本發(fā)明涉及傳感器定位技術(shù)，特別是涉及一種基于多維系統(tǒng)FM(Fornasini-Marchesini)模型的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)火源區(qū)域定位方法。

背景技術(shù)：

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在空間上的許多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的方式形成一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于協(xié)同感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并將處理后的信息發(fā)送給觀測(cè)者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信、雷達(dá)、圖像處理、地震勘探、故障檢測(cè)等領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位主要分為兩類：一類是對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)定位；另一類是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)本身的定位，也就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位。所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用性研究都是基于傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息是已知的，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息只有與節(jié)點(diǎn)的位置信息相結(jié)合才是有實(shí)際意義的，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的監(jiān)測(cè)目標(biāo)的定位也是如此。例如，發(fā)生大型火災(zāi)時(shí)，必須獲取準(zhǔn)確的火源位置信息，需要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供傳感器節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，才能完成定位火源的任務(wù)。

多維系統(tǒng)是指涉及多個(gè)獨(dú)立變量的系統(tǒng)，其分析、優(yōu)化、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性都高于一維系統(tǒng)，但是其模型更加完善，可跟蹤觀測(cè)多個(gè)變量，更趨于實(shí)際情況，比較真實(shí)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與大規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，多維系統(tǒng)理論的應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速的擴(kuò)大，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：環(huán)境保護(hù)中的大氣污染、水域污染的監(jiān)測(cè)、智能機(jī)器人中的計(jì)算機(jī)視覺(jué)、氣象中的衛(wèi)星云圖分析、國(guó)防與航空航天領(lǐng)域的導(dǎo)航等等，而本發(fā)明主要將多維系統(tǒng)運(yùn)用到特大火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火源定位中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種基于多維系統(tǒng)Fornasini-Marchesini模型的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)火源區(qū)域定位方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種基于多維系統(tǒng)Fornasini-Marchesini模型的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)火源區(qū)域定位方法,包括以下步驟：

步驟S1：將發(fā)生大型火災(zāi)的區(qū)域視為一個(gè)矩形區(qū)域，取矩形相鄰的兩條邊作為坐標(biāo)軸建立直角坐標(biāo)系，在這兩條邊界上等間隔的部署裝有溫度傳感器的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，間隔距離為a，以這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，將矩形區(qū)域劃分為網(wǎng)格形狀；

步驟S2：無(wú)人小車從原點(diǎn)O處出發(fā)，以恒定的速度在網(wǎng)格上行駛，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到鄰近節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間為t₀，以出發(fā)時(shí)刻為0時(shí)刻，每次經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔t₀，采集兩邊界信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的溫度信息，用于判斷小車所在節(jié)點(diǎn)及周圍鄰近節(jié)點(diǎn)的溫度值；其中，網(wǎng)格中任意節(jié)點(diǎn)的溫度值由自身節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的x軸和y軸上的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所感應(yīng)到的溫度值共同決定，即網(wǎng)格中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)n_e(x_e,y_e)的溫度值，由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)n_x(x_e,0)和n_y(0,y_e)所感應(yīng)到的2個(gè)溫度值相加的總和來(lái)表示；

步驟S3：控制小車的運(yùn)動(dòng)方向：由小車所在節(jié)點(diǎn)的周圍鄰近節(jié)點(diǎn)之間的溫度值大小關(guān)系控制小車的運(yùn)動(dòng)方向；具體方法是：小車運(yùn)動(dòng)至任意節(jié)點(diǎn)n_s(x_s，y_s)，接收該節(jié)點(diǎn)的4個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)n_上(x_s,y_s+1)，n_下(x_s,y_s-1)，n_左(x_s-1,y_s)，n_右(x_s+1,y_s)所對(duì)應(yīng)的x軸和y軸信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的溫度信息，取其中最大值節(jié)點(diǎn)n_max＝max{n_上，n_下，n_左，n_右},控制小車從節(jié)點(diǎn)n_s運(yùn)動(dòng)至節(jié)點(diǎn)n_max；若最大值節(jié)點(diǎn)存在多個(gè)，則任選其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)；

步驟S4：記錄下小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所有經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的邊界信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的溫度信息，以及當(dāng)前時(shí)刻的位置信息和時(shí)間信息，然后建立多維FM模型，存儲(chǔ)和管理上述信息；

步驟S5：粗略定位火源區(qū)域：小車自身攜帶一個(gè)感應(yīng)小范圍區(qū)域的溫度傳傳感器，當(dāng)溫度傳傳感器的監(jiān)測(cè)值大于等于設(shè)定溫度閾值時(shí)，小車上的傳感器會(huì)發(fā)出一個(gè)警報(bào)，表示此時(shí)小車與火源的距離小于等于設(shè)定值即火源在以小車所在節(jié)點(diǎn)為中心，半徑為的圓形區(qū)域內(nèi)；

步驟S6：精確定位火源區(qū)域：當(dāng)小車上的傳感器與火源的距離設(shè)定值時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)，將發(fā)出警報(bào)的t時(shí)刻小車所在節(jié)點(diǎn)半徑范圍內(nèi)的網(wǎng)格區(qū)域去除與(t-t₀)時(shí)刻小車所在節(jié)點(diǎn)半徑范圍內(nèi)的重復(fù)的網(wǎng)格區(qū)域作為火源區(qū)域，然后用小車上的紅外熱成像儀掃描該火源區(qū)域圖像，若這些區(qū)域圖像內(nèi)存在像元值高于預(yù)先設(shè)計(jì)好的閾值時(shí)，表示這些區(qū)域內(nèi)存在火源，則將信息反饋給消防人員。

步驟S7：當(dāng)定位出火源所在的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)格區(qū)域后，再令這些網(wǎng)格中部分節(jié)點(diǎn)的溫度值為0，控制小車?yán)@過(guò)已定位出的火源區(qū)域，繼續(xù)尋找其他火源區(qū)域，直到小車所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)中同時(shí)存在A_nC和B_mC兩邊界上的節(jié)點(diǎn)時(shí)結(jié)束，其中A_nC和B_mC為矩形區(qū)域的邊界。

按上述方案，所述步驟S5中每個(gè)單位網(wǎng)格的面積為a×a，略小于消防水槍噴灑出的滅火面積S，即：S≥a×a。

按上述方案，所述步驟S5中的警報(bào)值，由下述過(guò)程確定：

首先，讓小車上的溫度傳感器和煙霧傳感器從一定的距離逐漸靠近人為制造的火源，當(dāng)距離為時(shí)，將溫度傳感器和煙霧傳感器發(fā)送來(lái)的信息數(shù)值相加，記錄相加后的數(shù)值，作為小車非常接近火源時(shí)的警報(bào)溫度閾值，然后，對(duì)上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行100次，取其平均值，作為步驟S4中所述的溫度閾值。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明提出的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)火源區(qū)域定位方法，首先將火源所在區(qū)域劃分成一個(gè)個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的面積略小于消防水槍所能覆蓋的面積。然后通過(guò)部署在火場(chǎng)邊界的溫度傳感器感應(yīng)到的溫度控制小車的運(yùn)動(dòng)方向，用小車自身攜帶的溫度傳感器感應(yīng)火源是否在小車附近，用警報(bào)值告知小車與火源的距離在的范圍內(nèi)，再用小車上的紅外熱成像儀掃描相關(guān)網(wǎng)格區(qū)域，確定火源所在的網(wǎng)格區(qū)域，并設(shè)置部分節(jié)點(diǎn)的溫度值為0，繞過(guò)已定位出的火源區(qū)域，繼續(xù)遍歷其他節(jié)點(diǎn)尋找火源。當(dāng)確定火源所在的網(wǎng)格后，消防水槍直接向每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域噴水滅火即可，這種方法可以節(jié)省遍歷整個(gè)火災(zāi)區(qū)域的時(shí)間，快速定位出火源區(qū)域，從而快速高效的完成滅火任務(wù)，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中無(wú)人小車感應(yīng)到火源時(shí)采集部分節(jié)點(diǎn)溫度值的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中無(wú)人小車感應(yīng)范圍內(nèi)僅一個(gè)網(wǎng)格區(qū)域存在火源時(shí)的示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中無(wú)人小車感應(yīng)范圍內(nèi)有兩個(gè)網(wǎng)格區(qū)域存在火源時(shí)的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖；

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明所建立的2D FM-Ⅱ模型和一種基于溫度傳感器的區(qū)域定位方法，包括如下步驟：

步驟S1：將發(fā)生大型火災(zāi)的區(qū)域視為一個(gè)矩形區(qū)域，取矩形相鄰的兩條邊作為直角坐標(biāo)軸，在這兩條邊界上等間隔的部署裝有溫度傳感器的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，以這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，將矩形區(qū)域劃分為網(wǎng)格形狀，如圖1所示。規(guī)定每個(gè)單位網(wǎng)格的面積為a×a，略小于消防水槍噴灑出的滅火面積S，即：S≥a×a。

步驟S2：無(wú)人小車從原點(diǎn)O處出發(fā)，以恒定的速度在網(wǎng)格上行駛，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到鄰近節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間為t₀。每次經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔t₀，采集兩邊界信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的溫度信息，用于判斷小車所在節(jié)點(diǎn)周圍鄰近節(jié)點(diǎn)的溫度值。而網(wǎng)格中任意節(jié)點(diǎn)的溫度值由自身節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的x軸和y軸上的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)共同決定，例如：網(wǎng)格中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)n_e(x_e,y_e)的溫度值，由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)n_x(x_e,0)和n_y(0,y_e)所感應(yīng)到的2個(gè)溫度值相加的總和來(lái)表示。

步驟S3：控制小車的運(yùn)動(dòng)方向：由小車所在節(jié)點(diǎn)周圍鄰近節(jié)點(diǎn)之間的溫度值大小關(guān)系控制小車的運(yùn)動(dòng)方向。具體方法是：小車運(yùn)動(dòng)至任意節(jié)點(diǎn)n_s(x_s，y_s)，接收4個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)n_上(x_s,y_s+1)，n_下(x_s,y_s-1)，n_左(x_s-1,y_s)，n_右(x_s+1,y_s)所對(duì)應(yīng)的x軸和y軸信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的溫度信息，取其中最大值節(jié)點(diǎn)n_max＝max{n_上，n_下，n_左，n_右},控制小車從節(jié)點(diǎn)n_s運(yùn)動(dòng)至節(jié)點(diǎn)n_max。若最大值節(jié)點(diǎn)存在多個(gè)，則任選其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)。

步驟S4：數(shù)學(xué)建模：記錄下小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所有經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的邊界信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的溫度信息，以及當(dāng)前時(shí)刻的位置信息和時(shí)間信息，然后建立多維FM模型，存儲(chǔ)和管理這些信息。

步驟S5：粗略定位火源區(qū)域：小車自身攜帶一個(gè)感應(yīng)小范圍區(qū)域的溫度傳傳感器，當(dāng)小車與火源的距離時(shí)，小車上的傳感器會(huì)發(fā)出一個(gè)警報(bào)值，表示此時(shí)火源在以小車所在節(jié)點(diǎn)為中心，半徑的圓形區(qū)域內(nèi)，然后根據(jù)下述步驟S6和S7進(jìn)一步判斷火源的具體區(qū)域。

步驟S6：精確定位火源區(qū)域：當(dāng)小車上的傳感器與火源的距離時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)，將發(fā)出警報(bào)的t時(shí)刻小車所在節(jié)點(diǎn)半徑范圍內(nèi)的網(wǎng)格區(qū)域去除與(t-t₀)時(shí)刻小車所在節(jié)點(diǎn)半徑范圍內(nèi)的重復(fù)的網(wǎng)格區(qū)域作為火源區(qū)域，t為t₀的倍數(shù)，如圖1所示，從t₀-1時(shí)刻到t₀時(shí)刻，小車從節(jié)點(diǎn)n₂₂運(yùn)動(dòng)至節(jié)點(diǎn)n₃₂時(shí)，小車感應(yīng)到火源，此時(shí)讀取節(jié)點(diǎn)n₃₁,n₃₃,n₄₁,n₄₂,n₄₃處的溫度值。

然后用小車上的紅外熱成像儀掃描范圍內(nèi)由這些節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)格的區(qū)域圖像，若這些區(qū)域圖像內(nèi)存在像元值高于預(yù)先設(shè)計(jì)好的閾值時(shí)，表示這些區(qū)域內(nèi)存在火源，并將信息反饋給消防人員。

步驟S7：考慮到大型火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)火源范圍很廣，可能占據(jù)多個(gè)網(wǎng)格的情況。當(dāng)定位出火源所在的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)格區(qū)域后，再令這些網(wǎng)格中部分節(jié)點(diǎn)的溫度值為0，控制小車?yán)@過(guò)已定位出的火源區(qū)域，繼續(xù)尋找其他火源區(qū)域，直到小車所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)中同時(shí)存在A_nC和B_mC兩邊界上的節(jié)點(diǎn)時(shí)結(jié)束。

步驟S4中多維系統(tǒng)的二維FM模型表達(dá)式為：

其中，表示該系統(tǒng)的狀態(tài)向量，表示輸入信號(hào)，表示輸出信號(hào)；A₁,A₂,A₃,B,C都是空間狀態(tài)實(shí)數(shù)矩陣：A存儲(chǔ)著移動(dòng)小車接收到邊界信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的溫度信息、位置信息和時(shí)間信息；B存儲(chǔ)著移動(dòng)小車接收到邊界信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的溫度信息、位置信息和時(shí)間信息；C是多維系統(tǒng)的系數(shù)矩陣。

步驟S5中的警報(bào)值，由下述過(guò)程確定：

首先，讓小車上的溫度傳感器和煙霧傳感器從一定的距離逐漸靠近人為制造的火源，當(dāng)距離為時(shí)，將溫度傳感器和煙霧傳感器發(fā)送來(lái)的信息數(shù)值相加，記錄相加后的數(shù)值，作為小車非常接近火源時(shí)的警報(bào)值。然后，對(duì)上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行100次，取其平均值，作為步驟S4中所述的警報(bào)值。

步驟S6中紅外熱成像儀用于感應(yīng)半徑范圍內(nèi)的溫度值。在紅外熱成像中，溫度越高的區(qū)域圖像的像元值就越大，表現(xiàn)在圖像上就越亮?？筛鶕?jù)實(shí)際需要，事先設(shè)置火焰外圍溫度值作為紅外熱成像儀探測(cè)到的著火源的閾值。當(dāng)至少存在一個(gè)像元值高于這個(gè)預(yù)先設(shè)置好的閾值時(shí)，系統(tǒng)便認(rèn)為在規(guī)定的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)著火源。

步驟S7中小車前進(jìn)方向的網(wǎng)格區(qū)域中火源的位置分兩種情況討論：

①小車前進(jìn)方向所處的2個(gè)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)只有1個(gè)網(wǎng)格中存在火源時(shí)，令此網(wǎng)格中溫度值最大的節(jié)點(diǎn)的溫度值為0，則小車不會(huì)再往這個(gè)節(jié)點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)步驟S3繼續(xù)控制小車的運(yùn)動(dòng)方向；

具體為：如圖2所示，若小車在節(jié)點(diǎn)n₃₂處感應(yīng)到火源，通過(guò)紅外成像儀判斷出火源在由節(jié)點(diǎn)n₃₂,n₃₃,n₄₂,n₄₃組成的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，且節(jié)點(diǎn)n₄₃的溫度值最大，則令節(jié)點(diǎn)n₄₃的溫度值為0，然后小車朝著節(jié)點(diǎn)n₃₁,n₃₃,n₄₂中溫度值最大的方向運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)尋找火源；

②小車前進(jìn)方向所處的2個(gè)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)有2個(gè)網(wǎng)格中存在火源時(shí)，令兩網(wǎng)格中溫度值最大的節(jié)點(diǎn)的溫度值為0，同時(shí)令兩網(wǎng)格重疊處的節(jié)點(diǎn)的溫度值為0，則小車不會(huì)再往這些節(jié)點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)步驟S3繼續(xù)控制小車的運(yùn)動(dòng)方向。

具體為：如圖3所示，若小車在節(jié)點(diǎn)n₃₂處感應(yīng)到火源，通過(guò)紅外成像儀判斷出火源在由節(jié)點(diǎn)n₃₂,n₃₃,n₄₂,n₄₃和節(jié)點(diǎn)n₃₁,n₃₂,n₄₁,n₄₂組成的兩個(gè)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，且節(jié)點(diǎn)n₄₃是除了兩網(wǎng)格重疊處的節(jié)點(diǎn)n₄₂外溫度值最大的節(jié)點(diǎn)，則令節(jié)點(diǎn)n₄₂和n₄₃的溫度值為0，然后小車朝著節(jié)點(diǎn)n₃₁,n₃₃中溫度值最大的方向運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)尋找火源。這樣做，還可以避免小車運(yùn)動(dòng)時(shí)過(guò)于靠近火源，保護(hù)小車。

本發(fā)明使用的多維FM模型可使系統(tǒng)更加完善，可跟蹤觀測(cè)多維系統(tǒng)模型中的多個(gè)變量，此處主要涉及位置坐標(biāo)變量，溫度變量，時(shí)間變量；本發(fā)明中的FM模型的傳遞函數(shù)與其他的多維模型相比，表達(dá)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，變量比較少，運(yùn)算起來(lái)不會(huì)太過(guò)復(fù)雜，從而更快的在傳感器節(jié)點(diǎn)之間傳遞信號(hào)；而多維系統(tǒng)與一維系統(tǒng)相比，更趨于實(shí)際，也更加真實(shí)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。