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)國家和個(gè)人財(cái)產(chǎn)方面有著重要意義?,F(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)于無線通信網(wǎng)絡(luò)而言,在進(jìn)行收發(fā)信息的過程中,采用多個(gè)天線來傳輸信號(hào)的方式被稱為MIMO無線通信系統(tǒng)[1],見圖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?,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(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),為了改善無線通信中自主性問題,SON通過自治方式實(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)過程中,網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成配置,減少安全調(diào)試過程,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)形式見圖2。從當(dāng)前發(fā)展來看,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程。
1.6? 超寬帶技術(shù)
超寬帶技術(shù)(UWB)作為一種信息無線通信技術(shù),通過尖銳上下變動(dòng)的脈沖信號(hào)直接調(diào)制來實(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)顯著提升了無線通信能力,使得便捷極速的5G通信成為可能。通過相應(yīng)技術(shù)測(cè)試可知,該技術(shù)對(duì)無線通信信道不敏感,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? 消防滅火救援的無線通信新需求
當(dāng)前在我國消防滅火救援系統(tǒng)中,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無線通信技術(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來說,良好環(huán)境適應(yīng)力、安全穩(wěn)定、大帶寬的車地傳輸網(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)鍵問題。
3? 當(dāng)前消防滅火減災(zāi)工作執(zhí)行中問題概述
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)無法發(fā)揮應(yīng)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(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。如果考慮周圍環(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),在消防救援車輛配備該技術(shù)后,能夠?qū)⒃撓谰仍囕v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。通過綜合判斷,能夠最大程度地掌握現(xiàn)場(chǎng)信息,從而通過信息分析實(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
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題,造成最終消防滅火救援效果無法實(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(shù)等新型技術(shù)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(shù)隨著5G通信技術(shù)的快速普及,必將廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
[1]王茹.5G時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在重特大災(zāi)害事故應(yīng)急救援消防宣傳管理中的應(yīng)用[J].消防界(電子版),2020,6(22):36-37.
[2]李瑩.5G背景下NB-IOT技術(shù)的典型應(yīng)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(jī)技術(shù)應(yīng)用于?;穫}庫火災(zāi)應(yīng)急救援[J].勞動(dòng)保護(hù),2020(11):62-65.
[4]王璐,楊方明.基于5G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)際應(yīng)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(jìn)消防信息化建設(shè)再上新臺(tái)階[J].電子世界,2020(18):72-73.
[6]黃贊輝.消防滅火救援在5G時(shí)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(shù)在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2020,38(08):40-42.
[8]戴建林.無人機(jī)在消防滅火救援中的應(yīng)用[J].中國新通信,2019,21(21):91-92.
[9]成都移動(dòng)攜手成都消防開展5G滅火救援演練[J].通信與信息技術(shù),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