CN108398129A - 用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统和方法，系统包括上位机系统和建筑数字地图数据库，上位机系统包括接收信息模块、处理信息模块、地图显示模块以及建立模型模块；接收信息模块用于接收传感器采集的消防人员的运动信息和从建筑数字地图数据库导入的地图信息；处理信息模块用于处理接收信息模块接收到运动信息和地图信息；地图显示模块用于显示导入的火灾现场地图；建立模型模块用于在界面显示的地图上建立空间三维坐标系；建筑数字地图数据库可以提供灾害现场的建筑地图。本发明能够实现消防员定位的位置与地图的快速匹配，并且采用了多种误差校正方法，使得匹配更加精准，对火灾救援工作具有非常重要的意义。

Description

用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统和方法

技术领域

本发明涉及地图匹配系统和方法，具体涉及一种用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统和方法。

背景技术

据调查显示，各种灾害中，火灾已经成为发生最频繁的威胁广大人民生命财产安全的灾害之一。大部分火灾发生在室内环境下，在消防员进入灾害现场实施救援时，场外人员如果无法确定消防员在室内所处的位置，很难保证消防员自身的安全以及对消防员进行合理的调度。因此，研究一种能够快速将消防员所处位置与地图匹配的方法是很有必要的。

在已有的地图匹配技术中，多数都是针对室外环境下的地图匹配，室内地图匹配的技术研究处于被忽略的地位，常见的室内地图匹配技术存在着以下两种问题，可实现较为精准定位的技术但是不能完成实时匹配，可实现实时匹配的技术但是精度又不高的问题。所以，研究一种能够快速匹配、精度较高的人员位置与地图匹配的方法具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统和方法，解决消防救援过程中难以确定消防员在室内所处位置、室内地图匹配存在的匹配精度不够以及无法实现实时匹配等问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统，包括上位机系统和建筑数字地图数据库；上位机系统包括接收信息模块、处理信息模块、地图显示模块以及建立模型模块；接收信息模块上连接有传感器，接收来自传感器采集的消防员运动信息；所述运动信息包括加速度、角速度和/或磁场强度；接收信息模块与建筑数字地图数据库相连接，接收建筑数字地图数据库提供的火灾现场地图信息；处理信息模块与接收信息模块相连接，用于处理接收到的消防员运动信息以及火灾现场地图信息，并将消防员位置与地图进行匹配；地图显示模块与接收信息模块相连接，用于显示从建筑数字地图数据库中导入的火灾现场地图；建立模型模块用于在上位机系统的界面建立火灾现场的空间三维坐标系。

其进一步的技术方案为，所述接收信息模块接收到运动信息，并在消防员移动过程中单脚落地时刻进行误差校正。

其进一步的技术方案为，所述处理信息模块采用卡尔曼滤波算法、惯性导航算法、行人航迹推算处理接收到的消防员运动信息。

其进一步的技术方案为，空间三维坐标系的显示方式包括网格显示、分度显示和/或坐标轴显示。

其进一步的技术方案为，建筑数字地图数据库储存有多种建筑地图；建筑地图包括影像地图和三维地图；建筑地图包括多种地图比例。

一种用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的方法，包括如下步骤：

步骤S1、将上位机系统初始化，清空上位机系统内已存有的数据；将所需地图从建筑数字地图数据库导入上位机系统，并在上位机系统中选择火灾现场的空间三维坐标系的显示方式；

步骤S2、上位机系统开始运行；接收信息模块接收来自传感器的消防员运动信息和来自建筑数字地图数据库的地图信息并传送给处理信息模块；处理信息模块对接收到的消防员运动信息进行处理，得到空间三维坐标系中消防员的位置坐标和运动轨迹；处理信息模块对接收到的地图信息进行滤波处理，提高图像分辨率；

步骤S3、处理信息模块运行匹配算法；利用消防员的位置坐标进行匹配；再通过对比消防员行走轨迹与火灾现场路径的相似度进行匹配；

步骤S4、处理信息模块对消防员移动过程中的匹配误差进行误差校正；

步骤S5，经过匹配算法和误差校正后，完成消防救援过程中人员位置与地图的匹配；

步骤S6，救援工作结束，消防员从火灾现场撤离；使系统停止工作，自动保存建立了空间三维坐标系的灾害现场地图，并对每位消防员在救援过程中的移动轨迹生成单独文件。

其进一步的技术方案为，所述步骤S3中的匹配算法具体包括：

步骤S31、处理信息模块得到消防员的位置坐标后，利用垂直投影算法对得到的消防员最有可能经过的道路进行计算，根据以下公式计算出消防员在各条可能经过的路段移动概率：

γ_i＝w_r*r_i+w_θ*θ_i (1)

式(1)中γ_i表示消防员在有可能经过的道路行走的可能性，r_i表示有可能经过的道路的长度，θ_i表示消防员行走方向与有可能经过的道路之间夹角，w_r表示r_i在算法中所占比重，w_θ表示θ_i在算法中所占比重，i表示有可能经过的各条道路的编号；根据概率γ_i判断出消防员最可能经过的道路；

步骤S32、利用消防员行走轨迹与地图路径的相似度进行匹配；把行走轨迹划分为多段，通过对线扫描的方法判断出行走轨迹与地图路径相似的路段，得到消防员最有可能处于的路段。

其进一步的技术方案为，所述步骤S4中的误差校正包括自动误差校正和手动误差校正；具体的，处理信息模块对消防员移动过程中的匹配误差进行自动误差校正；之后再判断是否属于需要手动误差校正的情况；需要手动误差校正时，将消防员在地图上的光标移动一段距离后，上位机系统对消防员的位置进行重新计算；不需要手动误差校正时，返回步骤S3。

其进一步的技术方案为，所述步骤S4中的误差校正的具体步骤包括：

步骤S41、完成匹配后，进行步骤S42、步骤S43，对匹配过程中出现误差概率最大的两个时刻进行判断；所述出现误差概率最大的两个时刻即消防员行走轨迹与标志物边缘重合的时刻以及消防员到达道路交叉口的时刻；

步骤S42、判断判断是否出现消防员行走轨迹与标志物边缘重合；如果否，则回到步骤S3；如果是，则采用局部修正法重新定位；具体的，计算出消防员行走轨迹与标志物边界线之间的夹角；当该夹角小于临界值时，系统提示进行手动校正，将消防员所处位置移动一定距离，并以消防员原轨迹转折处为中心，旋转位置坐标点来得到消防员移动的正确方向，对消防员的位置坐标重新计算；当该夹角大于临界值时，上位机系统自动对该消防员的坐标进行重新计算；

步骤S43，判断消防员是否到达道路交叉口；如果否，则回到步骤S3；如果是，则采用概率统计法，以消防员所处位置建立误差椭圆，在椭圆区间内进行扫描，确定最符合消防员移动方向的路口，结合道路的拓扑关系进行位置匹配。

本发明的有益技术效果是：

1.本发明突破了以往室内人员位置与地图快速匹配的限制，提高了个人位置与地图匹配的速度，减小了匹配过程中产生的误差，能够完成快速、较精准的匹配。

2.本发明在选择火灾现场地图方面具有多种选择，能够切合场外指挥人员的需要，从而提出对火灾现场更好的救援方案。

3.本发明所采用的算法可以得到较为精准的消防员位置以及轨迹，使得消防员位置在与地图上的坐标系与路径匹配时偏差很小。

4.本发明的上位机系统提供多种坐标系显示方式，避免因坐标系显示问题，对地图上显示的消防员位置产生干扰。

附图说明

图1为本发明的实现人员位置与地图快速匹配的系统结构示意图。

图2为本发明的消防人员位置与地图快速匹配方法的实施流程图。

图3为本发明的采用的地图匹配算法和误差校正的流程图。

图4为本发明的上位机系统界面简要示意图。

具体实施方式

如图1，实现人员位置与地图快速匹配方法的系统包括上位机系统和建筑数字地图数据库。上位机系统包括接收信息模块、处理信息模块、地图显示模块以及建立模型模块。

接收信息模块上连接有传感器，接收来自传感器采集的消防员运动信息。运动信息包括加速度、角速度和/或磁场强度等。

接收信息模块与建筑数字地图数据库相连接，接收建筑数字地图数据库提供的火灾现场地图信息。

处理信息模块与接收信息模块相连接，用于处理接收到的消防员运动信息以及火灾现场地图信息，并将消防员位置与地图进行匹配。具体的，处理信息模块采用卡尔曼滤波算法、惯性导航算法、行人航迹推算处理接收到的消防员运动信息。而且，接收信息模块接收到运动信息，并在消防员移动过程中单脚落地时刻进行误差校正。

地图显示模块与接收信息模块相连接，用于显示从建筑数字地图数据库中导入的火灾现场地图。建立模型模块用于在上位机系统的界面建立火灾现场的空间三维坐标系。空间三维坐标系的显示方式包括网格显示、分度显示和/或坐标轴显示等显示方法。建筑数字地图数据库储存有多种建筑地图；建筑地图包括影像地图和三维地图；建筑数字地图数据库可以提供给上位机系统不同类型、不同比例尺的火灾现场地图。

本发明还公开了用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的方法，如图2、图3所示，包括如下步骤：

步骤S1、将上位机系统初始化，清空上位机系统内已存有的数据。具体的，将上位机系统界面刷新，清空系统内已存有的数据，用户单击界面的“导入地图”选择所需的地图从建筑数字地图数据库导入上位机系统，单击界面的“建立坐标系”在上位机系统中选择火灾现场的空间三维坐标系的显示方式。

步骤S2、单击界面的“开始”，上位机系统开始运行。接收信息模块接收来自传感器的消防员运动信息和来自建筑数字地图数据库的地图信息并传送给处理信息模块。处理信息模块对接收到的消防员运动信息进行处理，得到空间三维坐标系中消防员的位置坐标和运动轨迹。处理信息模块对接收到的地图信息进行滤波处理，提高图像分辨率。

步骤S3、处理信息模块运行匹配算法，通过垂直投影算法将消防员的位置坐标与地图上的空间三维坐标系进行匹配，再通过对比消防员行走轨迹与火灾现场路径的相似度进行匹配。

步骤S3中的匹配算法具体包括：

步骤S31、处理信息模块得到消防员的位置坐标后，利用垂直投影算法对得到的消防员最有可能经过的道路进行计算，根据以下公式计算出消防员在各条可能经过的路段移动概率：

γ_i＝w_r*r_i+w_θ*θ_i (1)

式(1)中γ_i表示消防员在有可能经过的道路行走的可能性，r_i表示有可能经过的道路的长度，θ_i表示消防员行走方向与有可能经过的道路之间夹角，w_r表示r_i在算法中所占比重，w_θ表示θ_i在算法中所占比重，i表示有可能经过的各条道路的编号；根据概率γ_i判断出消防员最可能经过的道路；

步骤S32、利用消防员行走轨迹与地图路径的相似度进行匹配。把行走轨迹划分为多段，通过对线扫描的方法判断出行走轨迹与地图路径相似的路段，得到消防员最有可能处于的路段。

步骤S4、处理信息模块对消防员移动过程中的匹配误差进行误差校正。步骤S4中的误差校正包括自动误差校正和手动误差校正。

一种优选的技术方案是，在步骤S4中，首先处理信息模块对消防员移动过程中的匹配误差进行自动误差校正。之后再判断是否属于需要手动误差校正的情况。需要手动误差校正时，将消防员在地图上的光标移动一段距离后，上位机系统对消防员的位置进行重新计算。不需要手动误差校正时，返回步骤S3。

误差校正具体是用概率统计法与局部修正法。局部修正法是在判断消防员运动轨迹与标志物边缘重合之后，用于重新定位。概率统计法在判断消防员到达交叉路口后，用于校正在火灾现场内部的交叉口进行校正，具体的，系统选中几个误差区域，筛选出可能的道路集合，再根据道路的拓扑关系，确定消防员行走的路段，在消防员轨迹与标志物边缘重合处进行校正，算出轨迹线与边缘线的角度，如该角度小于临界值则定位产生错误，则手动将消防员所处位置点移动一定距离后进行重新定位。

在本实施例中，步骤S4中的误差校正的具体步骤包括：

步骤S41、完成匹配后，进行步骤S42、步骤S43，对匹配过程中出现误差概率最大的两个时刻进行判断。出现误差概率最大的两个时刻即消防员行走轨迹与标志物边缘重合的时刻以及消防员到达道路交叉口的时刻。

步骤S42、判断判断是否出现消防员行走轨迹与标志物边缘重合。如果否，则回到步骤S3。如果是，则采用局部修正法重新定位。具体的，计算出消防员行走轨迹与标志物边界线之间的夹角。当该夹角小于临界值时，系统提示进行手动校正，将消防员所处位置移动一定距离，并以消防员原运动轨迹转折处为中心，旋转位置坐标点来得到消防员移动的正确方向，对消防员的位置坐标重新计算。当该夹角大于临界值时，上位机系统自动对该消防员的坐标进行重新计算。

步骤S43，判断消防员是否到达道路交叉口。如果否，则回到步骤S3。如果是，则采用概率统计法，以消防员所处位置建立误差椭圆，在椭圆区间内进行扫描，确定最符合消防员移动方向的路口，结合道路的拓扑关系进行位置匹配。

步骤S5，经过匹配算法和误差校正后，完成消防救援过程中人员位置与地图的匹配。

步骤S6，救援工作结束，消防员从火灾现场撤离。单击“结束”按钮，使系统停止工作，自动保存建立了空间三维坐标系的灾害现场地图，并对每位消防员在救援过程中的移动轨迹生成单独文件。

如图4所示，上位机系统采用VB6.0编译，本发明上位机系统界面的主窗口分三个部分，从上到下依次是搜索选择区、地图显示区、用户控制区，单击“导入地图”按钮，会自动跳出左下方的地图选择窗口，单击对应地图选项右边的三角可以选择应用的比例尺，单击“建立坐标系”按钮，会自动跳出右下方的所建坐标系的显示方式，单击“开始”按钮系统开始工作，单击“结束”按钮系统停止工作。

本发明中所述的垂直投影算法，对线扫描算法等，均为现有技术，本领域技术人员可通过公开的教科书、论文或者专利文件中获知其具体的步骤方法，在本发明中不再详述。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统，其特征在于，包括上位机系统和建筑数字地图数据库；上位机系统包括接收信息模块、处理信息模块、地图显示模块以及建立模型模块；接收信息模块上连接有传感器，接收来自传感器采集的消防员运动信息；所述运动信息包括加速度、角速度和/或磁场强度；接收信息模块与建筑数字地图数据库相连接，接收建筑数字地图数据库提供的火灾现场地图信息；处理信息模块与接收信息模块相连接，用于处理接收到的消防员运动信息以及火灾现场地图信息，并将消防员位置与地图进行匹配；地图显示模块与接收信息模块相连接，用于显示从建筑数字地图数据库中导入的火灾现场地图；建立模型模块用于在上位机系统的界面建立火灾现场的空间三维坐标系。

2.如权利要求1所述的用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统，其特征在于，所述接收信息模块接收到运动信息，并在消防员移动过程中单脚落地时刻进行误差校正。

3.如权利要求1所述的用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统，其特征在于，所述处理信息模块采用卡尔曼滤波算法、惯性导航算法、行人航迹推算处理接收到的消防员运动信息。

4.如权利要求1所述的用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统，其特征在于，空间三维坐标系的显示方式包括网格显示、分度显示和/或坐标轴显示。

5.如权利要求1所述的用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的系统，其特征在于，建筑数字地图数据库储存有多种建筑地图；建筑地图包括影像地图和三维地图；建筑地图包括多种地图比例。

6.一种用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将上位机系统初始化，清空上位机系统内已存有的数据；将所需地图从建筑数字地图数据库导入上位机系统，并在上位机系统中选择火灾现场的空间三维坐标系的显示方式；

步骤S2、上位机系统开始运行；接收信息模块接收来自传感器的消防员运动信息和来自建筑数字地图数据库的地图信息并传送给处理信息模块；处理信息模块对接收到的消防员运动信息进行处理，得到空间三维坐标系中消防员的位置坐标和运动轨迹；处理信息模块对接收到的地图信息进行滤波处理，提高图像分辨率；

步骤S3、处理信息模块运行匹配算法；利用消防员的位置坐标进行匹配；再通过对比消防员行走轨迹与火灾现场路径的相似度进行匹配；

步骤S4、处理信息模块对消防员移动过程中的匹配误差进行误差校正；

步骤S5，经过匹配算法和误差校正后，完成消防救援过程中人员位置与地图的匹配；

步骤S6，救援工作结束，消防员从火灾现场撤离；使系统停止工作，自动保存建立了空间三维坐标系的灾害现场地图，并对每位消防员在救援过程中的移动轨迹生成单独文件。

7.如权利要求6所述的用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的方法，其特征在于，所述步骤S3中的匹配算法具体包括：

步骤S31、处理信息模块得到消防员的位置坐标后，利用垂直投影算法对得到的消防员最有可能经过的道路进行计算，根据以下公式计算出消防员在各条可能经过的路段移动概率：

γ_i＝w_r*r_i+w_θ*θ_i (1)

式(1)中γ_i表示消防员在有可能经过的道路行走的概率，r_i表示有可能经过的道路的长度，θ_i表示消防员行走方向与有可能经过的道路之间夹角，w_r表示r_i在算法中所占比重，w_θ表示θ_i在算法中所占比重，i表示有可能经过的各条道路的编号；根据概率γ_i判断出消防员最可能经过的道路；

步骤S32、利用消防员行走轨迹与地图路径的相似度进行匹配；把行走轨迹划分为多段，通过对线扫描的方法判断出行走轨迹与地图路径相似的路段，得到消防员最有可能处于的路段。

8.如权利要求6所述的用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的方法，其特征在于，所述步骤S4中的误差校正包括自动误差校正和手动误差校正；具体的，首先处理信息模块对消防员移动过程中的匹配误差进行自动误差校正；之后再判断是否属于需要手动误差校正的情况；需要手动误差校正时，将消防员在地图上的光标移动一段距离后，上位机系统对消防员的位置进行重新计算；不需要手动误差校正时，返回步骤S3。

9.如权利要求6所述的用于消防救援中人员位置与地图快速匹配的方法，其特征在于，所述步骤S4中的误差校正的具体步骤包括：

步骤S41、完成匹配后，进行步骤S42、步骤S43，对匹配过程中出现误差概率最大的两个时刻进行判断；所述出现误差概率最大的两个时刻即消防员行走轨迹与标志物边缘重合的时刻以及消防员到达道路交叉口的时刻；

步骤S42、判断判断是否出现消防员行走轨迹与标志物边缘重合；如果否，则回到步骤S3；如果是，则采用局部修正法重新定位；具体的，计算出消防员行走轨迹与标志物边界线之间的夹角；当该夹角小于临界值时，系统提示进行手动校正，将消防员所处位置移动一定距离，并以消防员原轨迹转折处为中心，旋转位置坐标点来得到消防员移动的正确方向，对消防员的位置坐标重新计算；当该夹角大于临界值时，上位机系统自动对该消防员的坐标进行重新计算；

步骤S43，判断消防员是否到达道路交叉口；如果否，则回到步骤S3；如果是，则采用概率统计法，以消防员所处位置建立误差椭圆，在椭圆区间内进行扫描，确定最符合消防员移动方向的路口，结合道路的拓扑关系进行位置匹配。