CN101508344A

CN101508344A - 应急救援辅助装备及其应用

Info

Publication number: CN101508344A
Application number: CNA2009100298170A
Authority: CN
Inventors: 邢培育; 张丽; 周家铭; 谢建兵; 李忠慧
Original assignee: Jiangsu Academy Of Safety Science & Technology
Current assignee: Jiangsu Academy Of Safety Science & Technology
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2009-08-19

Abstract

本发明涉及一种应急救援辅助装备及其应用，包括无线遥控的低空飞行器，其特征在于：低空飞行器中设有中央控制模块、参数获取模块、视频模块、数据分析模块、数据通讯与数据存储模块、应急信息库和应急照明模块，所述的模块之间是通过总线接口互相连接。它通过无线遥控的低空飞行器盘旋于事故现场，获取事故现场的图像信息，采集化学气体或化学物质蒸汽的浓度等数据，由所述的数据分析模块计算推演新浓度的空间分布以及可能的二次灾害预测信息，通过数据通讯与数据存储模块将各种图像信息和数据信息及时传输给应急救援人员，同时将这些图像信息和数据信息存储。

Description

应急救援辅助装备及其应用

技术领域

本发明涉及一种化学事故应急救援的辅助装备，具体是指基于无线遥控的低空飞行器的设有中央控制模块、参数获取模块、视频模块、数据分析模块、数据通讯与数据存储模块、应急信息库和应急照明模块的应急救援辅助装备及应用。

背景技术

在任何工业活动中都有可能发生事故，尤其是随着现代工业的发展，生产过程中存在的巨大能量和有害物质，一旦发生重大事故，往往造成惨重的生命与巨大的财产损失以及环境的破坏。由于自然或人为、技术等原因，当事故或灾害不可能完全避免的时候，建立重大事故应急救援体系，组织及时有效的应急救援行动已成为抵御事故发生或控制灾害蔓延、降低危害后果的关键甚至是唯一手段。

重大事故往往具有发生突然、扩散迅速、危害范围广、后果严重的特点，因而决定了应急救援行动必须做到迅速、准确和有效。突发性重大事故发生后，如何快速获取灾情宏观信息及准确获取灾情详细信息，并对灾害现场进行动态地全面监测监控，实时了解现场灾情变化状况，尤其是在特殊环境条件下的灾情信息获取与监控，同时，基于事故的规模、性质、特点、现场环境等信息，如何快速准确地获取事故现场多参数信息成为我国应急救援管理迫切需要解决的问题。

但在很多重大事故发生的现场，特别是危险品化学泄漏事故现场，往往由于发生事故的介质具有易燃、易爆、有毒等危险性，人们在事故的初期或者在应急救援中无法靠近或进入到灾害事故现场进行信息的收集与事故状态的监测，对于这种情况下的事故现场的信息收集与监测任务就相当艰巨，一定程度上影响了救援工作的开展。

这时，用于事故现场应急救援信息收集的智能飞行器就能很好解决目前面临的问题，既可以深入危险地带进行有关事故参数的收集，为应急救援工作提供宝贵的第一手资料，也能切实的保证应急救援工作人员的生命安全。

具有高效机动便携、可自动采集图像信息且能够实时(准实时)数据传输等功能的智能飞行器灾情信息快速获取及处理系统，为解决该问题提供了有效的技术途径。为现场的领导和专家指挥救援工作提供珍贵的第一手材料。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的一些不足，提供一种具备高智能、安全可靠、易于操控、易携带、集成化、模块化、协调化、成本低的基于低空飞行器的应急救援辅助装备系统。该系统不仅实现安全生产事故现场的实时数据信息采集、处理与传输，更能自主的深入人们所不能到达的危险区域进行多角度观测。

本发明的目的是这样实现的：一种应急救援辅助装备，包括无线遥控的低空飞行器，其特征在于：低空飞行器中设有中央控制模块、参数获取模块、视频模块、数据分析模块、数据通讯与数据存储模块、应急信息库和应急照明模块，所述的模块之间是通过总线接口互相连接。

在本发明中：

所述的中央控制模块由中央控制单元CPU芯片、随机存储器RAM、闪存Flash构成，通过总线接口与参数获取模块、视频模块、数据分析模块、数据存储模块、应急照明模块、通讯接口模块相连；

所述的参数获取模块包括传感器接口、通道控制器、同步控制器、FIFO缓存、总线接口。其中，传感器接口与外接传感器、通道控制器相连，通道控制器与FIFO缓存、同步控制器相连，同步控制器与通道控制器、FIFO缓存以及总线接口相连；

所述的视频模块包括统一的摄像头接口、通道控制器、视频缓存、视频高倍率压缩、实时视频传输、总线接口，其中，摄像头接口与通道控制器相连，视频缓存与通道控制器、视频高倍率压缩相连，视频高倍率压缩与实时视频传输相连，视频模块组成的各个单元连接在所述的总线接口；

所述的数据分析模块为数字信号处理DSP芯片或者现场可编程门阵列FPGA芯片；

所述的数据通讯与数据存储模块包括数据通讯接口和数据存储单元，其中，所述的数据通讯接口包括CDMA、Wi-Fi、3G、ZigBee通讯接口，通过ISM或专用频段实现无线通讯；所述的数据存储单元包括USB接口；

所述的应急信息库中含有多路接口的单片机处理器，应急信息库中包括化学品特性数据库、化学品应急处置方法库、应急救援物资信息库、信息更新接口，它们分别通过数据线与单片机处理器中对应的接口连接；所述的信息更新接口通过数据线与化学品特性数据库、化学品应急处置方法库、应急救援物资信息库相连；

所述的应急照明模块包括LED光源、应急照明电源、总线接口，其中LED光源与总线接口相连。

在本发明中：所述的无线遥控的低空飞行器续航能力至少为40分钟、载荷至少为0.5公斤；中央控制单元的CPU采用ARM内核的处理器，工作主频大于100MHz，闪存的存储空间大于3MB，随机存储器RAM大于8MB；参数获取模块中的FIFO缓存需配置至少2KB的动态缓存空间；视频模块中的视频信号达到720P国际高清标准，帧率至少25FPS，同时对全高清1080P/I提供支持，其中视频高倍率压缩具备了高清H.264压缩功能，最低要求BaseLine的压缩性能，存储模块至少8GB；数据分析模块中的采用的DSP芯片的运算能力在2000MMACS以上，或采用的FPGA芯片在50000门以上。

一种上述应急救援辅助装备的应用，其特征在于：通过无线遥控的低空飞行器盘旋于事故现场，获取事故现场的图像信息，采集化学气体或化学物质蒸汽的浓度等数据，由所述的数据分析模块计算推演新浓度的空间分布以及可能的二次灾害预测信息，通过数据通讯与数据存储模块将各种图像信息和数据信息及时传输给应急救援人员，同时将这些图像信息和数据信息存储。

本发明与现有的技术相比，具有下列明显的优点和有益效果：本发明利用无线遥控的低空飞行器，配备必要的模块，实现对危险的事故现场的事故信息、环境信息的采集、识别、传输与存储，通过地面控制站计算机将这些重要数据存储并实时显示，有利于实时监测与事故后深度数据分析处理，为事故虚拟再现提供重要的数据支持，无需应急救援人员深入事故危险部位，保证了人员的生命安全；数据分析模块可以计算出立体空间将来的参数分布以及二次灾害预测信息，使应急救援人员更快的获得接近真实的事故现场环境参数分布；机载高清视频实时采集、压缩处理及无线传输系统，利用高级数字视频(图像)处理技术，通过嵌入式高速DSP芯片，运用机器视觉技术，对危险化学品事故现场的泄漏源定位、泄漏量以及扩散情况进行大尺度测量；基于内置的数字信号处理(DSP)模块，通过智能识别分析算法、人工智能、机器学习、联动控制逻辑，实现基于机器视觉的事故现场参数获取与目标识别，以代替传统传感器可能的响应速度慢、测量范围有限的缺点；应急照明系统能够实现传统应急救援车探照灯所不能达到的角度，有利于扩大救援人员的视野。

附图说明

图1是本发明的涉及的实施例中的总体硬件结构示意图；

图2是本发明实施例中的参数获取模块硬件结构示意图；

图3是本发明实施例中的参数获取模块软件流程示意图；

图4是本发明实施例中的视频模块硬件结构示意图；

图5是本发明实施例中的数据分析模块硬件结构示意图；

图6是本发明实施例中的数据分析模块硬件结构示意图；

图7是本发明实施例中的应急信息库软件功能示意图；

图8是本发明实施例中的应急照明模块硬件结构示意图；

图9是本发明实施例中的数据通讯与数据存储模块硬件结构示意图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明的具体实施例，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明基于无线遥控的低空飞行器，由图1可见，它由中央控制模块、参数获取模块、视频模块、数据分析模块、数据通讯与数据存储模块、应急信息库、应急照明模块组成，实现了基于低空飞行器的应急救援辅助装备系统。中央控制模块由中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、闪存(Flash)等组成，CPU采用ARM内核的处理器，工作主频大于100MHz，闪存的存储空间大于3MB，随机存储器(RAM)大于8MB可满足本系统运行要求。本系统控制程序置于闪存，系统通电或复位时，系统控制程序由闪存加载到随机存储器中运行。各个模块均通过总线接口进行数据交换。所述的总线接口是指各个模块可通过统一的电气规范、数据规范、控制命令进行数据交换，互相协调工作，并且可以接纳具有统一总线接口的其他模块，因此本发明的应急救援辅助装备系统具备一定的可扩展性。所述的参数获取模块、视频模块、数据分析模块、数据通讯与数据存储模块、应急信息库、应急照明模块通过总线接口可以互相连接，便于由中央控制模块统一控制、协调各个模块工作。具体实施时，要求无线遥控的低空飞行器的续航能力40分钟以上、载荷至少0.5公斤。

如图2所示，参数获取模块负责与检测对象(事故现场环境参数)交互，通过传感器，如浓度传感器、距离传感器等获取参数数据，主要包括化学事故现场的易燃易爆、有毒、剧毒气体浓度(包括蒸发的液体)以及事故现场温度、风向等参数。通道控制器负责连接各个传感器，并为需要供电的各个传感器供电；FIFO缓存与通道控制器相连，缓存各个通道的数据，以备数据分析模块使用，FIFO缓存需配置至少2KB的动态缓存空间；同步控制器同时控制通道控制器、FIFO缓存，以便达到有序的获取参数。

如图3所示，参数获取模块的软件(固件)保存在参数获取模块的控制单片机Flash存储器上，上电自检并运行。首先，读取预先的模块配置信息。正确读取模块配置信息后立即检测与参数获取模块连接的外部传感器，通过自定协议或者公共协议获取传感器的类型与参数，用于数据采集过程中的统一编码。如果确认了传感器信息，即可以将其列入设备列表，以供参数获取模块以及系统控制模块调用。将传感器正确加入了设备列表后，系统将给传感器分配一定的资源。循环此操作过程直至所有的外接传感器均正确识别，这时系统就可以开始正常的参数数据采集。采集过程主要由通道控制器控制选择合适的采集通道进行相应的参数数据采集，可以通过一般的模数转换操作，也可运用特定的协议实现与传感器数据传输。采集后的数据暂时放入FIFO存储器，等待主控制器的命令。

如图4所示，视频模块负责进行事故现场视频的采集。视频模块包括了摄像头接口、通道控制器、视频缓存、视频高倍率压缩、实时视频传输、视频存储、总线接口。通道控制用于控制多个摄像头，同时将采集到的视频临时存入视频缓存，以便进行高倍率视频压缩。为了能得到事故现场更多的细节信息，本发明中使用的视频信号一般是高清视频信号，能达到720P国际高清标准，帧率至少25FPS。同时对全高清1080P/I提供支持，高质量的高清图像视频使人如亲临现场，为科学准确的指挥调度提高强有力的支持。其中视频高倍率压缩具备了最新的高清H.264压缩功能，最低要求BaseLine的压缩性能。压缩过的视频信号经实时视频传输模块传输到地面控制台进行解码显示，使得应急救援人员能看到人员不能进入危险场所或一些角落的详细情况。同时，压缩了的视频信号传输到内置的存储模块，以便后期使用，存储模块至少8GB，以便存储40分钟的视频。另外，在视频缓存中的视频数据可以通过总线接口，传输到如图5所示的数据分析模块。

如图5所示，数据分析模块基于一个通用数字信号处理(DSP)芯片或现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片，DSP芯片的运算能力在2000MMACS以上，FPGA芯片在50000门以上。但也不局限于这些芯片。结合外部动态/静态RAM存储器(RAM至少64Mbytes)、Flash程序存储器(Flash至少4Mbytes)，构建了数据分析的硬件运行环境。模块通过数据总线与主系统其他模块进行命令控制与数据交互。并实现即插即用，方便数据分析模块进行升级。

如图6所示，数据分析模块在软件上包括数据预处理、危险目标搜索定位、事故演变推演。数据预处理主要完成对数据的去噪、归一化、分类等处理。该模块程序首先初始化DSP或FPGA芯片，以便其进入正常工作状态，并与主控制器能够进行通讯。然后分别读取实时视频信息与事故现场参数数据。经过数据预处理后，使其更适合进行深层次算法加工。基于高性能数字信号处理(DSP)或可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片，在从总线接口传过来的高清图像视频的基础上，将采集到的序列数字视频图像进行预处理，包括滤波降噪、图象锐化、对比度增强等。对采集到的视频图像进行滤波除噪，主要采用中值滤波算法降低噪声。对预处理后的图像进行图像分割，并对分割后的目标图像进行特征提取和图像描述，利用智能识别分析算法、机器视觉技术等对处理过的视频图像进行分析。提取其特征特性，滤掉多种自然现象干扰，特征提取得到的特征与模型库里建立好的模型进行模式匹配，识别出危险目标，获得的数据存入数据存储模块，以实现对危险化学品事故现场的泄漏源定位、泄漏量以及扩散情况进行大尺度测量，弥补参数传感器可能的响应速度慢、测量范围有限的缺点，为应急救援提供强有力的支持。同时，利用联动控制逻辑，将识别后的参量化的数据通过总线接口传输到主控制模块，根据需要实时修改低空飞行器的飞行路线，达到危险目标的快速搜索定位；事故现场参数数据经过分布梯度计算，得到泄漏源的定位参数，与视频识别信息一并送入缓存等待主控制器调用。同时，获得的泄漏源定位信息与种类信息经过匹配对应的数学模型，根据事故应急救援现场采集的各种物理、化学环境参数(如现场有毒、易燃易爆气体分布)，融合事故模拟模型算法，如重气扩散模型，计算事故影响趋势。同时结合飞行器导航控制系统进行智能自主事故参数信息采集，为应急救援提供精准的事故影响信息，为应急救援指挥调度以及人群疏散提供强有力支持。

如图7所示，应急信息库包括化学品危险特性数据库、化学品应急处置方法库、应急救援物资信息库、信息更新接口。化学品危险特性数据库存储化学品安全性方面的各类数据。如关于危险品排放及对健康影响的数据，关于重要化学品毒性的数据，关于易燃易爆化学品及其混合物安全特性的数据，关于毒性物质的数据，关于化合物安全特性的数据等。化学品应急处置方法库为事故应急救援提供各种应急处置技术，为安全防护、处置技术、撤离疏散、事故后恢复等提供支持。应急救援物资信息库主要存储了事故发生点指定范围内的各种救援物资信息。化学品危险特性数据库、化学品应急处置方法库、应急救援物资信息库可通过总线接口为数据分析模块提供基础数据服务。信息更新接口可以为这些数据库进行数据更新。

如图8所示，应急照明模块包括应急照明电源、LED驱动器和总线接口。LED驱动器与总线接口相连，用来控制LED的运行。往往化学事故在夜晚发生的情况较多，事故现场需要应急照明。同时，事故现场不可避免的会有易燃易爆的气体或易于蒸发、挥发的液体存在，因此需要照明光源具备防爆措施。LED光源在具备高效率的同时具备良好的防爆特性，亮度也可以进行无级调节。

如图9所示，数据通讯与存储模块包括2G/3G无线通讯单元、USB接口单元、Wi-Fi单元、ISM无线通讯单元、总线接口。USB接口单元可以更新化学品危险特性数据库、化学品应急处置方法库、应急救援物资信息库。视频信号通过Wi-Fi单元传输到地面控制台。ISM无线通讯单元用来接收地面控制台的指挥控制指令。2G/3G无线通讯单元作为通讯的扩充单元可以通过统一的接口实现与系统的连接。数据存储主要有数据预处理、数据加密、数据压缩、数据存储媒介、数据解压缩、数据解密。由于系统的存储空间有限，有必要对数据进行预处理。数据预处理主要负责完成对数据的筛选，对于常规监测到的意义不大的数据进行剔除，对类似的数据进行归类。对意义不大的数据进行剔除的原则是在一定时间内，数值变化在极小的范围内的数据以及在监测过程中的空数据，这个范围可以人工设定和自主学习。数据加密、数据解密实现系统数据存储的加密与完整性保护，同时辅以校验措施来保证数据存储的保密性和完整性，实现防止数据的非授权访问和修改。数据存储媒介主要通过系统的Flash芯片以及SD存储卡实现，但数据存储媒介类型不限于此。

Claims

1、一种应急救援辅助装备，包括无线遥控的低空飞行器，其特征在于：低空飞行器中设有中央控制模块、参数获取模块、视频模块、数据分析模块、数据通讯与数据存储模块、应急信息库和应急照明模块，所述的模块之间是通过总线接口互相连接。

2、根据权利要求1所述的应急救援辅助装备，其特征在于：

3、根据权利要求1所述的应急救援辅助装备，其特征在于：所述的无线遥控的低空飞行器续航能力至少为40分钟、载荷至少为0.5公斤；中央控制单元的CPU采用ARM内核的处理器，工作主频大于100MHz，闪存的存储空间大于3MB，随机存储器RAM大于8MB；参数获取模块中的FIFO缓存需配置至少2KB的动态缓存空间；视频模块中的视频信号达到720P国际高清标准，帧率至少25FPS，同时对全高清1080P/I提供支持，视频高倍率压缩具备高清H.264压缩功能，最低要求BaSeLine的压缩性能，存储模块至少8GB；数据分析模块中的采用的DSP芯片的运算能力在2000MMACS以上，或采用的FPGA芯片在50000门以上。

4、一种如权利要求1或2或3所述应急救援辅助装备的应用，其特征在于：通过无线遥控的低空飞行器盘旋于事故现场，获取事故现场的图像信息，采集化学气体或化学物质蒸汽的浓度等数据，由所述的数据分析模块计算推演新浓度的空间分布以及可能的二次灾害预测信息，通过数据通讯与数据存储模块将各种图像信息和数据信息及时传输给应急救援人员，同时将这些图像信息和数据信息存储。