基于ArcGIS 的防溺水智能泳圈及适配营救系统的设计与制作

张司雨 董丽婷 尹航 易文彬彬 顾伟宏 ＊

（1、东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040 2、东北林业大学信息与计算机工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

1 背景及意义

据估计，2012 年全球有372000 人死于溺水，是世界各地非故意伤害死亡的第三大原因[1-2]。2013 年中国人群溺水死亡人数为63619，标化死亡率为5.29/10 万，占伤害总死亡的8.0%，位列总人群伤害死因第四位，是＜5 岁及5～14 岁儿童首位伤害死因[3]。该现象的原因主要是监督过失和缺乏适用营救设备。针对上述问题，本文设计了一款北斗智能泳圈以及适配的溺水营救系统。该智能泳圈轻便，可随时携带，同时具备北斗定位与通信功能，克服了传统游泳设备应用的局限性，极大降低溺水遇难事故的发生率。

2 防溺水智能泳圈

2.1 创新点

防溺水智能泳圈，是一款集快速充气、定位、通信为一体的多功能泳圈。主要创新点包括以下三个方面：

2.1.1 全自动的充气功能：未气胀前的智能泳圈形似腰带，轻巧方便，遇险情况下泳圈能够快速且自动完成充气动作。

2.1.2 精准的定位功能：通过接收北斗和GPS 导航卫星信号，精确获得用户当前所在的位置信息。

2.1.3 稳定的通信功能：通过触发求助按钮，自动实现北斗短报文通信或地面无线通信功能，对预设求助号码发送带有位置信息的求救信号。

2.2 用户模式

不同群体的溺水事故成因的多样性与不可预测性增加了防范的难度，为此，本文提出了双重使用模式的解决方案：

2.2.1 自动触发模式：该模式针对小孩、老人、残障人士等落水时自救能力较差人群设计，佩戴者落水瞬间，智能泳圈完成自动快速充气，并自动对预设求助号码发送带位置信息的求救信息。

2.2.2 手动触发模式：该模式针对一般游泳者设计，当佩戴者遇到抽筋、异物缠绕等意外状况时，拉动拉绳泳圈即可快速自动充气。当佩戴者需要外界营救时，可通过触发求救按钮向预设号码发送求救信息。

2.3 硬件设计

智能泳圈的外部硬件设施包括：气瓶、模式选择按钮、求救按钮、手动拉绳等如图1 所示。内部集成模块包括：电源、北斗-GPS 双模应用终端、SIM 卡槽如图2、图3 所示，北斗短报文，如图4 所示。

图1 智能泳圈结构设计图

图2 设备盒剖视平面结构示意图

图3 高压二氧化碳气瓶区域平面结构示意图

2.3.1 腰带自动充气模块：本腰带是气胀式腰带。泳圈采用了折叠收纳结构，具有方便穿戴的优点，当佩戴者发生危险时，通过自动或手动触发充气装置，可在3 秒钟内在佩戴者腰部形成一个马蹄形的救生圈，使佩戴者浮于水面，从而起到救生作用。该充气腰带由单向阀、二氧化碳储气钢瓶、遇水生成大量气体的化学物质等组成。

图4 北斗短报文开发板原理图

2.3.2 全自动充气装置使用原理：当佩戴者落水时，自动充气装置口药片遇水发生化学反应，生成的高压气体推动刺针，将储气钢瓶瓶口刺破，释放瓶内高压气体，气瓶内的气体会在3秒内充满整个气囊，如图5(a)所示。

图5 充气装置原理图

2.3.3 手动充气装置使用原理：当使用者遭遇危险时，拉动拉绳带动内置针管扎破气瓶，释放高压气体，迅速完成对救生气囊的充气动作，如图5 中(b)所示。

充气腰带的主要技术参数如表1 所示。

表1 泳圈技术指标

2.4 软件系统设计

本文的智能泳圈软件功能模块由北斗-GPS 双模应用终端和通信模块构成。

2.4.1 北斗-GPS 双模应用终端：GPS 精准定位结果辅助北斗系统定位偏差校准，克服了北斗服务频度低的缺点，同时利用北斗系统辅助GPS 实现广域增强差分定位和完善性监测[4]。北斗-GPS 双模系统的准确性和完善性能够实现对目标的高精度定位[5]，并使用北斗完成双向通信来解决地面通信不畅导致的信号发送盲区的问题。本文设计的双模应用终端按其功能分为以下模块：北斗-GPS 双模核心、射频模块、信号处理模块（含SIM 卡）、信息处理模块、电源管理模块、电池、内置天线模块。其简要工作原理如图6 所示。

图6 北斗-GPS 双模应用终端工作原理图[6]

2.4.2 通信模块：本文设计的通信模块由北斗系统的短报文通信和地面无线通信两种方式结合组成。地面无线通信可解决北斗信号容易被遮挡的问题，而北斗信号相较于地面无线通信信号不易受环境、天气的影响，因此综合两种通信方式不受环境条件的限制，可实现信号的全疆域无缝覆盖，解决了单一通信方式信号不稳定的问题。两种通信方式的结合使用使智能泳圈的佩戴者无论位于室内大型游泳场所或者远离陆地的海域，均能在遇险时准确发送带位置信息的求救短信。

3 溺水营救系统

为保证高效的溺水救援，本文结合智能泳圈的功能设计了该溺水营救系统。以下将详细地介绍该营救系统的设计与工作流程。

3.1 监控站客户端设计

3.1.1 监控站客户端介绍

溺水营救系统监控站客户端是一款运用ArcEnigne 进行二次开发的救援调度软件。该客户端支持加载空间数据，通过导入求救者位置信息，求解计算出求救者与各营救站点的距离，比较得出最近营救站点并对其高亮显示。

3.1.2 监控站客户端软件设计

3.1.2.1 数据准备

首先下载目标水域卫星影像，并对该水域与周边营救站进行矢量化处理。

图7

3.1.2.2 加载空间数据

接着运用ICommand 接口，实现空间数据加载。

3.2 系统工作流程

溺水救助系统的组成部分：佩戴者、智能泳圈、监控端、营救人员。

该营救系统的工作流程图如图8 所示：

图8 营救系统流程图

流程图具体说明：

（1）当佩戴者遭遇溺水危险时，触发充气装置智能泳圈完成自动充气。通过智能泳圈的通信功能发送带有溺水者位置信息的求救信号。

（2）北斗卫星或地面无线基站转发求救者的求救信号。

（3）救助站向监控站反馈所在地点位置信息。

（4）监控站接收求救者具体位置坐标后，将其导入溺水营救系统监控站客户端，并根据该客户端解算的结果调遣距离求救者最近的营救人员及船只实施救援。

（5）救援人员在收到营救指令后，立即展开救援，营救过程中可通过智能手表等移动终端实时查看位置数据。

4 总结及展望

本文设计了一款智能泳圈，该泳圈基于北斗-GPS 双模应用系统开发，利用北斗系统中的定位与通信功能，以充气腰带为载体，为日常游泳安全提供了一款轻便易携且实用性，安全性很高的智能泳圈，搭载设计的溺水营救系统，为减少溺水事故的发生提供了一套合理的解决方案。

随着中国自主研发的北斗导航系统定位精度的不断提高，在未来工作中可以考虑设计出智能游泳手环等更加轻便的设备，为游泳者提供更多更加智能便捷的选择。