身携带一个定位卡片(该卡片可与参观卡或者员工卡集成在一起 )。在各个楼层中，协调器与基站和定位卡片形成 IE 0 .5 4无线通信网络，网络 E E8 2 1 .该的优点是容量大、由灵活且健壮、路具备精确调度和时间同步功能。而各个楼层间的协调器则通过 Wi i—相互连通， F 主要利用了 wi网络的远距离和高带宽的优势，所有— n将楼层的信息汇总至中控室，中控室操作人员对该建筑实施总体监控。

如果小于 18则为 2,RS I d m=( S Idc/ S B R S— e )2-R S— fe S Io st. f_

() 2

考虑到本系统的通信频率为 2 4G z网络带宽为 . H,2 0 bss故选取 R S—f e为 7,收端在收到发射端 5 k p/, S Io st 9接

的信号并解析出 R S值后， SI根据 IE 0.54的经验传 E E82 1.播模型R S=一(0

lg D+ SI 1 nol A). 0 () 3

可将 R S的测量值转换成对应的二者之间的距离 SID=1 (AS 0 (B( ) 。”~ )(“.

f 4

合理地选取建筑物的规则外墙交点为坐标原点，构筑该建筑的三维坐标系 ( Y z,中轴代表楼层高度，,,)其数值设定在每层安装的协调器中， ( Y则代表对应楼层的而，)二维平面。在具体的楼层中，根据房问大小，在每个房间内

其中，射频参数 A被定义为用 d m表示的距离发射器 B 1 收到的平均能量绝对值； m接 n为信号传输常数，与信号传输环境有关；为距发射节点的距离。根据在室内环境 D中的多次试验结果，过线性回归分析得到参数 A和 n的通

安装定位基站，一般是安装 3个或 3个以上的基站，用定使位算法来计算出人员的位置，以二维平面内的( Y坐标值 , )来表示。而针对某些小房间，一般只安装一个基站，房间内

取值，分别为 A= 0 n .。 4,=2 1将定位系统布置在建筑内，先确定好该建筑的坐标首系，然后根据基站的安装位置确定每个基站的坐标值。待每层的定位网络形成后，基站会周期性地发送含有自身位置信息的广播，卡片接收到周围多个基站的信号，中选取从

人员的位置归结到该基站的坐标信息上。在已知建筑物的构造布局情况下，以将每个房间的可范围映射到合适的坐标区间内，这样在得到人员的位置后， 判断属于哪个坐标区间，就知道了人员所处的房间。协也

信号强度最好的 3个作为定位基准，用三边测量法进行使定位。如图 1所示，未知卡片处于 D点，而其周边有 3个定

调器收集该楼层内所有定位卡片的坐标，以及所对应的房间，在此基础上统计出该楼层每个房间内的人员数量。协

位基站，分别处于， C三点。通过上述传播模型能够计 B,算得出 D点分别到这 3个基站的距离 d,2以， d,因此，能够联立如下方程

调器收集到的本楼层内人员方位的二维坐标添加上楼层信息z,值构成完整的三维坐标，同各个房间的人员数量一连起通过 wi i—传送至中控室， F中控室的监控界面中运行着该建筑的三维模型，操作人员能够有选择地查询某个卡片的坐标位置和所在房间，者某个房间内的人员

数量。因或

此，该定位系统能够为高层建筑的应急救援提供强而有力的支持。 2定位算法图 1三边测量法示意图F g Di g a o i t r t n a g rt m i 1 a r m fTr l e a i l o ih a o

综合考虑并比较无线传感器网络领域中已有的相关节

研究与应用

第 2期( )+( -y ) — 1。 y 1=

马

鑫，:等超高层建筑内部人员定位系统的研究与应用

5 9

,

? ) ( )= . (。一 一+【一 3+( ) ( )一 2=

() 5

解之，可得未知卡片 D点的坐标为~

×

x m/

图 3三边测量法仿真结果

r一；一+;、, + d一 J I .

F g 3 S mul t n r s l f Trl t r to l o i m i i ai euto i eai n ag rt o a h

() 6

:++/一；一一但该方法的主要误差来源是环境影响所造成的信号传

播模型的复杂性、多径传播、非视距因素等，因此， 1中所图示的 3个圆在多数情况下不能相交于一点，是出现类似而于图 2相交于一个区域的情况，选择在卡片里面的故 C 2 3芯片中运行三角形质心定位算法。 C4 1xm/

图 4三角形质心算法仿真结果Fi S m u a i n r m i fTr a g e Ce t o d a g rt g4 i l to e to i n l n r i l o i hms=

√( )+ Y— o, 12…, 一0。 ( y i,, 9. )=

() 8

经计算，三边测量法的误差分别为： . 1,. 9, 1 937 1 6532. 3 6 47, . 4 9, . 5 3 2 8 3 0 26, . 2, . 7 2 6 49 3 1 27, . 1 2 2 08, . 3 3 2 39m。

三角形质心定位算法的误差分别为： . 9, . 5 1 087 0 485,0. 8 8 09, . 7 0 1 93, . 2 0, . 0 0 9 1 1 7 61, . 2 0 7 33,, 8 1 1 64, . 7 1 5 68m。

图 2三角形质心定位算法示意图Fi Di g a o r a g e c n r i o a ia i n ag i g2 a r m f t i n l e t o d l c l to l ort z hm

对上述数据进行处理，可得图 5误差分析

图。量 5.

该算法的基本思想如图 3所示， 3个圆的交叠区域在

内有 3个特征点，分别为 E, G通过计算得到这 3个点的 F,,坐标 (, ) (纷) (, )然后以这 3个点为顶点构 ,暂，, ,

耋 s 盖 z 林胛

I■2 3 4 5 6 7 8 9

造三角形， D点处于三角形的质心位置。通过下式计算出D的坐标，即为未知卡片的估算位置y=

o1

定位计算次数

图 5误差对比图

(

,

) .

㈩

F g 5 Di g a o r o o r s i a r m fe r r c nt a t

3仿真模拟

三边测量法的平均误差为 2 63l三角形质心算法 .4 m, 的平均误差为 0 9 0 可见使用三角形质心法后使得定 . 7 m, 1位的平均误差降低了约 6 3%,精度达到了 1 m以内。因此，在建筑物内部这种属于多径效应较为明显的环境中，定本

为了评估该定位系统的性能，用 M t b对所用定位使 aa l算法进行仿真。在 7 m× 0m的区域内， 0 7布置 3个基站作为锚节点 (。表示 )坐标分别为 (,3m) (3,2m)以， 64,3 1, ( 06 m)随机选取未知节点也即是卡片的位置 (◇表 5,1,以

位系统使用三角形质心算法来实施定位，通过软硬件的配

示)。通过经验模型计算卡片距离 3个基站分别为 2 .6 0 42 5,2 .6 8 1 63, 8 9 3 8i。 2 .3 n

合与联调，定位精度已初步满足要求。4结论

首先使用三边测量法对卡片进行定位，运算 9次得到 9个估计位置 (以“+”号表示)如图 3所示。,

针对超高层建筑失火后，由于难以确定受困人员位置

而导致伤亡这一亟待解决的问题，本文开发出建筑物室内人员定位的原型系统。通过对定位算法的性能仿真和数据分析，选择在定位卡片的定位引擎中运行三角形质心算法， 在鲁棒性和实时性方面能够满足目前的要求，有较大的具应用价值。

然后使用三角形质心定位算法，同样运算 9次，到得9个估计位置，如图 4所示。

将使用上述两种算法各自所得到的 9个估计位置 (Y)别与卡片的实际位置 ( Y )= ( 0 4 m)分‰,o 3,0进行比较， 按照式 (

) 8得到误差 s。

(下转第 6 3页)

研究与应用

第 2期

林钟楷，:等一种基于大规模网络分解和协调的 WS sMA N C协议表 4组网效率Ta Ne wo ki g e c e c b4 t r n f in y i

6 3

3结

论

本文提出一种基于大规模网络分解和协调的自适应 MA C协议，该协议通过对网络的二次重构和节点的优先级

组网节点数2 0 20 0 50 0

组网时间( ) s<1 1 . 17 2 . 38

组网节点数10 0 0 20 0 0 40 0 0

组网时间 ( ) S8 . 85 2 7. 4 7 5 64 9 .

计算实现大规模网络的有序化。仿真结果表明：在大规模

组网的情况下，该协议总体能耗低、达率高，传且具有一定的自适应性，同时网络时延并没有因为分层而增加。该协

由图 5可以看出：在运行中，由于节点只需侦听与自己有关的上层节点是否得到网络，不必每个时段都进行侦而听， B CMA A D - C协议运行阶段的能耗远远低于一般竞争型协议。不仅很好地弥补了组网阶段的能耗，在总体能耗上也有很大降低。血《10 0

议对大规模无线传感器网络有良好的适用性。参考文献：[] Ki n m eai E tnD,ikr . h pc a grg 1 rh a ahr B,s i wc e S T e m atf t ag a s r i od a e

t n n i l s es to s c∥T e 2 d n r t nl o— i r e no n w r[] h n t n i a C n o iw es s r e k 2 Ie ao fr n e o Dit b t d ee e n sr u e Co u i g S se o k h ps Vi n a, i mp tn y t ms W r s o, e n Au t a 2 0 5 5-57 sr, 0 2: 7 i 8.

[] L Ki nmahr B, ahvn r C S A dpieeeg— 2 u G, rh a eai R gaeda . n aat n r s v ye ce t a d l w l tn y MAC fr d t ah r g i r l s e i f i n n o ae c aa g t e n n wiee s s n o i

熏四

9 5

sr e ok J .E EID S,04,2:6- 0 o t rs[] IE P P 2

0 2 4 2 - . nw 3

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[] B s s R e i U,rea . - C: neeg-fc n e 3 a oA, odg Sen C¨ MA A nr e i t - n y i e m

d m acs cn o f il s e s to sC∥Po o E - i e tlo wr e no n w r[] r u u c s o r r e ss re k cfr p a o k h p o i l s e s rNe w r s 2 0 o e n W r s o n W r e s S n o t o k, 0 5: e

运行时间，“ mi

[]古连华，良伦. . A:种自适应的无线传感器网络 4程 A M C一M C协议[]自 A J .动化学报， 1,: - 9 2 0 15 5 . 0 4 [] L JLzr . im p s s dee f i t A ce e 5 i,aa u A b - a - st r ei e C s m oG t a ie n g f n M y c h f i l s es to s c∥T e r It1 y po f m— o wr e no n w r[] h d n’ Sm I o a r e ss r e k 3 nnrt n P o e sn n S n o t r s I S 4, w Yo k, 0 4: i r c s i g i e s r Ne wo k, P N 0 Ne r 2 0 o5 -6 . 5- 0

图s节点平均能耗Fi Av r g we o u p o fe c o e g5 e a e po r e m m f n o a h n d i

由图 6分别列出了 A D . C协议对比 SMA B C MA - C协议的网络延时。可以看出：然增加网络复杂度带来了一定虽

的网络延时，由于大规模网络下组网更加合理，但带来的碰撞和重传次数的减少，节点的延时大致与 SMA - C协议相近，在数据量大的情况下甚至优于 SMA - C协议。芒 3 2

f]程 6

序，吴

澄.大规模项目调度问题的分解和协调优化方

法[]清华大学学报： J.自然科学版，09,9:O- 3 20 4 4 - . 4[] H r l R ykBD, e elm et R suc os a e 7 er e W, ec D m ue es r on e E. eo re nt i d c rn p jc shd lg A sre frcn dvl - ns J . o m et c eui: uvyo eet ee pmet[] C m—

n op tr& O eai sR sac,9 8 2 ( ) 29-3 2 ues p rtn ee h 19,5 4:7 - 0 . o r

菩 2 41 6 8

[ 8] Y He e n, s i . nr - c n MA rt o eW, i manJ EtnD Aneeg e i t C poo l d r y f e i c o r es esr tok[/ o 1tlt lA n a Ji fr i ls sno ew rs C] rc2 n’ n u o t we n/P s l nC n n o u e a d o f o C mp t r n Co mmu ia i n S c ei s EEE,Ne n c t s o it,I o e w2 4 8 l 6 3 2

0

Yo k, 0 2. r 2 0

运行时间/ i a rn

作者简介：林钟楷 (9 5一)男， 18,广东汕头人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络，嵌入式系统。

图 6节点时延性能实验Fi Ti ea r p r y e p rm e t o o s g6 me d l y p o e t x e i n fn dep )

(接第 5上 9页 ) 参考文献：[]包 1蹇.追问高楼防火：大火为何总烧在修工程[]人民日 N.

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[]王福豹， 6史

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报，0 0 1 9 8 . 2 1—卜1 ( )[]蔡文清. 2两年内全市超高层建筑灭火“字化”[ .数 N]北京晚报，0 0 1 -2( ) 2 1- 1 2 4 .[]马 3鑫，黄全义，学明，物联网在公共安全领域中的应疏等.

和算法[]软件学报，0 5 1 ( ) 8 7 8 8 J. 2 0,6 5:5 - 6 .[]屈巍， 7李枯.于 R S的无线传感器网络节点定位技基 SI术[]东北大学学报，0 93 ( ) 1- . J. 2 0,0 5: 4[]高 8雷，郑相全，张鸿.无线传感器网络中一种基于三边测

用研究[]中国安全科学学报，00,0 7:7 -1 6 J. 2 1 2 ( ) 10- 7 .[] I E tnad82 1 .40 6 Wi ls m du cescnrl 4 E E Sadr 0 .5 4 0 . r es e

im acs ot e o( C) ad p yia l e ( H MA n hs l a r P Y) seict n o o .a c y p cia osfrl rt f i w e

量法和质心算法的节点定位算法[]重庆工学院院报： J.自然科学版，0 92 7:3 -11 2 0,3( ) 18- 4 .

作者简介：马鑫 (9 4,, 18一)男河南项城人，博士研究生，主要研究方向为灾害场景下的人员定位技术，应急管理中的监测监控技术等。

wrl spr nlae ew rs ( A s[s] L N MA i e es a a ntok WP N ) es o r .A/ NS a d r s C mmi e ft e I E mp tr S ce y, 0 6 t ad o n t e o EE Co u e o i t 2 0 . t h

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d0h1.html