消防滅火救援中的5G技術運用研究

熊孝坤

摘要：5G通信技術的應用，將對社會產(chǎn)生巨大影響，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展方面表現(xiàn)得更為突出。滅火救援是維護社會穩(wěn)定的關鍵環(huán)節(jié)，面對復雜的救援場景，良好的通信技術對于提高救援效果、降低負面影響有著關鍵作用。對此，文章以消防滅火救援中的5G技術研究為話題，展開詳細探討。

關鍵詞：消防滅火救援;5G技術;消防設備

消防滅火救援作為民生建設工程中重要的保障工作，對于維護社會秩序、保護國家和個人財產(chǎn)方面有著重要意義。現(xiàn)實中，消防滅火救援實際上是一項復雜的現(xiàn)場緊急性救助項目工程，除了傳統(tǒng)的消防滅火救援設備支撐外，還需要強大的通信技術為現(xiàn)場實時化調(diào)度提供技術支撐。5G通信是當前最新的通信系統(tǒng)，具有高帶寬、低延時、低功耗的特點，推動了通信技術的不斷發(fā)展，尤其是在大數(shù)據(jù)、人工智能等方面具有基礎支持作用。因此將5G技術應用于消防滅火救援過程，能夠在一定程度上為消防調(diào)度提供通暢的通信條件，能夠根據(jù)現(xiàn)場火情變化情況進行靈活調(diào)度，提升消防滅火效率。

1? 5G通信關鍵技術概述

1.1? MIMO技術

對于無線通信網(wǎng)絡而言，在進行收發(fā)信息的過程中，采用多個天線來傳輸信號的方式被稱為MIMO無線通信系統(tǒng)[1]，見圖1。MIMO技術的核心環(huán)節(jié)就是采用了多天線技術手段來實現(xiàn)了信道容量的顯著擴大。MIMO技術中的多天線技術一般采用分布式天線技術，這種方式的天線布置能夠顯著增大各個天線之間的距離，由此使得獲取的信號保持近似的相對獨立。另一項重要的技術就是空時編碼技術，這一技術主要針對多個天線信號之間的協(xié)同所形成，其作用在于調(diào)整來自各個天線信號的融合等，由此提升信號增益或者通量。

根據(jù)上述的分析可知，MIMO技術的本質在于為當前的通信系統(tǒng)提供足夠的空間分集增益和空間復用增益。前者可以有效改善信號傳輸?shù)目煽慷?，并有效降低誤碼率，而后者的作用則是提升信息傳輸速率。

1.2? 空時編碼技術

空時編碼STC（Space-TimeCoding）技術[2]作為因MIMO系統(tǒng)技術出現(xiàn)而形成的重要技術，對提升天線分集對應的通信容量有著開創(chuàng)性意義。作為一種高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a技術，實現(xiàn)了信號傳輸在空間和時間上的結合，尤其是依托多天線技術實現(xiàn)了空間分集，而在時間上實現(xiàn)了時分復用，由此極大的提升分集和編碼增益，實現(xiàn)了傳輸速率的顯著提升。空時編碼在不同天線所發(fā)送的信號中引入了時間和空間之間的相關性，從而能夠在不增加帶寬使用量的基礎上可以在接收端獲得不同編碼條件下的分集和編碼增益。從其表現(xiàn)特征上看，空時編碼技術可以根據(jù)發(fā)射機和接收機是否需要獲取信道狀態(tài)信息分為兩大類別[3]。第一類則是需要知曉信道狀態(tài)信息，其可以進一步分為分層空時編碼（LSTC）、空時格型編碼（STTC）、空時分組碼（STBC）;第二類編碼為不需要知曉信道狀態(tài)信息的編碼技術，其可以進一步分為酉空時編碼（USTC）、差分空時編碼（DSTBC）。

1.3? 自組織網(wǎng)絡SON技術

作為重要的網(wǎng)絡技術，為了改善無線通信中自主性問題，SON通過自治方式實現(xiàn)網(wǎng)絡共享[4]，從而減少人工干預，并降低運營成本。對于這一網(wǎng)絡架構而言，其主要功能可以概括為自配置、自優(yōu)化以及自愈等三個方面。對于自配置而言，主要涉及設備在安裝上電到用戶設備正接入業(yè)務過程中，網(wǎng)絡自動完成配置，減少安全調(diào)試過程，實現(xiàn)即插即用功效。自優(yōu)化就是用戶終端和基站之間的網(wǎng)絡運行狀態(tài)調(diào)整，參數(shù)優(yōu)化均通過網(wǎng)絡自適應優(yōu)化以實現(xiàn)性能改善。自愈就是整個網(wǎng)絡能夠進行自我故障修復，網(wǎng)絡故障預警、定位，并能夠自動消除部分問題，從而以最小化網(wǎng)絡用戶使用影響程度。

1.4? M2M通信技術

M2M就是指數(shù)據(jù)從一個用戶終端轉移到另一個用戶終端，實現(xiàn)機器與機器之間的對話[5]。這種方式目前在物聯(lián)網(wǎng)領域應用較為普遍，具體技術形式見圖2。從當前發(fā)展來看，該技術已經(jīng)應用于多個領域，具體包括智能化機器設備、M2M硬件設備、通信網(wǎng)絡以及中間結構等。智能化機器就是讓機器具有一定的分析能力，實現(xiàn)一定領域上對人的取代。M2M硬件則是使機器可具備聯(lián)網(wǎng)能力和遠程通信的部件，進行信息提取，實現(xiàn)自我分析。通信網(wǎng)絡則是諸如以以太網(wǎng)、廣域網(wǎng)為基礎的通信網(wǎng)絡中實現(xiàn)M2M轉化。中間結構則是M2M網(wǎng)關完成在不同協(xié)議之間的轉換，在通信網(wǎng)絡和IT系統(tǒng)之間建立橋梁。

1.5? 非正交多址技術

非正交多址技術（NOFDM）[6]起源于正交多址技術（OFDM），后者信號各個子載波是相互正交的，在使用這種多址技術時，解調(diào)時只會解調(diào)出對應子載波上的信號，不會影響其他子載波上的信號。子載波間是相互正交的，因此可以使子載波的頻譜相互重疊，這樣極大地提高了頻帶效率。在NOFDM技術下，這種正交性被打破，子載波之間的重疊會更高，因而能夠提升信號中涵蓋的子載波數(shù)目，由此增大單一信號符號涵蓋更多信息，從而提升信息傳輸效率。當然高度重疊的子載波導致接收端解調(diào)難度增大，對此需要打破常規(guī)，采用稀疏理論，在稀疏變換域空間實現(xiàn)各個子載波的變換表達，從而離散各個子載波，實現(xiàn)載波信息的有效提取，由此實現(xiàn)高容量信息的傳輸過程。

1.6? 超寬帶技術

超寬帶技術（UWB）作為一種信息無線通信技術，通過尖銳上下變動的脈沖信號直接調(diào)制來實現(xiàn)數(shù)量級為GHz的寬帶容量[7]。這一技術的出現(xiàn)顯著提升了無線通信能力，使得便捷極速的5G通信成為可能。通過相應技術測試可知，該技術對無線通信信道不敏感，并且設計系統(tǒng)復雜度不高、抗截獲能力強且呈現(xiàn)出低功耗特性，因而成為5G通信技術體系中最為重要的技術細節(jié)。目前該技術在智能交通、傳感器網(wǎng)絡、成像系統(tǒng)等領域有著廣闊的前景。

2? 5G技術在消防滅火救援中的重要性分析

2.1? 5G通信技術特點

作為當前最新的通信技術體系，5G通信涵蓋MIMO技術、空時編碼技術、自組織網(wǎng)絡SON技術、M2M通信技術、非正交多址技術以及超寬帶技術等關鍵技術，具有極高的頻帶寬度，具有高容量、高速度通信的效能。5G通信技術具有如下特點及優(yōu)勢：（1）注重用戶體驗，技術創(chuàng)新發(fā)展提速。（2）點對點通信傳輸轉變?yōu)槎帱c傳輸、多用戶、多天線以及多小區(qū)組合成為技術發(fā)展關鍵。（3）使用更高的通信波段，這樣就會削減傳輸能力，但是使用的頻帶資源會更多。（4）具備較好的軟配置能力，這樣運營方可以根據(jù)客戶需求對網(wǎng)絡資源進行優(yōu)化配置，從而削減成本，提升在消防救援中的實時溝通效果。

2.2? 消防滅火救援的無線通信新需求

當前在我國消防滅火救援系統(tǒng)中，已經(jīng)實現(xiàn)了無線通信技術覆蓋，并且結合WLAN技術，實現(xiàn)各類設備之間的網(wǎng)絡連接，但是連接的穩(wěn)定性能直接對消防滅火救援進程效果產(chǎn)生直接影響。對此在5G通信技術背景下，我國的消防滅火救援系統(tǒng)相關要求不斷提升。根據(jù)當前運行情況，在消防滅火救援背景下，有的要求救災現(xiàn)場通信穩(wěn)定、安全，有的要求救災現(xiàn)場能夠進行大容量信息傳輸?？傮w來說，良好環(huán)境適應力、安全穩(wěn)定、大帶寬的車地傳輸網(wǎng)絡是最主流的技術選擇，如何滿足這些要求成為5G通信技術在消防滅火救援中的關鍵問題。

3? 當前消防滅火減災工作執(zhí)行中問題概述

3.1? 消防通訊技術局限性

在消防救援現(xiàn)場，所有工作的開展需要迅速、準確，并和時間進行賽跑。對此在消防過程中，需要有效獲取現(xiàn)場綜合信息。對此要求在消防調(diào)度作業(yè)中，消防指揮中心依托先進的通信技術獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，并形成地理信息圖文繼承，從而實現(xiàn)指揮調(diào)度的遠程可視化，并通過大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)度決策。這些復雜高通量信息的傳輸需要非常強大的通信技術作為支撐。但是由于消防通訊技術的局限性，使指揮調(diào)度工作容易和現(xiàn)場需求存在脫節(jié)情況，造成消防滅火救援工作進展無法進一步優(yōu)化。

3.2? 相關通訊設備兼容性不佳

隨著社會的發(fā)展，消防滅火救援形式發(fā)生著重要變化，環(huán)境的復雜性推動了消防通訊設備的多元化，由此為各種復雜的消防滅火場景提供技術支撐。但是多元化設備的搭配導致設備之間的兼容性問題日益突出。如通信設備信號形式的不統(tǒng)一導致在消防滅火現(xiàn)場無法進行優(yōu)化調(diào)度，使各類消防救援設備聯(lián)合使用作用不顯著。此外復雜的設備系統(tǒng)，不同的操作方式，導致在火情嚴重的情況下難以有效配合使用，導致部分性能優(yōu)異的設備系統(tǒng)無法發(fā)揮應有效果，給整體消防滅火救援帶來較大困擾。

3.3? 消防滅火救援圖像傳輸不通暢

消防滅火救援現(xiàn)場和指揮調(diào)度中心需要進行密切迅捷的聯(lián)系，這給當前的通信方式帶來挑戰(zhàn)。在消防滅火現(xiàn)場，大量的現(xiàn)場圖像被傳輸?shù)街笓]調(diào)度中心，這些高清的圖片的傳輸則需要高速高容量的通信系統(tǒng)予以支撐。當前消防員采用的通信系統(tǒng)為單兵作戰(zhàn)圖像偵查系統(tǒng)、單兵作戰(zhàn)圖像傳輸裝置等技術來實現(xiàn)火災現(xiàn)場圖片傳輸。這些設備采用的傳輸頻率為433Hz的無線電進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣對應的可靠傳輸距離僅為2km，而采用2.4GHz的通訊頻率則對應的可靠傳輸距離縮小到1km，由此可見對應頻率選擇的不同對應的可靠傳輸距離有著顯著性差異。如果考慮周圍環(huán)境因素的影響，對應的可靠傳輸距離更小，而調(diào)度中心一般會在遠離火情的安全區(qū)域，這樣容易造成火情圖像信息傳輸不夠穩(wěn)定通暢，容易引發(fā)調(diào)度決策誤判情況。

4? 5G傳輸技術在消防救援行業(yè)的應用分析

4.1? 無人消防滅火救援作戰(zhàn)系統(tǒng)應用分析

隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代自動化控制系統(tǒng)的高度應用實現(xiàn)了部分領域的人力替代。在消防滅火救援作業(yè)中，面對復雜多變、危險性極大的火災現(xiàn)場，采用無人消防滅火救援作戰(zhàn)系統(tǒng)，顯然有助于降低對消防救援人員的依賴，并且能夠最大限度減少傷亡。對此，依托5G通信技術，可以實現(xiàn)消防滅火現(xiàn)場和指揮調(diào)度中心的順暢通信聯(lián)系?，F(xiàn)場無人化消防滅火救援作戰(zhàn)系統(tǒng)可以根據(jù)設定路線抵達火災現(xiàn)場，并依據(jù)空中無人偵察機的回傳數(shù)據(jù)對火情進行迅速評估[8]，并做出滅火救援決策，開啟救援設備進入現(xiàn)場作業(yè)，并同時對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行回傳，輸送至指揮調(diào)度中心，對火情進行三維建模，實現(xiàn)對現(xiàn)場的可視化模擬，為人為干預決策提供支撐。在5G通信技術的加持下，調(diào)度中心對消防機器人進行操作，并移動消防炮，同時依托無人機從空中潑灑滅火劑，實現(xiàn)三維立體空間下多手段聯(lián)合的滅火機動作業(yè)，以此實現(xiàn)高效精準地智能化滅火過程。

4.2? 消防員生命安全裝備應用分析

消防員生命安全裝備應用有助于最大限度保護現(xiàn)場作業(yè)的消防人員的生命安全，降低消防救援過程中的傷亡損失。消防員生命安全裝備應用作為一類可穿戴裝備，可以依托所嵌入的5G通信模塊，對消防人員的生命體征信息進行回傳，幫助指揮調(diào)度中心及時掌握參與滅火救援的現(xiàn)場人員的身體狀態(tài)，為其做出正確決策，并保障消防人員安全撤離。在現(xiàn)代無線網(wǎng)絡技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的支撐下，該裝備上附著著大量的傳感器設備，這些設備在獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)后通過特定的IP網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而以幫助調(diào)度中心及時掌握真實火情。這些復雜的技術在當前的4G通信技術下難以得到充分融合調(diào)度，因此只有在5G技術不斷普及下，這種面向常規(guī)化的消防設備將得以普及。

4.3? 消防救援車輛配備物聯(lián)網(wǎng)技術應用分析

物聯(lián)網(wǎng)技術作為當前最為火熱的網(wǎng)絡綜合技術，在消防救援車輛配備該技術后，能夠將該消防救援車輛裝備為一個小型的現(xiàn)場指揮調(diào)度中心，依托5G通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)對各類現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的接收、處理和分析[9]。從而能夠在大量的數(shù)據(jù)信息的輔助下獲得各類消防救援器材、現(xiàn)場情況的狀態(tài)信息。通過綜合判斷，能夠最大程度地掌握現(xiàn)場信息，從而通過信息分析實現(xiàn)人員設備的配備和調(diào)度，以此優(yōu)化消防滅火救援過程中的各項工作，推動消防滅火救援現(xiàn)場秩序優(yōu)化，從而實現(xiàn)現(xiàn)場滅火救援效果的最大化。

5? 結語

消防滅火救援是當前消防工作中的關鍵作業(yè)內(nèi)容，對維護國家、人民的財產(chǎn)生命安全有著重要意義。當前消防滅火救援過程由于存在消防通訊技術局限性、相關通訊設備兼容性不佳、消防滅火救援圖像傳輸不通暢等問題，造成最終消防滅火救援效果無法實現(xiàn)最大化。對此本文著重考慮在5G通信背景下的消防滅火救援的演化情況。當前5G通信技術具備高通量、低延時的特點，在復雜的消防滅火現(xiàn)場能夠推動技術革新，如無人消防滅火救援作戰(zhàn)系統(tǒng)、消防員生命安全裝備、消防救援車輛配備物聯(lián)網(wǎng)技術等新型技術的開發(fā)，不僅能夠最大化保障消防滅火救援效果，還可以最大程度上保證消防救援人員的生命安全，因此這類技術隨著5G通信技術的快速普及，必將廣泛應用。

參考文獻：

[1]王茹.5G時代物聯(lián)網(wǎng)技術在重特大災害事故應急救援消防宣傳管理中的應用[J].消防界（電子版），2020，6（22）：36-37.

[2]李瑩.5G背景下NB-IOT技術的典型應用分析[J].無線互聯(lián)科技，2020，17（22）：78-79.

[3]朱國慶.5G與無人機技術應用于?；穫}庫火災應急救援[J].勞動保護，2020（11）：62-65.

[4]王璐，楊方明.基于5G網(wǎng)絡中的關鍵技術及實際應用分析[J].數(shù)碼世界，2020（10）：30-32.

[5]蔡劍鋒，林麗梅，林鵬程.如何利用5G通信手段推進消防信息化建設再上新臺階[J].電子世界，2020（18）：72-73.

[6]黃贊輝.消防滅火救援在5G時代下的發(fā)展研究[J].今日消防，2020，5（09）：6-7.

[7]陳威銘.無線通信技術在消防領域中的應用分析[J].數(shù)字技術與應用，2020，38（08）：40-42.

[8]戴建林.無人機在消防滅火救援中的應用[J].中國新通信，2019，21（21）：91-92.

[9]成都移動攜手成都消防開展5G滅火救援演練[J].通信與信息技術，2019（02）：14.

Research on the application

of 5G technology in firefighting and rescue

Xiong Xiaokun

Loudi Fire and Rescue Brigade Hunan Province

Abstract：The application of 5G communication technology will have a huge impact on society， which is more prominent in the development of Internet of Things and big data. Firefighting and rescue are a key link to maintain social stability. In the face of complex scenarios， a good communication process is of key significance to improve rescue effects and reduce negative impacts. This paper takes the research of 5G technology in firefighting and rescue as a topic for detailed discussion.

Keywords：firefighting and rescue; 5G technology; firefighting equipment