基于手機(jī)搜索的生命探測平臺研究

洪利 李亞南

基于手機(jī)搜索的生命探測平臺研究

洪利 李亞南

洪利，防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)儀器系主任、教授、博士后、碩士研究生導(dǎo)師，主要從事無線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能儀器等研究工作。2010年獲中國石油大學(xué)（華東）控制理論與工程專業(yè)博士學(xué)位，后在中國電力科學(xué)院進(jìn)行電力物聯(lián)網(wǎng)AMI 通信領(lǐng)域的博士后研究，主持和參與國家863 計(jì)劃、國家重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、省市科技計(jì)劃項(xiàng)目17 項(xiàng)。在國內(nèi)外刊物公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文50 余篇，其中三大檢索收錄30 余篇，出版專著教材5 部。先后獲省部級科技進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)各1 項(xiàng)、廳局級科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3 項(xiàng)、國家專利16 項(xiàng)。

李亞南，防災(zāi)科技學(xué)院助教，中國石油大學(xué)（華東）電子與通信工程專業(yè)碩士，主要從事無線通信系統(tǒng)等技術(shù)研究。

研究背景

破壞性地震發(fā)生后，如何在災(zāi)后惡劣、復(fù)雜的地理環(huán)境中，快速有效地實(shí)施人員搜救，挽救更多的生命成為災(zāi)后救援亟待解決的問題。正確合理地運(yùn)用搜救方法和搜救設(shè)備對被壓埋人員進(jìn)行搜救定位，可以達(dá)到事半功倍的效果。

目前，對災(zāi)后被壓埋人員的搜索主要依賴于傳統(tǒng)的搜救犬或生命探測儀等進(jìn)行搜救工作。由于生命探測儀在工作時(shí)受距離、光線、廢墟材質(zhì)、溫度、濕度等因素的影響，因此在進(jìn)行搜救時(shí)具有盲目性和不確定性，這在一定程度上限制了生命探測儀的應(yīng)用。除了直接探測人體生命特征的探測技術(shù)，通過探測受災(zāi)人員身邊的一些能發(fā)出信號的物品比如手機(jī)等，以此來找出受災(zāi)人員的相關(guān)技術(shù)也逐漸成為生命探測領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品的普及，手機(jī)已經(jīng)成為人們隨身攜帶的重要通訊工具，通過搜索手機(jī)信號來進(jìn)行移動終端搜索定位也成了新興的生命探測技術(shù)。因?yàn)楫?dāng)?shù)卣鹨l(fā)建筑物坍塌時(shí)，手機(jī)往往成為散落在人們身邊的僅有設(shè)備。通過對這些設(shè)備進(jìn)行探測和定位，可以間接地找到被壓埋人員的大概位置，再配合生命探測設(shè)備，即可將人員及時(shí)救出。

目前手機(jī)探測方法可分為被動式和主動式兩種。被動式手機(jī)探測即通過被動接收手機(jī)的發(fā)射信號來進(jìn)行探測，要求手機(jī)處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，國內(nèi)外探測此類狀態(tài)的手機(jī)探測儀已有很成熟的產(chǎn)品。但是，震后房屋坍塌，線路中斷，基站被破壞，往往導(dǎo)致公共通信終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)缺失，而且被壓埋者通常喪失行為能力，無法操作手機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，因此被動式手機(jī)探測不適合用于救援探測，無法滿足震后救援的需要。主動式手機(jī)探測是指設(shè)法激活手機(jī)，使手機(jī)主動對外發(fā)射某種信號，外界通過對該信號進(jìn)行采集和處理，再根據(jù)定位算法得到手機(jī)位置，以幫助搜救隊(duì)員確定被壓埋者的具體位置，從而進(jìn)行高效率地搜救的方法。

本研究針對震后公共通信中斷、無線通信網(wǎng)絡(luò)信息缺失環(huán)境下，如何搜救幸存人員，創(chuàng)新性提出利用手機(jī)WiFi 信號進(jìn)行幸存者定位的方法。圍繞手機(jī)搜索定位的關(guān)鍵問題，在國內(nèi)率先開展震后廢墟無線環(huán)境下的無線信號傳輸信道建模研究；在此基礎(chǔ)上，對手機(jī)激活策略進(jìn)行了研究和分析，并對手機(jī)定位算法進(jìn)行深入研究，取得了一系列成果。

研究目標(biāo)、研究內(nèi)容、技術(shù)路線

1.研究目標(biāo)

建立地震廢墟環(huán)境下的無線信號傳播模型，為利用WiFi信號定位提供測量基礎(chǔ)，獲取該頻段無線信號的路徑損耗等大尺度參數(shù)以及平均超量時(shí)延、均方根時(shí)延擴(kuò)展等小尺度參數(shù)。協(xié)同定位模型研究，利用最小二乘法和BFGS算法協(xié)同定位，進(jìn)行決策級融合，實(shí)現(xiàn)對終端的識別和準(zhǔn)確定位。

2.主要研究內(nèi)容

（1）手機(jī)激活策略研究

通常情況下手機(jī)的激活由網(wǎng)絡(luò)完成，但在通信中斷情況下網(wǎng)絡(luò)信息缺失，無法正常激活手機(jī)，因此需要根據(jù)災(zāi)害現(xiàn)場特點(diǎn)研究手機(jī)激活策略。一般在大地震發(fā)生時(shí)刻，被壓埋人員的手機(jī)通常會由于地面晃動而導(dǎo)致手機(jī)跌落，手機(jī)跌落就會引起加速度發(fā)生改變，針對手機(jī)的加速度變化設(shè)計(jì)出一種手機(jī)WiFi激活策略，實(shí)現(xiàn)手機(jī)激活。

（2）廢墟環(huán)境下無線信號傳輸模型廢墟環(huán)境中由于無線信號傳輸路徑與傳統(tǒng)傳輸路徑不同，手機(jī)掩埋的具體位置各異，傳統(tǒng)的無線信道模型不能適應(yīng)于廢墟環(huán)境，無法測量出正確的定位參數(shù)。需要研究適應(yīng)廢墟這種特殊環(huán)境的無線信道模型。在地震廢墟環(huán)境下使用頻譜分析儀獲取2.4GHz無線信號強(qiáng)度、信號傳輸時(shí)延、信號傳輸方向等定位所需的關(guān)鍵信息，再通過多模型融合和信號校正獲得正確的功率強(qiáng)度、無線信號方向和信號傳輸時(shí)延，為手機(jī)協(xié)同定位提供正確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）手機(jī)協(xié)同定位算法研究

基于TDOA 定位技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)融合思想，研究一種無須先驗(yàn)信息、利用最小二乘法和BFGS定位結(jié)果，進(jìn)行融合的多算法協(xié)同定位，實(shí)現(xiàn)對手機(jī)的準(zhǔn)確定位。利用不同定位算法的協(xié)同，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理進(jìn)行目標(biāo)的綜合定位，得到更準(zhǔn)確可靠的手機(jī)估計(jì)位置，有效提高了定位精度。

3.技術(shù)路線

首先確定系統(tǒng)架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)通信中斷、網(wǎng)絡(luò)信息缺失條件下的手機(jī)激活；其次，針對地震廢墟現(xiàn)場環(huán)境，不同無線傳輸路徑的信道模型不同，手機(jī)不同掩埋點(diǎn)信號傳輸特征不同，設(shè)計(jì)測量方案，對多種地震廢墟環(huán)境進(jìn)行測量，獲取2.4GHz無線信號的傳播模型；最后，基于TDOA 定位技術(shù)，利用最小二乘法和BFGS算法定位結(jié)果，進(jìn)行融合的多算法協(xié)同定位，開發(fā)相應(yīng)軟件系統(tǒng)完成對手機(jī)的準(zhǔn)確定位。

技術(shù)路線流程圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線流程圖

關(guān)鍵技術(shù)與研究結(jié)果

1.廢墟環(huán)境下2.4GHz無線信號傳播模型的測量

本項(xiàng)目對2008年汶川地震重災(zāi)區(qū)北川老縣城遺址進(jìn)行現(xiàn)場測量，在廢墟環(huán)境下獲取2.4GHz無線信號的信號衰減特性，包含大尺度衰落和小尺度衰落兩部分內(nèi)容。大尺度衰落主要包含信號在自由空間內(nèi)傳播損耗以及建筑物的材料吸收損耗；小尺度衰落主要包含平均超量時(shí)延和均方根時(shí)延擴(kuò)展等參數(shù)。

（1）測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)如圖2所示。整個(gè)測量系統(tǒng)包含三部分：

①手持式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：分析無線信號數(shù)據(jù)在測量頻段的頻譜、相位以及S參數(shù)；

②前端放大器：放大接收信號；

③發(fā)射和接收天線：發(fā)送、接收信號。

（2）測量場景

在北川老縣城遺址，選取兩個(gè)較典型的場景進(jìn)行測量，其中，場景1（圖3所示）屬于復(fù)合型倒塌結(jié)構(gòu)類型，場景2（圖4所示）屬于翻轉(zhuǎn)型倒塌結(jié)構(gòu)類型。

圖2 頻域掃頻測量系統(tǒng)框架圖

圖3 (a) 測量場景1整體情況

圖3 (b) 測量場景1內(nèi)部圖

圖4 (a) 測量場景2整體情況

圖4 (b) 測量場景2內(nèi)部圖

（3）數(shù)據(jù)處理

①大尺度衰落

信道大尺度衰落用PL表示，由無線信號在空氣中的自由傳播損耗和建筑物穿透損耗兩部分組成，分別用Afree和Aruin表示。

不同建筑物對無線信號的衰減效應(yīng)各異，大致可分為墻體和家具等種類。信號經(jīng)過不同材料時(shí)的穿透損耗是由材料的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)決定的。理論上，可以將混合材料分割后抽象為若干層障礙物疊加的模型，模型損耗可由式（2）表示：

式中，αk表示第k層障礙物材料的損耗因子， hk表示第k層障礙物材料的厚度。

圖5為信號穿過障礙物示意圖。

圖5 信號穿透障礙物示意圖

上述測量場景下，發(fā)送和接收天線之間的障礙物主要是鋼筋混凝土墻體，其厚度分別為28cm、26cm。對測量數(shù)據(jù)處理得到無線信號穿透的損耗因子約為0.72dB/cm。將測量結(jié)果代入公式（2），當(dāng)頻率為2450MHz時(shí)，得出無線信號穿過鋼筋混凝土層不同測量點(diǎn)的預(yù)測值，并與實(shí)際測量值對比，如圖6所示。

圖6 2450MHz鋼筋混凝土層穿透損耗的預(yù)測值與測量值

由圖6可知，實(shí)際測量值和預(yù)測值存在一定誤差，這是由于實(shí)際測量場景下的混凝土密度和內(nèi)部成分差異造成的；而且地震后混凝土層上碎土、碎石堆積以及裂縫等，造成電磁波穿過混凝土層時(shí)被吸收、散射、衍射和泄露，使各點(diǎn)的衰減值各不相同。經(jīng)過計(jì)算測量值與預(yù)測值誤差約為3.81dB。

②小尺度衰落

對于無線信道的小尺度特性，在本次測量活動的研究中主要分析其平均超量時(shí)延和均方根時(shí)延擴(kuò)展。

平均超量時(shí)延是功率延遲分布的一階矩，用來衡量信號多徑分量的能量集中度，可以通過對多徑分量幅值的平方進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得到：

實(shí)際通信中，由于頻帶有限寬，信號碼元都存在一定的擴(kuò)展，接收到的每一個(gè)碼元都會受到在該脈沖之前其他碼元的擴(kuò)展干擾，距離該脈沖越近，干擾越大。

為了估計(jì)平均超量時(shí)延的統(tǒng)計(jì)特性，本文首先根據(jù)測量的數(shù)據(jù)擬合出其累積分布函數(shù)（Cumulative Distribution Function，CDF），并和伽馬分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、韋伯分布進(jìn)行比較，如圖7所示，所選的這四種分布都能較好擬合實(shí)測的數(shù)據(jù)。

圖7 RMS時(shí)延擴(kuò)展的RMS分布

其中四種分布模型的估計(jì)參數(shù)如表1所示。

為了更好地評價(jià)所擬合出的這幾種分布模型，本文采用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)（K-S檢驗(yàn)）和卡方檢驗(yàn)進(jìn)行評估，得出實(shí)測的數(shù)據(jù)更符合正態(tài)分布和伽馬分布。

表1 所研究分布模型的參數(shù)估計(jì)值

2.基于WiFi的手機(jī)搜索定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)由無線搜索平臺組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，系統(tǒng)包含3部分：（1）廢墟下掩埋的手機(jī)；（2）手機(jī)搜索探測平臺；（3）控制中心。其中被埋手機(jī)主要是啟動 WiFi 搜救并與探測平臺進(jìn)行通信；探測平臺包含WiFi基站和顯示終端，主要實(shí)現(xiàn)被困手機(jī)信息的采集、傳輸、處理；控制中心實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，定位算法運(yùn)行和定位結(jié)果顯示等。

地震發(fā)生后，手機(jī)由于強(qiáng)烈震動激活WiFi功能，當(dāng)搜救平臺進(jìn)入該區(qū)域后，平臺探測手機(jī)WiFi信號強(qiáng)度，經(jīng)過處理后，強(qiáng)度信息通過無線網(wǎng)絡(luò)匯總至控制中心，控制中心將信號強(qiáng)度信息結(jié)合廢墟環(huán)境下無線信號模型，使用定位算法定位被埋壓手機(jī)。

（1）手機(jī)

手機(jī)端安裝程序后，程序自動在系統(tǒng)后臺運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測手機(jī)震動情況，當(dāng)震動值超出設(shè)定閾值，則激活WiFi功能（圖9）。

圖8 定位系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖9 手機(jī)激活策略

圖10 探測平臺組成

圖11 控制中心結(jié)構(gòu)圖

（2）探測平臺

探測平臺（圖10）主要由天線、高速接口，信號處理電路、嵌入式處理器模塊構(gòu)成，可自動掃描手機(jī)WiFi信號頻段范圍和強(qiáng)度信息，數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至控制中心。

（3）控制中心

控制中心（圖11）分為定位模塊和信息顯示模塊，可完成探測平臺信息接收，存儲，手機(jī)定位，信息顯示等功能。

信號頻段信息和強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，數(shù)據(jù)庫首先存儲，根據(jù)廢墟環(huán)境下無線信號模型轉(zhuǎn)化為距離，最終利用融合定位算法獲得手機(jī)坐標(biāo)。

探測平臺同時(shí)提供接收信號強(qiáng)度、定位結(jié)果、終端信息以及探測平臺信息顯示等功能。

成果總結(jié)及下一步工作計(jì)劃

本研究工作得到了中國地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH14072）的資助。項(xiàng)目已于2017年通過地震局組織的專家驗(yàn)收，驗(yàn)收結(jié)論為優(yōu)秀。共發(fā)表9篇研究論文，并取得多項(xiàng)軟件著作權(quán)證書和專利證書。

項(xiàng)目獲取的廢墟環(huán)境下的無線信號傳播模型，可為后續(xù)研究提供借鑒。本系統(tǒng)開發(fā)的手機(jī)定位系統(tǒng)在15m＊15m的廢墟環(huán)境下測試，定位精度達(dá)到2.2m，可作為現(xiàn)有生命探測技術(shù)的一種有效補(bǔ)充。

如何進(jìn)一步提高定位精度和定位速度，將是我們后續(xù)研究擬解決的關(guān)鍵問題。