超宽带（UWB）技术在消防领域的应用浅析

冯帅颀 刘晋军 丁毅晖 张凌云 蒋林原 汪凡

摘要：超宽带（UWB）技术作为一种无线定位技术，具有传输速度快、抗干扰能力强、定位精度高、低功耗、隐秘性好等优点，可实现高精度的室内定位。将其应用于消防救援人员火场定位，可有效解决消防救援人员在复杂建筑中开展救援时，因对环境不熟悉而对自身安全带来的危险，并有助于指挥中心对其进行实时监督和指导救援。将其应用于危险化学品仓库的消防安全管理，使危险化学品事故能够预警，事故处置精准化、智能化。

关键词：超宽带（UWB）技术;定位精度;人员定位;危险化学品

近年来，随着社会经济的高速发展，城市中大体量的建筑层出不穷，给新时期的消防安全管理工作带来了前所未有的挑战。“消”和“防”是消防安全管理工作的两大主题，所谓“消”，就是消除灾害，保护生命和财产安全;所谓“防”就是消除灾害隐患，预防灾害的发生。在“全灾种、大应急”的形势背景下，把现代信息科学技术、网络技术和智能化引入消防领域，建立“智慧消防”体系，将“消”和“防”提升到一个更高的层次，是新时代赋予消防安全管理的新任务。

1  超宽带（UWB）技术

超宽带（UWB）技术是近年来新兴的一种定位技术。物联网领域现在使用的定位技术主要有卫星定位技术、WiFi定位技术、RFID定位技术、ZigBee定位技术等。其中卫星定位技术只适用于室外;WiFi定位技术在信号覆盖范围内可用于室内，其定位精度为3～15m;RFID定位技术服务范围基本上都是限于某个或某种特定场馆，可室内定位，其定位精度最小为3～10m;ZigBee定位技术服务范围在节点形成的组织网络区域，可室内定位，其定位精度为3～5m。以上三种室内定位技术，定位精度低，且容易受到干扰，定位稳定性难以适应室内应用的要求。

和其他无线定位技术相比，超宽带（UWB）技术具有独特的优势：数据传输速率极高，抗多径效应能力强，具有很强的穿透性，是室内定位技术的佼佼者。超宽带（UWB）定位技术通过发射纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲，利用到达时间差和到达时间角度混合定位技术，实现高精度室内定位，精度可达到10cm级，一般遮挡的情况下精度为30cm。可实现对大场景建筑物和地下目标的精确定位。此外，由于UWB定位器造价低，价格便宜，适用于大面积应用普及。

UWB发射的信号穿透能力非常强，可以轻易穿透常见的砖墙或混凝土墙壁、树叶、木质及雨雾等自然界的遮蔽物。因此，军事上可利用超宽带（UWB）雷达探测地雷，可帮助警察搜寻隔墙的逃犯，以及在火灾和其他自然灾害中救援被困在建筑物中的人员。

超宽带（UWB）技术除了定位精度高以外，还具有范围覆盖广、功耗低、系统复杂度低、隐秘性好、保密性好等优点。

一个UWB传感器定位单元最大覆盖面积可达400m2，传感器网络的信号发射与接收节点之间的最大通信距离可达60m。可根据实际需求安装定位单元，扩大覆盖面积，实现多个定位单元的联合工作。尤其适合在会议展馆、体育场等大型建筑室内条件下的实时定位。

UWB是脉冲电波的工作方式，不工作时不会发出脉冲电波，其发射功率很小，这一优势，使得信号发射器可以长时间连续工作且无需更换电池。和其他无线载波技术连续性发出载电波相比，不仅能大幅降低能耗，而且在倡导使用绿色能源和节能环保的大趋势下更加独树一帜。

目前常用进行无线传输时的通信载波一般采用的是连续电波，由于通信载波频率及功率在一定范围内不断变化，就可以利用这种载波的变化状态进行信息的传输。超宽带（UWB）技术则是UWB发射器用脉冲小型激励天线，通过不断发送纳秒级的脉冲来传输数据信息，而且不需要使用放大器与混频器对频率进行改变，使得UWB使用的宽带发射器造价低廉。UWB接收端也不需要进行中频处理，因此，系统结构更加简单。UWB定位原理与GPS相似，其中：Anchor（基站）相当于天上的卫星，Tag（标签）相当于用户端的导航接收机，如手机。Anchor一般作为参考位置点安装于固定参考点;Tag一般作为待定位点，安装于待定位载体，如人员车辆、物资上;网关基站除了有定位功能，还能监控系统的运行状态并向其他节点（ Anchor、Tag）下发指令，一般通过以太网或WIH连接服务器或计算机等设备。UWB属于电磁波，其在真空中的传播速度与光速相同。通过测量Tag到Anchor的TOF（飞行时间），乘以光速后，Tag可以获得Anchor的距离。通过到多个Anchor距离与参考 Anchor的坐标，可以列出多组球面方程，进而由数学方法可以求解出标签的坐标。图1为常见的三边定位原理示意图：

在獲得定位信息后，如果已知环境信息（如障碍物位置、可走的路径），同时知道期望去的位置，则可实现实时导航功能。基于UWB无线通信的本质，也可将用户数据通过无线报文传输给其他节点，从而实现节点间的通信功能，也可进一步扩展为基于UWB传输的OTA（远程固件更新）功能。

基于UWB无线通信的本质，也可将用户数据通过无线报文传输给其他节点，从而实现节点间的通信功能，也可进一步扩展为基于UWB传输的OTA（远程固件更新）功能。

2  超宽带（UWB）技术应用于火场救援人员定位

现今社会，结构复杂的高层建筑和大型商业综合体大量存在。火灾发生时，获取救援人员在建筑物内的准确定位，能够实时掌握救援人员的位置及运动轨迹，便于救援的指挥和调度，在救援人员遇险时能及时找到目标，避免伤亡。由于火灾现场不确定性大、火灾建筑物内部环境条件（例如浓烟、高温、断电、倒塌）复杂等因素，使得对救援人员在建筑物内部火灾救援过程中的定位较为困难。

超宽带（UWB）技术应用于火灾环境的定位方式相较于其他定位方式具有不可比拟的优势。UWB定位系统使用极窄的射频脉冲来传播数据，具有极强的穿透力和抗多径能力，能够更好地克服恶劣环境对信号传播的不利影响。UWB系统标签的功耗极低，使系统能够长时间工作，尤其是在火场的复杂环境中，不需要考虑更换电池的问题。同时，由于UWB信号带宽非常强，使其具有很高的时间分辨率，可实现高精度的测距。在建筑物内部火灾现场的复杂环境中，UWB定位技术帮助救援人员高效地展开指挥调度和营救工作;最大程度减少救援人员因不熟悉环境造成的伤亡，降低恶劣环境对救援人员的生命威胁。

此技术还能用于确定受灾区域的人数，对区域内人数进行全程动态监测，大大降低了消防救援人员的工作强度。此外，应用超宽带（UWB）技术在受灾区域设置多个危险边界，为靠近危险区域救援人与发出报警信号，保证救援人员的生命安全。同时，应用超宽带（UWB）技术，在发生突发事件时，能够迅速定位受困人员的位置，大大加快了救援人员的救援时间，从而提高了工作效率。该系统能够匹配到手机、Ipad或者PAD终端设备中，这种先进、高效、便捷的消防救援技术是未来消防领域单兵定位的一个重要发展趋势。

目前，国外的科技公司正在开发一套基于超宽带（UWB）无线电人员定位系统。该系统可以跟踪墙厚为30～60cm的建筑物内的消防救援人员，具有很大的应用潜力。国内近年来也在超宽带（UWB）的基础上提出了一套应用于火场救援的实时定位系统方案，其设计理念是，首先在灾害现场四周临时布置固定参考点，每个消防救援人员作为一个移动点，当人员在现场内移动时，通过无线电波传输时间的测量，得到移动点与参考点之间的距离关系，在参考点位置已知的情况下，通过二角定位法，可得到移动点的位置，并通过由固定参考点组成的无线传感网络，将该位置信息实时发送到后台计算机，计算机得到位置信息后，通过电子地图或其他形式，在屏幕上显示出来。指挥人员可以根据地图上的信息，实时了解火场救援人员的即时状况，并作出正确的救援指挥决策。

3  超宽带（UWB）技术应用于危化品仓库的定位预警

危险化学品仓库一直以来都是消防安全管理重点领域，因其储存物品的特殊性，一旦发生事故，后果将是灾难性的。一般情况下，危险化学品发生火灾事故经常是在没有预兆的情况下出现的，具有突发性强、火灾蔓延速度快、易形成立体火灾的特点。例如，天津港“8·12”事故造成重大人员伤亡和财产损失的直接原因，就是危险化学品硝化棉在高温（天气）等因素下分解放热，积热自燃未及时发现，和其他危险化学品长时间大面积燃烧导致硝酸铵等危险化学品发生爆炸，造成重大人员伤亡和财产损失。

数據表明，危险化学品事故中，9%发生在仓储过程。目前，我国对于危险化学品仓库的消防安全管理水平依然落后，安全管理意识较差，隐患排查和事故预警技术远不能适应社会发展的要求。实现危险化学品仓库消防安全管理的自动化、信息化、智能化，是当今“智慧消防”建设中的重要环节。

基于超宽带（UWB）技术的抗干扰能力强、定位精度高、传输速度快和低耗电低功率的优势。在物联网技术构建的基础上，研究开发适用于危险化学品仓库的消防安全管理系统，利用UWB定位模块与危化品事故危险因子传感器，通过物联网的感知、传输和智能分析功能，实现危险化学品仓库在事故发生前的定位预警、事故发生时的定位研判。

系统使用先进的超窄脉冲精确测量飞行时间技术，实现了底层的精确测距和计时;结合位置解算算法，实现了上层的精确定位。整体上，定位系统由定位硬件层、网络连接层、数据解算层和应用层组成。定位硬件层是智慧消防系统实现定位功能的主体部分，包括定位微基站和定位微标签;网络连接层用于将定位微基站采集的数据通过无线网络传输至阿里云云端;数据解算层是通过由go语言编写的数据服务软件来实现标签位置、温度的计算并被显示端调用来进行显示;应用层则是针对危化品仓库的需求，实现对危化品储存状况的实时监控以及发生火灾后向消防救援人员及时提供火灾信息来辅助决策。（系统架构如图2所示）

如图所示，为8基站的典型架构，其中Gl/A1/A2/A3组成一组基站，覆盖小于25×25m面积的区域，G2/A4/A5/A6（扩展基站组）组成另外一组基站，总最大覆盖面积为25×75m，其中G1为网关基站，连接交换机或路由器，G2为主基站，连接交换机或路由器，G1与G2需设置为同一网段：A/A/A3/A4/A5/A6为从基站，只需供电即可，通过UWB自组网连接其附近的网关基站或主基站。

如系统再需扩大，则再增加若干组扩展基站组加入到网络中即可。系统只有台网关基站，可有多台主基站、多台从基站PC或服务器与网关基站、主基站连接到同一网段网络，即可访问网关基站获取数据。

系统可分为两个版本，一个版本提供给仓库的管理者使用，该版本具备预警功能。当事故危险因子传感器检测到危险因子数值达到异常阈值时，该系统界面将会显示危险因子异常预警，并通过UWB定位模块来准确定位异常区域。仓库管理者即可根据定位信息快速准确地找到相关区域并进行隐患处理。另一个版本提供给消防救援指挥中心，该版本具备事故报警和事故研判功能。当事故因子传感器检测到危险因子数值大于等于火警阈值时（火警阈值>异常阈值），系统界面将会显示火灾警报，并通过智能化分析将仓库内危化品的位置分布、所储存危化品的种类与相应的灭火处置方案显示在系统界面上。消防救援指挥中心将根据现场信息迅速制定灭火救援方案，组织消防救援人员现场处置。

该系统可通过超宽带（UWB）技术的精确室内定位功能，实现对危险化学品储存状态的实时监控和智能识别，及时发现安全事故隐患;火灾发生时，系统对着火点位置的准确定位和燃烧物种类及处置方式的智能研判，使得消防救援人员能在救援装备的使用和救援方案的制定上做到精准施策。既保证了救援的迅速高效，也保护了消防救援人员的生命安全。

4  結语

时至今日，超宽带（UWB）技术已经在石油化工、煤矿/矿井、电力能源、隧道工程等行业得以广泛地应用。超宽带（UWB）室内定位技术因为系统占用宽带很高，可能会干扰现有其他无线电通信系统，因此，超宽带（UWB）室内定位系统的频率许可问题一直在争论之中。尽管如此，学术界的种种争论并不影响超宽带（UWB）技术的开发和应用。另外，因为精确定位，需要建立较多的基站，使得超宽带（UWB）室内定位技术施工较为复杂，成本较高。

虽然存在一些缺陷，但随着超宽带（UWB）技术研究的深入，其技术和标准也越来越成熟，并不断进行完善和发展，在“智慧消防”的大背景下，其在消防领域的应用前景将越来越广阔。

参考文献：

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[3]陈晓，辛树奇.浅析UWB超宽带定位系统的发展应用[J].科技致富导向，2015（05）：219-219+298.

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[5]钱其沛，潘倩倩，刘艳，张昀.基于物联网的危化品仓库远程监控及巡检系统设计[J].科技进步与实践，2019，19（10）：163-166.

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