CN114708668A - 消防员追踪监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种消防员追踪监测系统和方法。该系统包括：环境数据采集单元包括图像采集模块和环境测量模块；消防员数据采集单元包括采集消防员生理数据的生理数据采集模块和对消防员运动信息进行采集的动态数据采集模块；数据传输单元发出环境数据采集单元采集的应急救援现场环境信息和消防员数据采集单元采集的消防员生理数据信息、消防员运动信息；数据处理单元接收数据传输单元发出的应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息并进行处理；现场模拟单元获取数据处理单元处理后的应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息，构件现场环境3D模型并在现场环境3D模型中显示消防员定位位置、生理状态及运动轨迹。

Description

消防员追踪监测系统和方法

技术领域

本公开涉及紧急应急技术领域，尤其涉及一种消防员追踪监测系统和方法。

背景技术

随着社会的不断发展和城市建设的不断进步，建筑火灾的次数呈几何倍数增长，紧急且复杂的火灾现场情况严重威胁消防员的生命安全，致使室内火场等应急救援现场救援的难度也日益加大。

在火灾现场，由于受浓烟毒气和烈火的影响，无法实时进行火场等应急救援现场态势感知，消防员在救援时难以感知自身所处位置。而对于场外指挥人员，由于难以无法判断火场等应急救援现场事态环境，准确获知消防员所在位置，从而很难有效且高效的对火灾现场进行判断并做出指挥。

对此，目前国内主要存在如下专利文献：

专利CN205508063U，公开了一种消防员智能救援导向系统，包括：消防员个人终端、便携中继、抛投式无线环境检测仪和后场中心指挥平台；消防员个人终端包括：跌倒报警模块、定位模块、生命体征监测模块、终端无线传输模块和终端数据处理模块；便携中继包括：中继数据处理模块、中继无线传输模块、中继传感器模块和指示模块；抛投式无线环境检测仪包括：环境检测数据处理模块、环境检测传感模块及环境检测无线传输模块；后场中心指挥平台包括：指挥平台无线传输模块和上位机。本实用新型的特点在于，具有导向、广播、通信、定位、方位、呼救、轨迹、感温、感烟及单兵定位等功能，且采用动态自适应动态组网技术，组网自由，传输灵活，传输距离远。然而，该系统仅能够确定消防员的定位信息，无法准确获知现场环境及消防员在火场等应急救援现场环境中的详细位置，难以向消防员提供合理的救援路线或逃生路线，并且，该系统无法了解室内范围内的有害气体分布情况，无法提前对消防员做出合理的规避指引。

专利CN105182286A，公开一种声纳导向逃生救援系统，该系统包括：超声波发射模块和超声波接收模块，其中超声波发射模块作为声源用于发射单频超声信号以及激光射线，超声波接收模块用于接收超声波发射模块所发出的超声信号，并指示声源所在的方向和距离。由此可实现在火灾现场对消防人员的引导逃生及搜寻救援。该系统将声纳技术应用于消防员火灾现场的导向逃生，安全可靠，便于携带，受环境影响小；采用该系统消防人员能够快速准确的找到逃生出口，保障消防人员的安全。然而，该系统仅是通过超声波测量距离来寻找出口，向消防员提供逃生引导，但该方法对于结构复杂的火场等应急救援现场环境较难适用，且不适用于消防员进行救援时的引导。并且该方法仅通过距离进行逃生指引，未对其他有害因素进行考量，很可能将消防员引入更危险的环境中。

因此，有必要提供一种新的技术方案改善上述方案中存在的一个或者多个问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种消防员追踪监测系统和方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的第一方面，提供一种消防员追踪监测系统，包括：

环境数据采集单元，用于对应急救援现场环境信息进行采集，包括图像采集模块和环境测量模块，所述图像采集模块用于采集应急救援现场图像，所述环境测量模块包括激光雷达和毫米波雷达中的至少一种，用于测量应急救援现场环境距离及有害气体浓度；

消防员数据采集单元，用于采集消防员数据，包括用于采集消防员生理数据的生理数据采集模块和用于对消防员运动信息进行采集的动态数据采集模块；

数据传输单元，用于发出所述环境数据采集单元采集的应急救援现场环境信息和消防员数据采集单元采集的消防员生理数据信息、消防员运动信息；

数据处理单元，用于接收所述数据传输单元发出的应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息并进行处理；

现场模拟单元，用于获取所述数据处理单元处理后的应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息，构件现场环境3D模型并在所述现场环境3D模型中显示有害气体浓度场、消防员定位位置、生理状态及运动轨迹。

本公开的实施例中，该系统还包括：

控制单元，用于控制所述环境数据采集单元和消防员数据采集单元进行数据采集，用于控制所述数据传输单元进行数据传输。

本公开的实施例中，所述控制单元为STM32控制芯片。

本公开的实施例中，所述图像采集模块至少包括6个视角为60°的微型摄像头来对应急救援现场环境进行360°图像采集；

所述环境测量模块还包括VOCs气体传感器和PID气体探测器中的至少一种，用于测量应急救援现场有害气体浓度。

本公开的实施例中，所述生理数据采集模块包括温度采集子模块、心率采集子模块和血压采集子模块；

所述动态数据采集模块包括GPS定位子模块和无线基站定位模块中的至少一个，所述GPS定位模块用于向卫星或基站发送定位请求并接收经纬度定位信息，所述无线基站定位模块用于根据定位信标、信号到达角和信号到达时间获取经纬度定位信息，所述动态数据采集模块还包括多轴加速度传感器与陀螺仪，用于至少获取消防员的加速度、角加速度和地磁场信息。

本公开的实施例中，所述数据处理单元先采用卡尔曼滤波算法对所述加速度、角加速度和地磁场信息进行计算从而得到消防员的姿态角信息；

然后将所述姿态角信息与所述GPS定位子模块或者无线基站定位模块获得的经纬度定位信息通过捷联惯导方式进行计算，得到消防员的位置移动数据。

本公开的实施例中，所述数据传输单元采用LoRa或WiFi或蜂窝通信等无线通信传输。

本公开的实施例中，所述数据传输单元在发送所述应急救援现场环境信息和\或消防员生理数据信息和\或消防员运动信息时，同时发出校验码，以使得所述数据处理单元能够根据所述校验码验证接收到的信息的时效性。

本公开的实施例中，所述现场模拟单元包括3D绘图模块和图像显示模块；

所述3D绘图模块用于根据所述应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息绘制火灾现场环境3D图像；

所述图像显示模块用于显示所述火灾现场环境3D图像。

根据本公开的第二方面，提供一种消防员追踪监测方法，使用上述任一实施例所述消防员追踪监测系统，该方法包括：

获取火灾现场环境信息，所述环境信息包括图像信息和距离信息；

获取火灾现场消防员的生理数据信息及运动信息；

处理所述图像信息和距离信息，根据所述图像信息和距离信息构建火灾现场环境3D图像；

处理所述运动信息，根据所述运动信息得到消防员的位置及移动数据并在所述火灾现场环境3D图像中显示。

本公开提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的实施例中，通过上述消防员追踪监测系统和方法，一方面，该系统实现了消防员运动信息监测以及救援作业时消防员的生理数据信息采集，同时通过对所处火场等应急救援现场情况图像信息进行全方位采集，准确获知了火场等应急救援现场情况和消防员情况；另一方面，通过图像采集模块和测距模块得到的数据对火灾现场的建筑模型进行快速构建，可以让指挥后方及时对消防员所处环境进行了解，从而对救援状况做出准确判断并给出更加科学有效的行动指挥命令。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

图1示意性示出本公开示例性实施例中消防员追踪监测系统结构示意图；

图2示意性示出本公开示例性实施例中消防员追踪监测方法流程示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本示例实施方式中首先提供了一种消防员追踪监测系统，参考图1中所示，该系统可以包括：环境数据采集单元、消防员数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元和现场模拟单元；环境数据采集单元用于对应急救援现场环境信息进行采集，包括图像采集模块和环境测量模块，所述图像采集模块用于采集现场图像，所述环境测量模块包括激光雷达和毫米波雷达中的至少一种，用于测量应急救援现场环境距离及有害气体浓度；消防员数据采集单元用于采集消防员数据，包括用于采集消防员生理数据的生理数据采集模块和用于对消防员运动信息进行采集的动态数据采集模块；数据传输单元用于发出所述应急救援现场环境数据采集单元采集的应急救援现场环境信息和消防员数据采集单元采集的消防员生理数据信息、消防员运动信息；数据处理单元用于接收所述数据传输单元发出的应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息并进行处理；现场模拟单元用于获取所述数据处理单元处理后的应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息，构件现场环境3D模型并在所述现场环境3D模型中显示有害气体浓度场、消防员定位位置、生理状态及运动轨迹。

具体的，在火场等应急救援场所，现场环境数据采集单元和消防员数据采集单元可以安装在消防员的消防服上或由消防员随身携带。其中图像采集模块用于采集火灾现场的图像信息用以获知现场火灾状况，结合所述图像采集模块采集的现场图像和短距离雷达如激光雷达和/或毫米波雷达测量的现场环境信息进行现场图像态势重构，所述环境测量模块包括激光雷达和毫米波雷达中的至少一种，激光雷达和毫米波雷达除了能够测量应急救援现场环境距离，还能够测量有害气体浓度；通过对消防员生理数据的采集，可以对消防员的身体状况进行监测已准确预估其安全程度和求援能力，对消防员的运动信息进行采集，可以明确消防员所处的位置以及其移动情况和轨迹，便于对其进行方位的引导；数据传输单元用于将火灾现场采集的数据传输至火灾现场外部，如火灾指挥部或消防车上，具体在传输时，为了传输速度较快不影响数据的时效性，可以将采集的图像信息进行压缩后再进行传输。数据处理单元用于对接收到的数据进行进一步的处理，现场模拟单元生成现场的环境3D模型图像，并且该模型中可以显示室内环境各处的有害气体浓度、显示虚拟消防员及其移动情况，并且消防员的生理数据也可以在虚拟消防员旁随行显示，以便于指挥人员直观快速的在环境3D模型图像中了解消防员和现场的状况，示例性的，有害气体浓度情况可以以有害气体浓度场的形式体现，具体的可以以不同的深浅颜色来表征有害气体的浓度情况。

上述消防员追踪监测系统和方法，一方面，该系统实现了消防员运动信息监测以及救援作业时消防员的生理数据信息采集，同时通过对所处火场等应急救援现场情况图像信息进行全方位采集，准确获知了火场等应急救援现场情况和消防员情况；另一方面，通过图像采集模块和测距模块得到的数据对火灾现场的建筑模型进行快速构建，可以让指挥后方及时对消防员所处环境进行了解，从而对救援状况做出准确判断并给出更加科学有效的行动指挥命令。

下面，将参考图1对本示例实施方式中的上述系统的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，该系统还可以包括：

控制单元，用于控制所述应急救援现场环境数据采集单元和消防员数据采集单元进行数据采集，用于控制所述数据传输单元进行数据传输。

具体的，该系统还可以包括控制单元，控制单元可以接收火灾现场外部如指挥部的指挥信息，从而来控制环境数据采集单元和消防员数据采集单元进行数据采集，用于控制所述数据传输单元进行数据传输，通过控制单元的控制，可以仅在救援需要的时候进行数据的采集和传输，避免了资源的浪费。

在一个实施例中，所述控制单元为STM32控制芯片。具体的，STM32控制芯片可以是以STM32 MCU为代表的控制芯片，为了监测工作的持续性，控制单元也可以选择能够较低功耗运行的STM32F103RCT6芯片，该芯片在相同的主频下，功耗降低但性能没有区别，同时保证了工作的持续性。

在一个实施例中，所述图像采集模块至少包括6个视角为60°的微型摄像头来对应急救援现场环境进行360°图像采集；

所述环境测量模块还包括VOCs气体传感器和PID气体探测器中的至少一种，用于测量应急救援现场有害气体浓度。

具体的，图像采集模块至少包括多个微型摄像头，较能够完成的对火场等应急救援现场环境进行全方位的采集；进一步的，由于激光雷达和毫米波雷达较难测出某些有害气体的浓度，因此环境测量模块还可以包括VOCs气体传感器和PID气体探测器中的至少一种，用于测量有害气体的浓度，使得有害气体浓度的测量更加的准确，同时，环境测量模块还可以包括温湿度传感器，用于测量火场等应急救援现场的温度和湿度信息。

在一个实施例中，所述生理数据采集模块可以包括温度采集子模块、心率采集子模块和血压采集子模块；

所述动态数据采集模块包括GPS定位子模块和无线基站定位模块中的至少一个，所述GPS定位模块用于向卫星发送定位请求并接收卫星发出的经纬度定位信息，所述无线基站定位模块用于根据定位信标、信号到达角和信号到达时间获取经纬度定位信息，所述动态数据采集模块还包括多轴加速度传感器与陀螺仪，用于至少获取消防员的加速度、角加速度和地磁场信息。

具体的，所述生理数据采集模块还可以包括其他小型生理数据采集仪器，多轴加速度传感器与陀螺仪是将重力加速传感器，磁场传感器和三轴陀螺仪进行数据融合后得到的一个九轴的数据，主要反应消防员的相对位置，并且根据多轴加速度传感器与陀螺仪采集的数据可以获知消防员的姿态，如消防员是否摔倒，若摔倒后一定时间内未起来，则需要对该消防员实施救援。

在一个实施例中，所述数据处理单元先采用卡尔曼滤波算法对所述加速度、角加速度和地磁场信息进行计算从而得到消防员的姿态角信息；

然后将所述姿态角信息与所述GPS定位子模块或者无线基站定位模块获得的经纬度定位信息通过捷联惯导方式进行计算，得到消防员的位置移动数据。

具体的，以多轴加速度传感器与陀螺仪给定的加速度与以GPS给定的位置作为基础，通过初始对准继而确定多个消防员的初始姿态阵，通过卡尔曼滤波的姿态数据融合给出相对于特定导航参考坐标系的姿态角、速度和位置等导航信息，并对消防员的速度、位置进行更新。

在一个实施例中，所述数据传输单元采用LoRa或WiFi或蜂窝通信等无线通信传输。具体的，LoRa、WiFi和蜂窝通信等无线为一种无线传输模块。

在一个实施例中，所述数据传输单元在发送所述应急救援现场环境信息和\或消防员生理数据信息和\或消防员运动信息时，同时发出校验码，以使得所述数据处理单元能够根据所述校验码验证接收到的信息的时效性。

具体的，数据传输过程中由于卡顿或其他情况可能会造成的数据延后发送，当延后时间较长时，会对指挥人员造成较大的误导，因此数据传输单元在进行数据传输时同时还会传输校验码以表征数据的时效性，该方法可以降低数据传输延迟造成的误指挥问题。

在一个实施例中，所述现场模拟单元可以包括3D绘图模块和图像显示模块；

所述3D绘图模块用于根据所述应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息绘制火灾现场环境3D图像；

所述图像显示模块用于显示所述火灾现场环境3D图像。

具体的，现场模拟单元中的3D绘图模块用于根据处理后的数据绘制火灾现场环境3D图像，图像显示模块可以是显示器，用于对绘制的火灾现场环境3D图像进行显示，以供指挥人员进行观看。

本示例实施方式中其次提供了一种消防员追踪监测方法，参考图2中所示，使用上述任一实施例所述消防员追踪监测系统，该方法可以包括：

步骤S101：获取火灾现场环境信息，所述环境信息包括图像信息和距离信息；

步骤S102：获取火灾现场消防员的生理数据信息及运动信息；

步骤S103：处理所述图像信息和距离信息，根据所述图像信息和距离信息构建火灾现场环境3D图像；

步骤S104：处理所述运动信息，根据所述运动信息得到消防员的位置及移动数据并在所述火灾现场环境3D图像中显示。

上述消防员追踪监测方法，一方面，该系统实现了消防员运动信息监测以及救援作业时消防员的生理数据信息采集，同时通过对所处火场等应急救援现场情况图像信息进行全方位采集，准确获知了火场等应急救援现场情况和消防员情况；另一方面，通过图像采集模块和测距模块获得的数据对火灾现场的建筑模型进行快速构建，可以让指挥后方及时对消防员所处环境进行了解，从而对救援状况做出准确判断并给出更加科学有效的行动指挥命令。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的装置的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。作为模块或单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本公开方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种消防员追踪监测系统，其特征在于，包括：

环境数据采集单元，用于对应急救援现场环境信息进行采集，包括图像采集模块和环境测量模块，所述图像采集模块用于采集应急救援现场图像，所述环境测量模块包括激光雷达和毫米波雷达中的至少一种，用于测量应急救援现场环境距离及有害气体浓度；

消防员数据采集单元，用于采集消防员数据，包括用于采集消防员生理数据的生理数据采集模块和用于对消防员运动信息进

行采集的动态数据采集模块；

数据传输单元，用于发出所述环境数据采集单元采集的应急救援现场环境信息和消防员数据采集单元采集的消防员生理数据信息、消防员运动信息；

数据处理单元，用于接收所述数据传输单元发出的应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息并进行处理；

现场模拟单元，用于获取所述数据处理单元处理后的应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息，构件现场环境3D模型并在所述现场环境3D模型中显示有害气体浓度场、消防员定位位置、生理状态及运动轨迹。

2.根据权利要求1所述消防员追踪监测系统，其特征在于，还包括：

控制单元，用于控制所述环境数据采集单元和消防员数据采集单元进行数据采集，用于控制所述数据传输单元进行数据传输。

3.根据权利要求2所述消防员追踪监测系统，其特征在于，所述控制单元为STM32控制芯片。

4.根据权利要求1所述消防员追踪监测系统，其特征在于，所述图像采集模块至少包括6个视角为60°的微型摄像头来对应急救援现场环境进行360°图像采集；

所述环境测量模块还包括VOCs气体传感器和PID气体探测器中的至少一种，用于测量应急救援现场有害气体浓度。

5.根据权利要求4所述消防员追踪监测系统，其特征在于，所述生理数据采集模块包括温度采集子模块、心率采集子模块和血压采集子模块；

所述动态数据采集模块包括GPS定位子模块和无线基站定位模块中的至少一个，所述GPS定位模块用于向卫星发送定位请求并接收卫星发出的经纬度定位信息，所述无线基站定位模块用于根据定位信标、信号到达角和信号到达时间获取经纬度定位信息，所述动态数据采集模块还包括多轴加速度传感器与陀螺仪，用于至少获取消防员的加速度、角加速度和地磁场信息。

6.根据权利要求5所述消防员追踪监测系统，其特征在于，所述数据处理单元先采用卡尔曼滤波算法对所述加速度、角加速度和地磁场信息进行计算从而得到消防员的运动状态和身体姿态信息；

然后将所述姿态角信息与所述GPS定位子模块或者无线基站定位模块获得的经纬度定位信息通过捷联惯导方式进行计算，得到消防员的位置移动数据。

7.根据权利要求1所述消防员追踪监测系统，其特征在于，所述数据传输单元采用LoRa或WiFi或蜂窝通信无线通信传输。

8.根据权利要求2所述消防员追踪监测系统，其特征在于，所述数据传输单元在发送所述应急救援现场环境信息和\或消防员生理数据信息和\或消防员运动信息时，同时发出校验码，以使得所述数据处理单元能够根据所述校验码验证接收到的信息的时效性。

9.根据权利要求1～8任一项所述消防员追踪监测系统，其特征在于，所述现场模拟单元包括3D绘图模块和图像显示模块；

所述3D绘图模块用于根据所述应急救援现场环境信息、消防员生理数据信息和消防员运动信息绘制火灾现场环境3D图像；

所述图像显示模块用于显示所述火灾现场环境3D图像。

10.一种消防员追踪监测方法，其特征在于，使用权利要求1～9任一项所述消防员追踪监测系统，该方法包括：

获取火灾现场环境信息，所述环境信息包括图像信息和距离信息；

获取火灾现场消防员的生理数据信息及运动信息；

处理所述图像信息和距离信息，根据所述图像信息和距离信息构建火灾现场环境3D图像；

处理所述运动信息，根据所述运动信息得到消防员的位置及移动数据并在所述火灾现场环境3D图像中显示。

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