超寬帶（UWB）技術在消防領域的應用淺析

馮帥頎 劉晉軍 丁毅暉 張凌云 蔣林原 汪凡

摘要：超寬帶（UWB）技術作為一種無線定位技術，具有傳輸速度快、抗干擾能力強、定位精度高、低功耗、隱秘性好等優點，可實現高精度的室內定位。將其應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雜建筑中開展救援時，因對環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督和指導救援。將其應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警，事故處置精準化、智能化。

關鍵詞：超寬帶（UWB）技術;定位精度;人員定位;危險化學品

近年來，隨著社會經濟的高速發展，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。“消”和“防”是消防安全管理工作的兩大主題，所謂“消”，就是消除災害，保護生命和財產安全;所謂“防”就是消除災害隱患，預防災害的發生。在“全災種、大應急”的形勢背景下，把現代信息科學技術、網絡技術和智能化引入消防領域，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。

1? 超寬帶（UWB）技術

超寬帶（UWB）技術是近年來新興的一種定位技術。物聯網領域現在使用的定位技術主要有衛星定位技術、WiFi定位技術、RFID定位技術、ZigBee定位技術等。其中衛星定位技術只適用于室外;WiFi定位技術在信號覆蓋范圍內可用于室內，其定位精度為3～15m;RFID定位技術服務范圍基本上都是限于某個或某種特定場館，可室內定位，其定位精度最小為3～10m;ZigBee定位技術服務范圍在節點形成的組織網絡區域，可室內定位，其定位精度為3～5m。以上三種室內定位技術，定位精度低，且容易受到干擾，定位穩定性難以適應室內應用的要求。

和其他無線定位技術相比，超寬帶（UWB）技術具有獨特的優勢：數據傳輸速率極高，抗多徑效應能力強，具有很強的穿透性，是室內定位技術的佼佼者。超寬帶（UWB）定位技術通過發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，實現高精度室內定位，精度可達到10cm級，一般遮擋的情況下精度為30cm。可實現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，適用于大面積應用普及。

UWB發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，以及在火災和其他自然災害中救援被困在建筑物中的人員。

超寬帶（UWB）技術除了定位精度高以外，還具有范圍覆蓋廣、功耗低、系統復雜度低、隱秘性好、保密性好等優點。

一個UWB傳感器定位單元最大覆蓋面積可達400m2，傳感器網絡的信號發射與接收節點之間的最大通信距離可達60m。可根據實際需求安裝定位單元，擴大覆蓋面積，實現多個定位單元的聯合工作。尤其適合在會議展館、體育場等大型建筑室內條件下的實時定位。

UWB是脈沖電波的工作方式，不工作時不會發出脈沖電波，其發射功率很小，這一優勢，使得信號發射器可以長時間連續工作且無需更換電池。和其他無線載波技術連續性發出載電波相比，不僅能大幅降低能耗，而且在倡導使用綠色能源和節能環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電波，由于通信載波頻率及功率在一定范圍內不斷變化，就可以利用這種載波的變化狀態進行信息的傳輸。超寬帶（UWB）技術則是UWB發射器用脈沖小型激勵天線，通過不斷發送納秒級的脈沖來傳輸數據信息，而且不需要使用放大器與混頻器對頻率進行改變，使得UWB使用的寬帶發射器造價低廉。UWB接收端也不需要進行中頻處理，因此，系統結構更加簡單。UWB定位原理與GPS相似，其中：Anchor（基站）相當于天上的衛星，Tag（標簽）相當于用戶端的導航接收機，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;網關基站除了有定位功能，還能監控系統的運行狀態并向其他節點（ Anchor、Tag）下發指令，一般通過以太網或WIH連接服務器或計算機等設備。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，則可實現實時導航功能。基于UWB無線通信的本質，也可將用戶數據通過無線報文傳輸給其他節點，從而實現節點間的通信功能，也可進一步擴展為基于UWB傳輸的OTA（遠程固件更新）功能。

基于UWB無線通信的本質，也可將用戶數據通過無線報文傳輸給其他節點，從而實現節點間的通信功能，也可進一步擴展為基于UWB傳輸的OTA（遠程固件更新）功能。

2? 超寬帶（UWB）技術應用于火場救援人員定位

現今社會，結構復雜的高層建筑和大型商業綜合體大量存在。火災發生時，獲取救援人員在建筑物內的準確定位，能夠實時掌握救援人員的位置及運動軌跡，便于救援的指揮和調度，在救援人員遇險時能及時找到目標，避免傷亡。由于火災現場不確定性大、火災建筑物內部環境條件（例如濃煙、高溫、斷電、倒塌）復雜等因素，使得對救援人員在建筑物內部火災救援過程中的定位較為困難。

超寬帶（UWB）技術應用于火災環境的定位方式相較于其他定位方式具有不可比擬的優勢。UWB定位系統使用極窄的射頻脈沖來傳播數據，具有極強的穿透力和抗多徑能力，能夠更好地克服惡劣環境對信號傳播的不利影響。UWB系統標簽的功耗極低，使系統能夠長時間工作，尤其是在火場的復雜環境中，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，可實現高精度的測距。在建筑物內部火災現場的復雜環境中，UWB定位技術幫助救援人員高效地展開指揮調度和營救工作;最大程度減少救援人員因不熟悉環境造成的傷亡，降低惡劣環境對救援人員的生命威脅。

此技術還能用于確定受災區域的人數，對區域內人數進行全程動態監測，大大降低了消防救援人員的工作強度。此外，應用超寬帶（UWB）技術在受災區域設置多個危險邊界，為靠近危險區域救援人與發出報警信號，保證救援人員的生命安全。同時，應用超寬帶（UWB）技術，在發生突發事件時，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。該系統能夠匹配到手機、Ipad或者PAD終端設備中，這種先進、高效、便捷的消防救援技術是未來消防領域單兵定位的一個重要發展趨勢。

目前，國外的科技公司正在開發一套基于超寬帶（UWB）無線電人員定位系統。該系統可以跟蹤墻厚為30～60cm的建筑物內的消防救援人員，具有很大的應用潛力。國內近年來也在超寬帶（UWB）的基礎上提出了一套應用于火場救援的實時定位系統方案，其設計理念是，首先在災害現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，當人員在現場內移動時，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絡，將該位置信息實時發送到后臺計算機，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）技術應用于危化品倉庫的定位預警

危險化學品倉庫一直以來都是消防安全管理重點領域，因其儲存物品的特殊性，一旦發生事故，后果將是災難性的。一般情況下，危險化學品發生火災事故經常是在沒有預兆的情況下出現的，具有突發性強、火災蔓延速度快、易形成立體火災的特點。例如，天津港“8·12”事故造成重大人員傷亡和財產損失的直接原因，就是危險化學品硝化棉在高溫（天氣）等因素下分解放熱，積熱自燃未及時發現，和其他危險化學品長時間大面積燃燒導致硝酸銨等危險化學品發生爆炸，造成重大人員傷亡和財產損失。

數據表明，危險化學品事故中，9%發生在倉儲過程。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，隱患排查和事故預警技術遠不能適應社會發展的要求。實現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”建設中的重要環節。

基于超寬帶（UWB）技術的抗干擾能力強、定位精度高、傳輸速度快和低耗電低功率的優勢。在物聯網技術構建的基礎上，研究開發適用于危險化學品倉庫的消防安全管理系統，利用UWB定位模塊與危化品事故危險因子傳感器，通過物聯網的感知、傳輸和智能分析功能，實現危險化學品倉庫在事故發生前的定位預警、事故發生時的定位研判。

系統使用先進的超窄脈沖精確測量飛行時間技術，實現了底層的精確測距和計時;結合位置解算算法，實現了上層的精確定位。整體上，定位系統由定位硬件層、網絡連接層、數據解算層和應用層組成。定位硬件層是智慧消防系統實現定位功能的主體部分，包括定位微基站和定位微標簽;網絡連接層用于將定位微基站采集的數據通過無線網絡傳輸至阿里云云端;數據解算層是通過由go語言編寫的數據服務軟件來實現標簽位置、溫度的計算并被顯示端調用來進行顯示;應用層則是針對危化品倉庫的需求，實現對危化品儲存狀況的實時監控以及發生火災后向消防救援人員及時提供火災信息來輔助決策。（系統架構如圖2所示）

如圖所示，為8基站的典型架構，其中Gl/A1/A2/A3組成一組基站，覆蓋小于25×25m面積的區域，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為網關基站，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需設置為同一網段：A/A/A3/A4/A5/A6為從基站，只需供電即可，通過UWB自組網連接其附近的網關基站或主基站。

如系統再需擴大，則再增加若干組擴展基站組加入到網絡中即可。系統只有臺網關基站，可有多臺主基站、多臺從基站PC或服務器與網關基站、主基站連接到同一網段網絡，即可訪問網關基站獲取數據。

系統可分為兩個版本，一個版本提供給倉庫的管理者使用，該版本具備預警功能。當事故危險因子傳感器檢測到危險因子數值達到異常閾值時，該系統界面將會顯示危險因子異常預警，并通過UWB定位模塊來準確定位異常區域。倉庫管理者即可根據定位信息快速準確地找到相關區域并進行隱患處理。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值大于等于火警閾值時（火警閾值>異常閾值），系統界面將會顯示火災警報，并通過智能化分析將倉庫內危化品的位置分布、所儲存危化品的種類與相應的滅火處置方案顯示在系統界面上。消防救援指揮中心將根據現場信息迅速制定滅火救援方案，組織消防救援人員現場處置。

該系統可通過超寬帶（UWB）技術的精確室內定位功能，實現對危險化學品儲存狀態的實時監控和智能識別，及時發現安全事故隱患;火災發生時，系統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? 結語

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

雖然存在一些缺陷，但隨著超寬帶（UWB）技術研究的深入，其技術和標準也越來越成熟，并不斷進行完善和發展，在“智慧消防”的大背景下，其在消防領域的應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