超寬帶（UWB）技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用淺析

馮帥頎 劉晉軍 丁毅暉 張凌云 蔣林原 汪凡

摘要：超寬帶（UWB）技術(shù)作為一種無線定位技術(shù)，具有傳輸速度快、抗干擾能力強、定位精度高、低功耗、隱秘性好等優(yōu)點，可實現(xiàn)高精度的室內(nèi)定位。將其應(yīng)用于消防救援人員火場定位，可有效解決消防救援人員在復(fù)雜建筑中開展救援時，因?qū)Νh(huán)境不熟悉而對自身安全帶來的危險，并有助于指揮中心對其進行實時監(jiān)督和指導(dǎo)救援。將其應(yīng)用于危險化學品倉庫的消防安全管理，使危險化學品事故能夠預(yù)警，事故處置精準化、智能化。

關(guān)鍵詞：超寬帶（UWB）技術(shù);定位精度;人員定位;危險化學品

近年來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市中大體量的建筑層出不窮，給新時期的消防安全管理工作帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。“消”和“防”是消防安全管理工作的兩大主題，所謂“消”，就是消除災(zāi)害，保護生命和財產(chǎn)安全;所謂“防”就是消除災(zāi)害隱患，預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生。在“全災(zāi)種、大應(yīng)急”的形勢背景下，把現(xiàn)代信息科學技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能化引入消防領(lǐng)域，建立“智慧消防”體系，將“消”和“防”提升到一個更高的層次，是新時代賦予消防安全管理的新任務(wù)。

1? 超寬帶（UWB）技術(shù)

超寬帶（UWB）技術(shù)是近年來新興的一種定位技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域現(xiàn)在使用的定位技術(shù)主要有衛(wèi)星定位技術(shù)、WiFi定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)等。其中衛(wèi)星定位技術(shù)只適用于室外;WiFi定位技術(shù)在信號覆蓋范圍內(nèi)可用于室內(nèi)，其定位精度為3～15m;RFID定位技術(shù)服務(wù)范圍基本上都是限于某個或某種特定場館，可室內(nèi)定位，其定位精度最小為3～10m;ZigBee定位技術(shù)服務(wù)范圍在節(jié)點形成的組織網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，可室內(nèi)定位，其定位精度為3～5m。以上三種室內(nèi)定位技術(shù)，定位精度低，且容易受到干擾，定位穩(wěn)定性難以適應(yīng)室內(nèi)應(yīng)用的要求。

和其他無線定位技術(shù)相比，超寬帶（UWB）技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢：數(shù)據(jù)傳輸速率極高，抗多徑效應(yīng)能力強，具有很強的穿透性，是室內(nèi)定位技術(shù)的佼佼者。超寬帶（UWB）定位技術(shù)通過發(fā)射納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖，利用到達時間差和到達時間角度混合定位技術(shù)，實現(xiàn)高精度室內(nèi)定位，精度可達到10cm級，一般遮擋的情況下精度為30cm?？蓪崿F(xiàn)對大場景建筑物和地下目標的精確定位。此外，由于UWB定位器造價低，價格便宜，適用于大面積應(yīng)用普及。

UWB發(fā)射的信號穿透能力非常強，可以輕易穿透常見的磚墻或混凝土墻壁、樹葉、木質(zhì)及雨霧等自然界的遮蔽物。因此，軍事上可利用超寬帶（UWB）雷達探測地雷，可幫助警察搜尋隔墻的逃犯，以及在火災(zāi)和其他自然災(zāi)害中救援被困在建筑物中的人員。

超寬帶（UWB）技術(shù)除了定位精度高以外，還具有范圍覆蓋廣、功耗低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、隱秘性好、保密性好等優(yōu)點。

一個UWB傳感器定位單元最大覆蓋面積可達400m2，傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號發(fā)射與接收節(jié)點之間的最大通信距離可達60m?？筛鶕?jù)實際需求安裝定位單元，擴大覆蓋面積，實現(xiàn)多個定位單元的聯(lián)合工作。尤其適合在會議展館、體育場等大型建筑室內(nèi)條件下的實時定位。

UWB是脈沖電波的工作方式，不工作時不會發(fā)出脈沖電波，其發(fā)射功率很小，這一優(yōu)勢，使得信號發(fā)射器可以長時間連續(xù)工作且無需更換電池。和其他無線載波技術(shù)連續(xù)性發(fā)出載電波相比，不僅能大幅降低能耗，而且在倡導(dǎo)使用綠色能源和節(jié)能環(huán)保的大趨勢下更加獨樹一幟。

目前常用進行無線傳輸時的通信載波一般采用的是連續(xù)電波，由于通信載波頻率及功率在一定范圍內(nèi)不斷變化，就可以利用這種載波的變化狀態(tài)進行信息的傳輸。超寬帶（UWB）技術(shù)則是UWB發(fā)射器用脈沖小型激勵天線，通過不斷發(fā)送納秒級的脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信息，而且不需要使用放大器與混頻器對頻率進行改變，使得UWB使用的寬帶發(fā)射器造價低廉。UWB接收端也不需要進行中頻處理，因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。UWB定位原理與GPS相似，其中：Anchor（基站）相當于天上的衛(wèi)星，Tag（標簽）相當于用戶端的導(dǎo)航接收機，如手機。Anchor一般作為參考位置點安裝于固定參考點;Tag一般作為待定位點，安裝于待定位載體，如人員車輛、物資上;網(wǎng)關(guān)基站除了有定位功能，還能監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)并向其他節(jié)點（ Anchor、Tag）下發(fā)指令，一般通過以太網(wǎng)或WIH連接服務(wù)器或計算機等設(shè)備。UWB屬于電磁波，其在真空中的傳播速度與光速相同。通過測量Tag到Anchor的TOF（飛行時間），乘以光速后，Tag可以獲得Anchor的距離。通過到多個Anchor距離與參考 Anchor的坐標，可以列出多組球面方程，進而由數(shù)學方法可以求解出標簽的坐標。圖1為常見的三邊定位原理示意圖：

在獲得定位信息后，如果已知環(huán)境信息（如障礙物位置、可走的路徑），同時知道期望去的位置，則可實現(xiàn)實時導(dǎo)航功能。基于UWB無線通信的本質(zhì)，也可將用戶數(shù)據(jù)通過無線報文傳輸給其他節(jié)點，從而實現(xiàn)節(jié)點間的通信功能，也可進一步擴展為基于UWB傳輸?shù)腛TA（遠程固件更新）功能。

基于UWB無線通信的本質(zhì)，也可將用戶數(shù)據(jù)通過無線報文傳輸給其他節(jié)點，從而實現(xiàn)節(jié)點間的通信功能，也可進一步擴展為基于UWB傳輸?shù)腛TA（遠程固件更新）功能。

2? 超寬帶（UWB）技術(shù)應(yīng)用于火場救援人員定位

現(xiàn)今社會，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高層建筑和大型商業(yè)綜合體大量存在。火災(zāi)發(fā)生時，獲取救援人員在建筑物內(nèi)的準確定位，能夠?qū)崟r掌握救援人員的位置及運動軌跡，便于救援的指揮和調(diào)度，在救援人員遇險時能及時找到目標，避免傷亡。由于火災(zāi)現(xiàn)場不確定性大、火災(zāi)建筑物內(nèi)部環(huán)境條件（例如濃煙、高溫、斷電、倒塌）復(fù)雜等因素，使得對救援人員在建筑物內(nèi)部火災(zāi)救援過程中的定位較為困難。

超寬帶（UWB）技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)環(huán)境的定位方式相較于其他定位方式具有不可比擬的優(yōu)勢。UWB定位系統(tǒng)使用極窄的射頻脈沖來傳播數(shù)據(jù)，具有極強的穿透力和抗多徑能力，能夠更好地克服惡劣環(huán)境對信號傳播的不利影響。UWB系統(tǒng)標簽的功耗極低，使系統(tǒng)能夠長時間工作，尤其是在火場的復(fù)雜環(huán)境中，不需要考慮更換電池的問題。同時，由于UWB信號帶寬非常強，使其具有很高的時間分辨率，可實現(xiàn)高精度的測距。在建筑物內(nèi)部火災(zāi)現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境中，UWB定位技術(shù)幫助救援人員高效地展開指揮調(diào)度和營救工作;最大程度減少救援人員因不熟悉環(huán)境造成的傷亡，降低惡劣環(huán)境對救援人員的生命威脅。

此技術(shù)還能用于確定受災(zāi)區(qū)域的人數(shù)，對區(qū)域內(nèi)人數(shù)進行全程動態(tài)監(jiān)測，大大降低了消防救援人員的工作強度。此外，應(yīng)用超寬帶（UWB）技術(shù)在受災(zāi)區(qū)域設(shè)置多個危險邊界，為靠近危險區(qū)域救援人與發(fā)出報警信號，保證救援人員的生命安全。同時，應(yīng)用超寬帶（UWB）技術(shù)，在發(fā)生突發(fā)事件時，能夠迅速定位受困人員的位置，大大加快了救援人員的救援時間，從而提高了工作效率。該系統(tǒng)能夠匹配到手機、Ipad或者PAD終端設(shè)備中，這種先進、高效、便捷的消防救援技術(shù)是未來消防領(lǐng)域單兵定位的一個重要發(fā)展趨勢。

目前，國外的科技公司正在開發(fā)一套基于超寬帶（UWB）無線電人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以跟蹤墻厚為30～60cm的建筑物內(nèi)的消防救援人員，具有很大的應(yīng)用潛力。國內(nèi)近年來也在超寬帶（UWB）的基礎(chǔ)上提出了一套應(yīng)用于火場救援的實時定位系統(tǒng)方案，其設(shè)計理念是，首先在災(zāi)害現(xiàn)場四周臨時布置固定參考點，每個消防救援人員作為一個移動點，當人員在現(xiàn)場內(nèi)移動時，通過無線電波傳輸時間的測量，得到移動點與參考點之間的距離關(guān)系，在參考點位置已知的情況下，通過二角定位法，可得到移動點的位置，并通過由固定參考點組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將該位置信息實時發(fā)送到后臺計算機，計算機得到位置信息后，通過電子地圖或其他形式，在屏幕上顯示出來。指揮人員可以根據(jù)地圖上的信息，實時了解火場救援人員的即時狀況，并作出正確的救援指揮決策。

3? 超寬帶（UWB）技術(shù)應(yīng)用于危化品倉庫的定位預(yù)警

危險化學品倉庫一直以來都是消防安全管理重點領(lǐng)域，因其儲存物品的特殊性，一旦發(fā)生事故，后果將是災(zāi)難性的。一般情況下，危險化學品發(fā)生火災(zāi)事故經(jīng)常是在沒有預(yù)兆的情況下出現(xiàn)的，具有突發(fā)性強、火災(zāi)蔓延速度快、易形成立體火災(zāi)的特點。例如，天津港“8·12”事故造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失的直接原因，就是危險化學品硝化棉在高溫（天氣）等因素下分解放熱，積熱自燃未及時發(fā)現(xiàn)，和其他危險化學品長時間大面積燃燒導(dǎo)致硝酸銨等危險化學品發(fā)生爆炸，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。

數(shù)據(jù)表明，危險化學品事故中，9%發(fā)生在倉儲過程。目前，我國對于危險化學品倉庫的消防安全管理水平依然落后，安全管理意識較差，隱患排查和事故預(yù)警技術(shù)遠不能適應(yīng)社會發(fā)展的要求。實現(xiàn)危險化學品倉庫消防安全管理的自動化、信息化、智能化，是當今“智慧消防”建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。

基于超寬帶（UWB）技術(shù)的抗干擾能力強、定位精度高、傳輸速度快和低耗電低功率的優(yōu)勢。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)適用于危險化學品倉庫的消防安全管理系統(tǒng)，利用UWB定位模塊與?；肥鹿饰ｋU因子傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)的感知、傳輸和智能分析功能，實現(xiàn)危險化學品倉庫在事故發(fā)生前的定位預(yù)警、事故發(fā)生時的定位研判。

系統(tǒng)使用先進的超窄脈沖精確測量飛行時間技術(shù)，實現(xiàn)了底層的精確測距和計時;結(jié)合位置解算算法，實現(xiàn)了上層的精確定位。整體上，定位系統(tǒng)由定位硬件層、網(wǎng)絡(luò)連接層、數(shù)據(jù)解算層和應(yīng)用層組成。定位硬件層是智慧消防系統(tǒng)實現(xiàn)定位功能的主體部分，包括定位微基站和定位微標簽;網(wǎng)絡(luò)連接層用于將定位微基站采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至阿里云云端;數(shù)據(jù)解算層是通過由go語言編寫的數(shù)據(jù)服務(wù)軟件來實現(xiàn)標簽位置、溫度的計算并被顯示端調(diào)用來進行顯示;應(yīng)用層則是針對?；穫}庫的需求，實現(xiàn)對?；穬Υ鏍顩r的實時監(jiān)控以及發(fā)生火災(zāi)后向消防救援人員及時提供火災(zāi)信息來輔助決策。（系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示）

如圖所示，為8基站的典型架構(gòu)，其中Gl/A1/A2/A3組成一組基站，覆蓋小于25×25m面積的區(qū)域，G2/A4/A5/A6（擴展基站組）組成另外一組基站，總最大覆蓋面積為25×75m，其中G1為網(wǎng)關(guān)基站，連接交換機或路由器，G2為主基站，連接交換機或路由器，G1與G2需設(shè)置為同一網(wǎng)段：A/A/A3/A4/A5/A6為從基站，只需供電即可，通過UWB自組網(wǎng)連接其附近的網(wǎng)關(guān)基站或主基站。

如系統(tǒng)再需擴大，則再增加若干組擴展基站組加入到網(wǎng)絡(luò)中即可。系統(tǒng)只有臺網(wǎng)關(guān)基站，可有多臺主基站、多臺從基站PC或服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)基站、主基站連接到同一網(wǎng)段網(wǎng)絡(luò)，即可訪問網(wǎng)關(guān)基站獲取數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)可分為兩個版本，一個版本提供給倉庫的管理者使用，該版本具備預(yù)警功能。當事故危險因子傳感器檢測到危險因子數(shù)值達到異常閾值時，該系統(tǒng)界面將會顯示危險因子異常預(yù)警，并通過UWB定位模塊來準確定位異常區(qū)域。倉庫管理者即可根據(jù)定位信息快速準確地找到相關(guān)區(qū)域并進行隱患處理。另一個版本提供給消防救援指揮中心，該版本具備事故報警和事故研判功能。當事故因子傳感器檢測到危險因子數(shù)值大于等于火警閾值時（火警閾值>異常閾值），系統(tǒng)界面將會顯示火災(zāi)警報，并通過智能化分析將倉庫內(nèi)危化品的位置分布、所儲存?；返姆N類與相應(yīng)的滅火處置方案顯示在系統(tǒng)界面上。消防救援指揮中心將根據(jù)現(xiàn)場信息迅速制定滅火救援方案，組織消防救援人員現(xiàn)場處置。

該系統(tǒng)可通過超寬帶（UWB）技術(shù)的精確室內(nèi)定位功能，實現(xiàn)對危險化學品儲存狀態(tài)的實時監(jiān)控和智能識別，及時發(fā)現(xiàn)安全事故隱患;火災(zāi)發(fā)生時，系統(tǒng)對著火點位置的準確定位和燃燒物種類及處置方式的智能研判，使得消防救援人員能在救援裝備的使用和救援方案的制定上做到精準施策。既保證了救援的迅速高效，也保護了消防救援人員的生命安全。

4? 結(jié)語

時至今日，超寬帶（UWB）技術(shù)已經(jīng)在石油化工、煤礦/礦井、電力能源、隧道工程等行業(yè)得以廣泛地應(yīng)用。超寬帶（UWB）室內(nèi)定位技術(shù)因為系統(tǒng)占用寬帶很高，可能會干擾現(xiàn)有其他無線電通信系統(tǒng)，因此，超寬帶（UWB）室內(nèi)定位系統(tǒng)的頻率許可問題一直在爭論之中。盡管如此，學術(shù)界的種種爭論并不影響超寬帶（UWB）技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。另外，因為精確定位，需要建立較多的基站，使得超寬帶（UWB）室內(nèi)定位技術(shù)施工較為復(fù)雜，成本較高。

雖然存在一些缺陷，但隨著超寬帶（UWB）技術(shù)研究的深入，其技術(shù)和標準也越來越成熟，并不斷進行完善和發(fā)展，在“智慧消防”的大背景下，其在消防領(lǐng)域的應(yīng)用前景將越來越廣闊。

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Analysis on application

of ultra-wideband （UWB） in fire protection

Feng Shuaiqi，Liu Jinjun，Ding Yihui，Zhang Lingyun，

Jiang Linyuan，Wang Fan

China Fire and Rescue Institute

Abstract：As a wireless positioning technology， ultra-wideband （UWB） technology is known for its high transmission speed， anti-interference capacity， accurate location， low power consumption， invisibility and so on， which can position indoor objects with high precision. Hence， this technology can be applied in rescuer location in the fire site， so as to reduce the potential danger brought by unfamiliar environments in a complex building， and help the command center to supervise and guide their rescue movement in real time. It can also be used in the fire protection management of dangerous chemical warehouses， in order to make the accident precaution and handling more accurate and intelligent.

Keywords：ultra wideband （UWB） technology;location accuracy;personnel location;hazardous chemical