CN105184433A - 危险环境中作业人员安全监测及评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的危险环境中作业人员安全监测及评估系统。本系统包括无线传感器网络。其中无线传感器网络包括数个传感器节点、汇聚节点。通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给监测者。本发明实现了对在危险环境中作业人员的人身安全的实时监测与评估，避免了团队成员因在危险环境中而出现不可预估的潜在性安全风险。

Description

危险环境中作业人员安全监测及评估系统

技术领域

本发明涉及一种危险环境中作业人员的安全监测及评估系统，尤其涉及基于无线传感器网络的危险环境中作业人员安全监测及评估系统。

背景技术

登山、考古、勘测、救灾等作业通常需要一个团队分散在复杂且高危的环境中工作。复杂的地形、低能见度、恶劣的天气等因素进一步增加了团队成员所受到的安全威胁。在上述环境中实施作业，为确保队员生命安全，队员间须时刻保持联系、且及时相互通知危险。然而，在危险复杂的环境中，要求队员分散精力来兼顾其他队员的情况并不现实，且会增加其自身的安全风险。另外，队员往往难以及时的发现自身或其他队员的安全隐患。因此，急需能够自动的监控队员状况并进行实时安全风险评估的系统。

具有感知、计算和通信能力的无线传感器网络(WSNwirelesssensornetworks)，综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，并对获取的数据进行处理，传送到需要这些信息的用户。近年来无线传感器网络技术迅速发展，并应用于科学考察、环境监测、医疗卫生、军事监控等不同领域中。

目前团队作业常用的设备有对讲机，可用于队员间的通信，但不能提供对安全保障来说很重要的位置信息，在大部分室内、地下或树木遮挡的复杂环境中，也无法使用GPS进行定位。此外，使用对讲机进行通话意味着需要中断队员的正常作业，无法自动完成队员间的通信交互。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于实时监测及评估危险环境中作业团队成员安全风险的无线传感器网络系统，从而有效降低团队成员的安全风险。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种危险环境中作业人员安全监测及评估系统，其特征在于，包括由团队成员携带的用于定位、感知及数据无线传输的传感器节点及由领队携带的用于监控团队成员位置和评估其安全状态的汇聚节点，传感器节点以周期τ定期采集传感器数据，传感器节点与汇聚节点通过无线连接构成多跳传感器网络，该多跳传感器网络被建模为拓扑图G＝(V，E)，其中，V表示传感器节点及汇聚节点的集合，E表示传感器节点与汇聚节点间或两个传感器节点间的无向边，若传感器节点与汇聚节点间或两个传感器节点间可通过无线连接相互通信，则在传感器节点与汇聚节点间或两个传感器节点间存在一条无向边，整个多跳传感器网络进行集中式全局测评，单个汇聚节点进行本地自我测评，其中：

集中式全局测评包括如下步骤：

步骤A1、汇聚节点以周期σ定期地向整个多跳传感器网络广播信标包，该信标包通过多跳的方式在多跳传感器网络中进行洪泛，从而建立由汇聚节点到汇聚节点的路由信息；

步骤A2、收到信标包的传感器节点，将本地最近一轮的传感器数据通过多跳方式发送给汇聚节点；

步骤A3、汇聚节点接收来自传感器节点的当前一轮传感器数据，并根据所获得的传感器数据进行集中式安全风险评估；

本地自我测评包括如下步骤：

步骤B1、每个传感器节点以周期μ定期广播最近一次的本地传感器数据，则在其通信半径内的所有传感器节点可接收到该广播信息；

步骤B2、当前传感器节点根据其收到的来自相邻传感器节点的广播信息以及源自汇聚节点的信标包后，进行本地安全风险评估。

优选地，所述安全风险评估的策略至少包括单个队员掉队风险评估与安全提醒，或团队分散检测与风险评估，或网络拓扑特征分析。

优选地，在集中式安全风险评估中，所述单个队员掉队风险评估与安全提醒为：若汇聚节点在连续m个周期σ内未能收到某个传感器节点当前一轮的传感器信息，则汇聚节点将发出报警信号；在本地安全风险评估中，所述单个队员掉队风险评估与安全提醒为：预先设定多跳传感器网络中每个传感器节点的最少邻居数目n，若当前传感器节点在时隙μ内接收到的与其相邻的传感器节点的广播信息的数目低于n时，当前传感器节点将发出报警信号。

优选地，在集中式安全风险评估中，所述团队分散检测与风险评估为：汇聚节点根据得到的所有传感器节点的传感器数据对拓扑图G进行连通性分析，并根据每个传感器节点的移动速度及方向预判拓扑图G有出现被分割为多个子图的可能；在本地安全风险评估中，若当前传感器节点在一定时间内未收到来自汇聚节点的信标包，则当前传感器节点将发出报警信号。

优选地，所述网络拓扑特征分析包括：

分别计算拓扑图G中每个汇聚节点及汇聚节点的度中心性、介数中心性及紧密中心性，将团队中具有丰富经验的队员指派至具有较高介数中心性的传感器节点所在位置处，将团队中经验较少的队员指派至具有较高紧密中心性的传感器节点所在位置处，同时，实时计算拓扑图G的直径，从而了解当前团队的队形，并采取适当的策略避免形成安全性较低的队形。

本发明实现了对在危险环境中作业的团队成员的实时监测。避免每个成员掉队，阻止团队分散，领队能够正确分配整个团队以及团队中相对位置的成员通信和合作。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明所述无线传感器网络拓扑结构示意图；

图3是本实施例所述示范实施例中团队成员所携带节点间形成无线网络的示意图，图中，sink为汇聚结点，1-9为9个传感器节点；

图4是本实施例所述检验团队成员掉队示意图；

图5是本实施例所述无线传感器网络的逻辑拓扑结构可视化示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供了一种基于无线传感器网络的危险环境中团队作业的人员安全监测与评估系统，包括由团队成员携带的用于定位、感知及数据无线传输的传感器节点及由领队携带的用于监控团队成员位置和评估其安全状态的汇聚节点。传感器节点与汇聚节点通过无线连接构成多跳传感器网络，如图2所示。传感器节点和汇聚节点均为一到多个。传感器节点和汇聚节点均包括处理器模块、和处理器连接的存储器、无线通信模块、加速度传感器、陀螺仪、磁力传感器、气压传感器、电池管理单元、扬声器、麦克风、液晶触摸显示屏。电池管理单元与可充电电池连接。传感器节点用于采集携带者的运动速度和方向、与相邻节点间进行无线通信，根据信号强度计算节点间相对位置，并将结果发送给汇聚节点。汇聚节点与传感器节点的区别在于更强大的处理器和大容量存储器，并加载了监测及评估系统。汇聚节点通过无线通讯方式向传感器节点发送控制消息，并接收由传感器节点传来的应答消息，对接收的数据进行分析处理，通过图形化方式显示分析结果，评估队员的安全风险，当所述风险超出警戒值时触发报警装置。

领队所携带的汇聚节点和成员所携带传感器节点间形成一个多跳的无线传感器网络，如图2所示。由无线节点发射功率及无线通信协议的限制，若两节点间的距离超过其最大通信范围，则无法进行无线通信。多跳网络被建模为拓扑图G＝(V，E)，其中，V表示节点的集合，E表示节点间的无向边。若两个对应传感器节点间(汇聚节点可视为一个特殊的传感器节点)可通过无线连接相互通信，则在这两个节点间存在一条无向边。通过维护和分析拓扑图G的拓扑结构，可评估每个成员的安全风险，也可以提供关于网络拓扑特征的各种分析结果，根据当前环境下团队的安全策略进行风险评估。

基于无线传感器网络的安全监测及评估系统使用之初，领队需预先根据当前作业环境之危险水平进行初始化参数设置，包括：设定汇聚节点的网络拓扑信息更新周期σ、通过汇聚节点以无线连接的方式设置其他传感器节点的信息采集周期τ、以及邻居节点的信息交换周期μ。根据团队所处环境，对汇聚节点设置团队安全策略。初始化完成后，系统同时执行集中式全局测评和本地自我测评。

集中式全局监测遵循以下步骤来获得全网信息：

步骤1：领队所佩戴的汇聚节点定期地向整个网络广播控制信息。汇聚节点以领队预先设定的网络更新周期σ向网络广播信标包，信标包通过多跳的方式在网络中进行洪泛，从而建立由任意传感器节点到汇聚节点的路由信息。

步骤2：收到信标包的传感器节点，将本地最近一轮的传感器数据通过多跳方式发送给汇聚节点。传感器数据包括：

本方案中所述的加速度传感器用于获得节点佩带者运动时在三个正交方向上产生的加速度；

本方案中所述的陀螺仪用于获得节点佩带者运动时在三个正交平面上产生的角速度；

本方案中所述的磁力传感器用于获得节点佩带者运动的方向；

本方案中所述的气压传感器用于获得节点佩带者所在位置的海拔高度。

步骤3：汇聚节点接收来自传感器节点的当前一轮传感器数据，并根据所获得的数据进行集中式安全风险评估。

本地自我监测遵循以下步骤，获取自身和邻近成员间拓扑关系：

步骤1：每个队员所携带的传感器节点以周期μ广播自己的当前状态，即本地传感器最近一次采集的数据，则在其通信半径内的节点可接收到该广播信息。

步骤2：传感器节点根据其收到的来自邻居节点的广播信息、以及源自汇聚节点的信标包进行本地评估。

基于上述传感器网络布置、以及全局与局部监测方法，本发明提出以下风险评估策略：

1)单个队员掉队风险评估与安全提醒

作为一项基本安全准则，每个队员须与一定数量的其他队员保持密切联系以确保不掉队。在该项评估中，需预先设定团队中每个队员的最少邻居数目n，即拓扑图G中，任意节点v_i∈V的度至少为n，记为deg(v_i)≥n。系统同时执行集中式全局测评和本地自我测评。在全局式测评中，若汇聚节点在连续m(预设)个更新周期σ内未能收到某个节点当前一轮的传感器信息，则汇聚节点将发出报警信号。在局部测评中，传感器节点v_i在μ时隙内接收到的邻居节点广播信息的数目等价与其当前在网络中的度deg(v_i)。若deg(v_i)低于n时，节点将发出报警信号。

2)团队分散检测与风险评估

由于团队成员不同的移动速度和移动方向，整个团队可能会被分散成多个子团队。其结果是，分属于不同子团队的成员之间不能通信，且领队人也不能协调整个团队的行动。为防止团队的分散，从拓扑观点考虑，即防止拓扑图G被划分成多个子图断开的情况，需实时监测网络的连通性，使其拓扑图G保持k-边连通图，即删去至少k条边，则G将被划分为多个子图。所述k是根据具体环境而设置的安全参数。集中式测评中，汇聚节点可根据获得的全局节点信息对网络拓扑进行连通性分析，并根据队员的移动速度及方向预判可能出现的团队分割。本地测评中，若单个传感器节点在一定时间内未收到来自汇聚节点的信标包，则意味着与领队所在团队分散，节点将发出报警信号。

3)网络拓扑特征分析

基于无线传感器网络的危险环境中作业人员的安全监测及评估系统可以提供各种网络拓扑特征的分析结果，帮助领队了解当前团队的情况。

中心性(Centrality)：

在图论中，一个顶点的中心性决定了它在图中的相对重要性。在由团队成员所携带的传感器节点及汇聚节点所形成的网络拓扑中，该指数意味着其中相应成员位置的重要性。本评估系统提供三种方法来测量节点的中心性：度中心性(DegreeCentrality)、介数中心性(BetweennessCentrality)和紧密中心性(Closenesscentrality)。根据所测得的各节点的中心性，团队领导者可以采取一定的策略来保证团队的安全。

度中心性：定义为节点度。

介数中心性：直观的说，多次出现在两两节点间最短路径上的节点具有较高的介数中心性。领队可指派经验丰富的队员到该位置处，因该位置在网络拓扑结构中最为重要。

紧密中心性：靠近拓扑中心的节点具有较高的紧密中心性。领队可委派新手到有最大紧密中心性的位置处，因为他们处于团队中心，相对安全。

直径(Diameter)：

直径为网络中两两节点间最短路径上跳数的最大值。领队知道团队成员的数量，通过实时测量团队的直径，可了解当前队形，并采取适当的策略避免形成安全性较低的队形。例如避免使整个团队变得又窄又长。

以下结合具体数据来进一步说明本发明，本演示中包含队长1人以及队员9人，领队携带汇聚节点，而其他成员都装备普通传感器节点，如图3所示。首先，调整传感器的传输功率在草坪上形成一个多跳的无线传感器网络。参与者被要求左右移动以模拟不同的安全场景。该演示包括两个部分：

首先进行初始化参数设置：领队预先对汇聚节点设定网络拓扑信息更新周期为5s，并通过汇聚节点，以无线连接的方式设置其他传感器节点的信息采集周期为2s。根据团队所处环境，对汇聚节点设置团队安全策略。

1)单个队员掉队风险评估与安全提醒，如图4所示

在该项评估中，预先设定团队中每个队员的最少邻居数目1，即图3中，任意队员的直接通信邻居至少为1。系统同时执行集中式全局测评和本地自我测评。在全局式测评中，若汇聚节点在连续3(预设)个更新周期内未能收到某队员当前一轮的传感器信息，则汇聚节点将发出报警信号。在局部测评中，传感器节点在5s时隙内接收到的邻居节点广播信息的数目低于1时，节点将发出报警信号。

2)团队分散检测与风险评估

为实时监测网络的连通性，预先设定其拓扑图G需保持2-边连通图。集中式测评中，汇聚节点可根据获得的全局节点信息对网络拓扑进行连通性分析，并根据队员的移动速度及方向预判可能出现的团队分割。网络拓扑性特征如图5所示，不满足2-连通，则汇聚节点报警。本地测评中，若单个传感器节点在一定时间内未收到来自汇聚节点的信标包，则意味着与领队所在团队分散，节点将发出报警信号。

上述实施例并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种危险环境中作业人员安全监测及评估系统，其特征在于，包括由团队成员携带的用于定位、感知及数据无线传输的传感器节点及由领队携带的用于监控团队成员位置和评估其安全状态的汇聚节点，传感器节点以周期τ定期采集传感器数据，传感器节点与汇聚节点通过无线连接构成多跳传感器网络，该多跳传感器网络的被建模为拓扑图G＝(V，E)，其中，V表示传感器节点及汇聚节点的集合，E表示传感器节点与汇聚节点间或两个传感器节点间的无向边，若传感器节点与汇聚节点间或两个传感器节点间可通过无线连接相互通信，则在传感器节点与汇聚节点间或两个传感器节点间存在一条无向边，整个多跳传感器网络进行集中式全局测评，单个汇聚节点进行本地自我测评，其中：

集中式全局测评包括如下步骤：

步骤A1、汇聚节点以周期σ定期地向整个多跳传感器网络广播信标包，该信标包通过多跳的方式在多跳传感器网络中进行洪泛，从而建立由汇聚节点到汇聚节点的路由信息；

步骤A2、收到信标包的传感器节点，将本地最近一轮的传感器数据通过多跳方式发送给汇聚节点；

步骤A3、汇聚节点接收来自传感器节点的当前一轮传感器数据，并根据所获得的传感器数据进行集中式安全风险评估；

本地自我测评包括如下步骤：

步骤B1、每个传感器节点以周期μ定期广播最近一次的本地传感器数据，则在其通信半径内的所有传感器节点可接收到该广播信息；

步骤B2、当前传感器节点根据其收到的来自相邻传感器节点的广播信息以及源自汇聚节点的信标包后，进行本地安全风险评估。

2.如权利要求1所述的一种危险环境中作业人员安全监测及评估系统，其特征在于，所述安全风险评估的策略至少包括单个队员掉队风险评估与安全提醒，或团队分散检测与风险评估，或网络拓扑特征分析。

3.如权利要求2所述的一种危险环境中作业人员安全监测及评估系统，其特征在于，在集中式安全风险评估中，所述单个队员掉队风险评估与安全提醒为：若汇聚节点在连续m个周期σ内未能收到某个传感器节点当前一轮的传感器信息，则汇聚节点将发出报警信号；在本地安全风险评估中，所述单个队员掉队风险评估与安全提醒为：预先设定多跳传感器网络中每个传感器节点的最少邻居数目n，若当前传感器节点在时隙μ内接收到的与其相邻的传感器节点的广播信息的数目低于n时，当前传感器节点将发出报警信号。

4.如权利要求2所述的一种危险环境中作业人员安全监测及评估系统，其特征在于，在集中式安全风险评估中，所述团队分散检测与风险评估为：汇聚节点根据得到的所有传感器节点的传感器数据对拓扑图G进行连通性分析，并根据每个传感器节点的移动速度及方向预判拓扑图G有出现被分割为多个子图的可能；在本地安全风险评估中，若当前传感器节点在一定时间内未收到来自汇聚节点的信标包，则当前传感器节点将发出报警信号。

5.如权利要求2所述的一种危险环境中作业人员安全监测及评估系统，其特征在于，所述网络拓扑特征分析包括：

分别计算拓扑图G中每个汇聚节点及汇聚节点的度中心性、介数中心性及紧密中心性，将团队中具有丰富经验的队员指派至具有较高介数中心性的传感器节点所在位置处，将团队中经验较少的队员指派至具有较高紧密中心性的传感器节点所在位置处，同时，实时计算拓扑图G的直径，从而了解当前团队的队形，并采取适当的策略避免形成安全性较低的队形。