基于災害空間信息的MR安全救援路線指引系統

陳 超，姚 凡，謝澤浩，薛 娜

（1. 華北科技學院計算機學院，廊坊 065201；2. 華北科技學院礦山安全學院，廊坊 065201）

0 引言

近年來，國家為了進一步推動數字化、智能化的發展，提出了新的要求。國家“十四五”計劃在完善國家應急管理體系敘述中提出了對應急管理體系和災害救援能力優化提升的需求，使用計算機技術對災害救援能力進行建設和改革已經成為了未來發展的必然趨勢。

災害發生之后，災害現場大多伴隨著有害氣體和溫度等災害空間信息，在災害救援過程中，救援人員對以上災害空間信息的缺乏和不可見，影響了救援人員的救援判斷。在傳統的救援過程中，救援人員使用肉眼獲取災害環境信息，結合經驗知識設計救援路線。傳統方法的設計，受救援人員的素質及主觀能動性的影響較大，在復雜的救援環境中，容易對救援人員和受害者造成二次傷害，從而威脅人的生命安全。因此，對災害現場環境的掌握和災害救援路線的指引，是救援人員救援過程中重要的一環。越來越多的學者對災害救援中的物理信息空間分布和路線指引展開了研究。文獻［1-6］使用仿真軟件進行災害仿真和分析，從而得到針對該類型事件的模擬訓練以及應急預案。還有一些學者利用虛擬現實技術對應急逃生等問題進行了研究，可以使用虛擬現實技術來沉浸式地了解和學習災害發生之后的場景，并進行學習和訓練［7-10］。蒙盾等［11］、梁江濤等［12］、王鵬等［13］對逃生路線指引進行了研究，設計了不同災害環境下的逃生和避災路徑規劃方案，有效地幫助受困人員進行疏散和逃生。

以上對災害場景的可視化和路線指引的研究中，主要針對災害發生之后的模擬仿真以及演練等，而針對救災過程中救援人員對災害空間信息可視化和路線指引的需求研究較少。因此，本文設計了一種基于災害空間信息的MR安全救援路線指引系統，能夠實現救援人員在救援過程中對物理場環境的可視化和安全救援路線指引。

1 系統整體設計

1.1 功能概述

本文應用物聯網技術與混合現實（mixed reality,MR）技術，實現了災害空間信息多姿態采集功能、救援路線指引功能和災害空間信息可視化功能。系統首先通過移動端App 控制數據采集機器人移動，并采集災害空間信息，包括溫度、有害氣體濃度和救援路線、出口位置等。然后，通過邊緣終端將數據傳輸到Hololens 2 服務器端。在Hololens 2 中，利用空間映射獲取的災害現場地形信息和災害空間信息，使用救援路線生成算法生成救援路線，實現救援路線指引功能。同時，利用三維可視化方法完成災害空間信息的可視化展示。系統還通過與Hololens 2服務器實時通信的體感警示手環，根據Hololens 2 所在位置的災害空間信息濃度獲取溫度目標值，并使用溫度控制算法改變手環溫度，實現體感溫度警示功能。詳見圖1。

圖1 功能概述

系統的工作過程如下：救援人員使用移動端App 控制數據采集機器人移動，并根據空間位置采集災害現場的溫度、有害氣體濃度等信息。然后將這些信息傳輸到Hololens 2 服務器端。服務器端對獲取的數據進行計算處理，完成災害空間信息的可視化展示和安全救援路線的指引。同時，服務器還與體感警示手環進行實時通信，控制手環的溫度變化。

1.2 技術概述

災害數據采集機器人采用STM32 作為核心控制板，通過控制直流驅動電機實現移動底座的移動，并搭載傳感器和機械臂作為災害信息采集設備。該機器人還配備Wi-Fi模塊，用于接收移動APP 端下達的移動控制信息、機械臂姿態信息以及救援路線終止點的位置信息。采集到的信息通過串流傳輸到邊緣主機Jetson，而Jetson則利用網絡模塊將數據傳輸到Hololens 2服務器端，并將數據存儲在數據庫中。Hololens 2利用空間映射功能獲取災害現場的地形數據，并與數據庫中的災害空間信息進行坐標對齊。在Unity 引擎中，借助MRTK 混合現實開發工具包，搭建三維空間信息，利用救援路線生成算法生成最佳的救援路線，并通過可視化方法完成對災害空間信息的可視化展示。

圖2 技術概述

作為溫度手環的整體控制中心，STM32 控制板與Hololens 2 服務器端通過Wi-Fi 通信，獲取當前位置的目標溫度值。通過PID 算法控制繼電器，調節陶瓷加熱片和散熱器，實現體感溫度警示功能。

2 基于STM32的災害信息采集機器人設計

根據對災害空間信息數據采集的需求和分析，應用物聯網技術設計和實現了遙操作機器人，機器人由移動底座、災害空間信息采集設備以及存儲、傳輸設備組成，如圖3所示。災害信息采集機器人用于采集和傳輸室內環境的災害空間信息，操作人員使用移動端APP 控制機器人完成移動和數據采集功能，最終通過邊緣終端回傳數據至混合現實服務器端。

圖3 災害信息采集機器人設計

2.1 機器人的硬件組成

災害信息采集機器人以STM32 開發板為核心，并由移動底座、搭載傳感器的機械臂以及邊緣終端Jetson數據存儲傳輸設備組成。在機器人中，STM32 核心板位于移動底座上，連接Wi-Fi 模塊以接收移動端APP 傳遞的信息。移動底座由自制的外殼和四個車輪構成，通過電機驅動，STM32 根據APP 指令控制移動底座的移動。機械臂作為采集設備，使用小白象機械臂搭載有害氣體和溫度傳感器，STM32 核心板通過串流連接，傳遞機械臂驅動信號，從而完成多姿態的災害數據采集工作。邊緣主機Jetson與STM32 核心板進行串流連接，利用Wi-Fi 通信將采集到的災害數據以及空間信息傳輸至Hololens 2 服務器端。

圖4 災害信息采集機器人硬件組成

2.2 遙操作、多姿態采集以及移動

為了獲取災害場景中的溫度和有害氣體數據，采用遙操作控制機器人進行數據采集。首先，在移動端APP 上通過滑輪產生移動方向指令，實時控制機器人的移動。STM32 接收移動指令后，通過電機驅動板控制直流驅動電機，改變四個車輪的方向，從而實現機器人的移動功能。當機器人移動到數據采集點時，APP 端停止滑輪操作，并下達數據采集指令。STM32核心板控制機械臂進行多姿態采集，并同時接收傳感器采集的災害數據信息。如果機器人當前位置是安全救援路線的出口位置，則APP 下達出口位置信息指令，STM32 將該位置標記為救援路線的終點位置。

為了采集災害場景中的三維災害信息，即災害空間信息，災害信息采集機器人需要在不同高度上獲取溫度和有害氣體濃度數據。因此，本文使用機械臂進行多姿態采集。在采集過程中，從幾何角度考慮，對垂直方向的數據進行采集更有利于災害數據處理。然而，由于災害救援需要考慮時效性，因此定義了以下五個動作姿態，分別以機器人向前和向上作為直角坐標系的橫向和縱向，以采集不同位置的災害信息。后續可以通過插值方法獲取三維災害空間信息。

圖5 機械臂多姿態采集

2.3 數據的收集與傳輸

采集到的數據信息格式見表1，其中包含機器人數據采集的位置信息，在該位置機械臂采集的5 個位置的溫度信息和有害氣體濃度信息，以及當前位置是否為救援路線出口信息。

表1 機器人采集數據信息

3 安全救援路線指引功能實現

3.1 算法設計

安全救援路線指引功能的主要目的是幫助救援人員根據災害空間信息和災害現場的地形情況規劃到達出口的最佳路線，同時盡量減少周圍環境對其產生的影響。為了實現這一功能，需要綜合考慮災害空間信息和地形情況。具體流程處理如圖6所示。

首先，Hololens 2 利用空間映射功能獲取災害現場的地形網格信息。然后將這些地形網格信息傳輸到Unity 中，在此基礎上進行處理。根據地形網格的高度信息，將高于地面50 cm的區域設定為不可達區域。

接著，將地面劃分為50 cm×50 cm 的柵格，生成柵格地圖。利用插值方法計算災害場景中的災害空間信息，并根據地形柵格的尺寸計算每個柵格內的空間信息。最終得到包含災害空間信息的柵格地圖。

然后，利用改進的A*算法在柵格地圖上尋找安全救援路線。該算法考慮了災害空間信息和地形情況，并根據預先定義的規則和約束來評估每個可能的路徑。通過啟發式搜索和評估函數，A*算法能夠找到一條最優的、避開災害區域且經過相對安全地形的救援路線。

以上方法的整合使得救援人員能夠根據綜合因素規劃出到達出口的最佳路線，既考慮了災害空間信息，又考慮了地形情況的影響。

圖6 路線指引數據處理流程

3.2 基于A*的尋路算法

國內外的路線規劃算法主要有A*算法、蟻群算法、遺傳算法等，其中A*算法結合了廣度優先算法和貪婪搜索的思想，可以在較少的搜索情況下找到最優路徑。

圖7 救援路線示意圖

A*算法是一種啟發式算法，通過啟發函數對搜索方向進行指引，可以實現高效的路徑規劃。A*算法的核心為代價函數，代價函數公式為

式中：G(n)是實際代價函數，為救援起點到救援終點的實際代價，使用歐氏距離進行計算，H(n)為估計代價函數，表示救援起點到救援終點的估計代價；f(n)為估價函數，表示救援起點到救援終點的估價值，其中H(n)稱為啟發函數。

本文在路徑選擇中，考慮到災害空間信息影響災害路徑的選擇，所以在A*算法啟發函數的設計中加入災害空間信息作為權重進行路線規劃。

溫度權值系數公式為

有害氣體權重系數公式為

改進后的估價函數如下：

其中：R為該網格位置內的溫度數據值，Pr為該網格內正常的溫度數據值；M為該網格位置內的有害氣體數據值，pm為該網格內正常的有害氣體數據值。

使用設計的啟發函數以及A*算法對災害場景中各網格信息進行啟發式搜索，生成最佳的安全救援路線。

圖8 救援路線生成示意圖

4 基于物聯網技術的體感溫度手環開發

在災害救援過程中，救援人員通常會采取一定的防護措施，以降低受外部災害環境影響的風險。然而，被困人員在離開災害場景時往往沒有相應的防護措施，因此容易受到二次傷害。為了解決這個問題，本文設計了一種基于STM32 的體感溫度手環，旨在幫助救援人員感知周圍真實的環境危險。

圖9 體感溫度手環使用示意圖

4.1 體感溫度手環組成與設計

體感溫度手環具有兩個主要功能：與Hololens 2進行數據通信，以獲取當前位置的溫度目標值，并通過PID 算法控制溫度變化，從而實現體感警示功能。這一過程主要依靠STM32 核心板與Wi-Fi 模塊進行數據通信，并通過陶瓷加熱片和散熱器來調節溫度。

主要組成部分包括使用STM32 開發板進行控制，搭載Wi-Fi模塊來進行數據通信、通過散熱器和陶瓷發熱片實現體感溫度調節，通過OLED屏顯示實時溫度信息。

圖10 自制溫度手環模塊圖

4.2 體感溫度手環實現原理

體感溫度手環采用STM32f103c8t6 最小系統板作為核心控制板，結合ESP8266-01s Wi-Fi 模塊與Hololens 2 進行數據通信。Hololens 2 根據當前位置的災害空間信息，向手環發送溫度信息目標值，確保準確獲取當前位置的溫度目標值。

為了實現溫度控制功能，手環采用了5 V陶瓷MCH 發熱片作為發熱模塊，并借助SHT30 溫濕度傳感器模塊對發熱模塊的溫度進行檢測。通過在STM32f103c8t6 系統板中應用PID 算法進行溫度計算，手環能夠精確控制溫度。此外，手環還采用了5 V的雙路繼電器來交替控制散熱器和發熱器的功能，以實現對溫度的精確控制。設計原理如圖11所示。

圖11 溫度手環設計原理

通過以上的設計，體感溫度手環能夠在與Hololens 2 的數據通信下獲取準確的溫度目標值，并通過PID 算法和發熱模塊的控制，實現對溫度的精確調節。這樣，手環能夠提供準確的體感溫度警示，幫助救援人員及時感知周圍環境的溫度變化。

5 系統運行效果

本文采用Unity 三維引擎和MRTK 混合現實開發包設計系統的用戶界面和功能。通過與災害數據采集機器人采集的災害空間信息結合，利用粒子系統對災害信息進行可視化展示。根據不同災害信息和濃度，設定不同的粒子顏色，以直觀的方式呈現災害情況。此外，使用不同顏色的塊來提示安全救援路線，引導救援人員穿越災害現場。

為了測試系統的運行效果，本文設計了模擬環境，在該模擬災害環境中，首先使用移動端APP 對災害信息采集機器人進行控制，實現對災害場景中的災害數據采集。在采集的過程中，同時記錄采集機器人的位置信息，以獲取相應空間位置的災害空間信息。

圖12 集成采集設備進行數據采集

災害信息采集機器人負責將災害場景中的災害信息傳輸至Hololens 2 服務器端，以便救援人員獲取實時的災害數據。救援人員佩戴Hololens 2 混合現實頭盔和體感溫度手環，深入災害現場展開救援工作。

圖13 救援人員穿戴示意圖

一旦進入災害現場，救援人員會打開混合現實APP，該應用程序中嵌入了災害空間信息的可視化模塊，使得救援人員能夠直觀地觀察到平時無法察覺的災害空間信息。通過這個模塊，救援人員可以快速了解災害現場的情況，包括溫度、有害氣體濃度等重要數據。

此外，混合現實APP還提供最佳的救援路線指引，幫助救援人員在災害現場內迅速而安全地穿行。通過虛擬顯示在Hololens 2 頭盔上的導航指示，救援人員可以準確知道如何繞過危險區域，選擇最佳路徑前進。這種實時的導航功能極大地提高了救援人員的行動效率和安全性。

同時，溫度手環發揮著關鍵的作用，通過實時的溫度警示提供給救援人員所處位置的災害空間信息。溫度手環不僅能感知周圍環境的溫度變化，還可以根據事先設定的閾值向救援人員發出警示。這為救援人員提供了關鍵的環境信息，幫助他們更好地掌握周圍的災害情況，并采取適當的行動來保證自己和被救援對象的安全。

圖14 系統運行效果

經過系統的模擬運行實驗驗證，本系統成功地實現了可視化災害現場的災害空間信息，并通過綜合考慮地形信息和災害空間信息，指引救援人員選擇最佳的通過路線。這一系統的引入使得救援人員能夠迅速而安全地進入和離開災害現場，在救援過程中顯著提升了對災害現場空間信息的掌握能力，有效輔助救援人員確定最優的救援路線。

6 結語

運用物聯網、混合現實等技術，設計了基于災害空間信息的MR安全救援路線指示系統。分別對災害空間信息的采集，安全救援路線混合現實指引以及體感警示手環進行了研究和設計。

可視化災害空間信息的呈現為救援人員提供了直觀的數據展示，使他們能夠更加清楚地理解災害現場的情況。其次，通過綜合考慮地形信息和災害空間信息，我們能夠為救援人員提供最佳的通過路線指引，幫助他們快速而安全地穿越災害現場。最后，該系統的引入提高了救援人員對災害現場空間信息的掌握能力，使他們能夠更加有效地執行救援任務。