基于手机搜索的生命探测平台研究

2017-10-12洪利李亚南

城市与减灾 2017年5期

洪利李亚南

基于手机搜索的生命探测平台研究

洪利李亚南

洪利，防灾科技学院防灾仪器系主任、教授、博士后、硕士研究生导师，主要从事无线通信与网络技术、物联网、智能仪器等研究工作。2010年获中国石油大学（华东）控制理论与工程专业博士学位，后在中国电力科学院进行电力物联网AMI 通信领域的博士后研究，主持和参与国家863 计划、国家重大专项、国家自然科学基金、省市科技计划项目17 项。在国内外刊物公开发表学术论文50 余篇，其中三大检索收录30 余篇，出版专著教材5 部。先后获省部级科技进步二、三等奖各1 项、厅局级科技进步一等奖3 项、国家专利16 项。

李亚南，防灾科技学院助教，中国石油大学（华东）电子与通信工程专业硕士，主要从事无线通信系统等技术研究。

研究背景

破坏性地震发生后，如何在灾后恶劣、复杂的地理环境中，快速有效地实施人员搜救，挽救更多的生命成为灾后救援亟待解决的问题。正确合理地运用搜救方法和搜救设备对被压埋人员进行搜救定位，可以达到事半功倍的效果。

目前，对灾后被压埋人员的搜索主要依赖于传统的搜救犬或生命探测仪等进行搜救工作。由于生命探测仪在工作时受距离、光线、废墟材质、温度、湿度等因素的影响，因此在进行搜救时具有盲目性和不确定性，这在一定程度上限制了生命探测仪的应用。除了直接探测人体生命特征的探测技术，通过探测受灾人员身边的一些能发出信号的物品比如手机等，以此来找出受灾人员的相关技术也逐渐成为生命探测领域的重要发展方向。

随着无线通信技术的发展和电子产品的普及，手机已经成为人们随身携带的重要通讯工具，通过搜索手机信号来进行移动终端搜索定位也成了新兴的生命探测技术。因为当地震引发建筑物坍塌时，手机往往成为散落在人们身边的仅有设备。通过对这些设备进行探测和定位，可以间接地找到被压埋人员的大概位置，再配合生命探测设备，即可将人员及时救出。

目前手机探测方法可分为被动式和主动式两种。被动式手机探测即通过被动接收手机的发射信号来进行探测，要求手机处于联网状态，国内外探测此类状态的手机探测仪已有很成熟的产品。但是，震后房屋坍塌，线路中断，基站被破坏，往往导致公共通信终端、无线通信网络缺失，而且被压埋者通常丧失行为能力，无法操作手机进行联网，因此被动式手机探测不适合用于救援探测，无法满足震后救援的需要。主动式手机探测是指设法激活手机，使手机主动对外发射某种信号，外界通过对该信号进行采集和处理，再根据定位算法得到手机位置，以帮助搜救队员确定被压埋者的具体位置，从而进行高效率地搜救的方法。

本研究针对震后公共通信中断、无线通信网络信息缺失环境下，如何搜救幸存人员，创新性提出利用手机WiFi 信号进行幸存者定位的方法。围绕手机搜索定位的关键问题，在国内率先开展震后废墟无线环境下的无线信号传输信道建模研究；在此基础上，对手机激活策略进行了研究和分析，并对手机定位算法进行深入研究，取得了一系列成果。

研究目标、研究内容、技术路线

1.研究目标

建立地震废墟环境下的无线信号传播模型，为利用WiFi信号定位提供测量基础，获取该频段无线信号的路径损耗等大尺度参数以及平均超量时延、均方根时延扩展等小尺度参数。协同定位模型研究，利用最小二乘法和BFGS算法协同定位，进行决策级融合，实现对终端的识别和准确定位。

2.主要研究内容

（1）手机激活策略研究

通常情况下手机的激活由网络完成，但在通信中断情况下网络信息缺失，无法正常激活手机，因此需要根据灾害现场特点研究手机激活策略。一般在大地震发生时刻，被压埋人员的手机通常会由于地面晃动而导致手机跌落，手机跌落就会引起加速度发生改变，针对手机的加速度变化设计出一种手机WiFi激活策略，实现手机激活。

（2）废墟环境下无线信号传输模型废墟环境中由于无线信号传输路径与传统传输路径不同，手机掩埋的具体位置各异，传统的无线信道模型不能适应于废墟环境，无法测量出正确的定位参数。需要研究适应废墟这种特殊环境的无线信道模型。在地震废墟环境下使用频谱分析仪获取2.4GHz无线信号强度、信号传输时延、信号传输方向等定位所需的关键信息，再通过多模型融合和信号校正获得正确的功率强度、无线信号方向和信号传输时延，为手机协同定位提供正确的基础数据。

（3）手机协同定位算法研究

基于TDOA 定位技术，结合数据融合思想，研究一种无须先验信息、利用最小二乘法和BFGS定位结果，进行融合的多算法协同定位，实现对手机的准确定位。利用不同定位算法的协同，经过数据融合处理进行目标的综合定位，得到更准确可靠的手机估计位置，有效提高了定位精度。

3.技术路线

首先确定系统架构，在此基础上，实现通信中断、网络信息缺失条件下的手机激活；其次，针对地震废墟现场环境，不同无线传输路径的信道模型不同，手机不同掩埋点信号传输特征不同，设计测量方案，对多种地震废墟环境进行测量，获取2.4GHz无线信号的传播模型；最后，基于TDOA 定位技术，利用最小二乘法和BFGS算法定位结果，进行融合的多算法协同定位，开发相应软件系统完成对手机的准确定位。

技术路线流程图如图1所示。

图1 技术路线流程图

关键技术与研究结果

1.废墟环境下2.4GHz无线信号传播模型的测量

本项目对2008年汶川地震重灾区北川老县城遗址进行现场测量，在废墟环境下获取2.4GHz无线信号的信号衰减特性，包含大尺度衰落和小尺度衰落两部分内容。大尺度衰落主要包含信号在自由空间内传播损耗以及建筑物的材料吸收损耗；小尺度衰落主要包含平均超量时延和均方根时延扩展等参数。

（1）测量系统

测量系统如图2所示。整个测量系统包含三部分：

①手持式矢量网络分析仪：分析无线信号数据在测量频段的频谱、相位以及S参数；

②前端放大器：放大接收信号；

③发射和接收天线：发送、接收信号。

（2）测量场景

在北川老县城遗址，选取两个较典型的场景进行测量，其中，场景1（图3所示）属于复合型倒塌结构类型，场景2（图4所示）属于翻转型倒塌结构类型。

图2 频域扫频测量系统框架图

图3 (a) 测量场景1整体情况

图3 (b) 测量场景1内部图

图4 (a) 测量场景2整体情况

图4 (b) 测量场景2内部图

（3）数据处理

①大尺度衰落

信道大尺度衰落用PL表示，由无线信号在空气中的自由传播损耗和建筑物穿透损耗两部分组成，分别用Afree和Aruin表示。

不同建筑物对无线信号的衰减效应各异，大致可分为墙体和家具等种类。信号经过不同材料时的穿透损耗是由材料的内部组成结构决定的。理论上，可以将混合材料分割后抽象为若干层障碍物叠加的模型，模型损耗可由式（2）表示：

式中，αk表示第k层障碍物材料的损耗因子， hk表示第k层障碍物材料的厚度。

图5为信号穿过障碍物示意图。

图5 信号穿透障碍物示意图

上述测量场景下，发送和接收天线之间的障碍物主要是钢筋混凝土墙体，其厚度分别为28cm、26cm。对测量数据处理得到无线信号穿透的损耗因子约为0.72dB/cm。将测量结果代入公式（2），当频率为2450MHz时，得出无线信号穿过钢筋混凝土层不同测量点的预测值，并与实际测量值对比，如图6所示。

图6 2450MHz钢筋混凝土层穿透损耗的预测值与测量值

由图6可知，实际测量值和预测值存在一定误差，这是由于实际测量场景下的混凝土密度和内部成分差异造成的；而且地震后混凝土层上碎土、碎石堆积以及裂缝等，造成电磁波穿过混凝土层时被吸收、散射、衍射和泄露，使各点的衰减值各不相同。经过计算测量值与预测值误差约为3.81dB。

②小尺度衰落

对于无线信道的小尺度特性，在本次测量活动的研究中主要分析其平均超量时延和均方根时延扩展。

平均超量时延是功率延迟分布的一阶矩，用来衡量信号多径分量的能量集中度，可以通过对多径分量幅值的平方进行加权平均计算得到：

实际通信中，由于频带有限宽，信号码元都存在一定的扩展，接收到的每一个码元都会受到在该脉冲之前其他码元的扩展干扰，距离该脉冲越近，干扰越大。

为了估计平均超量时延的统计特性，本文首先根据测量的数据拟合出其累积分布函数（Cumulative Distribution Function，CDF），并和伽马分布、正态分布、对数正态分布、韦伯分布进行比较，如图7所示，所选的这四种分布都能较好拟合实测的数据。

图7 RMS时延扩展的RMS分布

其中四种分布模型的估计参数如表1所示。

为了更好地评价所拟合出的这几种分布模型，本文采用Kolmogorov-Smirnov检验（K-S检验）和卡方检验进行评估，得出实测的数据更符合正态分布和伽马分布。

表1 所研究分布模型的参数估计值

2.基于WiFi的手机搜索定位系统

定位系统由无线搜索平台组成，系统结构如图8所示，系统包含3部分：（1）废墟下掩埋的手机；（2）手机搜索探测平台；（3）控制中心。其中被埋手机主要是启动 WiFi 搜救并与探测平台进行通信；探测平台包含WiFi基站和显示终端，主要实现被困手机信息的采集、传输、处理；控制中心实现整个系统的数据处理，定位算法运行和定位结果显示等。

地震发生后，手机由于强烈震动激活WiFi功能，当搜救平台进入该区域后，平台探测手机WiFi信号强度，经过处理后，强度信息通过无线网络汇总至控制中心，控制中心将信号强度信息结合废墟环境下无线信号模型，使用定位算法定位被埋压手机。

（1）手机

手机端安装程序后，程序自动在系统后台运行，实时监测手机震动情况，当震动值超出设定阈值，则激活WiFi功能（图9）。