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(wú)線定位技術(shù)，具有傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高、低功耗、隱秘性好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)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(chǎng)定位，可有效解決消防救援人員在復(fù)雜建筑中開(kāi)展救援時(shí)，因?qū)Νh(huán)境不熟悉而對(duì)自身安全帶來(lái)的危險(xiǎn)，并有助于指揮中心對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督和指導(dǎo)救援。將其應(yīng)用于危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)的消防安全管理，使危險(xiǎn)化學(xué)品事故能夠預(yù)警，事故處置精準(zhǔn)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(xiǎn)化學(xué)品

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市中大體量的建筑層出不窮，給新時(shí)期的消防安全管理工作帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)?！跋焙汀胺馈笔窍腊踩芾砉ぷ鞯膬纱笾黝}，所謂“消”，就是消除災(zāi)害，保護(hù)生命和財(cái)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(shì)背景下，把現(xiàn)代信息科學(xué)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(gè)更高的層次，是新時(shí)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(lái)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(hào)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(gè)或某種特定場(chǎng)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(diǎn)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(wú)線定位技術(shù)相比，超寬帶（UWB）技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：數(shù)據(jù)傳輸速率極高，抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)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(guò)發(fā)射納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖，利用到達(dá)時(shí)間差和到達(dá)時(shí)間角度混合定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位，精度可達(dá)到10cm級(jí)，一般遮擋的情況下精度為30cm。可實(shí)現(xiàn)對(duì)大場(chǎng)景建筑物和地下目標(biāo)的精確定位。此外，由于UWB定位器造價(jià)低，價(jià)格便宜，適用于大面積應(yīng)用普及。

UWB發(fā)射的信號(hào)穿透能力非常強(qiáng)，可以輕易穿透常見(jiàn)的磚墻或混凝土墻壁、樹(shù)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(dá)探測(cè)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(diǎn)。

一個(gè)UWB傳感器定位單元最大覆蓋面積可達(dá)400m2，傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)發(fā)射與接收節(jié)點(diǎn)之間的最大通信距離可達(dá)60m?？筛鶕?jù)實(shí)際需求安裝定位單元，擴(kuò)大覆蓋面積，實(shí)現(xiàn)多個(gè)定位單元的聯(lián)合工作。尤其適合在會(huì)議展館、體育場(chǎng)等大型建筑室內(nèi)條件下的實(shí)時(shí)定位。

UWB是脈沖電波的工作方式，不工作時(shí)不會(huì)發(fā)出脈沖電波，其發(fā)射功率很小，這一優(yōu)勢(shì)，使得信號(hào)發(fā)射器可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作且無(wú)需更換電池。和其他無(wú)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(shì)下更加獨(dú)樹(shù)一幟。

目前常用進(jìn)行無(wú)線傳輸時(shí)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(jìn)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(lì)天線，通過(guò)不斷發(fā)送納秒級(jí)的脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息，而且不需要使用放大器與混頻器對(duì)頻率進(jìn)行改變，使得UWB使用的寬帶發(fā)射器造價(jià)低廉。UWB接收端也不需要進(jìn)行中頻處理，因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。UWB定位原理與GPS相似，其中：Anchor（基站）相當(dāng)于天上的衛(wèi)星，Tag（標(biāo)簽）相當(dāng)于用戶端的導(dǎo)航接收機(jī)，如手機(jī)。Anchor一般作為參考位置點(diǎn)安裝于固定參考點(diǎn);Tag一般作為待定位點(diǎn)，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(yùn)行狀態(tài)并向其他節(jié)點(diǎn)（ Anchor、Tag）下發(fā)指令，一般通過(guò)以太網(wǎng)或WIH連接服務(wù)器或計(jì)算機(jī)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(guò)測(cè)量Tag到Anchor的TOF（飛行時(shí)間），乘以光速后，Tag可以獲得Anchor的距離。通過(guò)到多個(gè)Anchor距離與參考 Anchor的坐標(biāo)，可以列出多組球面方程，進(jìn)而由數(shù)學(xué)方法可以求解出標(biāo)簽的坐標(biāo)。圖1為常見(jiàn)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(shí)知道期望去的位置，則可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航功能?；赨WB無(wú)線通信的本質(zhì)，也可將用戶數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線報(bào)文傳輸給其他節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信功能，也可進(jìn)一步擴(kuò)展為基于UWB傳輸?shù)腛TA（遠(yuǎn)程固件更新）功能。

基于UWB無(wú)線通信的本質(zhì)，也可將用戶數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線報(bào)文傳輸給其他節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信功能，也可進(jìn)一步擴(kuò)展為基于UWB傳輸?shù)腛TA（遠(yuǎn)程固件更新）功能。

2? 超寬帶（UWB）技術(shù)應(yīng)用于火場(chǎng)救援人員定位

現(xiàn)今社會(huì)，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?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，獲取救援人員在建筑物內(nèi)的準(zhǔn)確定位，能夠?qū)崟r(shí)掌握救援人員的位置及運(yùn)動(dòng)軌跡，便于救援的指揮和調(diào)度，在救援人員遇險(xiǎn)時(shí)能及時(shí)找到目標(biāo)，避免傷亡。由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)救援人員在建筑物內(nèi)部火災(zāi)救援過(guò)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(shì)。UWB定位系統(tǒng)使用極窄的射頻脈沖來(lái)傳播數(shù)據(jù)，具有極強(qiáng)的穿透力和抗多徑能力，能夠更好地克服惡劣環(huán)境對(duì)信號(hào)傳播的不利影響。UWB系統(tǒng)標(biāo)簽的功耗極低，使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，尤其是在火場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境中，不需要考慮更換電池的問(wèn)題。同時(shí)，由于UWB信號(hào)帶寬非常強(qiáng)，使其具有很高的時(shí)間分辨率，可實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)距。在建筑物內(nèi)部火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)指揮調(diào)度和營(yíng)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(duì)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(duì)區(qū)域內(nèi)人數(shù)進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，大大降低了消防救援人員的工作強(qiáng)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(gè)危險(xiǎn)邊界，為靠近危險(xiǎn)區(qū)域救援人與發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保證救援人員的生命安全。同時(shí)，應(yīng)用超寬帶（UWB）技術(shù)，在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，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(shí)間，從而提高了工作效率。該系統(tǒng)能夠匹配到手機(jī)、Ipad或者PAD終端設(shè)備中，這種先進(jìn)、高效、便捷的消防救援技術(shù)是未來(lái)消防領(lǐng)域單兵定位的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國(guó)外的科技公司正在開(kāi)發(fā)一套基于超寬帶（UWB）無(wú)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(guó)內(nèi)近年來(lái)也在超寬帶（UWB）的基礎(chǔ)上提出了一套應(yīng)用于火場(chǎng)救援的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)方案，其設(shè)計(jì)理念是，首先在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)四周臨時(shí)布置固定參考點(diǎn)，每個(gè)消防救援人員作為一個(gè)移動(dòng)點(diǎn)，當(dāng)人員在現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，通過(guò)無(wú)線電波傳輸時(shí)間的測(cè)量，得到移動(dòng)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的距離關(guān)系，在參考點(diǎn)位置已知的情況下，通過(guò)二角定位法，可得到移動(dòng)點(diǎn)的位置，并通過(guò)由固定參考點(diǎn)組成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，將該位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)得到位置信息后，通過(guò)電子地圖或其他形式，在屏幕上顯示出來(lái)。指揮人員可以根據(jù)地圖上的信息，實(shí)時(shí)了解火場(chǎng)救援人員的即時(shí)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(cāng)庫(kù)的定位預(yù)警

危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)一直以來(lái)都是消防安全管理重點(diǎn)領(lǐng)域，因其儲(chǔ)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(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生火災(zāi)事故經(jīng)常是在沒(méi)有預(yù)兆的情況下出現(xiàn)的，具有突發(fā)性強(qiáng)、火災(zāi)蔓延速度快、易形成立體火災(zāi)的特點(diǎn)。例如，天津港“8·12”事故造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的直接原因，就是危險(xiǎn)化學(xué)品硝化棉在高溫（天氣）等因素下分解放熱，積熱自燃未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，和其他危險(xiǎn)化學(xué)品長(zhǎng)時(shí)間大面積燃燒導(dǎo)致硝酸銨等危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生爆炸，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

數(shù)據(jù)表明，危險(xiǎn)化學(xué)品事故中，9%發(fā)生在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程。目前，我國(guó)對(duì)于危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)的消防安全管理水平依然落后，安全管理意識(shí)較差，隱患排查和事故預(yù)警技術(shù)遠(yuǎn)不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求。實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)消防安全管理的自動(dòng)化、信息化、智能化，是當(dāng)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(qiáng)、定位精度高、傳輸速度快和低耗電低功率的優(yōu)勢(shì)。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)適用于危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)的消防安全管理系統(tǒng)，利用UWB定位模塊與?；肥鹿饰ｋU(xiǎn)因子傳感器，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的感知、傳輸和智能分析功能，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)在事故發(fā)生前的定位預(yù)警、事故發(fā)生時(shí)的定位研判。

系統(tǒng)使用先進(jìn)的超窄脈沖精確測(cè)量飛行時(shí)間技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了底層的精確測(cè)距和計(jì)時(shí);結(jié)合位置解算算法，實(shí)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(shí)現(xiàn)定位功能的主體部分，包括定位微基站和定位微標(biāo)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(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至阿里云云端;數(shù)據(jù)解算層是通過(guò)由go語(yǔ)言編寫(xiě)的數(shù)據(jù)服務(wù)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽位置、溫度的計(jì)算并被顯示端調(diào)用來(lái)進(jìn)行顯示;應(yīng)用層則是針對(duì)?；穫}(cāng)庫(kù)的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)?；穬?chǔ)存狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及發(fā)生火災(zāi)后向消防救援人員及時(shí)提供火災(zāi)信息來(lái)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(kuò)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(jī)或路由器，G2為主基站，連接交換機(jī)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(guò)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(kuò)大，則再增加若干組擴(kuò)展基站組加入到網(wǎng)絡(luò)中即可。系統(tǒng)只有臺(tái)網(wǎng)關(guān)基站，可有多臺(tái)主基站、多臺(tái)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(wèn)網(wǎng)關(guān)基站獲取數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)可分為兩個(gè)版本，一個(gè)版本提供給倉(cāng)庫(kù)的管理者使用，該版本具備預(yù)警功能。當(dāng)事故危險(xiǎn)因子傳感器檢測(cè)到危險(xiǎn)因子數(shù)值達(dá)到異常閾值時(shí)，該系統(tǒng)界面將會(huì)顯示危險(xiǎn)因子異常預(yù)警，并通過(guò)UWB定位模塊來(lái)準(zhǔn)確定位異常區(qū)域。倉(cāng)庫(kù)管理者即可根據(jù)定位信息快速準(zhǔn)確地找到相關(guān)區(qū)域并進(jìn)行隱患處理。另一個(gè)版本提供給消防救援指揮中心，該版本具備事故報(bào)警和事故研判功能。當(dāng)事故因子傳感器檢測(cè)到危險(xiǎn)因子數(shù)值大于等于火警閾值時(shí)（火警閾值>異常閾值），系統(tǒng)界面將會(huì)顯示火災(zāi)警報(bào)，并通過(guò)智能化分析將倉(cāng)庫(kù)內(nèi)?；返奈恢梅植?、所儲(chǔ)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(chǎng)信息迅速制定滅火救援方案，組織消防救援人員現(xiàn)場(chǎng)處置。

該系統(tǒng)可通過(guò)超寬帶（UWB）技術(shù)的精確室內(nèi)定位功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能識(shí)別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全事故隱患;火災(zāi)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)對(duì)著火點(diǎn)位置的準(zhǔn)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(zhǔn)施策。既保證了救援的迅速高效，也保護(hù)了消防救援人員的生命安全。

4? 結(jié)語(yǔ)

時(shí)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?yàn)橄到y(tǒng)占用寬帶很高，可能會(huì)干擾現(xiàn)有其他無(wú)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(wèn)題一直在爭(zhēng)論之中。盡管如此，學(xué)術(shù)界的種種爭(zhēng)論并不影響超寬帶（UWB）技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。另外，因?yàn)榫_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(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越成熟，并不斷進(jìn)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(lái)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