熊孝坤

摘要：5G通信技術(shù)的應(yīng)用，將對(duì)社會(huì)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(hù)社會(huì)穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，面對(duì)復(fù)雜的救援場(chǎng)景，良好的通信技術(shù)對(duì)于提高救援效果、降低負(fù)面影響有著關(guān)鍵作用。對(duì)此，文章以消防滅火救援中的5G技術(shù)研究為話題，展開(kāi)詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：消防滅火救援;5G技術(shù);消防設(shè)備

消防滅火救援作為民生建設(shè)工程中重要的保障工作，對(duì)于維護(hù)社會(huì)秩序、保護(hù)國(guó)家和個(gè)人財(cái)產(chǎn)方面有著重要意義。現(xiàn)實(shí)中，消防滅火救援實(shí)際上是一項(xiàng)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)緊急性救助項(xiàng)目工程，除了傳統(tǒng)的消防滅火救援設(shè)備支撐外，還需要強(qiáng)大的通信技術(shù)為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)化調(diào)度提供技術(shù)支撐。5G通信是當(dāng)前最新的通信系統(tǒng)，具有高帶寬、低延時(shí)、低功耗的特點(diǎn)，推動(dòng)了通信技術(shù)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(chǔ)支持作用。因此將5G技術(shù)應(yīng)用于消防滅火救援過(guò)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(chǎng)火情變化情況進(jìn)行靈活調(diào)度，提升消防滅火效率。

1? 5G通信關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1? MIMO技術(shù)

對(duì)于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)而言，在進(jìn)行收發(fā)信息的過(guò)程中，采用多個(gè)天線來(lái)傳輸信號(hào)的方式被稱為MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)[1]，見(jiàn)圖1。MIMO技術(shù)的核心環(huán)節(jié)就是采用了多天線技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)了信道容量的顯著擴(kuò)大。MIMO技術(shù)中的多天線技術(shù)一般采用分布式天線技術(shù)，這種方式的天線布置能夠顯著增大各個(gè)天線之間的距離，由此使得獲取的信號(hào)保持近似的相對(duì)獨(dú)立。另一項(xiàng)重要的技術(shù)就是空時(shí)編碼技術(shù)，這一技術(shù)主要針對(duì)多個(gè)天線信號(hào)之間的協(xié)同所形成，其作用在于調(diào)整來(lái)自各個(gè)天線信號(hào)的融合等，由此提升信號(hào)增益或者通量。

根據(jù)上述的分析可知，MIMO技術(shù)的本質(zhì)在于為當(dāng)前的通信系統(tǒng)提供足夠的空間分集增益和空間復(fù)用增益。前者可以有效改善信號(hào)傳輸?shù)目煽慷龋⒂行Ы档驼`碼率，而后者的作用則是提升信息傳輸速率。

1.2? 空時(shí)編碼技術(shù)

空時(shí)編碼STC（Space-TimeCoding）技術(shù)[2]作為因MIMO系統(tǒng)技術(shù)出現(xiàn)而形成的重要技術(shù)，對(duì)提升天線分集對(duì)應(yīng)的通信容量有著開(kāi)創(chuàng)性意義。作為一種高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸在空間和時(shí)間上的結(jié)合，尤其是依托多天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空間分集，而在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)了時(shí)分復(fù)用，由此極大的提升分集和編碼增益，實(shí)現(xiàn)了傳輸速率的顯著提升?？諘r(shí)編碼在不同天線所發(fā)送的信號(hào)中引入了時(shí)間和空間之間的相關(guān)性，從而能夠在不增加帶寬使用量的基礎(chǔ)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(shí)編碼技術(shù)可以根據(jù)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(jìn)一步分為分層空時(shí)編碼（LSTC）、空時(shí)格型編碼（STTC）、空時(shí)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(shù)，其可以進(jìn)一步分為酉空時(shí)編碼（USTC）、差分空時(shí)編碼（DSTBC）。

1.3? 自組織網(wǎng)絡(luò)SON技術(shù)

作為重要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為了改善無(wú)線通信中自主性問(wèn)題，SON通過(guò)自治方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享[4]，從而減少人工干預(yù)，并降低運(yùn)營(yíng)成本。對(duì)于這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(gè)方面。對(duì)于自配置而言，主要涉及設(shè)備在安裝上電到用戶設(shè)備正接入業(yè)務(wù)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成配置，減少安全調(diào)試過(guò)程，實(shí)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(luò)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整，參數(shù)優(yōu)化均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)性能改善。自愈就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行自我故障修復(fù)，網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警、定位，并能夠自動(dòng)消除部分問(wèn)題，從而以最小化網(wǎng)絡(luò)用戶使用影響程度。

1.4? M2M通信技術(shù)

M2M就是指數(shù)據(jù)從一個(gè)用戶終端轉(zhuǎn)移到另一個(gè)用戶終端，實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的對(duì)話[5]。這種方式目前在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，具體技術(shù)形式見(jiàn)圖2。從當(dāng)前發(fā)展來(lái)看，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，具體包括智能化機(jī)器設(shè)備、M2M硬件設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)以及中間結(jié)構(gòu)等。智能化機(jī)器就是讓機(jī)器具有一定的分析能力，實(shí)現(xiàn)一定領(lǐng)域上對(duì)人的取代。M2M硬件則是使機(jī)器可具備聯(lián)網(wǎng)能力和遠(yuǎn)程通信的部件，進(jìn)行信息提取，實(shí)現(xiàn)自我分析。通信網(wǎng)絡(luò)則是諸如以以太網(wǎng)、廣域網(wǎng)為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)M2M轉(zhuǎn)化。中間結(jié)構(gòu)則是M2M網(wǎng)關(guān)完成在不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，在通信網(wǎng)絡(luò)和IT系統(tǒng)之間建立橋梁。

1.5? 非正交多址技術(shù)

非正交多址技術(shù)（NOFDM）[6]起源于正交多址技術(shù)（OFDM），后者信號(hào)各個(gè)子載波是相互正交的，在使用這種多址技術(shù)時(shí)，解調(diào)時(shí)只會(huì)解調(diào)出對(duì)應(yīng)子載波上的信號(hào)，不會(huì)影響其他子載波上的信號(hào)。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(shù)下，這種正交性被打破，子載波之間的重疊會(huì)更高，因而能夠提升信號(hào)中涵蓋的子載波數(shù)目，由此增大單一信號(hào)符號(hào)涵蓋更多信息，從而提升信息傳輸效率。當(dāng)然高度重疊的子載波導(dǎo)致接收端解調(diào)難度增大，對(duì)此需要打破常規(guī)，采用稀疏理論，在稀疏變換域空間實(shí)現(xiàn)各個(gè)子載波的變換表達(dá)，從而離散各個(gè)子載波，實(shí)現(xiàn)載波信息的有效提取，由此實(shí)現(xiàn)高容量信息的傳輸過(guò)程。

1.6? 超寬帶技術(shù)

超寬帶技術(shù)（UWB）作為一種信息無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)尖銳上下變動(dòng)的脈沖信號(hào)直接調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)為GHz的寬帶容量[7]。這一技術(shù)的出現(xiàn)顯著提升了無(wú)線通信能力，使得便捷極速的5G通信成為可能。通過(guò)相應(yīng)技術(shù)測(cè)試可知，該技術(shù)對(duì)無(wú)線通信信道不敏感，并且設(shè)計(jì)系統(tǒng)復(fù)雜度不高、抗截獲能力強(qiáng)且呈現(xiàn)出低功耗特性，因而成為5G通信技術(shù)體系中最為重要的技術(shù)細(xì)節(jié)。目前該技術(shù)在智能交通、傳感器網(wǎng)絡(luò)、成像系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的前景。

2? 5G技術(shù)在消防滅火救援中的重要性分析

2.1? 5G通信技術(shù)特點(diǎn)

作為當(dāng)前最新的通信技術(shù)體系，5G通信涵蓋MIMO技術(shù)、空時(shí)編碼技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)SON技術(shù)、M2M通信技術(shù)、非正交多址技術(shù)以及超寬帶技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)具有如下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：（1）注重用戶體驗(yàn)，技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提速。（2）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)槎帱c(diǎn)傳輸、多用戶、多天線以及多小區(qū)組合成為技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵。（3）使用更高的通信波段，這樣就會(huì)削減傳輸能力，但是使用的頻帶資源會(huì)更多。（4）具備較好的軟配置能力，這樣運(yùn)營(yíng)方可以根據(jù)客戶需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行優(yōu)化配置，從而削減成本，提升在消防救援中的實(shí)時(shí)溝通效果。

2.2? 消防滅火救援的無(wú)線通信新需求

當(dāng)前在我國(guó)消防滅火救援系統(tǒng)中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信技術(shù)覆蓋，并且結(jié)合WLAN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)連接，但是連接的穩(wěn)定性能直接對(duì)消防滅火救援進(jìn)程效果產(chǎn)生直接影響。對(duì)此在5G通信技術(shù)背景下，我國(guó)的消防滅火救援系統(tǒng)相關(guān)要求不斷提升。根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行情況，在消防滅火救援背景下，有的要求救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)通信穩(wěn)定、安全，有的要求救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)能夠進(jìn)行大容量信息傳輸?？傮w來(lái)說(shuō)，良好環(huán)境適應(yīng)力、安全穩(wěn)定、大帶寬的車(chē)地傳輸網(wǎng)絡(luò)是最主流的技術(shù)選擇，如何滿足這些要求成為5G通信技術(shù)在消防滅火救援中的關(guān)鍵問(wèn)題。

3? 當(dāng)前消防滅火減災(zāi)工作執(zhí)行中問(wèn)題概述

3.1? 消防通訊技術(shù)局限性

在消防救援現(xiàn)場(chǎng)，所有工作的開(kāi)展需要迅速、準(zhǔn)確，并和時(shí)間進(jìn)行賽跑。對(duì)此在消防過(guò)程中，需要有效獲取現(xiàn)場(chǎng)綜合信息。對(duì)此要求在消防調(diào)度作業(yè)中，消防指揮中心依托先進(jìn)的通信技術(shù)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，并形成地理信息圖文繼承，從而實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度的遠(yuǎn)程可視化，并通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度決策。這些復(fù)雜高通量信息的傳輸需要非常強(qiáng)大的通信技術(shù)作為支撐。但是由于消防通訊技術(shù)的局限性，使指揮調(diào)度工作容易和現(xiàn)場(chǎng)需求存在脫節(jié)情況，造成消防滅火救援工作進(jìn)展無(wú)法進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2? 相關(guān)通訊設(shè)備兼容性不佳

隨著社會(huì)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(fù)雜性推動(dòng)了消防通訊設(shè)備的多元化，由此為各種復(fù)雜的消防滅火場(chǎng)景提供技術(shù)支撐。但是多元化設(shè)備的搭配導(dǎo)致設(shè)備之間的兼容性問(wèn)題日益突出。如通信設(shè)備信號(hào)形式的不統(tǒng)一導(dǎo)致在消防滅火現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，使各類消防救援設(shè)備聯(lián)合使用作用不顯著。此外復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)，不同的操作方式，導(dǎo)致在火情嚴(yán)重的情況下難以有效配合使用，導(dǎo)致部分性能優(yōu)異的設(shè)備系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有效果，給整體消防滅火救援帶來(lái)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(chǎng)和指揮調(diào)度中心需要進(jìn)行密切迅捷的聯(lián)系，這給當(dāng)前的通信方式帶來(lái)挑戰(zhàn)。在消防滅火現(xiàn)場(chǎng)，大量的現(xiàn)場(chǎng)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(dāng)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(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖片傳輸。這些設(shè)備采用的傳輸頻率為433Hz的無(wú)線電進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣對(duì)應(yīng)的可靠傳輸距離僅為2km，而采用2.4GHz的通訊頻率則對(duì)應(yīng)的可靠傳輸距離縮小到1km，由此可見(jiàn)對(duì)應(yīng)頻率選擇的不同對(duì)應(yīng)的可靠傳輸距離有著顯著性差異。如果考慮周?chē)h(huán)境因素的影響，對(duì)應(yīng)的可靠傳輸距離更小，而調(diào)度中心一般會(huì)在遠(yuǎn)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(shù)在消防救援行業(yè)的應(yīng)用分析

4.1? 無(wú)人消防滅火救援作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)的高度應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了部分領(lǐng)域的人力替代。在消防滅火救援作業(yè)中，面對(duì)復(fù)雜多變、危險(xiǎn)性極大的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，采用無(wú)人消防滅火救援作戰(zhàn)系統(tǒng)，顯然有助于降低對(duì)消防救援人員的依賴，并且能夠最大限度減少傷亡。對(duì)此，依托5G通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)消防滅火現(xiàn)場(chǎng)和指揮調(diào)度中心的順暢通信聯(lián)系?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化消防滅火救援作戰(zhàn)系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定路線抵達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，并依據(jù)空中無(wú)人偵察機(jī)的回傳數(shù)據(jù)對(duì)火情進(jìn)行迅速評(píng)估[8]，并做出滅火救援決策，開(kāi)啟救援設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，并同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，輸送至指揮調(diào)度中心，對(duì)火情進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的可視化模擬，為人為干預(yù)決策提供支撐。在5G通信技術(shù)的加持下，調(diào)度中心對(duì)消防機(jī)器人進(jìn)行操作，并移動(dòng)消防炮，同時(shí)依托無(wú)人機(jī)從空中潑灑滅火劑，實(shí)現(xiàn)三維立體空間下多手段聯(lián)合的滅火機(jī)動(dòng)作業(yè)，以此實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)地智能化滅火過(guò)程。

4.2? 消防員生命安全裝備應(yīng)用分析

消防員生命安全裝備應(yīng)用有助于最大限度保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的消防人員的生命安全，降低消防救援過(guò)程中的傷亡損失。消防員生命安全裝備應(yīng)用作為一類可穿戴裝備，可以依托所嵌入的5G通信模塊，對(duì)消防人員的生命體征信息進(jìn)行回傳，幫助指揮調(diào)度中心及時(shí)掌握參與滅火救援的現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，該裝備上附著著大量的傳感器設(shè)備，這些設(shè)備在獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后通過(guò)特定的IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而以幫助調(diào)度中心及時(shí)掌握真實(shí)火情。這些復(fù)雜的技術(shù)在當(dāng)前的4G通信技術(shù)下難以得到充分融合調(diào)度，因此只有在5G技術(shù)不斷普及下，這種面向常規(guī)化的消防設(shè)備將得以普及。

4.3? 消防救援車(chē)輛配備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用分析

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為當(dāng)前最為火熱的網(wǎng)絡(luò)綜合技術(shù)，在消防救援車(chē)輛配備該技術(shù)后，能夠?qū)⒃撓谰仍?chē)輛裝備為一個(gè)小型的現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度中心，依托5G通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)情況的狀態(tài)信息。通過(guò)綜合判斷，能夠最大程度地掌握現(xiàn)場(chǎng)信息，從而通過(guò)信息分析實(shí)現(xiàn)人員設(shè)備的配備和調(diào)度，以此優(yōu)化消防滅火救援過(guò)程中的各項(xiàng)工作，推動(dòng)消防滅火救援現(xiàn)場(chǎng)秩序優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)滅火救援效果的最大化。

5? 結(jié)語(yǔ)

消防滅火救援是當(dāng)前消防工作中的關(guān)鍵作業(yè)內(nèi)容，對(duì)維護(hù)國(guó)家、人民的財(cái)產(chǎn)生命安全有著重要意義。當(dāng)前消防滅火救援過(guò)程由于存在消防通訊技術(shù)局限性、相關(guān)通訊設(shè)備兼容性不佳、消防滅火救援圖像傳輸不通暢等問(wèn)題，造成最終消防滅火救援效果無(wú)法實(shí)現(xiàn)最大化。對(duì)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(dāng)前5G通信技術(shù)具備高通量、低延時(shí)的特點(diǎn)，在復(fù)雜的消防滅火現(xiàn)場(chǎng)能夠推動(dòng)技術(shù)革新，如無(wú)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(chē)輛配備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新型技術(shù)的開(kāi)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(shù)隨著5G通信技術(shù)的快速普及，必將廣泛應(yīng)用。

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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