一种针对火场消防队员的作战跟踪系统及其方法

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。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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；

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。

所述鞋体上设有一开关按钮和一应急呼救按钮；

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；

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。

所述鞋体上的通讯模块为GSM、GPRS、3G或4G通讯模块之一。

一种针对火场消防队员的作战跟踪方法，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；

(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相应 指令；

(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；

(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。

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。

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；

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；

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；

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；

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；

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。

附图说明

图1为本发明所述系统的总体结构框图。

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

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。

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。

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。

所述位置标签是RFID标签，包含位置点的三维坐标信息。

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。

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。

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。

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。

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。

所述鞋体上的通讯模块是GSM、GPRS、3G或4G通讯模块之一.

一种针对火场消防队员的作战跟踪方法，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。

(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等相 应指令。

(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。

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。