基于室内外定位技术的消防应急指挥平台的设计与实现

宇林军+杨玉琴+池天河+胡璐璐+任玉环+杨丽娜+林晖+刘亚岚

摘 要：针对目前高层建筑消防缺少室内定位和室内地图支持的问题，结合当前室内定位技术并利用GIS技术研发了一个消防应急指挥平台原型系统。该平台解决了室内外地图服务，室内外定位信息的跟踪显示以及消防员手持终端、指挥中心指挥系统及移动指挥系统间的信息共享与同步等关键问题。基于该平台，可为消防应急指挥和救援提供室内外地图及定位信息服务，对消防应急指挥能力的提升具有较高的应用价值和广泛的应用前景。

关键词：室内定位；室内地图；GIS技术；消防应急指挥；移动应急指挥平台

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）03-0014-04

0 引 言

火灾是严重威胁人类生存和发展的常发性灾害之一，具有发生频率高、时空跨度大，造成的损失与危害严重等特点[1]。随着社会科技的发展，火灾报警或指挥调度的信息系统越来越多地应用到消防应急救援中，逐步向“科技消防”和“智能消防”的目标迈进。目前，纵观国内外，基于地理信息系统 （GIS）、3G通信、虚拟现实、全球定位技术、视频监控等多种技术，构建了大量的消防应急指挥系统，如基于GIS的消防应急指挥系统[2]，基于3G通信技术的消防应急指挥系统[3]，基于Web GIS的消防应急指挥系统[4]，基于虚拟现实技术的消防应急指挥系统[5]等。

消防救援指挥决策必须依赖于各种定位信息，如消防员位置、消防车辆位置、消防设施及被困群众位置信息等。目前，GPS技术、北斗导航技术等室外定位技术已被应用到消防应急指挥工作中，为消防应急指挥提供了实时的消防人员及消防车辆室外定位、救援路线规划等服务。然而，消防员在室内的实时位置信息，对消防救援具有极其重要的意义，但由于缺乏有效的室内地图和室内定位技术的支持，目前消防应急救援指挥还仅停留在利用监控技术来实现对室内信息的及时掌控，而无法满足消防应急指挥业务的需求。

近年来，室内定位技术日趋成熟，如：文献[7]提出了一种运用无线射频（RFID）技术提高室内空间定位精度的方法，并通过实验进行了验证；文献[8]提出INS和GSM混合定位；文献[9]提出利用两种滤波器进行数据融合的DGPS和WUB结合定位算法；文献[10]将DGPS和UWB结合定位，利用Kalman滤波器对UWB非视距误差（NLOS）进行消除，采用粒子滤波器对不同传感器进行数据融合，并使用GPRS通信模块进行无线数据传输。随着定位技术的发展，为消防应急救援指挥提供了室内定位信息的支撑。

室内地图是限制室内定位技术在消防指挥决策中应用的一个主要障碍。与成熟的室外电子地图相比，室内地图数据缺乏统一的标准规范，使得室内电子地图的生产、更新、维护和数据共享成为难点。室内地图的研究和应用基本上还处于起步阶段。目前，室内地图服务已引起广泛关注。一些公司正在绘制购物中心、会议中心和机场等大规模建筑空间的室内地图，以填补建筑内部地理信息空白。微软、百度、谷歌等厂商相继发布了室内地图服务[11，12]，实现了一些大城市的大型商店和机场的室内地图功能。

总之，现有消防应用平台缺少室内定位及室内地图的支持，使得火灾现场指挥员主要依靠经验和直觉来指挥部队、实施抢险救援活动，这势必导致指挥具有很大的盲目性，缺少科技依据，从而大大降低了灭火救援的成功率和效率。为了把人员伤亡和火灾损失控制在最小程度，需要消防部队具有高效的指挥系统和科学的决策系统。基于室内定位技术的消防应急指挥系统旨在建立一种集定位、指挥于一体的消防应急指挥系统，可为消防应急救援指挥提供更加详细、准确的空间位置信息，使消防应急救援决策更加高效、科学，具有较高的应用价值和广泛的应用前景。

1 系统设计

基于室内外定位技术的消防应急指挥平台（Indoor Positioning Service Based Fire Emergent Command Platform，IPS_FECP）构建的目的是基于室内定位技术和室内地图技术，为消防应急指挥提供建筑内部地理信息和消防终端的室内定位信息，支持消防救援指挥，其系统构架如图1所示。一个完整的IPS_FECP系统由指挥平台服务器、服务器控制程序和客户端3部分构成，其中客户端包括普通用户手持终端、消防员手持终端、指挥中心指挥系统和移动指挥系统4种。其中普通用户手持终端为受灾群众持有的装有室内定位软硬件的手持设备，可以将被困群众的位置信息传递到服务器；消防员手持终端为消防员持有的具有室内定功能的手持专业设备，将消防员位置信息及火场信息实时传送到服务器；指挥平台服务器接收并维护普通用户手持终端及消防员手持终端发来的信息，实现消防信息共享与同步，为消防指挥系统（指挥中心指挥系统及移动指挥系统）提供室内外位置服务及地图服务，指挥中心指挥系统主要实现消防员及被困群众的位置动态跟踪显示及室内外地图显示，为消防救援指挥提供决策支持信息；移动指挥系统则是指挥中心指挥系统在移动设备上的实现。

图1 IPS_FECP系统架构

IP_FECP的核心问题是室内外定位服务及室内外地图服务，不同消防设备及系统间的信息通讯，主要包括以下几部分：

（1）室内外地图一体化显示。通过室内外地图关联表，实现室外地图与室内地图关联。通过点击室外建筑物，进入建筑物的室内地图，并实现以建筑物为单元的建筑物室内地图组织方式和地图浏览；

（2）室内救援路径分析。通过将同一建筑物内各楼层的室内疏散通道根据楼梯信息进行自动连接，生成楼宇的疏散网络。在此基础上，基于GIS路径分析算法，实现室内救援路径分析功能；

（3）室内外定位信息的共享与显示。能够接收并解析消防员手持终端、普通用户手持终端发来的数据，并将接收到的信息实时发送到指挥中心服务器；能在室内地图中动态跟踪与显示接收到的消防员手持终端信息和普通用户手持终端信息。

由于IPS_FECP 中各个子系统需要部署到多种类型设备（移动设备、服务器及普通PC等），因而对各系统间的程序可重用性、系统间的信息通信与信息共享提出了严格要求。本IPS_FECP原型系统基于Flex技术实现，主要是考虑到Flex技术的跨平台性、跨设备性，从而能够实现各系统间的程序可重用性，解决不同系统平台间的信息通信与共享。

IPS_FECP系统总体设计架构如图2所示。

其中普通用户手持终端及消防员手持终端通过HTTP信道，向服务器端实时发送位置信息及火场信息；指挥平台服务器包括室内外地图服务器和消防信息共享服务器两部分。室内外地图服务器基于ArcGIS Server技术向指挥中心指挥系统及移动指挥系统提供室内外地图服务。消防信息服务器通过HTTP信道，接收普通手持终端及消防员手持终端传来的信息，基于WCF （Windows Communication Foundation）技术实现消防信息的共享，为移动指挥系统和指挥中心指挥系统提供室内外定位信息和火场信息。

图2 IPS_FECP总体设计架构

2 系统实现

基于以上设计，使用Flex技术、WCF技术及ArcGIS Server 技术开发了IPS_FECP原型系统。其中，普通群众手持终端及消防员手持终端由第三方提供。本文重点介绍指挥平台服务器及其控制系统，指挥中心指挥系统及移动指挥系统的实现。

2.1 指挥平台服务器及其控制系统

指挥平台服务器由消防信息共享服务器和室内外地图服务器组成，如图2所示。其中，室内外地图服务器是基于ArcGIS Server 技术实现的，它为指挥中心指挥系统及移动指挥系统提供室内外地图服务；消防信息共享服务器提供消防指挥信息的共享及同步服务，主要包括3个模块：一是消防信息共享服务器。基于WCF技术在服务器端维持终端对象列表，提供消防信息共享；二是WCF服务控制模块。该模块主要实现WCF服务的控制功能，包括服务器地址及端口设置，及服务器启动与停止；三是ASP.Net 通信服务模块。该模块定义了一个线程，基于HTTP协议间隔访问第三方提供的消防信息服务（ASP.Net Web服务），获取消防员手持终端或普通用户手持终端的状态信息。

服务器控制系统主要提供服务器控制功能，其整体界面如图3所示。其中监听面板提供监听接口设置，监听线程控制（开始、停止）功能；ASP服务器面板提供ASP服务器设置与控制功能，能够添加所要监听的终端，提供服务器地址设置和监听线程控制（开始、停止）功能；而服务器终端列表面板则提供服务器终端实时信息显示和终端服务器端对象管理功能，包括添加、删除、更新等。

（a） （b）

图3 服务器控制系统

2.2 指挥中心指挥系统

指挥中心指挥系统部署于消防指挥大厅的PC上。消防指挥人员通过该系统来实时跟踪消防员位置信息，进行预案查询管理、指挥调度以及灾民疏散控制。其核心功能包括室内外地图展示和实时跟踪消防员位置信息。

图4所示是指挥中心指挥系统图。其中图4（a）左上部分为指挥平台功能面板，左下角为指挥平台消防员终端信息列表，右半部分为室外地图面板。图4（b）右半部分显示了所选建筑物的室内地图。鉴于消防业务需求，系统默认打开四个楼层的室内地图，分别可展示着火层、着火层上一层、着火层下一层及监控中心所在楼层四个与消防指挥紧密相关楼层的室内地图。每个室内地图窗口，都可以独立控制其所显示的楼层和地图范围。

（a） （b）

图4 指挥中心指挥系统

2.3 移动指挥系统

移动指挥系统实现的功能与指挥中心指挥系统类似，不同之处是将其部署于移动端上，使得消防指挥车上的人员也能及时利用该平台进行指挥调度。移动指挥系统基本界面如图5所示，其中图5（a）上半部分为消防员终端列表，下半部分为室外地图。与指挥中心指挥系统一样，用户点击室外地图建筑物，可进入该建筑物的室内地图，如图5（b）所示。考虑到移动设备的屏幕限制，移动指挥系统只打开了一个室内地图窗口。

（a） （b）

图5 移动指挥系统

3 应用案例

本案例以C#语言实现了一个消防员终端模拟器，以模拟消防员位置的动态移动，并与指挥平台服务器交互。指挥中心指挥系统及移动指挥系统实时更新和显示普通用户手持终端和消防员手持终端的位置坐标和电话号码等信息，分别如图4（a）及5（a）所示。点击室外地图的建筑物，进入建筑物室内地图，实现消防员位置动态跟踪，分别如图4（b）及5（b）所示。

4 结 语

重大危险源和人员密集场所的灭火救援指挥是消防救援的两大困难。由于缺少定位信息和室内地图信息，通常会导致楼内人员找不到消防通道、消防员找不到被困者、消防指挥员无法确定消防员在火场中的具体位置等问题。因此，消防应急指挥，特别是在重大危险源和人员密集场所，需要一个消防应急指挥平台为消防应急指挥提供室内定位及室内地图的支持，从而辅助消防指挥员能够实时做出准确的救援决策。尽管目前已研发了各种消防应急救援指挥系统，但受限于室内定位技术及室内地图的发展，目前的消防应急救援指挥系统仍然不能为消防应急指挥提供内定位及室内地图信息。针对此问题，本文使用室内外一体化地理信息系统技术，结合目前的室内定位技术，研制了一个具有通用性、实用性的消防应急指挥平台原型系统，为消防指挥员提供高层建筑及人员密集场所内消防设施、战斗员、被困群众的准确定位信息，解决了室内外地图服务、消防室内外定位信息的跟踪与显示、消防应急指挥平台各子系统间的信息通信、共享与同步等关键问题。但目前该系统还处于初始阶段，未来需要紧密结合消防业务需求，加入更多的消防指挥业务功能，实现消防救援“情报信息多元化，通信手段多样化，辅助决策科学化，指挥控制实时化，指挥终端智能化”的要求。

参 考 文 献

[1] 刘海生，张鑫磊，宋丽霞.基于统计数据的全国火灾形势综合评价与预测[J]. 中国安全科学学报，2011，21（6） ： 54-59.

[2] 冯春莹，徐志胜，徐亮.城市火灾模拟分析与消防应急指挥系统的设计与实现[J]. 防灾减灾工程学报， 2005，25（2） ： 189-194.

[3] 张丽伟. 基于3G通信技术的消防应急指挥系统[J]. 科技资讯， 2010（20）： 17-18.

[4] JOO In-Hak， KIM Kwang-Soo， KIM Min-Soo. Fire service in Korea： advanced emergency 119 system based on GIS technology [C]// Proceeding of Electronic Government 3rd International Conference. Zaragoza， Spain： EGOV， 2004： 396-399.

[5] KLANN Markus. Playing with fire： user-centered design of wearable computing for emergency response [C]// Proceedings of the 1st international conference on Mobile information technology for emergency response. Sankt Augustin， Germany： Mobile Response， 2007： 116-125.

[6] 薛涛，慧剑，杜军朝，等. 基于智能手机的室内外定位技术在物联网中的应用[J]. 物联网技术， 2012（4） ： 25-28.

[7] Tesoriero R， Tebar R， Gallud J A， et al. Improving location awareness in indoor spaces using RFID technology [J]. Expert Systems with Applications， 2010， 37： 894-898.

[8] 张涛，徐晓苏. 基于小波和人工智能技术的车辆无缝定位技术研究[J]. 控制与决策，2010，25（7）： 1110-1112.

[9] 李杰. 基于UWB和DGPS的混合定位方法研究[J]. 计算机应用与软件， 2010，27（5）： 212-215.

[10] 邬春明，耿强，刘杰，等. DGPS与UWB混合精确无缝定位技术研究[J]. 传感器与微系统， 2012，31（3）： 74-77.

[11] 王富强，薛志伟，齐晓飞，等. 室内地图研究综述[J]. 地矿测绘，2012，28（2）： 1-3.

[12] 齐晓飞，崔秀飞，李怀树. 室内地图设计现状分析[J]. 测绘与空间地理信息，2013，36（2）： 10-14.

Design and implementation of fire emergency command platform based on indoor and outdoor location technique

YU Lin-Jun1， YANG Yu-qing2， CHI Tian-he1， HU Lu-lu1， REN Yu-huan1， YANG Li-na1， LIN Hui1， LIU Ya-lan1

（1.Institue of Remote Sensing and Digital Earth， Chinese Academy of Science， Beijing 100101， China；

2. Tianjin Public Security Fire Department， Tianjin 120000， China）

Abstract： Aiming at the problem of lack of indoor positioning and information support in high-rise buildings， a prototype system of the fire emergency command platform was developed by using the GIS and indoor positioning technologies. The key problems such as the indoor and outdoor map service， tracking and visualization of indoor and outdoor positioning information， and information sharing and synchronization among firemen handheld terminals， command platforms in the command centre and mobile command platforms were solved by this prototype system. Results show that the developed platform can provide indoor and outdoor map services and positioning services for fire emergency commands and has a good application value and wide application prospect to improve the capability of fire emergency command.

Keywords： indoor positioning； indoor map； GIS technology； fire emergence command； mobile emergency command platform

参 考 文 献

[1] 刘海生，张鑫磊，宋丽霞.基于统计数据的全国火灾形势综合评价与预测[J]. 中国安全科学学报，2011，21（6） ： 54-59.

[2] 冯春莹，徐志胜，徐亮.城市火灾模拟分析与消防应急指挥系统的设计与实现[J]. 防灾减灾工程学报， 2005，25（2） ： 189-194.

[3] 张丽伟. 基于3G通信技术的消防应急指挥系统[J]. 科技资讯， 2010（20）： 17-18.

[4] JOO In-Hak， KIM Kwang-Soo， KIM Min-Soo. Fire service in Korea： advanced emergency 119 system based on GIS technology [C]// Proceeding of Electronic Government 3rd International Conference. Zaragoza， Spain： EGOV， 2004： 396-399.

[5] KLANN Markus. Playing with fire： user-centered design of wearable computing for emergency response [C]// Proceedings of the 1st international conference on Mobile information technology for emergency response. Sankt Augustin， Germany： Mobile Response， 2007： 116-125.

[6] 薛涛，慧剑，杜军朝，等. 基于智能手机的室内外定位技术在物联网中的应用[J]. 物联网技术， 2012（4） ： 25-28.

[7] Tesoriero R， Tebar R， Gallud J A， et al. Improving location awareness in indoor spaces using RFID technology [J]. Expert Systems with Applications， 2010， 37： 894-898.

[8] 张涛，徐晓苏. 基于小波和人工智能技术的车辆无缝定位技术研究[J]. 控制与决策，2010，25（7）： 1110-1112.

[9] 李杰. 基于UWB和DGPS的混合定位方法研究[J]. 计算机应用与软件， 2010，27（5）： 212-215.

[10] 邬春明，耿强，刘杰，等. DGPS与UWB混合精确无缝定位技术研究[J]. 传感器与微系统， 2012，31（3）： 74-77.

[11] 王富强，薛志伟，齐晓飞，等. 室内地图研究综述[J]. 地矿测绘，2012，28（2）： 1-3.

[12] 齐晓飞，崔秀飞，李怀树. 室内地图设计现状分析[J]. 测绘与空间地理信息，2013，36（2）： 10-14.

Design and implementation of fire emergency command platform based on indoor and outdoor location technique

YU Lin-Jun1， YANG Yu-qing2， CHI Tian-he1， HU Lu-lu1， REN Yu-huan1， YANG Li-na1， LIN Hui1， LIU Ya-lan1

（1.Institue of Remote Sensing and Digital Earth， Chinese Academy of Science， Beijing 100101， China；

2. Tianjin Public Security Fire Department， Tianjin 120000， China）

Abstract： Aiming at the problem of lack of indoor positioning and information support in high-rise buildings， a prototype system of the fire emergency command platform was developed by using the GIS and indoor positioning technologies. The key problems such as the indoor and outdoor map service， tracking and visualization of indoor and outdoor positioning information， and information sharing and synchronization among firemen handheld terminals， command platforms in the command centre and mobile command platforms were solved by this prototype system. Results show that the developed platform can provide indoor and outdoor map services and positioning services for fire emergency commands and has a good application value and wide application prospect to improve the capability of fire emergency command.

Keywords： indoor positioning； indoor map； GIS technology； fire emergence command； mobile emergency command platform

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[1] 刘海生，张鑫磊，宋丽霞.基于统计数据的全国火灾形势综合评价与预测[J]. 中国安全科学学报，2011，21（6） ： 54-59.

[2] 冯春莹，徐志胜，徐亮.城市火灾模拟分析与消防应急指挥系统的设计与实现[J]. 防灾减灾工程学报， 2005，25（2） ： 189-194.

[3] 张丽伟. 基于3G通信技术的消防应急指挥系统[J]. 科技资讯， 2010（20）： 17-18.

[4] JOO In-Hak， KIM Kwang-Soo， KIM Min-Soo. Fire service in Korea： advanced emergency 119 system based on GIS technology [C]// Proceeding of Electronic Government 3rd International Conference. Zaragoza， Spain： EGOV， 2004： 396-399.

[5] KLANN Markus. Playing with fire： user-centered design of wearable computing for emergency response [C]// Proceedings of the 1st international conference on Mobile information technology for emergency response. Sankt Augustin， Germany： Mobile Response， 2007： 116-125.

[6] 薛涛，慧剑，杜军朝，等. 基于智能手机的室内外定位技术在物联网中的应用[J]. 物联网技术， 2012（4） ： 25-28.

[7] Tesoriero R， Tebar R， Gallud J A， et al. Improving location awareness in indoor spaces using RFID technology [J]. Expert Systems with Applications， 2010， 37： 894-898.

[8] 张涛，徐晓苏. 基于小波和人工智能技术的车辆无缝定位技术研究[J]. 控制与决策，2010，25（7）： 1110-1112.

[9] 李杰. 基于UWB和DGPS的混合定位方法研究[J]. 计算机应用与软件， 2010，27（5）： 212-215.

[10] 邬春明，耿强，刘杰，等. DGPS与UWB混合精确无缝定位技术研究[J]. 传感器与微系统， 2012，31（3）： 74-77.

[11] 王富强，薛志伟，齐晓飞，等. 室内地图研究综述[J]. 地矿测绘，2012，28（2）： 1-3.

[12] 齐晓飞，崔秀飞，李怀树. 室内地图设计现状分析[J]. 测绘与空间地理信息，2013，36（2）： 10-14.

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Keywords： indoor positioning； indoor map； GIS technology； fire emergence command； mobile emergency command platform