本发明涉及灾害搜救技术领域，具体地说是一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统。
背景技术：
大型滑坡、泥石流、雪崩等灾害往往会造成建筑物的掩埋，甚至会导致地表建筑物的推移，给深埋建筑物中的人员救援工作带来极大困难。2017年6·24四川省茂县山体滑坡和2019年7·23贵州省水城县山体滑坡灾害事件，对人身和财产造成了巨大损害，其救援的一个难点在于无法确定被滑坡掩埋并推移的建筑物的具体位置，即救援目标不明确，导致搜救效率低下；另一个难点在于无法掌握灾害堆积体内部的孔隙水压力、温度、湿度等实际情况，不能有针对性地制定救援方案。在灾害发生后，迅速精准地圈定受灾建筑物群位置，可以有效地缩短救援时间并减少人身伤亡。
在早期，主要搜寻手段是受训练的搜救犬。目前，雷达生命探测仪、音频生命探测仪、红外生命探测仪、超低频电磁生命探测仪已成为灾难中广泛应用的搜救设备。但这些设备由于条件的局限，如灾害体条件不明确、操作复杂、成本高昂等各种因素，并未取得良好的搜救效果。
近来，一些应用于灾害条件下搜救被困人员的新型概念产品被提出。其基本形式为，人员随身携带可定位求救设备，通过搜救设备得到被困人员位置，以期迅速有效救援。然而，这一形式具有极大局限性。潜在灾害风险区人员能够普遍获得求救设备并不现实，实时佩戴更不可能，同时可携带式产品的体积有限，信号发射功率明显受限，往往无法被地表的救援设备所接收。因此，这一类型的设备仍然无法满足灾害现场救援工作的需求。
另一方面，对于滑坡、泥石流、雪崩等灾害，其特点是突发性强，发生的时间和空间位置均无法有效预知，因而，很难做到对灾害体本身的实时测量，救援工作只能根据灾害发生后的堆积体现状来反演灾害的运动和掩埋-推移建筑物的过程；也无法获得灾害体本身的重要特征参数，如灾害体内部的孔隙水压力、温度、湿度等关键信息。获得这些信息，将有利于有针对性地开展救援工作。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，用于在滑坡、泥石流、雪崩等灾害发生现场，对被掩埋-推移的建筑物群实施定位并记录关键灾害参数，以利于救援建筑物中的被困人员。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，包括若干个呼救终端和搜救终端；所述呼救终端安装在建筑物群靠近潜在灾害体一侧的建筑物上，且安装点的连线能够涵盖建筑群后缘位置；所述每个呼救终端具备唯一的编码序列号，用于确定呼救终端，呼救终端在被触发后开始工作，获得自身位移信息；所述搜救终端存储有所述呼救终端的初始位置，用于与附近的呼救终端通信连接，获取其编码序列号和位移信息，结合所述呼救终端初始位置计算其当前位置信息。
所述每个呼救终端安装在目标建筑物背离灾害体一侧的一楼位置。
所述呼救终端包括电源、定位模块、控制器、灾害体信息模块和第一无线电磁信号收发模块；
所述电源外接220v交流电，并连接所述定位模块、控制器、灾害体信息模块和第一无线电磁信号收发模块，用于在外接220v交流电断开时向所述定位模块、控制器、灾害体信息模块和第一无线电磁信号收发模块供电，所述定位模块、控制器和灾害体信息模块开始工作；
所述定位模块用于采集所述呼救终端的三轴加速度和三轴角速度，并发送给所述控制器；
所述灾害体信息模块用于采集所述呼救终端所在位置的孔隙水压力、温度和湿度信息，并发送给所述控制器；
所述控制器用于在得到电源供电后向所述第一无线电磁信号收发模块发送触发信号；还用于根据所述三轴加速度和三轴角速度计算所述呼救终端的位移，将所述编码序列号、位移、孔隙水压力、温度和湿度信息转换为电磁信号；在接收到所述第一无线电磁信号收发模块转发的识别信号后向所述第一无线电磁信号收发模块发送启动信号；
所述第一无线电磁信号收发模块用于接收所述控制器发送的触发信号，并在接收到所述触发信号后进入接收所述搜救终端发射的无线电磁信号的状态；还用于接收所述搜救终端发射的识别信号并发送给所述控制器，接收所述控制器发送的启动信号，并在所述启动信号的控制下发射电磁。
所述定位模块采用捷联惯性制导系统；所述灾害体信息模块包括孔隙水压力传感器、温度传感器、湿度传感器。
所述控制器通过以下步骤计算所述呼救终端的位移：
通过所述三轴加速度对时间积分得到三轴速度，通过所述三轴角速度对时间积分得到偏转角度；
利用偏转角度不断对呼救终端进行姿态修正，三轴速度对时间再次进行积分获得位移信息。
所述呼救终端还包括机械振动信号发射模块，连接所述电源，用于在得到电源供电后发送0.1khz-10khz范围内的机械振动信号。
所述呼救终端还包括存储模块，连接所述电源和控制器，用于存储所述控制器所采集的信息。
所述搜救终端包括第二无线电磁信号收发模块、处理器和显示模块；
所述第二无线电磁信号收发模块用于在所述处理器的控制下发射唤醒信号，还用于接收所述呼救终端所发射的电磁信号，并将所述电磁信号转发给所述处理器；
所述处理器用于根据所述电磁信号中的编码序列号进行呼救终端识别，提取所识别呼救终端的初始位置，结合所述呼救终端位移信息计算当前位置信息。
所述显示模块用于显示数字信号，包括呼救终端的当前位置信息、孔隙水压力、温度和湿度中的若干类。
所述搜救终端还包括机械振动信号接收模块，用于接收所述呼救终端所发射的机械振动信号，所述显示模块还用于显示机械振动振源信息。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明革新了传统的搜救模式与思路，呼救终端可以独自确定自身位移信息，搜救终端可以通过结合所述呼救终端初始位置，确定呼救终端的最终位置，并进行数据显示，能有效克服现有救援定位方法在灾害环境下的不足，具有较高的工作效率，能为搜救赢得宝贵的时间，节省大量人力物力。
2、本发明的参数采集功能一定程度上改善了真实灾害特征参数获取困难的现状，有利于判定灾害体内部现状，为精准高效救援提供有力支撑。
附图说明
图1为本发明的呼救终端在建筑物群中安装点平面示意图；
图2为本发明的系统架构示意图；
图3为捷联惯性制导系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明包含呼救终端和搜救终端两部分，每台呼救终端含有唯一的编码序列号，并能被搜救终端识别。
安装说明：如图1所示。呼救终端应安装在建筑物群靠近潜在滑坡、泥石流、雪崩风险一侧的建筑物上，同时为了防止被灾害体直接冲击损毁，呼救终端安装在目标建筑物背离灾害体一侧的一楼位置，使安装点连线能涵盖建筑群后缘位置，确保建筑物群被灾害掩埋-推移时，能够通过接收到的电磁信号计算出建筑群后缘位置，同时也可以根据探测到的机械波强弱直接确定建筑群后缘位置。每一个呼救终端被安装时，搜救终端通过gps定位方式，记录并存储呼救终端初始位置。呼救终端的工作包括两部分：定位及参数采集、信号发射，其中定位及参数采集从断电开始即进行工作，信号发射从收到唤醒信号后开始工作。
如图2所示：所述呼救终端包含电源1、定位模块2、控制器3、灾害体信息模块4、第一无线电磁信号收发模块5、机械振动信号发射模块6与存储模块7。
电源1与外接220v交流电保持连接，系统保持休眠状态，外接电源断开即向其他所有模块供电触发系统工作，系统电源可维持5天以上，保障有效救援时间内的正常工作。
定位模块2主体为捷联惯性制导系统(imu)。惯性制导系统(imu)包括加速度计和陀螺仪，能够测量三轴加速度和三轴角速度，通过控制器3采集并处理数据，数据采集频率为1000hz或更高，工作时间10分钟，即能够涵盖灾害体运动-堆积的总时长。
呼救终端能在灾害发生时通过定位模块2捷联惯性导航系统(imu)采集的三轴加速度和三轴角速度信号计算出自身位移信息，也就是建筑物群后缘被推移的距离，通过控制器3转化为无线电磁信号发射。其基本原理为加速度对时间积分得到速度，角速度值对时间积分得到偏转角度，利用偏转角度不断对呼救终端进行姿态修正，速度对时间再次进行积分获得位移信息，关联gps所获得的初始位置信息，得到最终位置信息。如图3所示，其具体算法为：
捷联惯性导航系统(imu)旋转角度计算方式为：
其中，σ表示偏转角度矢量，ω表示系统运动角速度矢量，σx表示x轴方向上角速度分量，σy表示y轴方向上加速度分量，σz表示z轴方向上角速度分量，t表示时间，σ表示角速度标量，i、i 1为时间步长变量。
采用四元数法表示系统姿态信息。四元数是一种位置信息描述方式，是简单的超复数，复数是由实数加上虚数单位i组成，相似地，四元数都是由实数加上三个虚数单位i、j、k组成。其中a为实数值，a、b、c、d的值相当于平面直角坐标系下的坐标值，i、j、k为虚数单位。q的四元数表示为：
q(a，b，c，d)＝a bi cj dk
第i时间步长姿态变化变量表达式为：
更新后姿态信息为：
qi 1＝qi·rj
对四元数进行标准化：
递归求解上述方程，不断更新四元数，不断更新捷联惯性导航系统(imu)的姿态信息。利用前面描述的姿态信息，将imu加速度计数据从载体坐标系数据转换为导航坐标系数据，推导位移数据。载体坐标系与imu固联，原点取imu质心，选取系统纵轴指向头部方向为y轴，选取系统横轴指向右侧方向为x轴，选取系统竖直向上方向为z轴。导航坐标系为惯性导航基准坐标系，原点取imu质心，地理坐标系即为导航坐标系，即东北天enu地理坐标系。由加速度计测量的比力在载体坐标系轴上表示为fb。转换为导航坐标系下比力，表达为：
f＝cbafb
cb是方向余弦矩阵，该矩阵与四元数的关系可以写为：
矩阵a定义为：
as表达为：
利用导航坐标系中的比力，从相应分量中减去重力，对计算结果进行数值积分，求解各时刻的速度：
再次对速度进行数值积分，求出信息采集发射终端位移：
将位移信息与呼救终端初始位置关联，获得最终位置信息。
灾害体信息模块4包括孔隙水压力传感器、温度传感器、湿度传感器。通过控制器3采集孔隙水压力、温度、湿度数据，数据采集频率为1000hz或更高，灾害体信息模块4从被触发开始工作直至电源电量耗尽。控制器3负责将定位模块2和灾害体信息模块4采集的信息处理并转化为电磁信号。
每一台呼救终端具有唯一的编码序列号，所发射信号均能被识别。第一无线电磁信号收发模块5负责将控制器3处理转化的电磁信号发射出灾害体。为避免极端情况下第一无线电磁信号收发模块5失效或无法正常工作，设计了机械振动信号发射模块6负责发射机械振动信号，同时机械振动信号发射模块6可以发射振动频率0.1khz-10khz范围内的机械振动信号，辅助第一无线电磁信号收发模块5实现精准定位。
存储模块7负责存储控制器3所采集信息，当呼救终端被找到时，即可利用存储模块7所存储信息还原灾害事件信息。
搜救终端包含第二无线电磁信号收发模块8、机械振动信号接收模块9、处理器10和led显示器11。
搜救工作开始后，第二无线电磁信号收发模块8负责向搜救区域发射唤醒信号，唤醒搜索区域内的呼救终端，唤醒信号被第一无线电磁信号收发模块5接收，递交控制器3，识别后控制器3激活第一无线电磁信号收发模块5和机械振动信号发射模块6的发射功能，开始发送信号。第二无线电磁信号收发模块8负责接收第一无线电磁信号收发模块5所发射的无线电磁信号，同时进行特征识别，识别特定呼救终端，并将所接收信号传递给处理器10，同时处理器10提取该呼救终端初始位置信息；机械振动信号接收模块9负责接收机械振动信号发射模块6所发射的机械振动信号，并将所接收信号传递给处理器10，处理器10依据所接收机械振动信号的强弱来圈定呼救终端位置，可以辅助惯性制导系统(imu)进行定位。
处理器10负责处理来自第二无线电磁信号收发模块8和机械振动信号接收模块9的电磁与机械振动信号，计算呼救终端位置信息。同时将呼救终端位置信息、孔隙水压力、温度和湿度和机械振动振源信息转化为数字信号。
led显示器11负责显示数字信号，包括呼救终端位置、孔隙水压力、温度、湿度和机械振动振源信息。
1.一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，其特征在于，包括若干个呼救终端和搜救终端；所述呼救终端安装在建筑物群靠近潜在灾害体一侧的建筑物上，且安装点的连线能够涵盖建筑群后缘位置；所述每个呼救终端具备唯一的编码序列号，用于确定呼救终端，呼救终端在被触发后开始工作，获得自身位移信息；所述搜救终端存储有所述呼救终端的初始位置，用于与附近的呼救终端通信连接，获取其编码序列号和位移信息，结合所述呼救终端初始位置计算其当前位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，其特征在于，所述每个呼救终端安装在目标建筑物背离灾害体一侧的一楼位置。
3.根据权利要求1所述的一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，其特征在于，所述呼救终端包括电源、定位模块、控制器、灾害体信息模块和第一无线电磁信号收发模块；
所述电源外接220v交流电，并连接所述定位模块、控制器、灾害体信息模块和第一无线电磁信号收发模块，用于在外接220v交流电断开时向所述定位模块、控制器、灾害体信息模块和第一无线电磁信号收发模块供电，所述定位模块、控制器和灾害体信息模块开始工作；
所述定位模块用于采集所述呼救终端的三轴加速度和三轴角速度，并发送给所述控制器；
所述灾害体信息模块用于采集所述呼救终端所在位置的孔隙水压力、温度和湿度信息，并发送给所述控制器；
所述控制器用于在得到电源供电后向所述第一无线电磁信号收发模块发送触发信号；还用于根据所述三轴加速度和三轴角速度计算所述呼救终端的位移，将所述编码序列号、位移、孔隙水压力、温度和湿度信息转换为电磁信号；在接收到所述第一无线电磁信号收发模块转发的识别信号后向所述第一无线电磁信号收发模块发送启动信号；
所述第一无线电磁信号收发模块用于接收所述控制器发送的触发信号，并在接收到所述触发信号后进入接收所述搜救终端发射的无线电磁信号的状态；还用于接收所述搜救终端发射的识别信号并发送给所述控制器，接收所述控制器发送的启动信号，并在所述启动信号的控制下发射电磁信号。
4.根据权利要求3所述的一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，其特征在于，所述定位模块采用捷联惯性制导系统；所述灾害体信息模块包括孔隙水压力传感器、温度传感器、湿度传感器。
5.根据权利要求3所述的一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，其特征在于，所述控制器通过以下步骤计算所述呼救终端的位移：
通过所述三轴加速度对时间积分得到三轴速度，通过所述三轴角速度对时间积分得到偏转角度；
利用偏转角度不断对呼救终端进行姿态修正，三轴速度对时间再次进行积分获得位移信息。
6.根据权利要求3所述的一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，其特征在于，所述呼救终端还包括机械振动信号发射模块，连接所述电源，用于在得到电源供电后发送0.1khz-10khz范围内的机械振动信号。
7.根据权利要求3所述的一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，其特征在于，所述呼救终端还包括存储模块，连接所述电源和控制器，用于存储所述控制器所采集的信息。
8.根据权利要求1所述的一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，其特征在于，所述搜救终端包括第二无线电磁信号收发模块、处理器和显示模块；
所述第二无线电磁信号收发模块用于在所述处理器的控制下发射唤醒信号，还用于接收所述呼救终端所发射的电磁信号，并将所述电磁信号转发给所述处理器；
所述处理器用于根据所述电磁信号中的编码序列号进行呼救终端识别，提取所识别呼救终端的初始位置，结合所述呼救终端位移信息计算当前位置信息。
所述显示模块用于显示数字信号，包括呼救终端的当前位置信息、孔隙水压力、温度和湿度中的若干类。
9.根据权利要求8所述的一种用于确定被掩埋-推移建筑物群位置的系统，其特征在于，所述搜救终端还包括机械振动信号接收模块，用于接收所述呼救终端所发射的机械振动信号，所述显示模块还用于显示机械振动振源信息。
技术总结