智能看守所服务模型

李　莉，李胜广，孙　健

(公安部 第一研究所，北京　100048)



智能看守所服务模型

李莉，李胜广，孙健

(公安部 第一研究所，北京100048)

摘要：智能空间是嵌入了计算设备、信息设备和多模态传感器的工作或生活空间，位置感知是智能空间中的重要技术。本文首先对比了目前常见的位置感知技术和位置感知算法，之后将智能空间技术和看守所实际情况相结合，提出了智能看守所伺候式服务模型。该模型包括位置感知、其他传感信息感知、应用推理三个大模块，以空间数据库为纽带，将这三个模块有机的结合在一起，形成完整的智能看守所服务模型。

关键词：智能空间；位置感知；伺候式服务；推理引擎；数据过滤

0引言

公安监管民警依法承担对犯罪嫌疑人、被告人、罪犯、违法人员和被强制医疗的精神病人警戒看管、执行刑罚、行政处罚、教育、特定疾病治疗、心理及行为矫治的任务。他们每天的工作时间通常都在12 h以上，手机保持24 h开机，紧急情况随叫随到。高强度的工作让他们非常疲惫。工作量大、精神压力大，全国每年都会发生数十起狱警猝死事件。同时，公安监管民警作为特殊岗位的警察，每天面对着杀人、抢劫、强奸等恶性犯罪的罪犯或嫌疑人，受到人身攻击的几率大，生命安全时刻受到严重威胁。在上述背景下，急需为监管民警配备现代化的安全防护系统，加强民警人身安全保护，提高民警安全防范能力。如何运用现代化手段来识别警员的身体状况，提高出现意外时处理速度，保证警员的安全迫在眉睫。本文通过引入智能空间技术，搭建智能看守所服务模型，实现向科技要警力，降低工作强度，减轻工作压力的目标。

1智能空间

当前，国内外对智能空间的研究相当广泛[1]，如美国麻省理工学院的Intelligent Room、斯坦福大学的Interactive Workspace、佐治亚技术理工学院的Aware Home、微软研究院的Easy Living、德国信息技术国家研究中心的iLand，国内如清华大学的Smart Classroom等。在这些研究中，智能空间以不同的应用形态进行呈现。同时，美国国家标准和技术研究院对智能空间的功能和为用户提供的服务进行了标准化[2]。

智能空间是信息空间与物理空间的融合，是普适计算在某一空间尺度上的具体呈现，使用的数据源是上下文信息，即能够特征化描述实体状态的任何信息。这里的实体可以是人、位置以及任何与人和服务相关的物体，包括人和服务本身[3]。在看守所中，上下文信息主要表现为人员的位置、人员的生理状态、人员的动作、人员在某地停留的时间、安防设备的报警信号等信息，其中位置是非常重要的一类上下文。

在智能空间，被授权的人们可以在任何时间任意地点随意访问、获取、操作各种信息，享受以人为中心的各类服务，而位置感知是实现这种信息融合的前提和关键技术[4]。

智能看守所是智能空间在公共安全领域中的一个实例。由于其行业属性，智能看守所与面向大众的智能空间实例有较大的差异。智能看守所关注的是监控人员所处位置，同时结合多种上下文信息，对被监控人员的行为状态进行推理，并以此为依据进行干预和处置。

2位置感知技术

常见的无线通信技术可分为远距离无线通信技术和短距离无线通信技术。远距离无线通信技术中的全球定位系统(global positioning system，GPS)、移动蜂窝基站定位(cellular based localization，Cellular)，以及短距离通信技术中的无线保真(wireless fidelity，WiFi)、超宽带(ultra wide band，UWB)、线性调频扩频(chirp spread spectrum，CSS)、紫蜂(ZigBee)、蓝牙(Bluetooth)、射频识别(radio frequency identification，RFID)等，都可以用作位置感知。这些无线通信技术，有的专门用于位置感知，有的则同时具有节点通信和位置感知功能。表1对比了位置感知应用中使用到的多种无线定位技术[5]。

表1　无线定位技术特点对比a)

a)★：表示对无线定位技术各项性能的度量，★越多，对应的性能越高。

从位置感知范围来看，GPS覆盖最广，Cellular次之，Bluetooth和RFID定位范围最小；GPS在室内环境中无法使用，Cellular在室外和室内的定位精度都很低；ZigBee、WiFi和Bluetooth都工作(或部分工作)在ISM开放频段(industrial scientific medical band，ISM)，因此容易受干扰，共存性较差；UWB信号由于带宽大、功率谱密度低，所以抗干扰能力很强，共存性很好。

看守所位置感知的应用场景主要可以分为：小空间位置感知、直线位置感知和区域位置感知。小空间位置感知主要针对较小的空间，如监室、值班室、洗手间等；直线位置感知主要针对狭长的区域，如走廊等；区域位置感知主要针对较大型的区域，如大厅、放风场等。针对不同的应用场景，需要采用不同的定位技术进行位置感知。在智能看守所中，小空间采用125 kHz定位技术和Zigbee定位技术相结合进行组合定位；直线区域采用Zigbee结合Bluetooth进行组合定位；较大型的区域采用Zigbee和433 MHz两种技术进行组合定位。

3位置感知算法

位置感知算法分为：基于测距定位的位置感知算法和基于非测距定位的位置感知算法。下面通过两个示意图进行简要介绍[5]。

基于测距定位的位置感知算法包括三种：信号时延估计、信号强度换算和信号到达角度估算。信号时延估计法是通过测量信号的传播时间或者传播时间差来计算位置，它可以分为信号到达时间法(time of arrival，TOA)、信号到达时间差法(time difference of arrival，TDOA)、信号到达时间和法(time summation of arrival，TSOA)；信号强度换算法通过使用所处环境的无线信号传播模型计算出待测量的位置；信号到达角度法(arrival of angle，AOA)可利用天线方向阵列实现。图1给出了测距定位方法的示意图。在图1中，A、B、C表示定位源，X表示未知节点，X点能通过上述三种基于测距定位的位置感知算法得出具体的坐标。

图1　基于测距定位的位置感知方法

基于非测距定位的位置感知算法不需要通过硬件设备去获取节点的距离、角度等信息，它是通过估计节点间的欧式距离，或者计算出可能包含未知节点的区域，进而确定未知节点的位置。距离向量-跳段(distance vector-hop，DV-Hop) 算法是一种分布式基于非测距的定位算法[6]，它具有计算简单和不依赖于测量误差两个优点。

图2　基于DV-Hop的位置感知方法

上述各种定位算法都有自己最适合的应用场景，有自己的优点和缺点，没有哪一种算法是普适的。在智能看守所服务模型中，主要采用基于信号强度的位置感知算法：小空间位置感知采用单基站定位算法；直线位置感知算法是基于贝叶斯算法，同时结合防止楼层间走廊定位数据漂移的数据过滤算法，最终形成抗干扰性好、不易受噪声影响、准确度较高的室内直线位置感知算法；区域位置感知采用基于指纹匹配的区域位置感知算法。同时，为了通过定位预判和过滤筛选等方法提高定位精度，在原有定位算法的基础上引入粒子群优化算法[7]。通过该算法寻求最优解，可以有效抑制了测距误差的累积对定位精度的影响，而且该算法需要的定位基站相对较少，一定程度地降低了系统成本。

4智能看守所服务模型

4.1智能看守所伺候式服务模型

针对看守所中相对固定的几种定位场景，本服务模型中采用以ZigBee技术为主，同时辅以其他定位手段，并结合人体姿态识别技术、安防报警感知技术等，构建智能看守所服务模型[8]，如下图3所示。

图3　智能看守所服务模型

本智能看守所服务模型可以分为三个大模块，以数据库作为纽带，关联位置感知信息和其他传感器感知信息，同时向应用模块提供数据支撑。

位置感知模块共分为三层，按照从下到上的顺序，第一层为数据缓存与预处理层，负责收集定位中心站发送过来的定位数据包，并对数据进行分类缓存；第二层为融合层，集成了不同的定位算法和坐标计算方法，通过这些算法，将第一层缓存的数据进行加工处理，形成具体的位置和状态数据；第三层为数据过滤层，根据特定的滤波算法对数据进行过滤。

其他传感器感知信息包括人体姿态的感知、安防设备报警信息感知等。当有报警状态出现，该模块的数据缓存与预处理层会接收解析报警信息，之后传递给空间数据库。

数据库之上，和应用相关的有三层，按照从下到上的顺序，第一层为推理引擎，根据空间数据库中的时间、位置、状态等数据进行综合推理；第二层是应用服务接口层，向应用层提供服务；第三层是应用层，负责实现具体的业务需求。

4.2伺候式空间数据库

从应用的角度来看，位置感知服务包括两种：1)位置相关的查询。2) 空间事件服务。在位置相关查询服务中，是由应用端向服务器端发起位置查询请求，服务器是被动的提供服务。对应到智能看守所中，就是对监控对象位置的监控。而在空间事件服务中，服务器需要根据环境对象的变化自发地向应用提供服务，其服务提供方式是伺候式的。对应到智能看守所中，就是监控对象状态发生改变，监控中心需要根据这些改变进行相应的处理。

从上述智能看守所服务模型可以看出，空间数据库占据了非常重要的位置。传统的空间数据库系统模型对伺候式服务难以胜任，必须采用伺候式空间服务模型[9]。该模型为轻量级结构，采用一种基于R树和四叉树的复合结构作为其空间索引，并且针对两种不同的服务，采用两种不同的处理机制：查询驱动机制和挂起通知机制。伺候式空间服务模型不仅能支持空间事件服务，而且位置相关的查询效率也很高。

4.3数据过滤

在看守所内的位置感知过程中，由于建筑物本身对电磁波吸收反射等具有差异性，同时看守所内已安装的设备对定位信号有一定干扰，以及定位设备精确度等其它原因，监控人员得到的数据往往包含很多无用数据。同时，由于定位基站数量众多，上报到服务器的数据量非常庞大。在一个安装了100个定位基站的看守所内，1 min上报的定位数据约为20万条。面对众多干扰信息，以及海量的位置数据，通过划分子网络、数据校验、定位预判、大数据采样等方式实现数据过滤，保证了位置感知数据的实时性和准确性。

4.4推理引擎

位置感知是智能看守所服务的基础，但是光有位置信息，还远远不能满足智能看守所的业务需求。监控人员需要将被监控人员的位置信息和他在某个区域停留的时间长短进行关联，推理出此人是否有违规行为；监控人员需要将被监控人员的位置和状态信息进行关联，推理出此人是否遇袭，是否跌倒，是否出现异常，同时结合位置感知得到的警力分布情况，进行警力协同调配；监控人员需要根据安防预警信息，进行特定位置的视频联动；监控人员需要结合位置信息和路径规划，实现无声巡更；监控人员需要根据位置记录，追溯执勤轨迹，实现规范执法。这些基于位置的智能看守所服务，都需要通过推理引擎来实现。推理引擎帮助监控人员实现了事前能够提醒、事中能够预警和处置、事后能够追溯的目的。

4.5实现及试点

图4　智能看守所服务模型核心类

智能看守所服务模型的核心类如图4所示。其中，LBSSensing为位置信息感知基类，目前已经实现了对Zigbee、Bluetooth、125 kHz、433 MHz设备的位置信息的感知。在采集到位置信息后，由LBSDataProcess类及其派生类按照相应的算法对数据进行解析和计算，再结合DataFiltering类对数据进行过滤，得出具体的位置信息。同理，StateSensing为状态信息感知基类，目前已经能对人员、摄像头、限高杆三种设备的状态进行感知。之后通过AlarmDataProcess类及其派生类对状态数据进行解析。同时，智能看守所服务模型中向外提供统一的数据库访问接口，由推理引擎对底层计算出来的位置和状态进行关联推理，并为应用层提供相应服务。

目前，基于位置感知的智能看守所服务模型已经在某看守所进行试点。通过采用ZigBee定位技术为主其他定位技术为辅的综合位置感知方式，结合数据融合、数据过滤等技术手段，目前定位精度达在2 m以内，图5是试验中采集的50个位置点，以及对这50个位置点的定位误差进行的分析。从图中可以看出，定位精度保持在2 m以内。

目前试点的智能看守所平台共有6大功能：实时定位、状态监控、警力分布、轨迹回放、视频联动、统计分析，下面展示部分应用模块使用状况。本平台完全解决了楼层间漂移、房间之间漂移等技术难题；同时结合多种推理模型，有效规范了被监控人员的行为。

图5　定位精度分析

图6　人员实时定位和跌倒报警

图7　轨迹回放和警力分布热度图

5结束语

本文将基于位置感知的智能空间技术与看守所的实际业务需求相结合，提出一种智能看守所服务模型，该模型汇集多种传感器的感知信息，通过融合、过滤、推理等手段，合并使用伺候式空间数据库技术，实现对位置相关的查询服务和空间事件服务的高效响应。同时，本模型中通过应用层的六大功能模块，使得看守所日常运行中能够实现事前提醒、事中预警处置、事后追溯的目标。

参考文献

[1]史元春.智能空间：和谐的人机交互环境[J].中国计算机学会通讯，2005，1(3)：16-20.

[2]The National Institute of Standards and Technology.The NIST smart space project[EB/OL].(2014-10-21)[2015-05-21].http：//www.nist.gov/smartspace/.

[3]梁韵基，周兴社，於志文，等.普适环境室内定位系统研究[J].计算机科学，2010，37(3)：112-116.

[4]明亮，赵刚，谢桂海，等.面向智能空间的位置感知方法研究[J].软件学报，2009，20(3)：671-681.

[5]肖竹，王东，李仁发，等.物联网定位与位置感知研究[J].中国科学：信息科学，2013，43(10)：1265-1287.

[6]江禹生，冯砚毫.一种非测距节点定位算法[J].传感器与微系统，2011，30(5)：133-135.

[7]王晓丽.粒子群优化算法的研究及其应用[D].太原：太原科技大学，2008.

[8]尚建嘎，古富强，余胜生，等.多定位技术融合的位置感知中间件[J].小型微型计算机系统，2011，32(12)：2519-2522.

[9]谷红亮，史元春，徐光.智能空间位置感知的伺候式服务模型[J].清华大学学报：自然科学版，2006，46(4)：584-587.

Smart Prison Service Model

LILi，LIShengguang，SUNJian

(The First Research Institute of the Ministry of Public Security，Beijing 100048，China)

Abstract：Smart space is a work or living space which is embedded in the computing device，information equipment，and multimodality sensor.Location awareness is an important technology in smart space.This paper firstly compares the common location awareness technology and location awareness algorithm，then smart space technology and the combination of the actual situation，put forward the smart prison proactive service model.The model includes three modules：location awareness，other sensor information awareness and inference module.The proactive spatial database as the link，these three modules are combined together organically，form a complete smart prison proactive service model.

Key words：smart space；location awareness；proactive service；reasoning engine；data filtering

中图分类号：P228

文献标识码：A

文章编号：2095-4999(2016)-01-0063-05

作者简介：第一李莉(1983—)，女，重庆人，硕士，工程师，主要研究领域为室内定位、智能看守所、智能警用装备管理。

收稿日期：2015-06-09

引文格式：李莉，李胜广，孙健.智能看守所服务模型[J].导航定位学报，2016，4(1)：63-67.(LI Li，LI Shengguang，SUN Jian.Smart Prison Service Model[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：63-67.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160113.