应急人员的定位和定位系统：一项调查外文翻译资料

 2022-08-08 09:51:44

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应急人员的定位和定位系统：一项调查

Andreacute; Filipe Gonccedil;alves Ferreira, Duarte Manuel Azevedo Fernandes, Andreacute; Paulo Catarino, and Joatilde;o L. Monteiro, Member, IEEE

摘要

在执行任务期间为应急响应者提供可靠，准确的室内定位系统(Indoor Positioning System, IPS)被认为是提高应急人员和事件指挥官的态势感知的重要工具。这种工具能促进任务规划、协调和完成，并减少执行任务死亡人数。由于在室内环境中缺乏全球定位系统信号，许多其他信号和传感器已经被提出在室内使用。然而，应急响应人员面临的挑战性场景意味着对室内定位系统设计的明确限制和要求，使得在这些场景中使用一些技术、技巧和方法是不充分的。

关键词：应急响应者、室内定位系统、室内定位、定位方法、定位技术、未知和非结构化环境。

  1. 介绍

为了克服全球定位系统在室内环境中的局限性，自本世纪初以来，人们在开发室内定位系统方面做出了巨大努力。室内定位最流行的方法之一是指纹技术[1]。这种方法的流行源于它依赖现有的Wi-Fi基础设施，这使得它成为一种经济高效的解决方案。由于室内环境的性质，这些在紧急情况下是不可靠的先决条件，通常被定义为非结构化或未知的[12],[13],[17]–[22]。室内环境可分为结构化的即已知的、半结构化的、以及非结构化的即未知的，这取决于室内定位系统对它们的控制[23],[24]:

  • 结构化或已知的环境：这种类型的方案的特征是IPS对环境的完全控制。通常，这些环境是静态的，即在一段时间内不会更改其形状或配置，或者在发生更改时IPS会被更新。
  • 半结构化环境:这种环境是非结构化或未知环境的一个子类型。为了降低定位过程的复杂性并提高IPS的性能，需要对建筑结构(如走廊、楼梯、门口或楼层之间的高度)的存在或几何形状进行一些假设。在IPS中，这些建筑结构被定义为地标。
  • 非结构化或未知环境:在这种情况下，IPS无法控制环境。在这种环境中运行的IPS无法访问平面图、地图或关于建筑结构或信号传播条件的其他先验知识。
  1. 室内定位调查论文的比较

在过去的二十年中，系统地研究了IPS，旨在为用户提供广泛的服务。这些服务范围从简单的基于位置的服务(Location-Based Services LBS)(例如移动广告)、基于射频(Radio Frequency, RF)技术(例如蓝牙)的有关交通阻塞或资产恢复的警告，到更复杂和更具挑战性的场景(例如在城市火灾期间对消防员进行定位和跟踪)。室内定位领域的这种多样性导致发表了针对不同研究主题的几项调查[1],[12],[22],[31]-[48]。在本节中，我们将比较室内定位领域的现有调查，以将我们的工作与现有调查区分开来。

  1. IPS概述和应急响应者的要求

根据定义，IPS是一种能够连续且实时地处理物体或人在狭窄和封闭的物理空间(例如医院，体育馆，大学或博物馆)中的位置的系统[33],[35]，在这些地方其他系统(例如基于GPS的系统)无法工作。

图1 定位过程的图示。表示定位过程的两个可能阶段，即在线和离线。具有在线阶段的信号测量和位置计算阶段的插图。

为了使IPS在紧急情况下成为有价值的事，它必须符合应急响应者施加的严格要求。这些要求根据以下特征进行分类：(a)准确性，(b)信息可访问性，(c)系统的适应性，(d)系统的体系结构，(e)系统的自治性和(f)成本。图2展示了用于描述应急响应人员IPS要求的主题分类法。

图2 应急人员的IPS要求分类。

  1. 准确性

根据Li等人[51]进行的调查，位置信息的准确性被认为是美国急救人员中最重要的要求。但是，IPS的准确性取决于所提供的信息。

  1. 信息可访问性

如果信息没有清楚地提供给事件指挥官和应急响应者，则知道应急响应者的确切位置是无用的。

  1. 系统适应性

如前所述，应急人员的任务发生在各种各样的情况下。因此，为了在应急响应者中得到良好的接受度，IPS的性能对于所有干预方案都应相同。

  1. 系统的体系结构

IPS体系结构的主要要求之一是模块化[28]。模块化体系结构具有许多优点，例如：(1)便于与现有系统集成;(2)减小模块的尺寸，进而简化了防护服的集成；(3)允许根据场景需要自定义IPS，例如如果要求消防人员进行森林大火，那么使用优质的GPS接收器就足以满足定位要求。这样可以减少能耗，扩大系统的自主性，并使系统更轻巧。

  1. 系统的自治性

由于IPS不能由电网供电，因此必须由电池供电才能为IPS提供所需的自治能力。但是，根据紧急情况的类型，干预时间可能会持续很长时间，最多24小时[28]。另外，根据选择的定位方法，可能需要大量的计算资源，这意味着功耗增加。这需要在IPS的自治性和电池的大小之间进行权衡，因为电池容量的增加对应于大小和重量的增加，这是不希望的。

  1. 成本

IPS的成本对其应急响应者的接受度有很大影响[12],[19],[28],[52]。由于在执行任务期间遇到的挑战性场景，一些研究人员开发了原型和创新技术来解决此问题。但是由于它们的开发处于早期阶段，因此这些技术非常昂贵，从而导致IPS昂贵。根据Rantakokko等人[28]的说法,要实现较高的市场渗透率，IPS的价格应低于1000欧元。不过，这个数可能因国家或地区而异。

  1. 定位技术和方法

定位是在给定时间内知道人或物体相对于预定义参照物的位置的能力。定位问题可分为室外定位和室内定位。这种划分的合理性在于，在概念级别上存在一些差异，例如，根据所选技术，是否需要全局或本地参考，所需的精度以及环境对定位精度和准确性的影响。

  1. 距离测量技术

根据距离测量原理，技术可以分为两类，包括基于(1)无线通信技术的属性和(2)物理量的测量。距离测量技术的分类法如图3所示。

1)基于无线通信特性的技术：基于无线通信特性的技术可以分为四类：(1)无线跳数；(2)信号传播时间；(3)接收信号的相位/角度；和(4)接收信号强度。

2)基于物理量测量的技术：通过物理量测量的距离确定可以通过两种不同的技术进行：直接测量以及使用惯性和运动传感器测量。

  1. 定位方法

在IPS中，定位方法是系统的核心，是负责计算目标节点位置的单元。位置是根据前面小节中描述的一种或多种技术所执行的距离测量来计算的。除了计算目标节点的位置以外，定位方法还可以依靠测量误差缓解机制来提高定位精度。

图3 距离测量技术的分类法

这些缓解机制旨在处理影响无线电信号的物理现象(例如多径、反射、散射、障碍和衰减)或惯性传感器的漂移误差。提高IPS性能的常见做法是将两种或更多种定位方法结合使用。

图4 定位方法的分类

但是，考虑到第三部分-C中对应急人员的IPS要求，提出了一种对定位方法进行分类的新分类法(图4)。这种分类法的目的是强调与选择定位方法有关的限制，并帮助该领域的新研究人员避免以前研究人员遇到的陷阱。在所提出的分类法中，定位方法根据训练或离线阶段的需要进行分类。基于这一分类，本文综述了两类定位方法：(1)自主定位方法和(2)依赖训练的定位方法。

1)自主定位方法：自治方法可分为四类，即(1)邻近方法、(2)几何方法(例如，三角测量，三边测量和最大似然估计)、(3)航位推算方法和(4)卡尔曼滤波器。

2)依赖训练的定位方法：训练相关方法可分为五类，即(1)质心、(2)粒子过滤器、(3)模式识别、(4)视觉分析和(5)地图匹配。

  1. 应急响应者的IPS方案分类

为了对不同的IPS方案进行分类，提出了以主要设计选择为中心的分类法。IPS的分类基于以下特征：(a)技术原理；(b)部署；(c)定位原则；(d)算法和(e)环境。

  1. 技术原理

技术原理属性根据用于定位过程的技术将IPS分为四类：1)基于无线电信号的系统；2)基于IMU的系统；3)混合系统和4)其他系统。

  1. 部署：

部署属性根据IPS在干预方案中需要运行的基础结构的位置来对IPS进行分类。部署又分为三类：1)预部署；2)战略部署和3)免部署。

  1. 定位原则

定位原则属性根据用于计算应急响应者位置的定位方法对IPS进行分类。定位原则又分为五类：1)基于基础架构的定位；2)使用WSN进行定位；3)临时定位；4)邻近定位和5)航位推算定位。

  1. 算法

为IPS的定位过程开发的算法可以分为集中式或分散式。这两类算法之间的主要区别是运行定位算法的平台。

  1. 环境

尽管此调查的重点是能够在室内环境中定位应急响应者的定位系统，但也需要在室外进行定位。尤其是能够在两种环境中工作的系统。因此，还可以根据操作环境对IPS进行分类：室内、室外或室内外。

  1. 应急响应人员IPS的最新进展

多年来，已提出许多IPS以解决在室内环境中将应急人员定位的问题。为了提高IPS的性能，已提出不同的计划和战略。在本节中，对专门为紧急救援人员开发的最先进的IPS进行了全面回顾。每个IPS描述的开始确定其设计用于的紧急情况，然后对系统特异性进行简要描述。然后，定义了定位方案的工作原理。最后，根据第三节中讨论的要求对每个IPS进行分析。

各种IPS根据技术原理进行分类。在每一节中，按时间顺序分析不同的IPS，使读者更好地了解每个主题研究的演变。

A.基于无线电信号的系统

RF技术的使用是IPS开发中广泛使用的方法。无线电信号系统涵盖各种射频技术，如：Wi-Fi、RFID、ZigBee、UWB和蓝牙。

所有射频技术的一个共同特点是无线电波穿过墙壁和人体的能力。因此，与其他基于信号的技术(如超声波和红外)相比，RF技术的覆盖范围更大，需要的硬件更少，在某些情况下，可以重复使用WLAN基础设施。在本节中，介绍了和讨论了依靠射频技术的应急响应者的IPS。

  1. 基于IMU的系统

在过去十年中，惯性和运动传感器是重大开发的目标。研究界专注于缩小尺寸，将多个传感器(3D加速度计、陀螺仪和磁力计)集成到单个芯片中，通过偏差和减少漂移或控制来改善其性能。这导致可穿戴设备的性能更好、组装方便的IMU越来越小。

  1. 混合系统

如前两节所强调的，在无线电信号和基于IMU的技术之间进行定位的选择对IPS性能有一定的影响。在混合IPS中，两个子系统(基于射频信号和IMU)独立地计算第一响应者的位置，然后，数据融合算法将这两个数据合并以提供单个位置估计。在本节中，将介绍和讨论依赖于两种技术方法的应急人员IPS。

  1. 其他系统

为紧急救援人员开发的大多数IPS都基于射频技术、惯性传感器或这两者的组合。然而，由于这些IPS仍然存在的局限性，一些研究人员提出了基于替代技术的IPS，如具有通信功能的人造磁场、超声波和安全绳。在本节中，提出并讨论了依靠替代技术的应急响应人员的IPS。

  1. 问题、挑战和未来研究方向

若干IPS已被开发以解决紧急救援人员面临的室内定位问题。事实上，恶劣的条件和非结构化的环境在为紧急救援人员设计IPS方面提出了许多挑战。在以下小节中，将重点介绍为紧急救援人员设计IPS的问题、挑战和未来的研究方向。

  1. 应急人员IPS中的问题和挑战

关于室内定位已经进行了许多研究，但是尚未开发出能够满足IPS应急响应者所有要求的系统。本小节讨论了应急响应人员IPS设计和性能评估中的主要问题和挑战。

1)高系统成本：在户外定位场景中，GPS与廉价IMU的结合足以提供满足用

户要求(可用性、成本、可扩展性、准确性和精度)的导航系统。

2)测试场景：大多数IPS都是在受控或半受控的环境中评估的，并具有预先定义的路线或运动。因此，IPS的性能是针对单个测试台环境和特定评估标准量

身定做的[15],[123]。

3)识别应急响应者的典型运动模式：因为IPS开发人员和应急响应者之间缺乏合作，导致IPS在受控环境中取得良好效果，但在实际情况下，无法产生良好的位置估计。

4)无线信号的可用性差：在

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