未来智库 > 可穿戴论文 > 【噪音环境下可穿戴式通信计算机消防无线组网方案】
    关键词:可穿戴式通信计算机;无线通信网络;消防通信指挥
    DOIDOI:10.11907/rjdk.151824
    中图分类号:TP393
    文献标识码:A 文章编号文章编号:1672-7800(2015)012-0166-03
    0 引言
    目前,在我国消防部队的灭火作战和抢险救援过程中,战斗现场的通信指挥工作存在效率较低的问题,主要原因在于:战斗现场的通信指挥主要采用传统的大功率对讲机、车载台等设备,在指战员之间进行半双工的语音通信。而在在战斗现场环境嘈杂(被困人员的哭喊声、物质的燃烧声、破裂的气体管道喷出高压气声等)的情况下,很难用对讲机及时准确地进行交流、协作与指挥。在消防战例中,经常可以看到通信不畅的状况,很大程度上是由于环境和通信工具造成的(如1995年12月16日的北京罗马公寓地下仓库火灾、2003年11月3日的湖南衡阳火灾、2004年2月15日的吉林中百商厦火灾、2004年4月16日的重庆天原化工厂氯气泄漏事故、2005年11月13日吉林石化公司双苯厂苯胺车间发生的爆炸火灾等过程中都提到了通信不畅的问题)[1-2]。
    同时,鉴于传统移动通信不能同时高速传送音频、视频、数据的现状,许多国家都开始了替代移动通信工具(可穿戴式通信计算机:Wearable Computer)的研究,这些研究主要应用于军事、公安等特殊行业。在这一系列研究中,军事上最具代表性且最成功的是美国的数字化单兵系统――陆地勇士系统[3](Land Warrior)。
    因此,鉴于国内消防灭火和抢险救援战斗通信指挥形势及国外军事等特殊行业对可穿戴式通信计算机的研究状况,为切实提高消防部队在噪音环境下灭火作战和抢险救援中的工作效率,减少灾害带来的人员与财产损失,降低战斗中的人员伤亡,建立一个噪音环境下可穿戴式通信计算机消防无线组网方案是十分必要和迫切的。
    1 可穿戴式通信计算机
    可穿戴式通信计算机(Wearable Computer)是一类微型或超微型、可穿戴、人机“最佳结合与协同”的新概念微型个人移动计算系统,其在体系结构、功能、形态及使用方式上都迥异于现今流行的移动计算系统。它通过穿戴在使用者身上的方式来实现人机紧密结合,表现为一种人-机共生的形式,体现了人-机紧密结合与协同的新型关系,由此也决定了可穿戴式通信计算机具有传统计算机所不具备的属性、交互方式和功能。
    可穿戴式通信计算机应具备以下5个特征:①可在运动状态下使用;②可腾出双手;③成为衣物的一部分;④可进行控制;⑤可持续性。可穿戴式通信计算机的典型系统由主机、电源、输入设备(键盘、鼠标等)和输出设备(头戴显示器 HMD)等几部分组成。另外,根据用户的不同需求,还可配备相应的外部设备,如无线通信设备、语音输入输出设备、图像采集设备、全球定位系统(GPS系统或北斗星系统)以及各种传感器。
    2 以可穿戴式计算机为载体的消防战斗现场无线通信指挥模式设计
    2.1 模式功能设计
    (1)可穿戴式通信计算机持有者之间能进行较高音质的双工语音通信。要求改变使用语音质量较差、容易操作失误的半双工对讲机通话的现状,实现在噪音环境下清晰的双工语音通信。
    (2)消防通信指挥车能显示、控制、管理、记录可穿戴式通信计算机持有者的通信。
    2.2 硬件设计
    2.2.1 可穿戴式通信计算机硬件设计
    为满足消防战斗通信指挥的需求,可穿戴式通信计算机必须拥有音频双向传输、交互功能。
    其中,前后方消防指令的传达、信息的传输由802.11g无线通信技术完成;可穿戴式通信计算机主机与手控键盘、耳机、Microphone终端设备的信息传输由Bluetooth无线通信技术完成;参战消防员之间的信息交互、配合由颅骨振动式消防通信头盔完成。可穿戴式通信计算机具体可实现的功能及用于完成相应功能的部件如图1所示。
    图1 可穿戴式通信计算机功能
    2.2.2 消防通信指挥车硬件设计
    消防通信指挥车中配备服务器,以有线方式与AP相连,用于与可穿戴式通信计算机持有者之间的音频信息传输、记录与管理。同时,在服务器控制端安装无线通信控制软件(类似QQ、MSN的音频显示控制软件),用于管理各可穿戴式通信计算机持有者之间的通信。
    2.3 软件设计
    为便于实现消防通信指挥车服务器端与可穿戴式通信计算机之间的信息传输,笔者对指挥车服务器与可穿戴式通信计算机的软件功能进行了初步设计。
    2.3.1 消防通信指挥车服务器端
    由于消防通信指挥车的服务器必须通过AP以IEEE802.11g和消防现场的可穿戴式通信计算机进行通信。因此,在服务器端的软件必须具有用户管理功能、通信功能、音频记录与切换功能等,具体如下:①用户管理功能:主要负责核实用户的身份与权限,负责用户登录、定位管理;②通信功能:用来负责与可穿戴式通信计算机之间的通信;③音频记录、切换功能:切换各穿戴式计算机持有者的通话,进行监听和录音。
    2.3.2 可穿戴式通信计算机端
    软件主要具有用户状态功能与通信功能:①用户状态功能:主要负责用户的工作状态;②通信功能:负责可穿戴式通信计算机与服务器、可穿戴式通信计算机之间的信息传输。
    2.4 无线通信网络设计
    由于消防战斗的移动性与指挥的分布性特点,使消防信息的交互与指挥的执行都要通过无线传输来实现。因此,现场消防通信指挥车与佩戴可穿戴式通信计算机的消防战斗员之间采用何种无线通信网络技术实现音频信息的传输显得十分重要。
         2.4.1 蓝牙(Bluetooth)技术
    通过在可穿戴式通信计算机中安装蓝牙(Bluetooth)2.0+技术,实现可穿戴式通信计算机主机与通信头盔(含针孔摄像头、颅骨振动式耳机、耳麦)、手控键盘等终端设备之间的信息传输。传输过程如图2所示。
    图2 可穿戴式通信计算机部件信息传输
    2.4.2 IEEE802.11g技术
    现场参战消防员之间的交互主要通过组建基于IEEE802.11g技术的WLAN来实现。图3为网络通信功能示意。
    图3 网络通信功能
    消防现场采用IEEE802.11g支持的无线局域网技术。可穿戴式通信计算机主机配有支持IEEE802.11g协议的无线网卡,消防通信指挥车上配有AP。此外,IEEE802.11g采用的2.4GHz通信频段,会因为建筑物的阻挡而在室内传播距离有限,因此要根据抢险救援及火灾现场建筑物情况来设置无线通信网络。
    (1)空旷地带的火灾及抢险救援现场通信组网。可采用一辆消防通信指挥车、一个AP与各个参战消防员组网的方式进行通信,通信状况如图4所示。
    (2)火灾建筑物面积较小情况下的通信组网。由于建筑物面积较小,故建筑物中的每个角落都在消防指挥车的无线网络覆盖范围之内,因此其组网方式与空旷地带通信类似,具体情况如图5所示。
    (3)火灾建筑物面积较大情况下的通信组网。出动一辆消防通信指挥车,随车携带一至两个小型无线移动AP,在灭火或抢险救援过程中,由消防战斗员放置移动小型AP于火场合适位置作为中继使用,实现战斗员与指挥车的无线通信,具体情况如图6所示。
    图4 空旷地带通信组网 图5 火灾建筑物面积较小 情况下的通信组网
    图6 火灾建筑物面积较大情况下的通信组网方案
    (4)在建筑物平面面积很大时的通信组网。在消防通信指挥车无线网络覆盖范围无法达到的地方,消防队员之间的交互则需要依靠自组网(Ad hoc)。Ad hoc无线自组网的终端是一个节点,同时也是一个路由点,结合了路由协议,能够以接力的方式将信号传输到自身网络不能发送的地点,以一种更为灵活的方式进行通信。所以在特殊情况下,在消防现场可以采用infrastructure和Ad hoc相结合的混合模式进行通信,室外采用infrastructure,室内采用Ad hoc,将两种模式结合以保证通信的持续性。
    消防现场人员佩戴可穿戴式通信计算机,现场采用WLAN进行互连,硬件支持设备包括可穿戴式通信计算机的WLAN无线网卡和消防通信指挥车上的接入点AP。现场部分消防员还能够通过可穿戴式通信计算机上的WLAN无线网卡与消防通信指挥车进行交互,接收指挥车的指挥、管理并共享数据,形成一个分布式的移动多媒体协作系统。部分消防员根据自己的需要通过Ad hoc建立协作,进行语音的自由交互。
    2.5 消防战斗现场通信指挥模式设计
    鉴于当前消防部队的各级领导在灾害发生后都在灾害现场成立指挥部进行现场指挥的实际,消防战斗现场通信指挥分为两个层次:
    (1)现场指挥一级网:入网人员为大队以下指战员,消防通信车装备一个AP作为中转台(一般一个大队拥有一辆消防通信指挥车),进行无线数据的中转。当消防通信车的无线覆盖范围超过火灾建筑或抢险救援现场时,无线通信的实现如图5所示;当消防通信车的无线覆盖范围仅为火灾建筑或抢险救援现场的一部分时,可以采用移动小型AP于火场合适位置进行中继的方式实现无线通信,具体如图6所示。
    (2)现场指挥二级网:支队以上单位派指挥员参加灭火求援行动,与地方政府、公安、水电、行业专家共同组成总指挥部,各通信车构成前沿指挥部,总指挥部利用消防指挥车与参战的大队及中队指挥员组建二级指挥网(见图7),对现场的灭火救援行动进行指挥。为了取得稳定、良好、高速的传输效果,总指挥部与前沿指挥部的消防通信车通过防火、耐高温同轴电缆传输信息。
    图7 现场指挥二级网
    2.6 模式发展阶段设计
    鉴于可穿戴式通信计算机装备的昂贵以及操作员必须具备一定计算机知识,考虑未来成本降低及人员素质提高的方式是,将消防用可穿戴式通信计算机的配备分为3个阶段进行:第一阶段,先成立可穿戴式通信计算机实验消防大队,队员由选拔出的高素质消防员组成;第二阶段,积累一定经验并培训一批掌握可穿戴式通信计算机性能的特勤消防员后,由实验阶段转向推广阶段,特勤大队队员配备可穿戴式通信计算机;第三阶段,随着经济条件的成熟,人员素质水平的提高,消防战斗员的配备实现一人一机、定人定机,并不断提高消防部队的灭火与抢险救援能力。当然,在简单的灭火或抢险救援过程中,仍可采用对讲机等传统通信设备进行现场通信指挥。
    参考文献参考文献:
    [1] 康青春,黄金印.中外抢险救援典型战例精选[M].北京:红旗出版社,2005:35-45,106-122,359-367.
    [2] STEVE MANN.Humanistic computing:wearcomp as a new framework and application for intelligent signal[J].Proceedings of The IEEE,1998,86(11):2123-2151.
    [3] 陈东义.可穿戴式计算机的发展与趋势(Ⅰ)[J].重庆大学学报:自然科学版,2000,23(3):119-124.
    [4] 丛明可.穿戴计算机简介[J].计算机仿真,2005(2):261-264.
    [5] 王玉玺,沈为民.可穿戴式通信计算机的研究发展现状[J].哈尔滨师范大学自然科学学报,2002(5):38-43.
    [6] BASS L.Conveners report of CHI'97 workshop on wearable computers[EB/OL].http://www.bhatn.ac.uk/ManMechEng/IEG/wl.html.
    (责任编辑:黄 健)
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