基本信息
- 项目名称：
- e-Rescue Guider—大型建筑物内的救援向导
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品基于融合了射频通信技术和超声波测距技术的无线测距传感器，设计了一种用于建筑物内部精确定位和导航的救援辅助系统。本系统实现的定位模式可以满足室内定位救援辅助系统的要求。通过对无线传感器阵列的研究，将为大型建筑安全与灾难救援提供新的理论方法和技术手段，有效解决传统建筑安全系统的瓶颈性技术难题。相关技术也具有良好的可推广性和可移植性，其研究成果也适用于地铁、矿山等特种建筑安全系统，具有广阔的应用前景。
- 详细介绍：
- 随着人类社会的发展与进步，在我们的周围出现了越来越多的面积较大的局域环境，如一座高层大楼等，其内部功能单元数量庞大，而目前存在的定位导航救援系统多定位在广域环境下，缺乏对局域环境的支持，这些建筑内部的安全问题日益引人注目。为了应对在大型建筑内部可能发生的恐怖袭击、保障设施故障、火灾等突发事件，在尽可能短的时间内解救建筑物内的受困人群，或者到产生事故的位置进行处理，建立室内无线定位与导航系统具有重要意义和实用价值。 本作品基于融合了射频通信技术和超声波测距技术的无线测距传感器，设计了一种可方便移植的建筑物内部精确定位和导航系统。在室内环境中按照一定的规律布置若干个无线传感器节点作为指引器，每个指引节点都具有射频通信功能和发送、接收超声波信号的功能，具有唯一的ID编号，节点内部存储了相应的位置信息和其ID号。 一旦移动目标进入该区域后，自身携带的接收器可以通过射频通信的方式获取到邻近的指引节点的ID号、位置信息，并可以通过超声测距的方式得到接收器和指引节点之间的直线距离，一旦得到邻近的3个以上的指引节点信息，根据每个指引节点的位置、每个指引节点和接收器之间的距离，利用三角定位原理，就可以计算出接收器也就是移动目标的当前位置。接收器负责识别指引节点和测距，然后把这些信息传送到与之相连的移动终端设备，由计算能力较强的移动终端完成比较复杂的定位计算。移动终端设备（基于嵌入式计算平台）利用无线局域网把现场的各种信息如定位信息、视频信息等发送到远方的监控中心服务器，服务器端的操作者可以监视现场的移动目标，并可以执行向移动目标发送任务，或者引导移动目标的行动。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的: 为应对大型建筑内可能发生的恐怖袭击、火灾等突发事件，在尽可能短的时间内解救受困人群，构造了一套基于多用户多功能系统。 基本思路: 1实现三大系统（视频监控、精确定位、搜救）整合 2实现人员分布、定位、跟踪、搜救设备组态化管理 3实现终端之间、终端服务器的互联互通、信息共享 4实现建筑物内“数据网络IP化”“承载业务IP化” 创新点： 1低功耗传感器设计 2移动终端精确定位 3三种定位模式与自定位功能 4自定义xml电子地图 5基于障碍物最优路径规划 6搜索记录、安全锁等实用功能 7融合视频流、数据流业务 8多用途救援系统 关键技术： 1硬件设计开发 2冲突避免算法 3多径效应规避算法 4精确定位 5虚拟现实地图设计 6航位推测法 7基于时延带宽优化算法 8基于障碍物路径规划与导航 9视频采集压缩传输 技术指标： 工作温度：-40~+85°C 射频载波频率：435.9MHZ 超声波载波频率：40KHZ 空闲工作电流：40uA 无线接收距离：20～100m 工作频率：2.4 G（16信道） 点对点视频帧率：15帧/s 多点监视视频帧率：1-15帧/s 分辨率：1cm 精确定位：4cm 模糊定位：2.5m 最大速度：5m/s
科学性、先进性
- 定位技术来说，GPS信号由于受建筑物的影响而大大衰减，而超声定位的发射测距法由于超声波的吸收严重而影响传输距离，蓝牙技术因设备昂贵不能广泛推广。 定位精度来说，我们引入了冲突避免算法，确保测距精度达1cm。利用此信息，结合三角定位、最小二乘法、卡尔曼滤波、多径效应规避算法，将定位精度提高到4-9cm，实现cm级精确定位。 关键技术来说，自主研发使传感器维护更加容易，稳定性更高。无线传感器相对于商用传感器成本大大降低，自行设计的传感器发送接收中断流程和传感器休眠机制使能源损耗大大降低。 技术特点： 1基于无线传感器的具备精确定位、信息交互功能、信息记录、集视频音频于一体的多用户移动终端与服务器 2基于超声波和射频信号到达时间差低功耗低成本传感器自主研发 3基于可标记障碍物的空间最优路径搜索 4基于自定义xml三维电子地图的虚拟现实技术 5基于节点有效性考虑的三种定位模式及自定位功能的安全性设计 6大型建筑物内救援、反恐演习、机器人控制、安保等多功能系统
获奖情况及鉴定结果
- 1.08年8月入选“百项工程”，院系第一 2.09年4月《Mobile Positioning System in Buildings》被IEEE Wicom2009国际会议收录 3.09年5月入选“国家创新实验计划“，院系第一 4.09年5月《室内防暴救援系统》被可穿戴移动计算全国会议收录 5.09年5月Movie Moving公司提出收购计划 6.09年5月中联科技、津科电子公司做出用户分析报告 7.09年6月进行了科技查新 8.09年6月项目受天津市长、团市委书记和天大校长肯定 9.09年6月《基于无线传感器阵列的室内精确定位系统》被核心期刊《自动化与仪表》录用 10.09年6月获得“挑战杯”南开大学特等奖 11.09年6月获得“挑战杯”天津市特等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段，已请公司进行过系统测试,并给出用户测试报告
技术转让方式
- 知识产权转让
作品可展示的形式
- √实物、产品 √模型 √图纸 √磁盘 √现场演示 √图片 √录像 √样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明: 当明确事发地点，救援人员输入目的地，即可规划出最优路径；当不明确地点，需地毯式搜索，可用此系统标记障碍物或危险区域，并通过地图告知其他人员，也可标记已搜索过房间，避免重复搜索。技术特点: 1自主研发无线传感器，大大降低成本和功耗,支持多项功能 2基于到达时间差的方法克服了其他定位系统精度低,成本高的问题 3利用带宽优化算法有效解决了多用户争抢网络带宽问题 4精确定位、信息交互记录、路径规划、视频监控等多功能 5基于可标记障碍物空间最优路径搜索应对复杂现场环境 6基于xml电子地图的虚拟现实技术,增强了系统移植性和体验感 7节点有效性考虑的三种定位模式及自定位功能提高系统安全性 8大型建筑物内救援、反恐演习、机器人控制、安保等多用途系统 前景预测: 本系统为大型建筑安全与灾难救援提供新的理论方法和技术手段，有效解决传统建筑安全系统的瓶颈性技术难题，相关技术具有良好的可推广性和可移植性。
同类课题研究水平概述
- 定位方式： 1.GPS全球定位系统 利用现有GPS系统进行室内定位时，由于射频信号穿透建筑物的墙壁后，信号强度变得非常弱，并且室内障碍物较多，多径现象严重，因此GPS系统在室内环境中的定位结果并不理想。 2.Activebadges室内定位系统 有线网络的使用大大增加了系统的成本，一定程度上限制了系统容量的扩充。同时，房间中存在着一些死角，如果物体到达这些位置，红外接收机不能正确检测，严重影响了系统定位的实时性和准确性。 3.Bat室内定位系统 Bat 定位系统的误差可以控制在3~4m，但是它沿袭ActiveBadge使用了有线网络，系统扩容同样受到成本的限制。 4.RADAR室内定位系统 RADAR系统把信号强度作为估算射频发射器与接收器间距的依据。在建筑物内，射频信号传输环境是不断变化的，如果采用同一传输模型，不可避免地影响了系统的精确度。 救援系统： 国内外对大型建筑灾难救援的研究,仅限于对传统系统的局部改进。国外如Benfield Greig 灾难研究中心和英国伦敦大学设计了基于灾难模型的仿真系统, 美国国家技术与标准研究所开发了灾难现场基于无线局域网的PAD 通讯技术等。国内如郭厚焜等研究了基于图像处理的火灾定位技术; 祝福等研究了结合楼层平面图的火警具体位置显示问题; 杨昆研究了将GIS 的定位、查询、空间分析功能与消防系统的结合, 以实现消防信息的空间可视化。总体来看, 这些研究均针对某一具体问题进行研究, 未在系统层面解决问题。 传感器进入智能建筑安全领域后, 主要应用于建筑状态监测。美国加州大学伯克利分校研究开发了一套可以感知大楼、桥梁和其他建筑物系统的状态信息, 从而对其安全性进行预测的系统。斯坦福大学也开发了一套建筑物内用于极端事件和长时间周期性的监测系统。国内中科院合肥智能所等单位将WSN 技术引入煤矿, 构建井下动态、实时、全方位、多变量的环境监测系统; 马子彦等研究了基于无线网络的城市消防报警系统, 提高火警受理速度和准确性。但是, 对于WSN 在建筑灾难救援领域的研究和应用, 国内外尚未提出一套完整的理论体系。
