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，北京 100084;2.北京科技大学 计算机与通信工程学院，北京 100083;3.河北科技师范学院计算机系，河北秦皇岛 066004）

0 引言

超高层建筑物具有规模大、结构复杂、人员密集等特点，其公共安全问题涉及到消防、安防等各种系统，是一个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，我国现有高层建筑162 000多栋，其中超过100 m的超高层建筑就有1 500余栋［1］。截至2009年底，北京已有28层100 m以上的超高层建筑58座，最高的国贸三期高度已达329.9 m。高层建筑消防形势严峻，仅2005年北京市就发生高层建筑火灾87起，2006年发生101起［2］，对于这类高层建筑，一旦发生火灾或者其他紧急事件，人员救援与应急疏散将变得尤为重要。

我国火灾导致的伤亡人数年均达到2500余人，其中大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［3］。在发生突发事故时，利用人员定位系统能够及时获取建筑内的人员位置分布，使应急救援力量最短时间内到达事件发生地点，对受灾人员实施救援，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

1.1 开发平台

定位系统以无线传感器网络为基础，采用IEEE 802.15.4协议［4］和Wi-Fi通信标准，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添加了IEEE 802.15.4和Wi-Fi间协议转换算法和其他一些必要功能。定位卡片使用的是TI公司生产的CC2431芯片［5］，而基站和协调器中使用的是CC2520芯片。

1.2 定位准则

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IEEE 802.15.4无线通信网络，该网络的优点是容量大、路由灵活且健壮、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-Fi相互连通，主要利用了Wi-Fi网络的远距离和高带宽的优势，将所有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。

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（x，y，z），其中z轴代表楼层高度，数值设定在每层安装的协调器中，而（x，y）则代表对应楼层的二维平面。在具体的楼层中，根据房间大小，在每个房间内安装定位基站，一般是安装3个或3个以上的基站，使用定位算法来计算出人员的位置，以二维平面内的（x，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，可以将每个房间的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，也就知道了人员所处的房间。协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，连同各个房间的人员数量一起通过Wi-Fi传送至中控室，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，或者某个房间内的人员数量。因此，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

综合考虑并比较无线传感器网络领域中已有的相关节点定位算法［6］，并且结合制作成本、通信实时性、节能及开销控制，初步选择使用基于接收信号强度指示（received signal strength indication，RSSI）的距离定位算法［7］。RSSI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换为距离，该技术主要使用RF信号，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，RSSI是通过读取协议栈中max_rx.c文件中的数组rxBuf的第一位得到的，将RSSI_dec读数从十六进制数转换为十进制数，再转换为以dBm为单位的绝对功率电平:

判断RSSI_dec是否大于128，如果成立，则

如果小于128，则为

高中物理教学的基本目标是要以创建问题为入手点，以观察实验为基础，以打开学生的思维为核心，以提升学生的探究能力为重点。在高中物理电磁学部分，库伦定律被当作是基础性的物理定律，这也就决定了它在物理学科体系所占据的主导性的地位。因此，教师要采用多样化的教学方法，改进物理课堂教学的模式，通过对库伦定律的教学及应用，打开学生思维的生长点，重视培养学生的探究能力，以更好的帮助学生提高物理成绩，提升学生物理学科的核心素养，促进学生的发面发展。

考虑到本系统的通信频率为2.4 GHz，网络带宽为250 kbps/s，故选取RSSI_offset为79，接收端在收到发射端的信号并解析出RSSI值后，根据IEEE 802.15.4的经验传播模型

可将RSSI的测量值转换成对应的二者之间的距离

其中，射频参数A被定义为用dBm表示的距离发射器1 m接收到的平均能量绝对值;n为信号传输常数，与信号传输环境有关;D为距发射节点的距离。根据在室内环境中的多次试验结果，通过线性回归分析得到参数A和n的取值，分别为A=40，n=2.1。

将定位系统布置在建筑内，首先确定好该建筑的坐标系，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，从中选取信号强度最好的3个作为定位基准，使用三边测量法进行定位。如图1所示，未知卡片处于D点，而其周边有3个定位基站，分别处于A，B，C三点。通过上述传播模型能够计算得出D点分别到这3个基站的距离d1，d2，d3，因此，能够联立如下方程

图1 三边测量法示意图Fig 1 Diagram of Trilateration algorithm

解之，可得未知卡片D点的坐标为

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，图1中所示的3个圆在多数情况下不能相交于一点，而是出现类似于图2相交于一个区域的情况，故选择在卡片里面的CC2431芯片中运行三角形质心定位算法［8］。

图2 三角形质心定位算法示意图Fig 2 Diagram of triangle centroid localization algorithm

3 仿真模拟

为了评估该定位系统的性能，使用Matlab对所用定位算法进行仿真。在70 m×70 m的区域内，布置3个基站作为锚节点（以○表示），坐标分别为（6，43 m），（33，12 m），（50，61 m），随机选取未知节点也即是卡片的位置（以◇表示）。通过经验模型计算卡片距离3个基站分别为24.2650，28.1663，28.9338 m。

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。

然后使用三角形质心定位算法，同样运算9次，得到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（xi，yi）分别与卡片的实际位置（x0，y0）=（30，40m）进行比较，按照式（8）得到误差ε。

图3 三边测量法仿真结果Fig 3 Simulation result of Trilateration algorithm

图4 三角形质心算法仿真结果Fig 4 Simulation result of Triangle Centroid algorithm

经计算，三边测量法的误差分别为:1.913 7，1.695 3，2.6347，3.2489，3.0526，2.6249，3.1727，2.2108，3.2339 m。三角形质心定位算法的误差分别为:1.098 7，0.458 5，0.8809，0.1793，0.9210，1.7061，0.7233，1.1864，1.5768 m。对上述数据进行处理，可得图5误差分析图。

图5 误差对比图Fig 5 Diagram of error contrast

三边测量法的平均误差为2.643 1 m，三角形质心算法的平均误差为0.9701 m，可见使用三角形质心法后使得定位的平均误差降低了约63%，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，本定位系统使用三角形质心算法来实施定位，通过软硬件的配合与联调，定位精度已初步满足要求。

4 结论

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，具有较大的应用价值。

［1］包 蹇.追问高楼防火:大火为何总烧在修工程［N］.人民日报，2010—11—19（8）.

［2］蔡文清.两年内全市超高层建筑灭火“数字化”［N］.北京晚报，2010—11—22（4）.

［3］马 鑫，黄全义，疏学明，等.物联网在公共安全领域中的应用研究［J］.中国安全科学学报，2010，20（7）:170 －176.

［4］IEEE Standard 802.15.4—2006.Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks（WPANs）［S］.LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society，2006.

［5］徐志京，胡 波.基于CC2431的无线定位技术研究［J］.电子设计工程，2009，17（10）:10 －12.

［6］王福豹，史 龙，任丰原.无线传感器网络中的自身定位系统和算法［J］.软件学报，2005，16（5）:857 －868.

［7］屈 巍，李 喆.基于RSSI的无线传感器网络节点定位技术［J］.东北大学学报，2009，30（5）:1 －4.

［8］高 雷，郑相全，张 鸿.无线传感器网络中一种基于三边测量法和质心算法的节点定位算法［J］.重庆工学院院报:自然科学版，2009，23（7）:138 －141.