李佳琦，李 森

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450001）

消防員擔(dān)負(fù)著滅火的重要職責(zé)，但是由于大型建筑的構(gòu)造往往十分復(fù)雜，當(dāng)消防員需進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場時(shí)，往往會(huì)因?yàn)椴皇煜そㄖ?gòu)造而迷路，對消防員的人身安全造成威脅，造成不必要的損失，對消防員進(jìn)行室內(nèi)的準(zhǔn)確定位技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)掌握消防員的位置及運(yùn)動(dòng)軌跡，能夠在消防員遇險(xiǎn)時(shí)及時(shí)找到目標(biāo)，也更有利于進(jìn)行救援工作。

目前，對人或物的位置感知主要通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），如GPS，伽利略，北斗等定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[1]，但在室內(nèi)環(huán)境中由于信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）和多路徑傳播較低易導(dǎo)致GNSS失敗，定位效果降低。尤其在火場環(huán)境中煙霧、水汽重，房間隔板、金屬結(jié)構(gòu)、家具以及容易混淆的傳感器等造成信號(hào)散射及多徑效應(yīng)明顯，對定位系統(tǒng)的穿透力、抗干擾能力、續(xù)航能力均有較高要求。目前多數(shù)常見的定位系統(tǒng)，如紫蜂協(xié)議（ZigBee）技術(shù)、射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)等在火災(zāi)環(huán)境中受惡劣環(huán)境影響較大，定位能力喪失或定位精度不能達(dá)到使用要求。在此背景下，超寬帶（Ultra Wideband，UWB）定位由于依據(jù)其特殊的定位機(jī)制，即使在火場復(fù)雜情況下依然能保持較好的定位特性[2]。因此，利用UWB定位系統(tǒng)對消防員進(jìn)行定位，能夠克服其他定位系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高消防員的安全機(jī)制。

1 UWB定位簡述

UWB信號(hào)是指通信頻段處于3.1～10.6 GHz的信號(hào)，其絕對帶寬大于500 MHz或相對帶寬不小于0.2[3]，UWB技術(shù)最初被稱為“基帶脈沖”，是一種能夠遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒o線技術(shù)。UWB也可以稱為非正弦通信技術(shù)和脈沖無線電。不用于其他通信技術(shù)，它在接收器（天線）與發(fā)射器（有源電池供電標(biāo)簽）之間通過非常窄的只有納秒及以下寬度的射頻脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，UWB自動(dòng)生成一個(gè)非常寬的帶寬，覆蓋范圍廣，能夠與其他電臺(tái)共存且干擾較小[4]。

UWB技術(shù)近年來在戶外/室內(nèi)位置估算方面引人矚目，許多公司如Ubisense，DecaWave和BeSpoon研發(fā)的定位模塊最高能達(dá)到10 cm的精度，視距范圍最高可達(dá)880 m，同時(shí)，BeSpoon開發(fā)的微型IR-UWB系統(tǒng)能夠?qū)WB技術(shù)成功集成到智能手機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了定位系統(tǒng)更便攜的操作[5]。

目前應(yīng)用于火災(zāi)環(huán)境的定位方式及系統(tǒng)鮮有人研究，UWB技術(shù)相較于其他定位方式在此類特殊環(huán)境中更具有優(yōu)勢。UWB定位系統(tǒng)由于依據(jù)極窄的射頻脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，具有良好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(hào)傳播的影響。UWB系統(tǒng)標(biāo)簽功耗只有5 mW，極低的功耗使系統(tǒng)能夠進(jìn)行長時(shí)間的工作，尤其是在火場的復(fù)雜環(huán)境中，不需考慮更換電池等問題。同時(shí)，由于UWB信號(hào)非常大的帶寬，帶來了非常高的時(shí)間分辨率，有助于實(shí)現(xiàn)高精度測距[6]。

2 火災(zāi)定位系統(tǒng)

在UWB定位系統(tǒng)中，一個(gè)完整的定位系統(tǒng)包括：（1）處理包括圖形用戶界面的計(jì)算機(jī)和集線器。（2）至少4個(gè)不同的高度UWB基站用于記錄視場中的實(shí)時(shí)三維信號(hào)數(shù)據(jù)。（3）低功耗和高功率的UWB標(biāo)簽作為被測量對象。（4）CAT-5e屏蔽線。

定位模塊可采用DecaWave公司開發(fā)的DWM1000模塊，作為一種高效的定位模塊，通信速率高達(dá)6.8 Mb/s，其最大定位距離可達(dá)100 m。支持高標(biāo)簽密度，20 m半徑內(nèi)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的密度可達(dá)11 000個(gè)[7]，因此，即使對多個(gè)消防員同時(shí)進(jìn)行定位也不會(huì)互相干擾。

DWM1000模塊支持到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位方式，按照TDOA定位方式，在三維空間中，至少由4個(gè)基站對一個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，通常選擇其中一個(gè)為主基站，另外3個(gè)為從基站。定位目標(biāo)在移動(dòng)過程中與基站之間的距離差為常數(shù)，其軌跡為雙曲面，定位目標(biāo)位于雙曲面交點(diǎn)處。假設(shè)主基站BS0(x0,y0,z0)，從基站BSi(xi,yi,zi),i=1,2,3…，標(biāo)簽MS(x,y,z)，依據(jù)TDOA原理，公式如下：

此定位方式因?yàn)椴恍枰嘿F的天線陣列，不必保證基站和目標(biāo)之間的時(shí)鐘嚴(yán)格同步，只需保證各基站之間的時(shí)鐘同步即可[8]，而實(shí)現(xiàn)基站之間時(shí)鐘同步的難度遠(yuǎn)小于實(shí)現(xiàn)基站與定位目標(biāo)之間的難度。不需要知道傳輸?shù)慕^對時(shí)間，降低了硬件和操作難度，有利于減小計(jì)算誤差，在實(shí)際中TDOA算法的應(yīng)用更為廣泛。

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，為保證供電安全，需切斷電路，保留消防用電，普通的定位系統(tǒng)因失去供電而無法工作，曹祥紅等[9]提出將定位基站安裝于消防應(yīng)急標(biāo)志燈具中，供電和信號(hào)傳輸均與消防聯(lián)動(dòng)控制線共用，能夠在發(fā)生火災(zāi)時(shí)保證模塊的供電、信息傳輸功能和聯(lián)動(dòng)功能，同時(shí)能夠節(jié)省空間，減少安裝成本。以某辦公樓一層建筑為例，建筑中應(yīng)急標(biāo)志燈具按照設(shè)計(jì)規(guī)范安裝于走廊、大廳、樓梯、安全出口等位置。圖中多個(gè)應(yīng)急標(biāo)志燈具同樣位置均在高度2.2 m處有應(yīng)急照明燈具，高度0.3 m處有消防疏散指示燈，因此燈具在二維圖中呈現(xiàn)重疊效果。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防員作為定位目標(biāo)移動(dòng)于走廊中，手持移動(dòng)標(biāo)簽與安裝于應(yīng)急標(biāo)志燈具中的基站進(jìn)行信號(hào)交換，基站通過TDOA方法計(jì)算出消防員的位置坐標(biāo)，通過消防聯(lián)動(dòng)控制線傳輸至中央控制臺(tái)。在消防員搜救過程中控制臺(tái)可通過設(shè)備直觀看到消防員的位置和移動(dòng)軌跡，在遇險(xiǎn)時(shí)能夠及時(shí)對其進(jìn)行援助，同時(shí)也能更好地指揮消防員展開救援工作。

3 基站布局分析

3.1 基站布局方式

在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榈匦蜗拗埔约凹尤攵ㄎ荒K的消防應(yīng)急標(biāo)志燈具的成本相較于普通消防應(yīng)急照明燈具大幅度提高，消防應(yīng)急標(biāo)志燈具在實(shí)際的安裝建設(shè)中并不一定每個(gè)燈具都要安裝定位模塊[10]。同時(shí)由于TDOA定位方式得到的系統(tǒng)定位精度受基站的布置方式影響較大，基站不合理分布會(huì)造成感知陰影和盲點(diǎn)，因此，需要在基站的布置方式以及網(wǎng)絡(luò)感知覆蓋率之間達(dá)到平衡[11]。

按照TDOA定位方法，至少需要4個(gè)基站對一個(gè)移動(dòng)標(biāo)簽進(jìn)行定位，通常基站的布局方式有Y型、菱形、倒三角形等[12]，以上述辦公樓為例，結(jié)合本建筑結(jié)構(gòu)及應(yīng)急標(biāo)志燈具位置，可采用倒三角形布局方式，如圖1所示，在建筑平面圖中，以最左側(cè)和最下方軸網(wǎng)分別作為x軸和y軸建立坐標(biāo)系，選取按照倒三角形結(jié)構(gòu)安裝定位模塊的應(yīng)急標(biāo)志燈具分別為位于走廊中部的3個(gè)疏散指示燈以及位于大廳的疏散指示燈，坐標(biāo)分別為（18.0，9.6，0.3），（32.5，9.6，0.3），（47.0，9.6，0.3），（28.8，4.0，0.3），單位為m。由于火場環(huán)境復(fù)雜，DWM1000定位模塊保守估計(jì)按照50 m的定位距離進(jìn)行計(jì)算，以所選基站為圓心作半徑為50 m的圓表示信號(hào)傳播范圍，信號(hào)覆蓋效果如圖2所示，可以看出，建筑公共區(qū)域能夠被每個(gè)基站覆蓋在信號(hào)傳播范圍內(nèi)，因此能夠滿足定位需求。

圖1 倒三角形基站布局示意

圖2 基站布局及基站信號(hào)覆蓋效果示意

3.2 定位精度分析

GDOP為精度的幾何稀釋，原本用于分析GPS定位系統(tǒng)中衛(wèi)星在坐標(biāo)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)對星座的GDOP和相應(yīng)的定位誤差[13]。在無線定位系統(tǒng)中，GDOP值可用來判斷基站位置對定位精度的影響。GDOP值越小，定位精度越高，依據(jù)TDOA算法[14]求得GDOP表達(dá)式如下。

對式（1）

目標(biāo)估計(jì)的定位誤差可以通過偽逆技術(shù)來評估：

假設(shè)修正后的測量誤差為零，基站位置誤差相互獨(dú)立，則位置誤差協(xié)方差可表示為：

依次選擇4個(gè)基站分別為主基站，并以此對所選基站方案的定位精度進(jìn)行仿真，定位范圍為消防員在建筑中活動(dòng)的公共區(qū)域x∈[14.4,57.6],y∈[0,16.8]，考慮消防員移動(dòng)時(shí)將定位標(biāo)簽攜帶在腰部，標(biāo)簽高度取z=1.2。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同主基站選擇下的GDOP值

由圖3可以看出，當(dāng)選取基站不同時(shí)，定位精度也具有較大差異，且在倒三角型布局模式中，只有當(dāng)主基站位于中間被其他3個(gè)基站圍繞的位置時(shí)，即圖1中主基站位于“基站2”位置時(shí)定位精度能夠在定位范圍內(nèi)均勻分布。由3（b）圖可以看出，文獻(xiàn)所提出的UWB定位系統(tǒng)基站布局方案能夠達(dá)到較好的精度，滿足消防員在火災(zāi)環(huán)境中的定位需求。

4 結(jié)語

由于消防員工作環(huán)境復(fù)雜，對消防員進(jìn)行定位存在必要性，UWB技術(shù)在火災(zāi)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境中能夠克服惡劣環(huán)境影響，具有極大的定位優(yōu)勢。UWB定位系統(tǒng)能夠?qū)⒍ㄎ荒K安裝于應(yīng)急標(biāo)志燈具中，保證在火災(zāi)發(fā)生時(shí)的正常用電，提高了定位系統(tǒng)的安全機(jī)制。GDOP值可用來分析定位基站布局的精度，論文分析了在建筑實(shí)例中定位基站以倒三角形的安裝方式的精度，并對GDOP值進(jìn)行仿真，在選取合適主基站的情況下精度值表明此方案完全可行。

火災(zāi)現(xiàn)場作為一種特殊的情況，仍有許多因素限制定位的能力與精度，UWB定位技術(shù)能夠幫助消防人員更高效地展開人員調(diào)度及營救工作，減少消防人員因不熟悉救援環(huán)境造成的傷亡，降低惡劣環(huán)境對消防員的生命威脅。隨著UWB技術(shù)研究的深入，其技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)也越來越成熟，已取得了巨大的進(jìn)步。其超寬的帶寬和其獨(dú)有的通信特點(diǎn)決定了超寬帶定位系統(tǒng)在室外、室內(nèi)等各種環(huán)境下均能得到較好的應(yīng)用。