基于A-GPS的城市灾害搜救人员定位系统的实现

吴响，卞水荣，臧昊，俞啸

（徐州医学院医学信息学院，徐州　221000）

基于A-GPS的城市灾害搜救人员定位系统的实现

吴响，卞水荣，臧昊，俞啸

（徐州医学院医学信息学院，徐州221000）

0　引言

随着我国城市化进程的加速发展，城市灾害对城市发展的影响日益引起人们的关注，包括地震、洪水等自然灾害，也包括火灾、化学物质泄漏、突发公共卫生事件等技术灾害和社会灾害［1］。

与城市灾害日益严重的现实比较，我国目前城市的灾害搜救管理能力是比较薄弱的［2］，而科学、先进的灾害救援手段是城市灾害应急管理的重要技术支撑。面对各种突发灾害事故，应急救援可以加强对重大灾害事故的处理能力，一旦重大事故发生，合理有效的安排搜救工作，做到临危不乱，高效、迅速做出应急反应，尽可能缩小事故危害。

本文把A-GPS（Assisted-Global Positioning System，网络辅助的全球定位系统）定位技术和移动无线通信技术有机结合，利用A-GPS定位技术定位精度高、首次捕获GPS信号时间短、服务连续性强等特点，以及城市健全的无线通信网络优势，设计了一套城市灾害搜救人员实时定位调度系统，以解决诸如火灾、地震等传统灾害救援执行效率低，救援调度性差的缺点。

1　移动终端A-GPS技术介绍

A-GPS技术指使用全球定位系统GPS，并接受来自移动网络的辅助信息进行定位。跟传统的GPS定位技术相比较，A-GPS定位终端直接从移动网络接收辅助定位信息，筛选出该位置信号较强的卫星信号进行定位，大大降低了首次定位时间（TTFF），增加定位灵敏度，同时又可以大幅减少每次定位所需的客观的能量损耗，实现了较长的待机时间。此外，针对城市环境下高楼建筑对GPS信号有削弱这一问题，A-GPS提供了在GPS信号较弱情况下自动切换为CELL-ID定位模式这一解决方案，很大程度上弥补了城市建筑对GPS信号遮盖带来的定位误差［3］。

随着全球导航卫星系统（GNSS）和移动通信技术的发展，移动定位技术受到越来越多的关注，特别是3G/4G技术的日益成熟为移动定位技术的发展提供了支持。在2G或2.5G的网络里，由于受到网络传输速度的限制，A-GPS的应用受到局限，而3G/4G网络可以提供高速无线下载功能，这就为移动终端A-GPS定位技术提供了更加广阔的发展空间［4］。

2　系统总体框架设计

本系统主要由四部分组成：智能移动终端A-GPS定位模块，该移动终端还带有Android操作系统；3G/ 4G无线通信模块，可以传输搜救过程中搜救人员及灾害发生地的定位及调度信息；总台数据处理模块及调度决策模块，协同负责进行实时数据分析、道路匹配、调度决策等功能。具体结构如图1所示。

图1　系统总体架构

在救援过程中，救援人员携带的移动终端在AGPS服务器和基站的协助下，通过终端A-GPS定位模块实时获取当前所在位置信息，并通过无线通信模块传输至总台数据处理模块，总台数据处理模块通过实时获取的位置信息（包括移动方向、移动速度、停留时间等）判断当前位置所处路况信息，进一步由调度决策模块匹配决策出最优化的救援路径，最后再由无线通信模块发送至移动终端，并详尽显示。

3　系统功能设计

3.1搜救人员实时位置获取

如图2所示，A-GPS从定位启动到移动终端找到可用卫星进行定位的基本流程分为以下几步：①移动终端从蜂窝基站获取到当前所在的小区位置。②移动终端通过蜂窝网络将当前蜂窝小区位置传送给网络中的A-GPS位置服务器。③A-GPS位置服务器根据当前小区位置查询A-GPS参考网络中该区域当前可用的卫星信息，并返回给移动终端。④移动终端根据得到的可用卫星信息，快速找到当前可用的GPS卫星。至此，终端已经可正常接收GPS卫星信号。为了确定搜救人员的空间位置P（xu，yu，zu）和偏移量tu，对n颗卫星进行伪距测量，得出方程［5］：

其中，pn为测到的伪距，（xn，yn，zn）为从星历信息得到的卫星位置坐标，dTn为已知卫星的时钟偏差，c为光速，dt为未知移动终端时间偏差。根据四个及以上的伪距方程，求解出当前移动终端的空间位置坐标P。最后通过无线通信网络将位置信息传输至数据处理服务器进行位置分析及路径匹配等处理。

图2　A-GPS定位流程

在定位过程中，A-GPS参考网络主要是用来提供GPS信号近似的多普勒频移，通过参考自带的GPS接收机，计算出卫星信号的多普勒频移，并将其获得的信息发送给移动终端设备，这样就大大减少了移动终端的搜索空间，只要对有限个频率区进行搜索，使得定位时间缩短为短短的几秒钟，实现正真意义上的实时定位。

3.2地图匹配算法确定有效路径

地图匹配是一种软件技术实现下的定位修正方法，它将其他定位方法（如A-GPS）获取的目标位置或移动轨迹，与已有的地图信息软件进行比较，得到目标所在的道路信息。其常规的算法有位置点匹配算法、基于加权系统的匹配算法、基于模糊逻辑的算法、基于代价函数的地图匹配算法等［6-8］。本系统采用的是一种基于位置点匹配与基于加权系统匹配相互结合的综合地图匹配算法。

鉴于城市建筑对GPS信号的影响，实际的A-GPS定位可能会存在数据漂移，使得定位点不在地图中的道路之上。我们将路径匹配分为两个独立的过程：找到救援人员当前所在道路；多个可选路径情况下根据当前A-GPS定位点算出每条道路的距离度量值，并选择最适合的道路。具体的实现过程如图3a所示，以救援人员当前的二维坐标为圆心，选择合适的半径做圆，如果该圆只与一条路径相交，则说明这条道路即为当前最合适的路径；如果相交的路径不止一条，则引入距离度量值R=Wrr+Wθθ，如图3b，r为救援人员位置到道路的投影距离，θ为救援人员移动方向与道路的夹角，Wr、Wθ分别为投影距离和方向夹角的权值，在所有相交路径中，我们选择距离度量值最小的道路做为匹配路径［9-10］；如果一定半径范围的圆没有相交的路径，则说明救援人员进入建筑内部或者开阔地带。

图3　

对于城市复杂的交通路线状况，由于红绿灯、堵车等因素的影响导致目标移动方向不一致，有时候会出现这样一种状况：即救援人员位于F点类似的交叉路口（如图3a所示），从而可能存在这样一种情况：路径B、D的距离度量值相同，但实际情况下可以看出路径B明显优于路径D。这种情况下我们引入相似度权重值TWS［11］：它由方向相似性加权系数、位置点到道路的接近度加权系数、前后两个连续的定位点连线与道路的相交性加权系数、定位点F与道路的相关性加权系数四者相加而得。

如图4所示，其中四个加权系数分别表示如下：①WSH为方向相似性加权系数，AH为控制WSH大小的加权系数，Δα'为救援人员移动方向与道路方向的差值。②WSD为位置点到道路的接近度加权系数，AD为控制WSD大小的加权系数，r表示点到路段的投影距离，σ为移动终端A-GPS接收机的标准误差值。③WSP为前后两个连续的定位点连线与道路的相交性加权系数，如果垂直，则WSP等于0，AI为控制WSP大小的加权系数，θ为定点连线与道路的夹角。④WSR为定位点F与道路的相关性加权系数，AR为控制WSP大小的加权系数，β表示候选道路与F点最近的定位点的夹角。根据最终计算得到的相似度权重值，选择值最大的道路做为匹配路径。

图4　交叉路口地图匹配算法原理图

3.3系统的前端展示功能实现

智能移动终端的表示层主要是对救援信息的综合展示，包括为搜救人员演示救援方案、展示各环节的相关救援任务、提供相应的地形信息等。我们以Android技术为核心，结合ArcGIS for Android SDK［12-13］，将搜救信息与ArcGIS Server提供的地图资源信息嵌入到前端移动应用中。服务端则由后台调度决策层和数据访问层组成，主要是汇总救援人员位置信息以及周围的道路信息，并进行综合的道路匹配，最后发布一系列的救援信息到客户端展示，服务端由C#技术实现，能够很好地处理复杂的业务逻辑以及数据库操作。表示层与服务端的通信则是在无线通信网络环境下通过Socket协议实现，以Json格式组装通信数据进行传输。

4　系统功能测试

基于以上的设计，我们对系统进行了实地测试，如图5所示，红色标志为人工设定的灾害发生地坐标，灾害发生地与救援出发地理想的空间直线距离约为0.5公里，整个过程中在直线道路上进行定位及生成救援路线若干次，在交叉路口定位及生成救援路线四次，图中白色小点表示抽取的七个定位与路径匹配点 （包含四个交叉路口定位点，从出发地到目标地依次标号为1-7，具体数据见表1）。红色路线为整个过程中匹配出来的救援路线，总长约为0.8公里，为实际道路中最接近理想路线的通道。

图5　系统匹配出的灾害救援路线

5　结语

本系统结合智能移动终端上A-GPS定位，移动无线通信等技术手段，获取并传输搜救人员的位置信息，并协同已开发的地图信息软件，利用地图匹配算法匹配出搜救人员位置与灾害发生地的有效通道，同时终端接收总台实时调度任务信息，以移动开发技术进行形象和清晰的展示，为灾害救援人员提供一套最优化的救援方案，使其能够在最少时间内开展救援行动，有效的减少人员伤亡和财产损失。

表1　系统实地测试参数

［1］吴新燕，顾建华.国内外城市灾害应急能力评价的研究进展［J］.自然灾害学报，2007，16（6）:110-113.

［2］孙斌，韩传峰.城市灾害应急管理体制研究［J］.自然灾害学报，2009，18（1）:39-44.

［3］汶晓勇，肖越.GPS和A-GPS技术研讨［J］.通信技术，2011，44（8）:76-77.

［4］刘晶，周建新，李竞，伍彬彬.基于 C/S结构的多用户 GPS移动定位与远程追踪系统的研究与设计［J］.中国安全生产科学技术，2014，10（5）:124-128.

［5］黄丁发.GPS卫星导航定位技术与方法［M］.科学出版社，2009.

［6］陈梅，尹蓓蓓，李鑫，许正荣.GPS/DR与电子地图匹配的定位研究［J］.计算机测量与控制，2008，16（6）:837-839.

［7］王忠民，王青，张荣，宋辉.一种基于位置点的地图匹配改进算法［J］.计算机应用研究，2013，30（11）：3318-3323.

［8］Barrow H G，Tnenbaum J M，Bolles R C，et al.Paramatric Correspondence and Chamfer Matching:The New Techniques for Image Matching［C］.Proc.5th Int，Joint Conf.Artificial Intelligence，Cambridge，MA，1997:659-663.

［9］郏东耀，艾艳可.基于双圆法区域划分的高精度GPS匹配算法［J］.铁道学报，2013，35（10）:67-72.

［10］王敏，魏衡华，鲍远律.GPS导航系统中的地图匹配算法［J］.计算机工程，2012，38（14）:259-261.

［11］林娜，李志，王斌.一种综合地图匹配算法的设计与实现［J］.测绘科学，2008，33（2）:183-184.

［12］何超，彭慧，尚文利，周晓峰，纪晓楠.利用ArcGIS Silverlight实现的车辆监控技术［J］.自动化仪表，2013，34（7）:54-57.

［13］Huang Zechun，Huang Dingfa，Zhu Xu，et al.GPS Vehicle Positioning Monitoring System Integrated with CORS and Mobile GIS［J］. Environmental Sciences，2011，10（1）:2498-2504.

City Disaster Rescue；Assisted Global Positioning System；Intelligent Mobile Terminal；Map-Matching Algorithm

Implementation of City Disaster Rescuer's Positioning System Based on A-GPS

WU Xiang，BIAN Shui-rong，ZANG Hao，YU Xiao

（School of Medical Informatics，Xuzhou Medical College，Xuzhou 221000，China）

1007-1423（2015）34-0051-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.014

吴响（1985-），男，江苏徐州人，博士，实验师，研究方向为灾害医学、医学物联网、时间序列分析等

卞水荣（1991-），男，江苏南通人，本科，学士，研究方向为远程医疗与区域信息平台

臧昊（1992-），男，江苏盐城人，本科，学士，研究方向为远程医疗与区域信息平台

俞啸（1989-），男，江苏徐州人，硕士，实验师，研究方向为医学物联网

2015-11-25

2015-12-02

针对当前城市事故频发，城市道路错综复杂，救援实时调度性差等问题，采用A-GPS定位技术，设计实现一种基于移动终端的搜救人员实时定位调度系统。其工作原理是在卫星，基站和A-GPS服务器的协同处理下确定搜救人员与灾害发生地两点位置，再结合地图匹配算法获取两点之间多条通道，为城市灾害救援过程提供科学依据。经测试，在模拟救援过程中，系统具有定位误差低，调度通信迅速，匹配路段效率高等特点。

城市灾害救援；A-GPS；智能移动终端；地图匹配算法

江苏省产学研项目（No.BY2014033）、徐州市科技计划项目（No.XM13B021）、徐州市科技计划项目（No.XM12B077）

Provides the problems of the current city disaster situation，the perplexing city roads，the worse real-time dispatching of disaster rescue，uses the A-GPS positioning technology，designs and realizes a real-time positioning and dispatching system for rescuer based on the mobile terminal.The working principle of the system is that the satellites，base stations and the A-GPS server confirm the positioning of rescuer and disaster place coordinated，and then combines with map matching algorithm to obtain a plurality of channels between two points，provides the scientific basis for the city disaster rescuing process.The test result shows that the system has low localization errors，high dispatching and communication speedily，effective matching optimization route at the simulation of the rescue process.