消防定位

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消防定位是了减少消防员在火场承担的风险,在充满烟雾的房间内对人进行精确定位的技术。
中文名
消防定位
外文名
概    述
是一个科学研究的课题
技    术
GPS

消防定位概述

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定位技术以及人员的定位是一个科学研究的课题,人们对定位与导航的需求日益增大,尤其在复杂的城市环境,如密集的小区、大楼的内部、机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中,常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息,特别在灾害现场,高层楼宇抢险搜救等行业中都有着重要的应用。但是受定位时间、定位精度以及复杂环境等条件的限制,依靠卫星定位的卫星定位系统无法很好地利用。对于户外环境,GPS 是一种成熟的无线定位技术,已在很多行业得到了广泛的应用;但是在人们活动最为频繁的室内环境中是无法接收到 GPS 信号。为此,人们探索了很多技术方法以满足无线室内定位的需求。随着无线通信技术的发展,专家学者提出了许多以电磁波这类无线信号为基础的定位技术解决方案,例如WiFi、ZigBee、蓝牙和超宽带等,这些技术在拥挤的城市街道、办公室、家庭、工厂等复杂的环境下得到了广泛应用。
在 这里重点提出的是室内定位技术和室内定位系统及其相关技术问题。虽然室内定位是定位技术的一种,和室外的无线定位技术相比有一定的共性,但是室内环境的复 杂性和对定位精度和安全性的特殊要求,使得室内无线定位技术有着不同于普通定位系统的鲜明特点,而且这些特点是户外定位技术所不具备的。

消防定位无线室内定位的关键技术

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与 户外环境相比,室内环境要复杂的多。建筑物的布局、内部结构、材料、装饰装修情况等都会对室内定位的效果产生影响。除去纯技术方面的考虑,许多人为的限制 因素,如安全性,个人隐私的考虑等,也对室内定位技术体系有很大的影响。从不同的应用和需求出发,人们提出了很多种不同的可用于室内定位的技术方法,如利 用红外,超声波,无线电波的传播模型等推算位置。这些方法一般都有很强的应用背景,适用的定位服务对象也不尽相同。我们对目前的一些室内定位技术和定位服 务需求进行了考察,总结出以下几个重要的特点。
1、定位系统坐标系的配置和位置信息的表达方法 :
坐标系的建立是室内定位的前提。GPS 通过全球经纬坐标系统定位,可以给出某一点精确的经纬度。一般说来,室内定位系统是针对某一建筑物建立独立的坐标体系,并以此为定位依据。当然,我们也完全可以通过若干控制点的测量,换算建筑物独立坐标和全球坐标系统,以实现室内室外坐标系的整合。
在计算目标坐标位置时,一些定位系统建立固定的坐标系统,有固定的参照点;而另一些系统则不依赖固定的参照点定位,或者虽然通过和参照点的相对位置表达信息,但参照点的位置却是动态变化的,每一个被定位对象的坐标都用它和其他物体的相对位置决定。也就是说系统并不真正建立一个坐标系统,而只是在需要的时候才进行换算。在室内环境中,人们往往不需要或者不关心定位对象的绝对坐标位置,人们更希望系统能够提供诸如“消防员救助人员在一楼大厅,需要救护的人员在 20层楼936房间”,这样的定位信息实际上是一种地址信息。地址信息是一种模糊的信息,并不能直接显示在地图上。
地理信息系统(GIS)中为了解决这个问题,提出了地址编码(Geocoding)技术,用来匹配地址信息和地图位置。由于在室内定位系统中,人们普遍关注地址信息,因此地址编码在室内定位系统中将发挥重要的作用。
2、 位置信息通信和室内位置信息计算的安全性:
人或物体在室内的位置是敏感的。除非在特定的环境下,人们并不希望把自己的位置信息透露给不相干的人,这就出现了位置信息的安全性问题。这个问题包括两个方面:一是位置信息的计算方式,二是位置信息传输的安全性。
目前主要的位置计算方式是由计算机中心服务器集中处理所有被定位者的信息,并按照一定的方式向相关人员广播。一般认为本地计算是更安全的方式,系统应至少能够允许进行本地计算。
3、 室内定位的精度 :
不 同的应用对定位精度有着不同的要求。室内环境本身比较小,一般说来要求定位精度比较高,这样才能够满足应用需要。但是室内定位需要回答的往往是这样的问 题:“需要救护的受伤者在哪个房间”?而被定位者在房间中的位置我们大部分情况下并不关心,因此实际上只要能够达到定位到房间就可以满足实际需要了。定位 精度可以通过改进设备来不断提高,但是我们需要在精度和经济效益之间作出权衡。
4、定位跟踪和方向判别:
方向判别是定位系统中常见的问题。行进方向是很重要的信息,如 GPS 车辆导航中对车辆行进方向的判别。室内定位系统除了要求能够跟踪运动物体,判断行进方向外,我们往往还要求能够判断静止物体的朝向,例如人员的面向位置。静止时物体朝向是室内定位中所特有的一个问题,也是一个很重要的问题。这个功能在关于RADAR 室内定位系统中有所涉及。RADAR 系统的定位是使用无线网络的基础设施,通过对无线网卡和无线接入器(Access Point)所收到的信号强度,信噪比等参数来推算移动目标的位置。
5、 自动识别能力 :
定位系统要求具备一定的自动识别能力。这种识别能力一般可以通过把身份识别系统和室内定位系统集成起来,如胸卡识别和条形码识别。我们还可以把成像系统或语音系统和定位系统结合,这样就可以具备更复杂的识别能力。
6、 系统稳定性:
无 线室内定位最关键之一是必须达到一定的稳定性,对于室内环境的变化能够有一定的自我调节或适应能力。由于室内环境的格局,物品的摆放,装饰装修都有可能频 繁变化,这要求定位技术必须具备一定抵抗环境变化干扰的能力。如房屋的格局如果发生了有限的变动,或用于定位的设备部分发生故障,我们希望系统仍然能够继 续正常工作,或能够通过人工或自适应的方式进行调节,保证定位系统的可用性。从目前的技术来看,室内定位系统的抗环境干扰能力,稳定性都存在一定的问题, 这是无线室内定位技术需要着重研究解决的一个问题。

消防定位主要的无线室内定位发射、接收方式:

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一般的,我们可以把定位系统的组成部分为两类:移动单元和固定单元。固定单元是定位系统的基础设施,相当于移动通信中的基站,它的位置是不能轻易变动的;移动单元是被定位的人或物所携带的设备,通常是轻便的信号发射或接收装置。移动单元通过和固定单元通信来确定它相对于固定单元的位置,从而得到它在真实世界中的坐标。 设备的移动端和固定端都有可能接收或发射信号,这取决于定位系统的工作模式。一般的,定位系统有下列几种工作模式:
1)采用单一的移动发射设备,多个设备在不同位置同步接收:
信号从一个佩戴的移动单元发射,并由多个位置通过物理网络连接且时间一致的信号接收设备来接收。这种工作模式可以很容易的获得信号到达各站点的时间差,从而根据数学模型求解出移动端的坐标。
2)采用同一时间多个设备同步发射,使用单一的移动设备接收:
信号由多个已知位置的时间同步装置发射,由佩戴的移动端接收,并根据信号计算自己的位置。这种工作模式移动端可自主进行定位计算和位置信息公布。
3)采用两种或两种以上的信号同步发射,使用单一的移动设备接收:
两种或两种以上的信号从一个已知位置的发射单元同时发出,移动设备具备同时接收这几种信号的能力,并根据接收到的几种信号的时间差和速度来确定位置。
一般来讲,无论使用以上何种定位接收、发射方法,定位系统对位置的计算一般都要先获得和位置相关的变量,然后再利用数学物理模型来求算位置坐标。常用的位置相关变量主要与信号传播时间,接收信号强度,信号抵达时间差,位置计算方法有关。

消防定位用于无线定位的技术

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无线定位技术主要有以下几种:
1)红外线定位技术
2)超声波定位技术
3)蓝牙定位技术
4)射频识别技术
5)超宽带定位技术
6)WIFI网络定位
7)ZigBee技术
1、红外线室内定位技术:
红外线室内定位技术定位的原理是,通过红外线IR LED标识来发射调制能量在电磁波频谱范围内,波长大于700nm,比可见光略长,但是又比无线电波波长短的射线红外射线,通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度,但是由于光线不能穿过障碍物,使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作,需要在每个房间、走廊安装接收天线,造价较高。因此,红外线只适合短距离传播,而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰,在精确定位上有局限性。
2、超声波定位技术:
超声波测距主要采用反射式测距法,是通过三角定位等算法确定物体的位置, 即发射超声波并接收由被测物产生的回波,根据回波与发射波的时间差计算出待测距离,有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器 组成,主测距器放置在被测物体上,在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号,应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波 信号,得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时,可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。
  超声波定位整体定位精度较高,结构简单,但超声波受多径效应和非视距传播影响很大,同时需要大量的底层硬件设施投资,成本太高。
  3、 蓝牙技术:
蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术,在室内安装适当的蓝牙局域网接入点,把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式,并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备,就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位,例如单层大厅或仓库。
  蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在 PDA、PC以及手机中,因此很容易推广普及。理论上,对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户,只要设备的蓝牙功能开启,蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵,而且对于复杂的空间环境,蓝牙系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大。
  4、射频识别技术:
射频识别技术,是利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这 种技术作用距离短,一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围很大,成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点,可望成 为优选的室内定位技术。目前,射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小,造价比较 低,但是作用距离近,不具有通信能力,而且不便于整合到其他系统之中。
  5、超宽带技术:
超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波,是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据定位的。该纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲具有GHz量级的带宽(GHz千兆赫兹的简写,是超高频(UHF)和微波信号的频率指示单位)。超宽带可用于室内精确定位,例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。
  超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。
  6、Wi-Fi技术:
“Wi-Fi”是(Wireless Fidelity )无限局域网的缩写。 Wi-Fi定位是通过移动设备和三个无线网络接入点的无线信号交流,来对移动设备所处的位置进行定位的。它遵循的是 802.11x系列标准,都采用基于802.11a/b/g等标准的硬件,能提供较高速的宽带接入,是一种全新的信息获取平台,可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务,而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。
目前Wi-Fi技术在快速定位,特别是第一次快速定位的实时性能,具有很好的优越性,同时Wi-Fi技术支持室内定位,符合城市的应用环境,易于安装,需要很少基站,能采用相同的底层无线网络结构,系统总精度高。但是,如果定位的测算仅仅依赖于哪个Wi-Fi的接入点最近,而不是依赖于合成的信号强度图,那么用于楼层定位就很容易出错。目前,它应用于小范围的室内定位,成本较低。但无论是用于室内还是室外定位,Wi-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域,而且很容易受到其他信号的干扰,从而影响其精度,定位器的能耗也较高。
  7、ZigBee技术:
ZigBee技术是一种新兴的便宜的、短距离、低速率、低功耗的近距离无线组网通讯技术。它介于射频识别和蓝牙之间,可以用于室内定位。用于近距离无线连接。它有自己的协议标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。
Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网,每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;
每个Zigbee网络节点间的距离可以到扩展后的几百米,甚至几公里;每个网络节点可以可支持多到31个的传感器和受控设备,每一个传感器和受控设备终可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如,你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个Zigbee控制网络。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。

消防定位研究和方式发展方向

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消 防员室内定位技术的研究是保障消防员进出火场的安全,确定消防员在火场中的位置,保证对火场中遇险消防员的有效施救,保证指挥员与火场中消防员的有效的运 动监视和语音通讯是消防灭火救援工作中亟待解决的问题。目前,国内和国外对消防员室内定位技术的研究,都各有不相同之处。现对国外和国内的消防员室内定位 技术作一个分析和了解,并就发展方向做一个论述:

消防定位国外消防员定位技术的现状和发展状况:

1)法国研究人员为了减少消防员在火场承担的风险,一套能在充满烟雾的房间内对人进行精确定位的“掌上跟踪定位装置”已研制成功,从而使消防队员所面临的危险大大减少。该装置是基于欧洲和中国合作研究的伽利略卫星定位导航 系统开发研制的,具有地理位置功能的室内和室外定位系统,并且可以存储利用当地的消防信息。通过掌上定位装置传回的信息,如果发现一个消防员不动出现问 题,控制中心的人员通过显示屏可及时准确的通知其他消防员走那条路能最快到达消防现场。另外控制中心人员可通过掌上装置,准确的跟踪每个消防员的行踪,并 指挥他们通过浓烟弥漫的建筑物去救受伤的同事。
伽利略卫星导航系统是1999年由欧洲提出的伽利略计划,是一个独立的民用的全球卫星导航系统。该系统2008年投入使用,总共发射30颗卫星,其中27颗卫星为工作卫星,3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里,位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外,还有2个地面控制中心,可为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为1米的定位导航服务,从而也将打破美国独霸全球卫星导航系统的格局,与美国的GPS卫星导航系统相比具有更加的精确性。
法国科研人员正是利用伽利略导航卫星定位准确的优势和超宽带无线电信号,能够指挥救援人员深入建筑物内部实施救援计划。 传统的全球定位装置在室内不起作用,因为它们的信号太弱,该系统实际上是一套室内卫星导航系统,它依靠的是一种被称为超宽带的无线电信号,利用无线电脉冲 来确定建筑物内消防队员彼此间的距离以及与外面消防车之间的距离。
2)日本消防厅正在开发一种“地下定位系统”, 以便消防队员在地铁,地下商店等地下空间发生灾害时,能够安全地进行抢险救灾活动。 日本国土狭小, 人口众多,因此二战 后东京、大贩、横滨等 大城市都积极修筑地下铁道、地下商店街及其它地下建筑;因此地下空间的灭火等抢险救灾活动成为重要的课题。目前,消防队员在地下空间进行灭火等救灾活动 时;是利用在身上系绳索等方式与地面保持联系。 据报道,日本消防厅开发的新系统能够准确地把在地下空间进行消防作业的消防人员的配置等显示在荧屏上,并就消防人员的脉搏、血压及现场的氧气浓度等数据发 出信息,以保证他们的人身安全和安全作业。日本开发消防员地下作业定位系统具有位置和信息定位。

消防定位国内消防员定位技术的现状和发展状况:

1)北京龙旗瑞谱科技有限公司研发了一种专门针对应急救援部门的消防人员三维定位系统。系统在无线通讯、位置精度、展现方式三方面实现了技术创新和突破,实现了现场应急救援全过程的“三维定位可视化”,且定位准确灵敏,便于指挥协调,从而实现了由传统“经验式黑箱救援”向“定位导航式救援”的根本性转变。。
  北京龙旗瑞谱科技有限公司的消防人员三维定位系统包括一套先进完整的可视化软件包,能现场快速形成建筑楼宇三维结构模型。只需轻轻点击一下建筑物周边,输入楼层数,该产品就可为用户创建出建筑物的3D 线框形象。当人员小组进入实际建筑物内部时,会以图像的形式将人员们的位置显示出来,以动态的形式将他们所处的地点呈现在虚拟的3D建筑物内。这就保证了命令的精确性,方便了现场操作和实时控制的实施。
该产品无论是在室内还是在户外,人员携带该定位系统都能在数秒钟之内产生高准确性地理位置的数据,不受是否有无 GPS 环 境的影响。通过采用本公司的二维和三维软件,世界上任何一座大楼的线框图即可在数秒钟内生成,而无需提前了解有关那座大楼的信息。这使指挥者能够随时通过 主机精确确定他们的人员所在的地理位置。对于消防员、武装警察、军事人员和其他先遣急救人员来说,这是一项可以挽救生命的新技术。”
它无需任何额外的基础设施或网络,以无线方式实时输出人员的行走距离与方向信息,可以实现在各种复杂环境中人员的准确定位,为保证人员的生命安全提供有效的保证。
  它基本能实现以下系统功能:
  1. 建筑三维基本功能:能够对建筑三维实行缩放、平移、旋转定位功能。
  2. 人员三维定位:根据人员定位设备传输回来的三维参数在建筑三维中实现佩带人员定位设备的人员定位。
  3. 人员轨迹模拟:根据人员定位设备传输回来的三维参数在建筑三维中实现人员行走轨迹实时动态模拟,每个人行走的轨迹采用一种颜色表现。
  4. 人员基本信息展示:能查看人员在楼宇内部分布,以及人员的基本信息,人员状态信息。
  5. 消防设备信息展示:能查看楼宇内部的消防设备分布,每个设备的基本信息及状态信息。
  6. 实现人员队友搜救,安全退出引导,氧气倒计时,现场毒气报警。
  7. 人员定位视频联动:对人员进行定位,联动该位置周边视频。
2)北京普天海弘通信技术发展有限公司、北京长城电子装备有限责任公司(原海军6971厂)和北京邮电大学针对上述问题,集中了一批高中级科研人员,通过到北京公安消防总队、山东公安消防总队调研,在广泛征求总队有关部门和一线官兵意见的基础上,历时三年研制出 “消防员遇险定位安全救援指挥系统”。 该系统为采用“信标”进行定位的“消防员遇险定位安全救援指挥系统”,是根据消防部队灭火救援现场通讯工作的需求,满足消防三级通信网建设的需要,确保一线消防员定位及生命安全和保障现场通信能力为目的而开发的专用定位通讯指挥设备。
本系统采用了无线自组网技术、数字通信技术、语音通信技术、无线跟踪定位技术、无线编码ID识别技术等世界多项先进技术手段,重点关注在复杂环境下消防员安全、救生、遇险等数据信息的实时跟踪和发布,实现了对作战现场环境及作战人员生命体征、位置信息、语音信号等多种数据的采集和实时传输并建立了无线安全通道,方便了一线消防员在火灾救援现场的安全出入及开展搜救工作,最大限度减轻了消防人员的心理压力和思想负担。为现场指挥员的决策提供了信息支持,本设备填补了当前消防救援通讯领域的一项空白。系统基站台单台最大容量可配置八台消防员单兵终端组网运行。
该系统较好的解决的人员前进和撤退的问题,但最特出的问题在现场复杂情况下并不是很实用,设计人员对现场的使用过于理想化,存在以下两个问题:
(1) 不适合现场紧急情况下的使用:信标的作用是具有导向功能的,主要靠现场人员一边走一边用按下读写器预置的“前、后、左、右、上、下”语音拷贝到信标里,用 “加、减”来标识信标的编号。如第一个信标:【左上右前、右下左前】,代表上楼是从左边上去向右拐前走,下楼的时候从右边下左拐下楼。经过拷贝的信标就放 在楼梯附近通过语音无线发射,消防员随身携带的单兵在5-10m范围内接收,靠语音的提示上楼或下楼。理想的情况可以实现,不理想的情况下远离了信标,就什么也无法接收。而且如果两个信标放的过近,很容易造成语音接收混乱,难于辨别。
(2)没有回收再利用的价值:信标没有方位指示功能。使用时间短,在2小时左右。携带不方便,上一个30层的楼就需要扔好几十个。用一次扔出去就无法回收,而且杂乱的现场也无法找到,所以每次使用一次就要再次采购。或者一次要采购好多,成了消耗材料。
3)上海消防研究所组织工程技术人员研制的“消防员三维追踪定位装备”,是以地磁模型为基础,结合人体运行学、脊柱运动多导探测技术、航位推测技术和无线组网技术研制而成。
该装置具有运动姿态识别(静止、步行、跑步、上下楼梯、上下电梯、卧倒、躺倒、左右侧躺、跌落等)、三维运动轨迹实时显示、3D轨迹回放、电源电量显示和设备高温异常报警等功能,可用于辅助现场指挥人员确定救援人员的位置信息,使现场人员调度更具科学性。在外界环境恶劣而迷失方向时指引消防员返回;当消防员遭遇危险时,现场指挥人员根据消防员的位置信息,及时有效地组织人员进行营救。
消防员单兵定位装置是一种追踪室内外应急救援人员实时方位信息的装置,用于辅助现场指挥人员确定救援人员的位置和姿态信息,主要包括定位模块、通信模块和电脑信息处理模块。
该 产品在可靠性方面还有不少问题,还需要通过多次试验,进行硬件设计上的改进更新,软件设计方面还要一步进行完善 ,比上一种产品有可取之处,有适用之处,但现场适用的人数有限,数据流量方面还有一些问题,需要从软件设计上进行改进。目前,只是实验使用的产品,要真正 符合复杂状态下的现场使用,还必须加大现有产品的改进力度,不能停留在现在的状态而被淘汰。

消防定位结论

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人员定位特别是室内人员三维定位,目前不管从国内和国外还没有成熟的产品,都在试验阶段和完善阶段,现有的产品也存在好多缺陷,定位位置的准确 性,产品的可靠性,时间的精确性,数据传输的稳定性这些方面还存在一定的问题,有些产品根本不适用,不能满足于紧急状态下的现场需要,概念上还有一定的缺 陷,只是理想状态下使用的一些概念性的东西。因为火场现场各种复杂情况,声音嘈杂,火光,烟雾中被困人员由于受高温、烟气、断电等影响,很难感知自已所处 位置,场外指挥人员,也无法摸清火场中人员的行踪状态,要真正使指挥人员做出有效的判断和指挥,必须有一套合符现场使用的高可靠性的指挥监视设备,从而有 效提高灭火效率,有效降低消防人员无法接受疏散而造成伤亡。这是每个产品设计生产商所担负的,所赋予的不可推迟的义不容辞的重任。
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参考资料
词条标签:
非科学 科学