搜救系统

搜救系统（通用7篇）

搜救系统 篇1

摘要：由于传统SIFT特征点描述符的复杂性,增加图像拼接的时间,针对这种情况,提出一种快速的红外图像拼接算法。算法首先对序列红外图像提取关键帧;然后对图像畸变和海杂波进行预处理,并限制相邻两幅图像的特征点提取区域,缩短图像拼接时间;最后采用双向匹配法提高配准精度,用高斯渐入渐出法得到无缝拼接的图像。实验结果证明该算法提高了拼接速度,当特征点不是很多时,改进后的SIFT匹配算法在时间上可以达到比较理想的效果。

关键词：图像拼接,关键帧,SIFT,特征提取,特征匹配

0 引 言

由于天气恶劣导致的海上事故频发,搜救目标的难度加大, 夜晚难度更大,一般不作业。目前国内现有手段是目测,大量资料数据及实际案例表明,在现有可行方案中,红外搜救成像系统有助于发现落水人员( 即弱小目标) ,让小目标的位置标定长时间地显示在上位机上,需要图像拼接来实现。因此将多幅海上搜救红外图像拼接为大视场角的图像对海上搜救有着重要的意义。

在文献[1]中,虽然配准速度有所提高,但是没有对海面杂波进行预处理,拼接处的图像质量不高。在文献[2]中把多种具有代表性的算子( SIFT、不变矩等十种局部描述算子) 总结并进行了实验性对比,在同等条件下,SIFT算子对图像缩放、仿射变换、噪声等具 有良好的 匹配性能,具有最强 的健壮性。 Lowe[3]提出的SIFT算法相比梯度、哈希及Harris而言,对图像缩放和旋转具有不变性,对光照变化、仿射变换以及噪声都具有较强的抵抗性,但由于生成的特征点描述符维数过高,导致计算量太大而无法进行实时匹配。

在深入研究SIFT算法[4]后,本文针对SIFT的图像拼接复杂度高、拼接时间长等问题进行了改进,在既降低复杂度又保证场景信息的基础上,提高了拼接速度并取得了良好的效果。

1 图像拼接算法基本流程

本文图像拼接的流程为: 通过由TMS320F2812DSP控制摆扫系统带动长波红外相机SZ007匀速水平旋转获取序列红外图像,对获取的序列图像进行关键帧提取,然后对预处理之后的关键帧图像进行SIFT特征点的提取与匹配,同时计算出相邻图像间的变换参数,接着利用已得参数对关键帧图像进行拼接,最后是图像融合来消除拼接缝。整个算法的实现流程如图1所示。

2 关键帧的提取

本项目中搜救成像系统采用的长波红外相机SZ007的焦距为f = 100 mm,CCD水平尺寸是16 mm,相机的视场角是9. 15°, 而系统目前的指标要求呈现60°的视场角,与现有相机拍摄单张图像的水平视场角相差甚大。若对所有序列图像进行图像拼接会使拼接效率降低。因此需要提取关键帧为获取大视场角的图像拼接做准备。

所谓关键帧是指在序列图像中能够反映全部图像的主要内容的代表性图像帧,它能有效地降低图像计算的复杂度。序列图像关键帧提取的方法主要分为以下五类[5]: 基于镜头的方法、基于聚类的方法、基于运动分析的方法、基于压缩视频流提取的方法、基于内容分析的方法。这些方法各有优缺点,其中基于镜头的方法的优点是对于内容变化较小的序列图像的关键帧提取具有很好的鲁棒性,一般只要提取首尾帧或者中间帧,缺点是对于内容丰富的序列图像提取出的关键帧的效果不是很好, 漏检率很高。而本项目中所得到的序列图像内容变化不是很大,本文基于此方法提出了改进的关键帧提取方法,方法如下:

由于相机是匀速水平方向拍摄,预设相邻帧的边缘匹配率的阈值为30% ,除首尾帧外,再需7个关键帧可以满足60°视场角的要求。本文为了降低漏检率增加了对序列图像关键帧提取的数量,把每隔1. 7 s( 一个正程14 s) 抽取的图像也作为关键帧。实现本算法的复杂度低,漏检率也低,适用于工程应用。

3 图像的预处理

3. 1 图像畸变预处理

搜救成像系统中相机摆扫模型如图2所示,由于相机匀角速旋转 θ ,两边的图像会产生如图3所示的畸变,图像内容范围呈梯形,对这种图像形变的改正称为图像畸变修复。

图像畸变模型如图3显示了在失真和相应的校正图像中的四边形区域,在1/2θ 处即a和b两条直线称为等角点线[6],即这条线上的点没有产生畸变。a左边的像点朝向等角点线位移,a右边的像点背向等角点线位移。假设四边形的顶点是相应的 “连接点”,四边形区域中的几何变形过程中用双线性方程对来建模,即:

其中h是飞机离海面的高度、相机焦距f和CCD的水平尺寸三者之和,后两者相对较小,可忽略不计,θ 是相机旋转与垂直线之间的角度,x' 和y' 分别是r( x,y) 和s( x,y) 空间变换。在某 θ 角度上由失真图像中的任意点( x0,y0) 带入方程组可求出( x', y') 。在无失真图像中,被映射到( x',y') 点的值是g( x',y') ,令f'( x,y) = g( x',y') ,就得到恢复图像的值。

3. 2 海面背景噪声抑制处理

由于碧波荡漾的波浪反光形成的鱼鳞光使海杂波的特性极为复杂,拍摄距离、浪高和太阳位置都影响着红外图像的信噪比和对比度等信息,非线性非平稳的特点[7,8]。在强海杂波环境下,红外图像中常常有大量图像信息被覆盖,很难将有用的特征点和海杂波二者区分开来,成为本文图像拼接的难点。因此抑制海面杂波成为本文算法的关键。

由于Haar小波函数是一个具有正则性的紧支撑正交小波函数,波形是单个矩形波且具有对称轴,它的支撑域范围是t ∈ [0,1]。利用这种性质抑制本文中的序列红外图像的海面背景噪声,易于获得平滑的重构图像,计算简单,误差小。

二维离散小波变换表示为:

图像经过二维小波变换后,Wφ( j0,m,n) 代表了图像的低频空间,Wiψ( j,m,n) i = H,V,D代表了图像沿水平方向、垂直方向和对角线方向的三个高频细节分量。

Haar小波是用一族函数去表示或逼近一个信号,函数的定义如式( 3) :

其中0 ≤ t ≤1/其中0 ≤ t ≤1 2表示/信号的低频分量,1 2≤ t ≤ 1表示信号的高频细节分量。它常常能在不显著降低质量的前提下对图像信息进行压缩和消噪等处理。其中0 ≤ t ≤1/ 2表示信号的低频分量,1 2≤ t ≤ 1表示信号的高频细节分量。它常常能在不显著降低质量的前提下对图像信息进行压缩和消噪等处理。

为了进一步排除虚假特征点,本文利用SIFT特征检测法检测出真实有效的特征点,进而提高图像拼接的质量。

4 SIFT 算法原理及改进

2004年David. G. Lowe对SIFT算子做了全面的总结及更深入的发展和完善,提出改进的SIFT特征匹配算法,即尺度不变特征变换———对图像旋转、缩放、平移、仿射变换保持不变性的图像局部特征。SIFT算法的思路是,首先提取图像的SIFT特征,即从多幅待匹配图像中提取出对尺度缩放、旋转、亮度变化无关的特征向量; 然后是SIFT特征向量的匹配[3]。

4. 1 提取 SIFT 特征点及改进

4. 1. 1 SIFT 特征点提取原理

图像特征点是图像中灰度变化的明显点,具有线性、平移不变性、旋转不变性和子集特性等特性的可构成多尺度空间的核是高斯核[9]。二维图像I( x,y) 的尺度空间定义如下:

其中 δ 是尺度空间因子,小尺度对应于图像的细节特征,大尺度对应于图像的概貌特征,所以要选择合适的尺度因子来建立二维尺度 空间, 二维尺度 可变高斯 函数G( x,y,δ)=

SIFT算法采用Do G算子来提高尺度空间检测稳定特征点的效率,将图像连续通过不同尺度因子 δ 的高斯函数经过滤波和采样形成高斯金字塔图,每一层相邻尺度因子的两个高斯图像之差构成高斯差分多尺度空间Do G图,如图4所示,其中Do G算子定义如下:

Do G函数在尺度空间的Taylor二级展开式近似为特征点处的拟和函数来去除不稳定的极值点,公式如下:

对上式求导并等于零可以得到局部极值点,将图像的行、列及尺度三个量修正后,得到修正极值点:

在高斯差分尺度空间下,局部极值位置通过每个点逐个与相邻位置的点进行比较得到,该位置是尺度因子 δ 对应的特征点的位置,极值点的方程为:

边缘响应点去除通过下式:

式中,r为控制特征值大小的参数。当不等式成立时,该点是边缘上的点,将其去除掉。

4. 1. 2 特征点提取的改进

传统SIFT算法因特征描述符维数大,检测特征点的过程占据了大部分时间,然而并不是所有的特征点都是有用的,有大量是无用特征点花费了很多搜索时间,所以本文通过限定特征点提取的区域来减少大量无用的计算,提高算法的速度。如图5所示。

假设三个图像A、B、C,区域S1、S2分别为A和B、B和C的重叠区域,不需要把整个区域的特征点都检测出来,只有在S1、 S2的特征点才是有用的特征点,因为其他区域的特征点不可能作为另一图像的匹配点。这样就减少了特征点检测时间。

4. 2 SIFT 特征匹配

本文SIFT特征匹配的步骤如下:

( 1) 采用关键点特征向量的最小欧式距离作为在高维矢量图像的特征点的相似性度量准则。通过相似性的度量就可以得到待配准图像间的潜在匹配点对。采用优先K-D树[10]搜索加快搜索匹配,如果关键点的两个近似最近邻关键点中最近距离除以次近距离的比值小于某个阈值,那么就接受这一匹配点对。 可以适当降低这个比例阈值从而增强匹配点对的稳定性。欧式距离表示如下:

( 2) 经过最小欧氏距离判定后,并不意味着这两个点为正确的匹配点对,还需进一步筛选出精确匹配的特征点对。采用双向匹配法进一步去除误匹配点对,即第一次匹配完后,记录下成功匹配的坐标对,然后交换匹配对的坐标位置,再匹配一次, 如果这两次匹配得到的坐标对是一样的,就接受这一对匹配点。

5 高斯模型的渐入渐出融合

图像配准后,图像间的变换关系就得到了唯一确定,但是常会出现图像的模糊和明显的边界,需选择适当的图像融合技术将配准图像的重合区域进行融合,以消除图像拼接后的拼接缝隙,从而得到拼接重构的平滑曲面全景图像。一般采用的方法有取平均值法、渐入渐出法和多分辨样条发等。

本文采用平均值法和渐入渐出法相结合,其计算原理简单, 计算快,效果好,满足场景需求。该方法主要分为四个步骤[11]: 首先分别计算两幅待拼接图像感兴趣区域灰度值的均值和方差,修正亮度差异大的图像,使图像间的亮度差异降低; 其次计算感兴趣区域的概率分布函数; 然后根据概率分布函数计算感兴趣区域的每一个像素的权值di; 最后根据权值实现像素的重新取值。融合公式为:

其中权值 ω1+ ω2= 1,通过 ω1和 ω2在0 ~ 1之间的渐变来实现图像重叠区域的平滑过渡。

6 实验结果及分析

本文算法实验环境CPU为Intel( R) Core( TM) 3. 0GHz,内存为3. 25G,操作系统为Windows XP。编程工具为Microsoft Visual Studio 2010。实验中相机型号是烟台艾睿光电科技有限公司生产的 长波红外 相机SZ007。摆扫系统 是由TMS320F 2812DSP控制的匀速水平旋转机构,原始待拼接图像是项目组人员到湖面拍摄的大小均为8 bit的640 × 480的bmp图像。本文分别给出6张、4张序列图像的拼接效果图,如图6、图7所示。

图6中的单张图改进前后SIFT特征点提取耗时时间如表1所示。

传统SIFT拼接算法和本文改进SIFT拼接算法的实现过程耗时对比如表2所示。

通过比较本文改进算法的拼接图像和待拼接图像,如图6和图7,可以看出本文拼接算法针对本项目中遇到的复杂海面背景有效抑制、图像内容完整、拼接缝平滑过渡; 表1通过比较改进前后SIFT特征点提取时间,说明限制特征点提取区域可以明显提高拼接效率; 表2通过比较改进前后序列图像拼接算法耗时时间,可以看出本文改进后的算法相较于传统SIFT图像拼接算法拼接效率分别提升了47. 2% 、51. 2% ,因此本文改进的算法具有较高的实时性。

7 结 语

本文针对目前基于SIFT的序列图像拼接算法复杂度较高、 拼接时间长和特征点匹配不准等问题,提出了一种改进的SIFT序列图像拼接算法: 首先运用基于镜头的关键帧提取算法的改进降低图像内容的漏检率和冗余度,然后对图像畸变的校正和海杂背景的抑制等图像预处理,其次限制特征点提取区域减少特征点提取时间,通过双向匹配法提高图像拼接质量,最后用渐入渐出融合法消除缝合线。实验结果表明,本算法在取得良好的图像拼接效果前提下,降低SIFT特征提取时间,但对于搜救成像系统中的摆扫系统的高速运转带来的红外相机成像模糊的处理,还需要继续深入研究以更好地适应于工程应用。

搜救系统 篇2

近年来,船舶在海上遭遇自然灾害或其他意外事故所带来的危难给生命、财产等造成了巨大的损失。船舶搁浅、触礁、碰撞、火灾、爆炸等都是造成海难事故的主要原因。因此,必须完善海上搜救应急反应机制,迅速、有序、高效地组织海上突发事件的应急反应行动,救助遇险人员,控制海上突发事件扩展,最大程度地减少人员伤亡和财产损失。

基于多Agent的海上搜救智能决策支持系统的研究,旨在运用现代科技手段,利用群体决策、分布式决策、智能决策,保证信息畅通;充分发挥专家的咨询作用,辅助RCC果断决策,保证应急指挥的权威性。

本文以JADE多Agent平台作为开发环境,将搜救决策任务分解成多个Agent,研究了基于多Agent的分布式智能决策的可行性和优越性。

1 系统分析

1.1 系统功能结构分析

在基于多Agent的海上搜救智能决策支持系统中,每个Agent在某种程度上都是自主工作的,它们独立运行在分布式平台上,是一种在协作系统中能持续自主地发挥作用的计算实体。根据搜救工作的规模、特点和过程将决策任务分解成若个子任务,每个子任务都由一个Agent来完成。这些Agent包括主控制Agent、遇险事件态势评估Agent、搜救辅助信息处理Agent、搜寻区域确定Agent、搜救力量选择与优化Agent、海难事故数据挖掘Agent。系统的功能结构如图1所示。

系统中的Agent的功能定义如下:

(1) 主控制Agent 主控制Agent负责与用户交互,接收并输入与海难事故相关的基本信息,如事件发生的时间、地点、事发现场的气象、海况信息等,每条遇险信息都保存到数据库中。

系统中的Agent可以是分布式的,主控制Agent负责系统的全局控制和规划。其他Agent均可由主控制Agent创建或撤消,主控制Agent根据环境的变化选择具有特定功能的Agent,动态地形成联盟——解散——再产生联盟。通过与其他Agent的协商、协作,生成搜救决策方案提供给用户。

(2) 遇险事件态势评估Agent 遇险事件输入完毕,由态势评估Agent根据事故报告及气象、水文等实时信息参考应急预案对海难事故进行分类、分级。态势评估Agent具有很强的实时性,每隔一段时间就会搜集相关信息,评估搜救事件的进展状况,并把结果提供给主控制Agent,便于主控制Agent及时调整决策方案。

(3) 搜救辅助信息处理Agent 搜救决策的辅助信息主要包括:常用报警、报告、通报电话,搜救各干系人的基本信息、联系方式,气象信息,应急预案等,该Agent实现对辅助信息的增、删、改、查询等功能,应其他Agent的请求发起查询并将查询结果发送给相应的Agent。

(4) 搜寻区域确定Agent 根据风流等信息估算难船或水上漂浮物的漂移,确定搜寻区域及搜寻方式,并将结果报告给主控制Agent。

(5) 搜救力量选择与优化Agent 建立搜救力量数据库,根据遇险事件的态势,使用BP神经网络算法、遗传算法等对搜救力量进行选择和优化。

(6) 海难事故数据挖掘Agent 海难事故数据库中保存着对每一个搜救案例的完整描述、求解方案和实施结果等。海难事故数据挖掘Agent使用关联规则、聚类分析等算法对历史案例进行知识挖掘,将当前案例与历史案例进行适配,为当前海难事故的搜救决策提供历史经验和知识,将有益的建议发送给主控制Agent。

1.2 Agent间的交互分析

目前,研究Agent间的交互,主要的建模工具有UML序列图、有限状态机和Petri网。

由于Agent可以看作是一种主动的对象,因此可以使用面向对象中的UML序列图描述Agent间的交互。但是,区别于一般的过程调用、函数调用以及对象间的消息传递,Agent间的交互是在语义层次上进行的,通常基于ACL、KQML等标准化的通信语言。因此,建立Agent间的交互序列图,应当将基于KQML或ACL的消息原语扩充到UML的消息格式中,并增加对并发机制的支持。

用有限状态机表示的Agent交互模型主要用来描述Agent之间的会话,会话基于特定的规则条件,从一个初始状态开始执行,结束于一个终止状态。Agent在会话过程中进行信息交换、状态转换或采取某种行动。

本文采用遵循智能物理Agent基金会FIPA标准的JADE平台开发多Agent系统,Agent间的交互基于ACL消息机制。研究中发现,使用着色Petri网模型更能清晰地表达出Agent之间的交互协议、交互状态等。其中,用圆圈代表库所,表示Agent交互的状态;用小黑点代表令牌token,是库所中的动态对象,可以从一个库所移动到另一个库所。所谓着色Petri网就是给令牌着色,让令牌拥有属性值,本文用令牌表示Agent之间交换的数据或消息。用方形结点代表变迁,变迁以及连接变迁与库所的弧表示Agent间的交互策略,如:消息的传输机制、消息原语等。

以主控制Agent向态势评估Agent发送消息为例。消息内容:Today is raining,因为是一个简单的通知,所以通信原语采用inform。则该交互过程用着色Petri网表示,如图2所示。

2 基于JADE的系统设计与实现

2.1 JADE简介

JADE是意大利的itilab实验室为开发多Agent系统于2003年推出的中间件,其版本在不断地升级,本文使用的是2009年推出的最新版。JADE遵循FIPA标准,提供了基本的命名服务、黄页服务、通信机制等,为Agent提供运行环境,使用图形工具管理和监控Agent的运行状态,并提供类库便于开发人员创建多Agent系统或与其它java开发平台和技术集成。

从体系结构的角度,一个JADE运行平台(platform)包含多个 容器(containers),其中,有且仅有一个主容器,多个常规容器。容器可以运行在不同的主机或移动设备上,其他容器启动时必须在主容器中注册。每个容器中都生存着若干Agent。如图3所示。

使用JADE创建多Agent系统包括几个关键环节:(1)创建Agent;(2)为Agent添加行为;(3)实现Agent间的通信,即发送和接收ACL消息。

2.2 创建Agent

本文选用NetBeans作为开发环境,将JADE的包文件导入到NetBeans,正确配置ClassPath后,即可利用JADE进行多Agent系统的开发。

创建Jade Agent必须继承jade.core.Agent类,并实现setup()方法。本系统中的Agent均带有自己的图形界面,即GUI,因此还需要为每一个Agent创建GUI类。以主控制Agent为例,该Agent的类名为MainControlAgent,其图形界面类命名为MainControGUI。则代码形式如下:

public class MainControlAgent extends Agent{

protected void setup(){

……

MainControlGUI mygui=new MainControlGUI(this);

………

}}

public class MainControlGUI extends javax.swing.JFrame {

………

private MainControlAgent myagent;

…………

public MainControlGUI(MainControlAgent a) {

myagent=a;

this.setVisible(true);

}

…………

}

运行时,使用命令java jade.Boot –gui eventinput: MainControlAgent启动主控制Agent,则其图形界面也会被打开,如图4所示。

2.3 为Agent添加行为

在JADE中,Agent执行的动作应该定义在行为类behaviours中,从其父类jade.core.behaviours.Behaviour派生。比较常见的行为有:OneShotBehaviour(只执行一次),CyclicBehaviour(一直循环)、TickerBehaviour(周期执行)和WakerBehaviour(超时就执行)。行为可以利用Agent类的addBehaviour方法随时加入到Agent类中。每个从Behaviour派生的行为类必须实现action和done方法。action方法定义了当行为发生时执行的操作,done方法定义行为的终止条件。

以主控制Agent为例,该Agent随时接收其他Agent发来的消息,因此需要为该Agent添加一个表示循环操作的CyclicBehaviour类。

2.4 Agent间的通信

在JADE平台中,由ACC即Agent 通信通道负责平台内、外Agent之间的底层通信。Agent之间的通信采用异步方式,每个Agent有一个mailbox,接收来自其他Agent的消息,一旦到达一条消息,系统将通知给相应的Agent,由该Agent调用behaviour类中的action()方法对消息作出响应。

消息基于ACL语言,包含以下部分:sender,receivers列表,intention,content,ontology,还有一些用来表示会话的域,如conversation-id,reply-with,in-reply-to,reply-by等。从实现的角度,每条消息都是jade.lang.acl.ACLMessage类的一个实例。

以主控制Agent向态势评估Agent发送“Today is raining”消息为例,代码形式如下:

ACLMessage msg=new ACLMessage(ACLMessage.INFORM);

Msg.addReceiver(new AID(′sarevaluation″,AID.ISLOCALNAME));

Msg.setContent(″Today is raining.″);

Send(msg);

另一端,态势评估Agent随时监听来自其他Agent发来的消息,并根据消息内容迅速给出回应,所有处理都在态势评估Agent的行为类中实现,接收消息的基本形式为:

addBehaviour(new CyclicBehaviour(this)

{public void action()

{ACLMessage msg = receive();

if (msg!=null) {

// do something }

block();

}}

3 结 论

本文所研究的“基于多Agent的海上搜救智能决策支持系统”依托于辽宁省创新团队项目:基于多Agent及数据融合的海上搜救决策支持系统。

本文提出了基于多Agent的海上搜救智能决策支持系统的体系结构,分析了各Agent的功能及它们之间的交互。研究中使用NetBeans与JADE框架的结合对系统进行了完整的实现,并描述了基本的实现思路。

海上搜救是一项跨部门、跨行业的系统工程,必须多部门联合作战、全社会共同参与,对协商、交互、可靠性、实时性等要求很高。多Agent系统具有智能性、鲁棒性、分布性等特点,将其应用在海上搜救决策中,理论与实践相结合,既彰显了多Agent技术的优越性,又提高了搜救决策的智能性、快速性和权威性。

参考文献

[1]Hugh Cottam,Nigel Shadbolt.Knowledge Acquisition for Search andRescue.http://ksi.cpsc.ucalgary.ca/KAW/KAW96/cottam/cot-tam.html.

[2]Ralph E Wilfong.Model Search And Rescue Plan.http://www.eri-online.com/uploads/Model__SAR_Plan.doc.

[3]吴菊才,黄穗.基于JADE的专家门诊智能预约系统设计[J].微型电脑应用,2009,25(9):25-28.

[4]郭杰,沈文轩,等.基于MESSAGE和JADE的Agent开发方法研究[J].计算机应用与软件,2009,26(3):136-137,162.

[5]国家海上搜救应急预案.http://www.gov.cn/yjgl/2006-01/23/con-tent_168935.htm.

搜救系统 篇3

搜救信标信号模拟系统为SAR转发器的地面和在轨运行期间的测试活动提供406 MHz信号源, 模拟多个 (最多5个) 406 MHz信标机同时发射遇险信号, 以检验转发器对多路遇险信号的处理能力。

国际通用的搜救信标机普遍采用模拟体制, 无法对射频信号的频率、调制相位跳变时间、起始发射时间等进行控制。国际搜救信标信号模拟系统采用软件无线电的思路, 使用计算机控制和数字基带技术, 实现对射频信号工作参数的灵活、精确控制[4], 调制数据报文满足Cospas-Sarsat国际信标的全套协议。在外部提供10 MHz时钟的情况下, 发射频率在 (406~406.1) MHz范围内可设置, 精度达到0.01Hz, 能够模拟多普勒频移;发射时间精度达到1μs, 能够模拟BPSK调制相位跳变的斜坡变化[5]。

1 系统总体设计

搜救信标信号模拟系统框图如图1所示, 上位机为通用的PC机, 主要任务是提供友好的人机界面, 用来设置各种参数, 生成测试方案, 并发送给下位机。

由于主要的性能指标是通过信标机实现的, 因此对下位机的要求不高, 廉价的MCS-51单片机就可以胜任。下位机对上位机的测试方案进行中转处理, 将方案重新打包后分别发送给各个信标机, 另外, 下位机还提供人机界面 (液晶屏、按键) , 对整机进行控制与监测, 在不连接上位机的情况下, 能对信标参数进行简单参数配置后控制信标发射。

参考频率源模块为信标机提供稳定的90 MHz时钟。

测试方案的执行过程如下:上位机完成测试方案的本地生成, 然后将测试方案发送给下位机;下位机根据接收到的测试方案生成针对每一个信标机的待调制数据帧和信标参数, 并通过RS422通信发送给对应的信标机;信标机完成数据调制, 产生要求的信标信号并将其输出给天线。

时统子系统是外部设备, 为搜救信标信号模拟系统提供精确的时间基准和频率基准, 是实现0.01Hz频率精度和1μs时间准确度的基础。

2 信标机的设计

2.1 信标机设计方案

信标机共有5台, 每一台作为一个独立的单元, 能够在预先精确确定的时间以可控的频次发射406MHz信标信号;多台信标机可以同时发射同频率或不同频率的信号, 以检验转发器对重叠信标信号的处理能力。

单个信标机原理框图见图2。使用DDS进行频率合成是目前广泛采用的方式, 可以实现高分辨率, 但输出信号杂散性能较差[6,7], 信标机采用的是PLL+DDS的频率合成方案, 既可以获得高频率分辨率, 也可以较好地抑制杂波[8,9], 数字基带模块以90 MHz作为参考时钟, 完成待调制数据帧和信标参数的接收, 调制生成16.0~16.1 MHz已调信号, 并完成射频模块的相关控制。射频模块将输入的90MHz参考时钟分成两路, 一路作为数字基带模块的参考时钟, 另一路倍频至390 MHz后, 与16.0~16.1 MHz已调信号混频, 得到406.0~406.1 MHz的射频信号, 射频信号经过幅度调整后输送给程控衰减器进行幅度的步进调节, 功率放大器还需根据设置的功率值进行功率放大。

2.2 信标机数字基带的设计

信标机数字基带原理框图如图3所示, 通过FPGA、DAC和BPF实现基带调制。其中系统时钟90 MHz由射频提供, PLL锁相环模块完成对90MHz倍频/分频锁相功能, 输出2 MHz时钟, 数据设置分配逻辑模块负责异步串口通信、通信帧解析以及参数逻辑控制功能, FPGA的设计核心为DDS IP核 (NCO) 和基带波形成形器, DDS的参考时钟为90MHz, 具有频率控制输入以及相位调制输入, 基带波形成形器实现对串行码流编码、成形, 进而控制DDS, 实现相位调制功能。

FPGA选用ATERA公司CYCLONE二代芯片EP2C8T144I8, DA数模转换选用TI公司的DAC5672, 该芯片最高支持速率为275 Mbps, 精度为14 bit, SFDR>80 d Bc。

3 主要指标设计

3.1 频率分辨率

信标频率设置通过DDS实现, DDS输出频率[10]:

式 (1) 中, KF为频率控制字, fc为外部参考时钟的频率, N为DDS相位累加器位数。输出频率分辨率由式 (2) 决定:

DDS的频率控制字采用34 bit, 将N=34 bit, fc=90 MHz代入式 (2) , 得DDS输出的16.0~16.1MHz基带信号频率分辨率

基带信号与390 MHz混频得到406 MHz射频信标信号, 因此当外部时统子系统提供的参考频率源准确度优于1×10-11时, 射频信号的频率精度优于0.0 1Hz。

由式 (1) 可知, 通过不断修改频率控制字, 可以不断改变信标输出频率, 从而模拟多普勒频移。

3.2 相位跳变时间

在基带波形成形器模块中, 上升时间τR及下降时间τF定义见图4 (b) 。基带波形成形器输出相位控制参数给DDS, 相位

式 (3) 中, M为相位控制字宽度。

相位控制精度

选取M为10 bit, 相位控制精度为0.006 rad。基带成形器输入时钟为2 MHz, 因而时间精度为0.5μs, 满足小于1μs的指标要求。

3.3 发射时间控制

信标机接收到的测试参数中包含了预先设置的信标信号的精确发射时间 (例如x时y分z秒m毫秒n微妙发射) , 该时间以时统子系统B码的1PPS为参考基准 (以1PPS上升沿作为秒基准) 。

时间的精确控制采用硬件定时的思路, 排除CPU软件执行的非实时性对于时间控制精度的影响。下位机软件只是传输设置参数, 时间控制由硬件FPGA执行。

设计通过定时计数器来精确控制信号的发射时间。时间控制分为两个层次, 秒级定时以1PPS作为时间基准, 秒级以下定时以时统时钟/内部时钟 (2 MHz) 作为定时电路的时钟。FPGA内部的定时计数器先以1PPS为参考定时到秒级, 然后启动毫秒和微秒定时。毫秒和微秒级定时器时钟为2MHz, 来源于外部时统提供的高准确度时钟, 因此可以保证0.5μs定时精度。

计数器的精确定时考虑通道的传输延时, 包括DDS、DAC、滤波器、功放、程控衰减器等, 最后进行通道标定, 软件预先通过时间参数设置对通道延时进行补偿, 最终满足小于1μs的指标要求。例如, 要求信号在x时y分z秒m毫秒n微秒发射, 假定该射频通道的延时量为Δtμs, 则软件将发射时间设置为x时y分z秒m毫秒 (n-Δt) 微秒发射。

4 测试结果

在系统的频率测试中, 使用铯原子频标5071A作为参考频率源, 为设备和频率计提供参考时钟, 最终设备的406 MHz输出频率步进达到0.01 Hz, 测量到的频率误差小于0.003 Hz。

由于多普勒频移速率很低, 在信标脉冲发射期间 (440 ms/520 ms) , 频率差值很小 (小于0.4 Hz) , 难以用仪器直接测试到, 因此只能在该设备与其他设备构成大系统环路时测到这一频率差值, 也可以通过增大多普勒频移速率以增加频率差值来验证控制方法的正确性。图5是使用Agilent E4440A的MAXHOLD功能在增大多普勒频移速率后测到的扫频频谱图。

图6是调制相位上升时间为50μs时解调后的波形, 相位由-1.1 rad上升到+1.1 rad。

射频信号的起始发射时间经过标定后, 误差在1μs以内。

5 结论

介绍的系统采用了数字控制的方式, 实现对射频信号的频率、调制相位跳变时间、起始发射时间等射频参数的精确控制。系统使用FPGA作为数字基带, 利用DDS实现BPSK调制, 通过对信标中频 (16 MHz) 的频率、调制相位跳变时间和信号发射时间的精确控制, 实现了对406 MHz射频信号相应参数的控制。介绍了搜救信标信号模拟系统的总体设计, 着重介绍了信标频率控制和时间控制的方法, 并给出了最终的实测结果。该系统目前已投入使用, 运行稳定、可靠。

参考文献

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搜救系统 篇4

随着近年来地震等自然灾害频发,应急救援系统的实际需求不断增加,发展应急救援产业具有重要的战略意义[1,2]。尽管我国应急装备水平不断提升,但由于应急产业起步晚,大部分应急产品仍没有摆脱低技术含量、低附加值的状况,产品主要存在集成化程度低,系统体积大、机动灵活性差,能耗大、不利于现场使用等问题,难以满足实际的应急需要,直接影响应急处置效果[3,4]。本课题组研制的基于六轴飞行器的多功能搜救系统具有应急响应速度快、紧急情况下的作业能力强、影像获取成本低、安全作业保障能力强、续航时间长等特点,同时可实现双向通信、经纬度定位、定轨巡航、精确悬停,基本符合搜救系统精密度要求,可广泛应用于各个应急场所,具有广阔的应用前景。

1 现状分析

我国地域广阔,地形地貌多样,气候特征、表层沉积、水文地质条件复杂,与此相对应,我国自然灾害也具有种类多、发生频率高、强度大、时空分布广等特点,囊括了气象灾害、地质灾害、森林火灾等各种类别[5,6]。但我国目前普遍使用的应急搜救系统主要是基于地面搜救队伍配置,存在时效性差、效率低下等问题,且在救援过程中由于缺乏高性能、多功能的医疗救援设备,使得救援成功率偏低。而直升机等大型飞行器在特殊环境下的应用又存在危险系数高、可能造成二次伤害等限制,无法全国性、大规模部署,导致搜救系统无法高效快速地完成突发性较强的应急搜救任务[7]。而小型飞行器由于具有结构简单、操作灵活、时效性强、成本低廉等特点,对起飞和降落场地要求不高,可实现定点、定高、定时巡航,以及对复杂地形条件有良好的适应性等优势。因此,将小型飞行器应用于应急搜救系统,配合地面人员的行动,可以快速完成搜索定位、气象监测、紧急物资投送等任务。

2 多功能搜救系统介绍

根据目前我国搜救系统研制情况,本课题组在前期研制了基于六轴飞行器的多功能搜救系统,并进行了初步测试,取得了较为理想的效果,为下一步投入实际应用奠定了基础。

2.1 硬件结构

基于六轴飞行器的多功能搜救系统主要由单片机、电源、信号发射和接收装置、螺旋桨、电动机、角速度传感器、外围执行和反馈电路、夜航指示灯、可折叠支架以及拓展功能接口等组成。它具有功耗低、体积小、质量轻等特点,以单片机为核心,对元器件的选择也无特殊要求。它采用功耗低的互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)元器件,以降低总机整体功耗;选用贴片封装的电容、电阻及其他元器件,以减轻总机质量,系统框图如图1所示。

从图1中可以看出,控制人员通过通信装置将信号传送到单片机。根据信号的不同,单片机可以对功能装置和动力装置分别进行控制。动力装置主要负责调速器和螺旋桨桨叶的控制。功能装置中可以选择性地配备生命探测仪、环境监测设备(高清摄像头、声音接收器和温湿度传感器等),通用功能模块接口(可以接其他传感器、检测仪等),以适应不同环境和对象的搜救任务。

2.2 软件系统

由于六轴飞行器的飞行控制过程比较复杂,为了提高飞行器的操作精度,需要对不同任务、不同环境下的参数进行修正,因此在操作系统上预留IPS接口,以增加飞行器的适应性。由于在实现指令的过程中会有不同的信号同时传输,为了达到精确控制,设计了信号隔离电路,将不同的信号进行隔离,以达到最优的执行效果和效率。

2.3 主要功能

该飞行器最主要的应用价值在于不同外界环境下的搜救功能,通过搭载不同的模块,可以实现周围环境监测、有毒物质检测、生命探测和救灾物品投放等一系列任务[8]。

3 系统的应用策略

多功能搜救系统预留了IPS接口,通过搭载不同的模块可以完成不同的任务,可以在不同的灾害现场完成救援任务。根据我国目前面临的客观复杂形势,从地震、核事故、火灾等方面分析本系统的应用策略和价值。

3.1 在地震中的应用

近年来,我国境内地震频发,地震破坏力巨大,往往伴随有不同程度的道路毁损、建筑倒塌、通信电力中断、山体滑坡等现象。在强度较大的地震中,还常伴随人员被困的情形。因此,及时有效的搜救对减少人员伤亡意义重大。震后黄金24 h内进行搜寻营救的时间越早,地震受害者的现场存活率越高,而24 h后发现幸存者的机会也大为减少[9]。多功能搜救系统可以辅助人员快速高效地实施救援。

(1)地震发生后,搜救系统能第一时间辅助搜救人员了解总体灾情,包括房屋毁损及道路破坏程度等。飞行器可搭载高清摄像机,对灾后地面进行拍摄,并将图片实时传回地面,实现对灾情的初步探测。飞行器一般的遥控距离为1 000 m,预计升空100 m,可实现以操作人员为圆心,半径约950 m的范围进行勘测。若需进一步扩大侦查范围,可对飞行器设置定轨飞行,巡航拍摄。

(2)飞行器可搭载生命探测仪,进行生命特征探测。莱福雷达生命探测仪通过采集人体呼吸引起胸腔胀大收缩以及心脏本身的跳动信号,搜索范围大,在废墟瓦砾中能够实现探测深度为4.6 m以内的呼吸活动以及6 m内的移动(更大的深度需要提高输出雷达波的功率,但功率过大会对人体造成伤害,在紧急情况下,可酌情考虑);DKL生命电磁波探测仪(设计为手持式生命电磁波探测仪,但可以近地飞行以提高效率)采集人类心脏或身体所发出的3~17 Hz的低频率信号,该仪器体积小、质量轻(不足l kg),使用长天线时,最远探测距离可达500 m,可用于倒塌、倾斜建筑物中生命迹象的确认[10]。

3.2 在核事故中的应用

核事故具有发生突然、放射性污染途径多、辐射大、影响范围广、涉及人数多、作用时间长等特点,使得应急救援的技术性强、任务复杂艰巨[11]。同时由于人员难以抵进,无法长时间近距离工作,应急救援系统的作用尤为突出,主要表现在以下方面:

(1)放射性污染的检测。核事故发生后,需要实时监测放射性强度的大小。飞行器可携带检测设备抵进放射性污染严重的区域进行检测,然后将数据通过远程传输到操作端,为下一步决策提供依据。另外,飞行器还可快速高效地进行大面积、“地毯式”的搜索检测,排除人员抽样检测可能造成的盲区。在搜索检测时,可设置最高阈值,当超过该值时进行声光报警,提醒救援人员重点关注。

(2)救灾物品投递。由于射线对人体损伤大,要求救援人员尽可能缩短进出及滞留时间,且救援人员进入辐射地域时需要穿戴防护装具,使得携带的救援物资十分有限。而危重患者往往需要现场紧急处置,在重症患者较多时,可能面临缺乏药品、手术器械的情况。另一方面,当出现特殊病症的患者或群体如孕妇时,需要特殊的药品;救援现场也可能出现意外情况,如毒蛇咬伤,也需要非常规急救药品。此时可通过飞行器有针对性地投送相应药品、器械,不但可避免人员受到辐射,也缩短了物资到位的时间,提高了救援效率。

3.3 在火灾中的应用

近年来,随着城市规模的不断扩大,高层建筑鳞次栉比,各种新技术、新材料、新产品、新工艺的广泛应用,使得高层建筑功能复杂、用电负荷大、人员密度大、疏散途径少,一旦发生火灾,火势蔓延迅速,且容易散发有毒气体,而且在外部风力的影响下,易引起临近建筑物起火[12,13]。石油等化工企业属于火灾高危行业,其火灾燃烧速度快、蔓延迅速,燃烧面积大、热辐射强,有毒气体和烟雾危害大,爆炸危险性高、破坏力大[14]。此类事故中,由于消防队员无法靠近或进入到灾害事故现场,无法及时准确地把握火情,不利于救援工作的展开。而多功能搜救系统通过配备救生引绳、点火器等器材装备快速高效协助救援人员完成任务。无人飞行器的应用价值主要表现在以下两方面:

(1)用于高层建筑火灾救人。高层建筑发生火灾时,救援人员通常使用登高平台消防车、云梯车营救被困人员,但在实际工作中经常会发生常规设备无法靠近火场,或因物体阻挡无法进行升降操作等现象。多功能飞行器可以将救生引绳挂于底部的挂钩上,将救生引绳投送给被困人员,后者可利用救生引绳获得缓降器、软梯等救生器材,从而得以逃生。

(2)用于液化石油气等化学品泄漏事故的放空点燃。在处置液化石油气泄漏事故中,无法有效实施堵漏的情况时有发生,为避免造成更大的灾害,只能进入现场引火点燃,但此举危险性大,易造成人员伤亡[15]。目前常用的放空点燃方法对天气、点火距离都有很高的要求,处置难度大。而多功能搜救系统可以携带特制点火器进行点燃作业。飞行器可以悬停在泄漏罐的上空,远程控制使点火器与飞行器挂钩脱钩,点火器能够不间断打火,从而达到引燃的目的,也避免飞行器的损毁。

4 讨论

多功能应急救援系统具有应急响应速度快、紧急情况下的作业能力强、续航时间长、结构简单、操作灵活、对起飞和降落场地要求不高等显著优势,在地震、核事故、火灾等救援行动中将发挥重要的作用。该系统也存在一些局限,主要体现在:(1)飞行器本身体积小、载质量轻,在功能拓展时无法携带大型设备,对功能的扩展以及功能拓展时的设备选型产生限制。同时,由于飞行动力的限制,在恶劣环境条件下(如大风)工作时,飞行稳定性差,甚至无法工作,此时获取的航片质量也有待提高。(2)飞行器自主飞行能力不足。设计的遥控距离为1 000 m,超出范围时采用定轨飞行,但在实际测试中尚未达到预期效果。(3)拍摄图像时,由于机载GPS定位误差较大和偏航等因素影响,致使有效拍摄面积较小,所得图像的相关信息少。(4)无法应对突发极端气象灾害,如强对流、飓风等。对于上述缺陷,解决方法包括:(1)提高飞行器的动力,从而提高稳定性、操纵性和平衡性;(2)采用新型飞行器加大遥控距离,拓展自主飞行模式;(3)在现有GPS导航系统的基础上,进一步实现惯性导航以及影像匹配的组合导航方式,提高定位和导航精度;(4)装配风速、气压等传感器,搜集局部气象参数,以便提前采取规避措施。

5 结语

搜救系统 篇5

关键词：北斗卫星定位,伤员搜救,后送,远程医疗,信息系统

1 引言

根据急救学理论,伤病员急救的黄金时间是在其受伤或生病后的第一个“1小时”,如果在受伤或突发疾病后的第一个“1小时”内对其进行生命支持和生命体征监护,即伤病员在现场被发现后,根据情况及时给予供氧、输液,并对其呼吸、心电、体温等生命体征进行监护,那么,伤病员的死亡率就会大大降低[1]。这就要求卫勤保障要在最大限度上实现“医疗与士兵同在”(medical present with a soldier),狠抓一线伤员救治,切实降低伤员阵亡率和伤残率,需要将救治手段前伸到每一个单兵。

为了适应信息化条件下作战后勤保障的需求,后勤装备将向数字化、信息化、智能化的方向发展[2]。在远程医疗迅速发展的今天,基于信息系统的辅助救治对降低伤员搜救难度,缩短伤员搜救时间,提高卫勤保障效率具有重要意义,愈来愈成为现场急救的趋势[3]。士兵在战场上受伤能够立即报警求救;指挥调度中心能够自动区分伤情并作出处置预案;卫生员能够及时地接受调度中心的搜救命令,并根据卫星导航的引导展开搜索、救护,形成电子伤票,并将电子伤票通过卫星通讯传输到数据库服务器,同时卫生员还可利用远程医疗系统得到远程指导,对伤员实施紧急救治;重症伤员在后送途中,各级救治阶梯可以预先获得该伤员的受伤情况,为进一步抢救提前做好准备。因此,开发一种适合于一线救护的伤员搜救与后送、远程医疗系统亟待所需。

实现伤员及时搜救与后送的关键是能够及时、精确定位和导航到呼救伤员,而北斗卫星定位系统可以很好地解决这一问题。北斗卫星定位系统由2颗地球静止卫星(GEO)对用户双向测距,由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算[4]。定位由用户终端向中心站发出请求,中心站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。它可以在服务区域内任何时间、任何地点,为用户确定其所在的地理经纬度,并提供双向通信服务。

与传统使用GPS定位的导航系统相比,使用北斗卫星定位具有如下3个主要优势[5,6]:一是北斗系统同时具备定位与双向通信能力,可以独立完成移动目标的定位与调度功能;而GPS系统本身不具备通信能力,需要和其他通讯系统结合才能实现移动目标的远程定位与监控功能。二是北斗导航系统目前是区域性导航系统,覆盖中国及周边国家和地区,24 h全天候服务,无通信盲区。据《解放军报》2011年7月28日报道,到“2020年左右,将建成由30余颗卫星组成的北斗全球导航系统,提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务”。而GPS系统现在就是全球性导航系统。三是北斗系统是我国自主系统、高强度加密设计,安全、可靠、稳定,特别适合军方应用;而GPS系统则是由美国军方控制。

2 系统总体架构

根据我军医疗后送体制和伤病员“时效救治”[7]的需要,立足我军现有远程医疗技术,结合国内外同类研究的经验,跟踪当前最新医疗技术和通信手段,基于北斗卫星定位的伤员搜救、后送与远程医疗系统体系旨在实现单兵作战能力的实时监控,单兵终端可以采集和存储战场上每个士兵的地理位置信息、生命体征信息、音视频信息等,并根据需要,将这些情况通过卫星传输给卫生员终端和指挥调度中心;指挥员可根据这些信息监视其部队的战斗状态;伤员受伤后,该伤员所携带的单兵终端立刻报警,并将该伤员的所处的地理位置、生理状况等发送给指挥调度中心;当报警信息进入指挥调度中心,辅助决策专家系统可自动对这些伤员的伤势严重程度进行评价和分类,确定这些伤员的距离和方位,并将有关处置方案依次发送给卫生员终端;卫生员根据这些信息,精确定位伤病员,并可利用“军卫二号”的远程会诊功能,在救治和后送途中,得到远程指导和支援救治。该系统的主要特点如下:

(1)终端设备将卫星定位、生命体征监测、信息传输进行全面融合,实现了终端设备的微型化和智能化。

(2)全程使用卫星通讯方式,卫星通讯覆盖区域大,通信距离远,带宽大,不受地理条件的限制,组网方式灵活,可以适应战场环境的变化。

(3)各级救治机构可以预先得到伤病员的生理状况信息,利用辅助决策专家系统进行伤情评价与分类,为伤病员的进一步有效救治争取时间。

(4)使用北斗卫星定位系统,使伤员能够及时、准确地报告在战场上的地理位置,大大提高了定位精度和可靠性。在指挥调度中心的统一调度下,能够实现救治力量的最优配置,对伤病员实施及时、有效的救治。

(5)“军卫二号”的远程指导和远程会诊,可实现战场卫生员、后送途中以及后续的各级救治机构的远程支援救治。

系统主要由4个子系统组成:数字化单兵终端系统,数字化卫生员终端系统,后方医院远程会诊系统,指挥调度中心系统,系统总体结构示意图如图1所示,系统数据流程如图2所示。

图1系统总体架构示意图

3 系统实现方案

3.1 单兵终端设计

单兵终端是整个系统运转的出发点,它是将高级环境传感器、无创性生理传感器和信息处理系统、定位系统及多种无线通讯系统相结合的一个小型装置,将身体监测技术和无线通信技术相结合,以仪器的微型化和智能化为目标,同时特别强调了低功耗与操作的简单化;目前单兵终端有头盔式[8]、背负式[9]、穿戴式[10]和腕带式[11]等多种形式。按照功能划分,单兵终端由智能数据采集模块、数据组织模块、数据传输编码与存储模块、数据发送与接收模块,如图3所示。

智能数据采集模块可以不断采集士兵地理位置信息、生命体征信息和音频视频信息,地理位置信息是准确、快速定位士兵所在位置的基础,生命体征信息实时判断士兵的作战能力。

数据组织模块将采集到的数据按照用途归并、编码和处理。比如,将地理位置信息编码为北斗卫星定位所需要的格式;依据电子伤票的要求,将生命体征编码为生理状况基本信息,音视频信息需要使用国际标准的音频、视频、图像编码标准进行组织。

数据传输编码是根据重要程度、网络通讯情况将需要传输的信息采取可伸缩分级传输,即先编码传输权重高的信息,再编码传输细节信息,后一级传输信息是对前一级传输信息的补充和细化。数据的本地存储模块将编码后的信息存储在本地的存储卡片中,在需要的时候可以进行回放分析。

数据发送和接收模块负责及时、准确、安全地发送和接收数据,一般包括按照通信协议编码和解码数据、加密和解密数据内容等模块。

3.2 卫生员终端设计

卫生员终端由卫星定位模块和卫生员PDA组成。其中卫星定位模块用于获取卫生员的地理位置信息和伤员所在地理位置,达到精确定位求救伤员的目的。卫生员PDA模块可以接收指挥调度中心的救治指令,到达伤员所在位置后,自动识别单兵终端,通过无线交换数据,获取伤员基本生理状况信息,辅助卫生员进行伤情评分并完成电子伤票的填写,最后能够将电子伤票传输到指挥调度中心的数据库服务器中,以便各级救治机构利用,卫生员终端的工作流程如图4所示。

3.3 指挥调度中心设计

指挥调度中心对士兵求救信息处理需先后经历5个阶段,这5个阶段是在指挥调度中心的统一部署调度下,从报警信息开始到搜救实施过程中开展的一连串具体行动,具体流程如图5所示。

这5个阶段具体是指:接收报警阶段,该阶段调度中心接收士兵终端的求救报警;审核分类阶段,首先尽最大可能获取报警士兵详尽的信息,借助辅助决策专家系统对伤情进行评估和分类;处置计划阶段,是依据伤员的伤情和所在方位,从全局最优角度出发,制定搜救距离最短、救治方案有效的搜救计划;搜救实施阶段,是指将有关处置方案依次发送给卫生员终端,实施及时有效的搜救;善后评估阶段,是指卫生员单元实施救治伤病员后,向指挥调度中心报告伤员电子伤票、处置措施、救治效果等信息,调度中心进行统计、挖掘、分析,优化辅助决策专家系统和处置方案的制定。

3.4 辅助决策专家系统

辅助决策专家系统可以根据伤情的不同而求解得到一个专家级别的处置预案,专家系统运行有2个前提条件:一是要具有一个较为庞大的知识库,知识库是某个领域内的知识和经验的总结,它包含一系统的规则,一般规则的表示形式是IF-THEN结构,IF后面是条件,如果条件为真,就执行后面的动作;二是要求卫生员终端能够记录伤员的伤情、处置方案以及救治效果并反馈回专家系统。专家系统工作流程如图6所示。首先由后方医院等专家组建一定规模的知识库,当伤情发生时,一线救护的卫生员可借助手持PDA将伤员伤情发送给专家系统;专家系统根据伤情和知识库计算出合理的预案,在后方医院专家的人工远程指导下生成处置预案并发送给卫生员终端;卫生员采取救治措施后,可以将处置方案和救治效果反馈给专家系统,以便专家系统自学习,进一步完善专家系统的知识库。

3.5 野战远程医疗系统

野战远程医疗信息子系统主要包括远程指导和远程会诊[12]。远程医疗能将医疗专家系统投送到地球上任何地区,它的目的是提高伤病员生存能力,用于对疾病和非战斗损伤的诊断和治疗,对战地卫生人员进行训练。它可以用于野战救治的各个阶梯。它能通过无线电和卫星通信系统对声音、数据静态图像和全运动视频数据进行传输。依托总后远程医学信息网,整网结构的数据链路的拓扑结构采用了星形网结构,如图7所示。

图8是远程会诊工作信息流程图[13],图中箭头代表信息流向。工作时,远程会诊首先借助于全军远程医学信息网络和后方站点医院建立点对点的通讯连接,然后通过远程会诊的信息采集、信息处理、卫星通讯等功能单元,将前方的信息资源(如医护人员、伤员的声音和动态图像,X线胶片、静态图像,其他医疗单元的实时信息等)传递到后方会诊医院;同样,后方医院的专家会诊意见通过远程会诊的卫星通讯、信息处理和信息表达等功能单元返回到前方,为前方医护人员实施的医疗处置进行远程指导。前后方的信息交流可实时进行。

4 讨论

进入信息化条件下作战的今天,一方面,战场搜救与后送、医疗体系中,硬件装备经历了从微光夜视、红外寻找、无线电搜寻与通信,到雷达生命探测、GPS定位导航、卫星定位导航与通信,使伤员搜救的范围从白天延伸到黑夜,从数十米扩展到数千米,甚至数十千米,从地表延伸到被掩埋的地下,极大地提高了伤员搜救的能力和效率;另一方面战场搜救与后送、医疗信息管理系统也经历了从无到有,从孤立系统到一体化的改变。战场搜救与后送、医疗水平的高低反映出军队的兵员素质、救生装备的性能、搜救与医疗信息管理系统等的综合能力,缩短搜救时间,对挽救遇险官兵生命、维持和恢复部队战斗力、鼓舞士气有着重大意义。

基于北斗卫星定位的伤员搜救与后送、远程医疗系统是一套软硬件结合的系统,终端的硬件设备是一套便携式卫星定位、生命信息监测和信息传输系统,它是将高级环境传感器、无创性生理传感器和信息处理系统、定位系统及多种无线通讯系统相结合的小型装置,将身体监测技术和无线通信技术相结合,达到了仪器的微型化和智能化的目标。软件系统立足于我军现有远程医疗技术,利用当前最新医疗技术和通信手段,提出了一整套伤员搜寻、后送与远程医疗体系架构,构建了基于北斗卫星定位的伤员搜寻、后送与远程医疗平台设计方案。

搜救系统 篇6

以江西省水上搜救中心为中心，针对鄱阳湖水域特点建设“鄱阳湖水上搜救分中心”和有关社会应急联动机构相联接，形成上下贯通、左右衔接、互联互通、信息共享、互有侧重、互为支撑、安全畅通、方便快捷完整的鄱阳湖湖区水上搜救应急指挥体系。

一、鄱阳湖水上搜救分中心智能化系统的设计要求与定位

系统利用先进的技术和手段，充分整合、有效利用省政务信息网等现有资源和科技成果，实现对突发公共事件的监测监控、预测预警、信息报告、综合研判、辅助决策、指挥调度等主要功能，实现对鄱阳湖湖区突发公共事件有序应对和应急管理工作的需要。

将鄱阳湖水上搜救分中心建设成为具有楼宇设备集成管理系统(BMS)、综合通信系统(CAS)和办公信息化系统(OAS)三大弱电系统的智能化建筑，实现信息、资源、任务的高度共享。

系统建设以系统的先进性和合理性为前提，充分考虑经济性、开放性、灵活性、可扩充性、安全性、可靠性、易管理性和易维护性。采用成熟的、模块化的系统和产品。分阶段建设，逐步完善和发展整个应用体系。

二、系统设计方案

鄱阳湖水上搜救分中心智能化系统充分利用目前最先进信息技术、网络技术、GIS技术、通信技术，依托政府系统电子政务建设，建立鄱阳湖湖区应急指挥网络平台，实现对水上应急事件的信息交互和应急指挥。根据突发公共事件突发性、区域性、持续性等特点，以及应急组织指挥机构及其职责、工作流程、应急响应、处置步骤、处置方案等应急业务的集成。

（一）结构化综合布线系统

综合布线系统是鄱阳湖水上搜救分中心智能化系统的信息网络基础，六类综合布线系统设计满足所支持数据、图像系统的传输标准要求，超五类综合布线系统设计满足所支持语音系统的传输标准要求。所选用的电缆、光缆、各种连接电缆、跳线，以及配线设备等所有硬件设施，均满足相关标准要求，以确保系统各项性能符合要求。根据鄱阳湖分中心特点，数据网分为内网和外网，用物理隔离方式，内外网硬件分开。

（二）计算机综合网络系统

根据鄱阳湖水上搜救分中心的信息化规划目标，其网络系统将建设成一个先进的支持多种应用系统的网络。其计算机网络系统分为内、外网实现完全物理隔离。

此次网络系统建设实现以下目标：

1)内网、外网这两套网络均实现从核心层至接入层的千兆骨干连接，千兆至桌面;

2)建立中心机房服务器系统，实现各业务系统数据集中存储;

3)中心机房核心设备24小时连续运行，具有一定的抗灾容灾能力;

4)在内网系统中，预留数字多媒体信息发布系统、“一卡通”系统的数据网络接口;

5)在外网系统中，建立互联网的网络进、出口通道，热点地区实现无线覆盖。

网络拓扑图如下：

（三）环境监测系统

主要负责鄱阳湖流域的航道管理及应急指挥，建设鄱阳湖现场外环境监控系统显得尤为重要，该系统能够实时监测所在区域的风速、风向、温度、湿度、气压及码头水深，所采集的数据可以实时传送至分中心，并可以实时上传给上级部门作为决策依据。

系统由前端各类传感器、数据采集仪、数据传输线路、自动气象站软件及管理电脑组成。

前端传感器包括风速传感器、风向传感器、大气湿度传感器、大气温度传感器、降雨量传感器、大气压力传感器、自记水位计组成。

（四）应急通信系统

包括有线通信系统和无线通信系统，承载语音、视频、数据等信息。应急值守以有线通信系统作为基本通信手段，配备专用保密通信设备，以及电话调度、多路传真和数字录音等系统，确保联络安全畅通。分步建设无线通信系统采用卫星通信、数字集群、蜂窝移动、VHF等多种通信手段。

（五）视频图像接入系统

充分利用已有资源，避免重复建设，将鄱阳湖湖区水上搜救现有的应急平台、事发现场移动应急平台采集的视频图像资源进行整合，使整合后的图像资源可为鄱阳湖水上搜救分中心智能化系统共享，成为应急指挥系统信息采集的重要组成部分。

（六）多媒体视频会议系统

依托电子政务网络统一传输平台，建立智能多媒体会议系统，利用现有通信网和数字信号压缩处理技术，实现了数字会议系统与中央控制系统的无缝连接，实现面对面的交流。为领导及时掌握突发事件实时情况，决策指挥提供服务。

（七）大屏幕显示系统

大屏幕显示系统实现高清晰度、高亮度、多画面、多功能的显示能力，为领导指挥决策提供直观、形象的信息显示工具。充分考虑指挥中心的要求，运用一流的先进设备组成整个系统，可实现对视频信号、各类文本、GIS电子地图、GPS卫星定位信号及各种计算机图像信息的综合显示，形成一个显示全面、切换方便、操作便捷、实用可靠的显示系统。

应急指挥厅的大屏幕显示系统包括DLP拼接大屏显示系统、指挥大厅辅助显示系统值班室显示系统。

（八）矩阵及会议集中控制系统

矩阵系统用于各路音视频、VGA信号的切换输出，系统选用模块化设备，可以便捷实现扩容功能。智能集中控制系统来集中控制会议场所内所有设备，包括各种子系统及各种设备电源的开关、现场灯光的调节、屏幕的升降、窗帘的开合、各种多媒体设备的操作等等。

（九）机房、指挥大厅建设及其他系统

包括指挥大厅布局、供电系统、消防系统、公共广播系统、安全防范系统、照明系统、“一卡通”管理系统、多媒体信息发布系统、防雷接地系统、空调系统、安全保密等标准化设计。

（十）系统总体结构图

三、鄱阳湖水上搜救分中心智能化系统拓展前景展望

该智能化系统有效利用了先进的技术和手段，充分整合了现有信息化资源和科技成果，实现了对突发公共事件的监测监控、预测预警、信息报告、综合研判、辅助决策、指挥调度等主要功能，对鄱阳湖湖区突发公共事件有序应对和应急管理。

该系统解决了鄱阳湖水域应急指挥从无到有的突破，但由于建设手段和资金的限制，仍然存在应对突发事件监控不够及时，现场施救应用信息化手段仍然有限的瓶颈。今后应根据鄱阳湖水域的特点和需要，逐步应用现代化信息技术，提升水上突发公共事件的应对能力。与安监、消防、卫生等其他公共部门的联动，不断完善鄱阳湖搜救指挥系统的联动和应急能力。

参考文献

[1]国家突发公共事件总体应急预案,2006.

[2]国家海上搜救应急预案(包括水域),2007.

[3]江西省突发公共事件总体应急预案,2008.

海上搜救法律制度研究 篇7

一、海上搜救法律制度的考虑因素

对海上搜救法律要素的设定, 必须从整体上对海上搜救工作有充分全面的认识。在大多数情况下, 海上搜救都是一种具有服务性质的工作, 也是一种公共安全行为, 需要应急管理知识理论的支撑, 还具备了一定的经济性质[1]。但在相关的法律内容上, 更多的要从技术层面考虑, 我国现行的法律中包括《国家海上搜救应急预案》, 此外还有其他相关的国际公约等技术性文件, 使人们对海上搜救工作有了新的认识, 从整体上更好地把握了海上搜救法律的设计。首先, 法律制度必须在现实的基础上展开, 不能与我国当前的实际国情相脱离, 确保具有现实的可操作性。例如制度必须建立资源服务属性, 但不能简单照搬发达国家的法律制度, 要为现实情况的处理预留空间。在我国的海上搜救法律制度中, 应该充分考虑到制度组织和规范的发挥、引导以及惩戒, 比如考虑如何保障搜救的经费, 参照其他国家提及的“拓宽筹集渠道”的措施实现。另外, 海上搜救法律制度的设计, 还要从搜救的技术层面考虑, 因其本身的技术性特征, 只有强抓技术要求, 才能加大对技术细节的关注与投入, 具体到法律上, 就要设计有关终止搜救行为的准则, 规范并调整一些不可避免的突发状况的应急, 以免造成更大的损失。

二、有关《条例》中海上搜救法律制度设计的实践

我国有关海上搜救行动在《条例》中有相关的制度设计, 这是基于海上搜救本身属性的基本认识而设定。在整个海上搜救的行动上, 有很多必经的环节与过程, 需要尽可能完善的科学制度, 形成制度体系。在《条例》中的制度包括预案制定制度、组织管理制度、信息采集制度、现场指挥制度、险情报告制度等等, 本文对部分制度进行探讨。

海上搜救工作的组织与管理包括建立与运行, 在《条例》的第六、八、九条中都有一定的指导, 如县级以上的医疗机构等都要配合海上搜救工作, 政府要对搜救机构的职能做出要求, 并具体落实到海事部门中, 这都是有关组织管理的问题。在险情报告的有关内容上, 《条例》第十一、十二、十三条均做出了规定, 如具体规定险情报告的内容、解除的要求以及相关的单位与个人关于险情误报后的处理。有关值班制度的, 在《条例》第二十六条有明确的规定, 包括哪些单位承担了海上搜救的具体职责、哪些专门部门负责海上搜救工作等, 值班在海上搜救工作中是基础工作, 因此要求比较具体, 包括参与值班的单位与部门要保证配套设施在施救过程中运行良好, 有符合要求的专业人士值班, 同时注意各种情况的通报, 要求值班的工作人员全面并及时地掌握所有的情况, 严格按照值班制度执行。

三、关于海上搜救法律制度的思考

(一) 法律制度的可行性与科学性

有关海上搜救法律制度的可行性与科学性在其规范与执行作用中非常重要, 这是根据海上搜救的实际存在而存在。从整体上看, 要从机构的建设开始考虑, 一直到完成每次的搜救行动为暂时终止, 这些过程都对搜救行动有很强制性的要求。而法律制度可行性的问题则要考虑法律的执行, 由于海上搜救在组织工作上涉及到很多部门与单位, 在技术层面则具备了复杂性, 另外还会受到自然环境条件的影响, 所以可行性是必须考虑的重要因素, 比如搜救行动的中止, 制度的终止等很多都会受到客观条件的限制, 还有一种考虑的情况是恶劣自然环境下人生存的可能性因素。

(二) 具体化法律制度的设计

在《条例》中, 有一些制度说明已经较为细致, 但还存在一些简单表述的情况, 可操作性并不强, 这些都需要进行更具体的解释与衔接, 才能使得《条例》更具备法律效应。比如第二十九条中关于各级人民政府保障资金纳入财政预算的问题, 政府可以通过多渠道筹集, 这其中包含了国家到地方财政问题, 又暗含了财政监督管理问题, 此外还有资金的使用和管理问题, 于是产生模糊不清、跨度较大的矛盾[2]。

(三) 法律制度要有必要的技术提供论证支持

举个例子, 如关于搜救力量的法律, 那么就要对当地管辖区域的责任区进行全面的了解并具体划分, 还要交代现有的搜救力量、具体的险情种类以及不同险情同时发生的概率, 这些都涉及到技术、概率甚至匹配的问题。而在《条例》第十四条中出现了“不严重危及自身安全情况下”, 针对这一种情况技术论证支持就十分必要。

(四) 确保法律制度的执行有一定的效力

在长期的实践中, 我国海上搜救的法律制度取得了一些成效, 也保证了大部分海上搜救行动的有序开展, 但法律必须有一定的效力, 高于普通的规章制度, 在今后设计提出和法律完善的过程中, 必须确保法律制度的生效, 将其落实到具体的海上搜救行动中, 才能使其发挥真正的价值与作用。

参考文献

[1]李毅龙.南海搜救合作法律机制研究[D].海南大学, 2012, 3 (01) :48-49.