技术领域
[0001] 本发明涉及消防安全技术领域，具体涉及基于人工智能的一种消防服高温危险监测系统。
相关背景技术
[0002] 在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一，一旦发生火灾，对人民的生命财产安全会造成极大的破坏，若是发生森林火灾，还会导致生态环境的严重破坏，几乎不可能再次恢复。
[0003] 与此同时，消防员在救援过程中会面对高温、爆炸、有毒气体等各种危险，对于工作在一线的消防员来说，火灾现场的各种复杂情况随时都有可能威胁其人身安全，消防员在火灾现场受到伤害的事故每年都有成千上万起，有些消防员甚至献出了宝贵的生命。
[0004] 常规的消防服一般只有防火阻燃的作用，但是消防员在高温环境下持久作业可能会出现晕倒的情况，如果没有被及时发现可能会造成严重的人身伤害，危及生命，然而目前没有能够及时了解消防员的身体状况的方法，无法保证消防员的人身安全。
具体实施方式
[0016] 为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于人工智能的一种消防服高温危险监测系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
[0017] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
[0018] 下面结合附图具体的说明本发明所提供的基于人工智能的一种消防服高温危险监测系统的具体方案。
[0019] 请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的基于人工智能的一种消防服高温危险监测系统的系统框图，该系统包括以下模块：生理信息采集模块100、身体特征指数获取模块200、身体状态分析模块300以及危险监测模块400。
[0020] 生理信息采集模块100，用于实时采集消防员的关节活动幅度、心率、体温和不同身体部位的湿度。
[0021] 具体的，生理信息采集模块100包括关节活动幅度采集单元110、心率采集单元120、体温采集单元130以及湿度采集单元140。
[0022] 关节活动幅度采集单元110，用于采集消防员的关节位置的活动幅度。
[0023] 由于消防员的行为活动会引起关节部位衣物的弯曲，将位置传感器分布于肩关节、肘关节、髋关节、膝关节以及踝关节五种关节共9个位置，其中髋关节处可以在两侧各安装一个位置传感器，最终安装10个位置。在本发明实施例中，位置传感器的数据每1秒记录一次，以0.5min为时间长度，每个时间长度记录得到30个关节活动时的位置变化X。
[0024] 当消防员的关节静止时，位置传感器检测不到关节处的位置变化，X的值为0，当关节活动，位置发生变化时，位置传感器将位置变化作为数据采集。
[0025] 心率采集单元120，用于采集每个时刻前一分钟内消防员的心跳次数，作为该时刻的心率。
[0026] 将心率传感器安装在消防服袖口内部贴近皮肤的位置，同样每0.5秒记录一次，以0.5min为时间长度，每个时间长度记录得到60个心率数据Y。同时对采集的数据进行滤波处理，去除无效数据的干扰。
[0027] 体温采集单元130，用于采集消防员的体温。
[0028] 温度传感器位于消防服的腋下，温度的数据为1秒记录一次，时间长度也为0.5min，记录得到30个温度样本T。
[0029] 湿度采集单元140，用于采集消防员不同部位的湿度。
[0030] 消防服一般较厚且透气性较差，消防员救援过程中会大量出汗，这些汗液会分布在身体皮肤和消防服上，当出汗较多不能及时补充水分时就会产生脱水危险，脱水量超过体重的3%即意味着出现中度脱水需提醒撤离。
[0031] 脱水量与体重相关，所以借助嵌入有压力传感器的消防靴采集消防员的体重m，体重在消防服饰穿戴完毕之后上传进系统内。大量出汗同时不能及时排出会导致消防服和人体之间的空间湿度增大，通过湿度变化情况反映当前消防员脱水情况。
[0032] 首先湿度传感器分别安装于背部、腋窝、胸口、腿关节四个部位，每0.5秒采集记录一次，对于每个部位，每0.5min的数据得到一个向量。
[0033] 每个传感器采集到的数据都存放在向量S中， ，S中的四个元素分别代表四个部位的向量。
[0034] 身体特征指数获取模块200，用于根据预设时间内关节活动幅度的变化以及体温获取每个消防员的身体特征指数；关节活动幅度的变化与身体特征指数呈正相关关系，体温与身体特征指数呈负相关关系。
[0035] 具体的，身体特征指数获取模块200包括身体特征指数计算单元210。
[0036] 身体特征指数计算单元210，用于获取预设时间内的平均体温，以平均体温和人体恒温的温差作为预设值的指数得到温度特征；获取预设时间内每个关节的关节活动幅度的变化情况，以所有关节对应的变化情况的均值作为关节特征；以关节特征和温度特征的比值作为身体特征指数；预设时间内实时采集多个体温数据。
[0037] 首先，一段时间内的关节活动幅度差异越大意味着活动强度特征越明显，消防员身体处于正常的工作状态，温差越大表明消防员在一段时间内的体温没有处于正常的水平，可能出现体温升高的情况。
[0038] 计算预设时间内的温度特征 ：其中，表示预设时间内的平均体温， 表示人体恒温，e为自然常数，即在本发明实施例中预设值为e。
[0039] 作为一个示例，本发明实施例中预设时间为半分钟。
[0040] 需要说明的是，在其他实施例中预设值还可以是其他大于1的自然常数。
[0041] 对于每个关节，获取其在预设时间内的关节活动幅度的方差作为关节变化情况，所有关节的方差的平均值即为消防员的关节特征 ：由于本发明中位置传感器安装在10个关节位置处，因而共有10个关节变化情况，表示第i个关节处的采集的关节活动幅度， 表示第i个关节处的采集的关节活动幅度的方差。
[0042] 作为一个示例，本发明实施例中预设时间为半分钟。
[0043] 需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用标准差等能够体现数据变化的方法表示关节变化情况。
[0044] 进一步的，通过对消防员的关节活动幅度进行监测，可以实时判断消防员当前是否还在作业中，如果在设定时长内消防员关节活动幅度为零，即未发生任何活动，可以进行危险报警，必要时需派出人员查看其情况。
[0045] 计算每个消防员的身体特征指标U：上述计算式是以预设时间为基准的，同一时间段内同一个队伍的队员活动应该是相似的，所以可以每个预设时间获取新的数据并丢弃旧的数据，得到每个预设时间下每个消防员的身体状态。
[0046] 对同一队伍的所有消防员的身体特征指标进行归一化，使其值域为[0,1]。每个消防员的身体特征指数U的值越靠近1表明消防员此时越活跃，身体状况较好，发生意外的概率越小；反之意味着消防员此时身体越不活跃，发生意外的概率越大。
[0047] 身体状态分析模块300，用于在预设时间内，计算每个消防员的心率变化，根据多个身体部位的湿度获取每个消防员的脱水程度，基于体温和身体特征指数获取每两个消防员的身体特征差异，根据每两个消防员的身体特征差异、心率变化和脱水程度获取其身体状态差异，并依据身体状态差异对多个消防员进行状态分组。
[0048] 具体的，身体状态分析模块300包括心率变化获取单元310、脱水程度获取单元320、身体特征差异获取单元330、身体状态差异获取单元340以及分组单元350。
[0049] 心率变化获取单元310，用于获取消防员在剧烈运动时的标准运动心率，获取预设时间内的平均心率，进而得到平均心率与标准运动心率的心率差异，以心率差异和标准运动心率的比值作为心率变化，预设时间内实时采集多个心率数据。
[0050] 对于每个消防员，获取其在剧烈运动时的标准运动心率 ，然后计算预设时间内采集的所有心率的平均值 ，计算心率变化K：当消防员的心率变化K的值越大，意味着消防员此时的身体状态越不好。
[0051] 脱水程度获取单元320，用于根据每个消防员的体重获取对应的最大脱水量，将最大脱水量转换为最大湿度，以每个时刻下多个部位的平均湿度与最大湿度的比值作为该时刻下的脱水程度。
[0052] 具体的，脱水程度获取单元320包括最大湿度转换单元321和脱水程度计算单元322。
[0053] 最大湿度转换单元321，用于对多个消防员的最大脱水量与最大湿度进行数据拟合，获取不同体重下，最大脱水量与最大湿度之间不同的湿度系数，利用湿度系数将最大脱水量转换为最大湿度。
[0054] 由于体重的差异，不同消防员的脱水量存在差距。通过采集的每名消防员的体重m，可以得到理论上的最大脱水量0.03m，但是脱水量与湿度并不等同，无法相互运算，因此，需要将脱水量转换为湿度，理论上出汗量越多，消防服内部越潮湿，湿度越大。
[0055] 通过多个消防员的最大脱水量和最大湿度的关系进行数据拟合得到不同脱水量对应的湿度系数 ，利用湿度系数将最大脱水量转换为最大湿度 ，得到每个消防员对应的最大湿度。
[0056] 脱水程度计算单元322用于根据消防员多个部位的平均湿度与最大湿度获取脱水程度。
[0057] 获取每个时刻下多个部位的平均湿度 ，以每个时刻下多个部位的平均湿度与最大湿度的比值作为该时刻下的脱水程度 。
[0058] 身体特征差异获取单元330，用于获取每个消防员在预设时间内的多个体温组成的体温序列，计算每两个消防员对应的体温序列之间的余弦相似度；获取两个消防员的身体特征指数差异；以余弦相似度和身体特征指数差异的比值作为对应的两个消防员之间的身体特征相似度；以身体特征相似度作为预设值的负指数获取身体特征差异。
[0059] 以消防员A和消防员B为例，两个消防员之间的身体特征相似度为：其中， 表示消防员A和消防员B的身体特征相似度， 表示消防员A在预设
时间的体温序列， 表示消防员B在预设时间的体温序列， 表示消防员A和消防员B的体温序列的余弦相似度， 表示消防员A在预设时间的身体特征指数， 表示消防员B在预设时间的身体特征指数。
[0060] 当两个消防员的体温序列的余弦相似度较高时，说明两个消防员的体温状态差异较小，身体特征相似度R越大，反之越小；当两个消防员的身体特征指数差异越大，身体特征相似度R越小；当两个消防员的身体特征和实时的体温变化情况相似度越大，说明两个消防员的身体状态越相似。
[0061] 同样以消防员A和消防员B为例，以身体特征相似度作为预设值的负指数获取身体特征差异：其中， 表示消防员A和消防员B之间的身体特征差异，e为自然常数，即在本发明实施例中预设值为e。
[0062] 需要说明的是，在其他实施例中预设值还可以是其他大于1的自然常数。
[0063] 身体状态差异获取单元340，用于获取每两个消防员的心率变化的比值作为第一差异，获取对应的两个消防员的脱水程度的比值作为第二差异，以身体特征差异、第一差异和第二差异的乘积作为对应的两个消防员的身体状态差异。
[0064] 同样以消防员A和消防员B为例，计算两个消防员的身体状态差异：其中， 表示消防员A和消防员B的身体状态差异， 表示消防员A的心率变
化， 表示消防员B的心率变化， 表示消防员A和消防员B的第一差异； 表示消防员A的脱水程度， 表示消防员B的脱水程度， 表示消防员A和消防员B的第二差异。
[0065] 分组单元350，用于依据身体状态差异对多个消防员进行状态分组。
[0066] 以不同消防员之间的身体状态差异作为聚类距离，利用DBSCAN对多个消防员进行聚类分组，由于一个队伍中存在多名消防员，为了保证监测的准确度，本发明实施例将MinPts值设为3，意味着一个组内至少存在3个数据相似的消防员，MinPts的值可以根据参与救援的消防员总人数做出调整，聚类半径根据实际情况进行预设。
[0067] 每个预设时间下，对所有消防员进行上述的分组，即每半分钟进行一次分组，每组内的消防员身体状态相似。
[0068] 需要说明的是，本发明实施例适用于人数适中的救援队伍，如果救援队伍人数较多，则需要适当调整相应的参数。
[0069] 危险监测模块400，用于对分组时的孤立点以及平均身体特征指数最低的组对应的消防员进行危险预警。
[0070] 分序完成后，未被分组的孤立点对应的消防员与其他消防员的身体状态相差较大，可能是身体状态出现了问题，需要及时预警；同时，计算每组内所有消防员的平均身体特征指数，由于每组内的消防员身体状态相似，平均身体特征指数越小的组，意味着此组内的队员身体状态都较差，需要重点关注，必要时可提前进行预警。
[0071] 综上所述，本发明实施例包括以下模块：生理信息采集模块100、身体特征指数获取模块200、身体状态分析模块300以及危险监测模块400。
[0072] 具体的，通过生理信息采集模块实时采集消防员的关节活动幅度、心率、体温和不同身体部位的湿度；通过身体特征指数获取模块根据预设时间内关节活动幅度的变化以及体温获取每个消防员的身体特征指数；通过身体状态分析模块在预设时间内，计算每个消防员的心率变化，根据多个身体部位的湿度获取每个消防员的脱水程度，基于体温和身体特征指数获取每两个消防员的身体特征差异，根据每两个消防员的身体特征差异、心率变化和脱水程度获取其身体状态差异，并依据身体状态差异对多个消防员进行状态分组；通过危险监测模块对分组时的孤立点以及平均身体特征指数最低的组对应的消防员进行危险预警。本发明实施例能够实时监测消防员的身体状态，对于可能出现危险的消防员进行及时预警。
[0073] 需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0074] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0075] 以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
