趙君祚

（北京市消防救援總隊(duì)，北京 100000）

0 引 言

在當(dāng)前科技迅猛發(fā)展的時(shí)代背景下，5G 技術(shù)以其獨(dú)特的高速、大容量以及低延遲特性，正逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域，為行業(yè)發(fā)展帶來(lái)革命性變革。尤其是在消防通信體系中，5G技術(shù)的應(yīng)用更表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)[1]。而如何應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)建立消防通信體系，并促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)在各個(gè)消防場(chǎng)景的應(yīng)用是文章要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 5G 技術(shù)分析

1.1 5G 通信技術(shù)

5G 通信技術(shù)具備極高的數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲以及大連接能力，能夠?qū)崿F(xiàn)最高20 Gb/s 的傳輸速度，傳輸速度遠(yuǎn)超4G 通信技術(shù)。此外，5G 通信覆蓋增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、超高可靠與低延遲通信以及廣泛的機(jī)器通信3 個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)全方位的人機(jī)物互聯(lián)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 5G 專網(wǎng)技術(shù)

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用，使得網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)不同服務(wù)需求提供定制化的處理能力。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將單一的物理網(wǎng)絡(luò)分割成多個(gè)獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都可以根據(jù)特定應(yīng)用的要求進(jìn)行優(yōu)化[2]。例如，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片可以專門優(yōu)化以支持極低延遲的應(yīng)用，而另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片則可以優(yōu)化以支持大量設(shè)備連接，從而滿足不同場(chǎng)景的需求。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以創(chuàng)建專門的切片來(lái)處理消防服務(wù)通信，確保在緊急情況下優(yōu)先進(jìn)行資源分配，從而保障通信實(shí)時(shí)性。即使在網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下，專網(wǎng)也能保證高效的數(shù)據(jù)傳輸，避免通信延遲。此外，網(wǎng)絡(luò)切片具有隔離特性，能夠確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩€(wěn)定，一個(gè)切片內(nèi)的問(wèn)題不會(huì)波及其他切片，從而極大地提升通信的安全性。

1.2.2 MEC 技術(shù)

移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）技術(shù)是5G 網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組成部分，旨在通過(guò)靠近用戶地理位置的網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以提高服務(wù)效率和加快響應(yīng)速度。MEC 技術(shù)的實(shí)施允許數(shù)據(jù)在接近用戶的地點(diǎn)即時(shí)處理，而不是傳送回遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)中心處理，從而顯著加快數(shù)據(jù)處理速度并降低延遲。在消防等緊急服務(wù)領(lǐng)域，MEC 技術(shù)使得緊急響應(yīng)團(tuán)隊(duì)能夠快速獲取和處理實(shí)時(shí)視頻流或傳感器數(shù)據(jù)，從而使決策更加迅速準(zhǔn)確。MEC 部署還有助于緩解網(wǎng)絡(luò)中心的壓力，因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)處理可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行，進(jìn)而減少網(wǎng)絡(luò)擁堵并提高整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率[3]。此外，MEC 支持本地?cái)?shù)據(jù)收集與分析，可以即時(shí)收集并利用鄰近基站的身份標(biāo)識(shí)號(hào)碼（Identity Document，ID）和可用帶寬，來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能與資源分配。而這種即時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知能力，能夠?yàn)?G 消防通信專網(wǎng)建設(shè)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，確保通信網(wǎng)絡(luò)在緊急情況下高效且可靠。

2 基于5G 技術(shù)的消防通信體系架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于5G 技術(shù)，在消防通信中構(gòu)建高效和可靠的通信網(wǎng)絡(luò)體系，功能框架如圖1 所示，有助于滿足消防救援過(guò)程中對(duì)于信息的實(shí)時(shí)傳遞和處理需求。在此系統(tǒng)中，可利用多個(gè)頻段以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和信號(hào)穿透力，尤其是700 MHz 頻段，由于其低損耗和強(qiáng)穿透力，能夠提供廣泛覆蓋，最遠(yuǎn)達(dá)到5 km。而且，此系統(tǒng)架構(gòu)融合了公網(wǎng)與專網(wǎng)優(yōu)勢(shì)。通常情況下，采用公網(wǎng)進(jìn)行廣域通信，保障消防救援人員在平時(shí)能夠順暢地接收和發(fā)送信息。而在緊急情況下如網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，該體系能夠自動(dòng)切換至局域?qū)＞W(wǎng)模式，保證在單個(gè)基站覆蓋范圍內(nèi)的通信不受影響，從而確保救援行動(dòng)的連續(xù)性[4]。在系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)部，下一代基站（the next generation NodeB gNB）、用戶面功能（User Plane Function，UPF）、MEC、5G 核心網(wǎng)循環(huán)前綴以及統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（Unified Data Management，UDM）等關(guān)鍵技術(shù)組件共享于廣電公網(wǎng)，使得gNB 接收電臺(tái)終端信號(hào)時(shí)，能夠確保數(shù)據(jù)即時(shí)處理，從而支持網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分擔(dān)并加強(qiáng)災(zāi)難恢復(fù)能力。在5G 消防通信體系中，MEC 部署還能進(jìn)一步加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣計(jì)算能力，使得數(shù)據(jù)處理更加靠近用戶端，降低通信時(shí)延，并提升數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，以收集和匯聚消防現(xiàn)場(chǎng)的信息、確保信號(hào)準(zhǔn)確覆蓋以及增強(qiáng)終端設(shè)備的即時(shí)響應(yīng)能力。

圖1 消防通信體系功能框架

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

中斷保存技術(shù)能夠在gNB檢測(cè)到N2網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，保持用戶的N3 會(huì)話隧道連接狀態(tài)，即使收到的非接入層（Non-Access Stratum，NAS）或切換信令出現(xiàn)失敗或超時(shí)情況，用戶連接也不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)問(wèn)題而中斷，直到N2 網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)并能夠正常運(yùn)行之前的業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)同步技術(shù)是將數(shù)據(jù)通過(guò)安全文件傳輸協(xié)議（Secure File Transfer Protocol，SFTP）從公網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù)管理（User Data Management，UDM）安全傳輸?shù)綄＞W(wǎng)。在此過(guò)程中，能夠確保即使網(wǎng)絡(luò)連接中斷，專網(wǎng)用戶也能夠開(kāi)展5G 鑒權(quán)、注冊(cè)和接入等基本業(yè)務(wù)，但不支持修改同步數(shù)據(jù)。同步機(jī)制能夠?yàn)闉?zāi)情現(xiàn)場(chǎng)提供必要的通信支持，使得緊急響應(yīng)團(tuán)隊(duì)可以在斷網(wǎng)狀態(tài)下也維持基本通信功能。業(yè)務(wù)回遷指在通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常運(yùn)作時(shí)，之前因網(wǎng)絡(luò)中斷而暫停的用戶業(yè)務(wù)會(huì)自動(dòng)回遷至網(wǎng)絡(luò)。在此過(guò)程中，原先處于連接狀態(tài)的用戶會(huì)轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)，并通過(guò)服務(wù)請(qǐng)求消息或周期性跟蹤區(qū)更新（Tracking Area Update，TAU）信令重新連接到5G 核心網(wǎng)絡(luò)控制面，從而確保網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后用戶能夠無(wú)縫繼續(xù)通信服務(wù)，而且在網(wǎng)絡(luò)中斷期間已經(jīng)保存的業(yè)務(wù)不會(huì)受到影響。

3 消防通信體系中5G 技術(shù)的具體應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 實(shí)戰(zhàn)指揮

5G 技術(shù)支持高速、大容量以及低延遲的通信需求，使得消防救援指揮中心能夠在極短時(shí)間內(nèi)收集分析救援現(xiàn)場(chǎng)的視頻、圖像及其他關(guān)鍵信息，從而做出快速準(zhǔn)確的決策?；?G技術(shù)在救援現(xiàn)場(chǎng)建立指揮部，可以確保指揮官與現(xiàn)場(chǎng)救援人員實(shí)時(shí)溝通，通信不僅速度快，而且穩(wěn)定可靠，能夠確保救援方案快速傳達(dá)到每個(gè)救援人員。并且，無(wú)論是視頻通話、地圖共享還是任務(wù)分配，都能夠即時(shí)進(jìn)行，大大縮短指令傳達(dá)時(shí)間。在極端情況下，如斷網(wǎng)、斷路及斷電等，傳統(tǒng)的通信設(shè)備可能失效，但基于5G 技術(shù)搭建的專網(wǎng)設(shè)備能夠繼續(xù)提供穩(wěn)定的通信支持，自主化的5G 網(wǎng)絡(luò)能夠保障通信連續(xù)性，即使在外部網(wǎng)絡(luò)完全中斷的情況下，救援指揮部依然可以與前線救援人員保持通信，確保救援行動(dòng)穩(wěn)定進(jìn)行[5]。此外，利用5G 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更加靈活且廣泛的設(shè)備連接，指揮平臺(tái)可以關(guān)聯(lián)無(wú)人機(jī)、穿戴設(shè)備及移動(dòng)救援車輛等多個(gè)設(shè)備，以實(shí)時(shí)傳輸救援現(xiàn)場(chǎng)的視頻、音頻及其他重要數(shù)據(jù)回到指揮中心。通過(guò)多維度收集分析信息，可以幫助指揮官全面掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，制定精確高效的救援計(jì)劃。

3.2 應(yīng)急救援

在消防通信體系中，5G 技術(shù)通過(guò)其高速率和低延遲的特性，能夠極大地增強(qiáng)消防救援隊(duì)伍在面對(duì)復(fù)雜火災(zāi)情況時(shí)的應(yīng)對(duì)能力。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，基于5G 技術(shù)能夠幫助消防人員迅速判斷火災(zāi)類型和等級(jí)，通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速傳回指揮中心，使得指揮官能夠快速做出決策，并制定出針對(duì)性的救援方案。在執(zhí)行救援任務(wù)時(shí)，5G 技術(shù)可以確保救援現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心之間的信息流通順暢無(wú)阻，通過(guò)實(shí)時(shí)的音視頻傳輸，指揮中心能夠直觀了解現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)提供指導(dǎo)和支持，從而降低救援人員面臨的風(fēng)險(xiǎn)，提高救援效率。例如，通過(guò)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，指揮中心可以指導(dǎo)消防隊(duì)員避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域，有效規(guī)避潛在危險(xiǎn)。此外，5G 技術(shù)可以促進(jìn)如無(wú)人機(jī)和機(jī)器人等智能設(shè)備的應(yīng)用。無(wú)人機(jī)在消防應(yīng)急通信中的應(yīng)用如圖2 所示。這些設(shè)備可以在消防人員無(wú)法直接進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行偵察和救援，大大提升救援安全性及有效性，而且設(shè)備收集的數(shù)據(jù)可以為后續(xù)的救援操作提供參考。此外，5G技術(shù)支持的大數(shù)據(jù)分析能力，使得救援結(jié)束后的復(fù)盤(pán)分析變得更加高效。分析救援過(guò)程中收集的大量數(shù)據(jù)，消防部門可以更好地理解救援操作中的優(yōu)點(diǎn)和不足，為后續(xù)的救援行動(dòng)提供改進(jìn)方向。

圖2 無(wú)人機(jī)在消防應(yīng)急通信中的應(yīng)用

3.3 隊(duì)伍管理

在消防通信體系中，5G 技術(shù)的引入能夠極大地提高隊(duì)伍管理效率?；诖隧?xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)消防隊(duì)伍管理信息的全面數(shù)字化記錄，尤其是日常訓(xùn)練、任務(wù)出勤及人員健康狀態(tài)等信息均能夠?qū)崟r(shí)更新和存儲(chǔ)，為隊(duì)伍管理提供全面的數(shù)據(jù)支持。而利用5G 云計(jì)算技術(shù)，消防指揮官可以設(shè)計(jì)出個(gè)性化的訓(xùn)練計(jì)劃，在提高訓(xùn)練效果的同時(shí)增強(qiáng)救援緊急響應(yīng)能力。在消防裝備管理方面，5G 技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和維護(hù)指導(dǎo)，通過(guò)高速的數(shù)據(jù)傳輸，確保所有裝備的使用狀態(tài)和性能都能實(shí)時(shí)掌握，并及時(shí)進(jìn)行維護(hù)更新，以確保救援裝備能夠在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮最大效能。在消防營(yíng)區(qū)管理方面，5G 技術(shù)能提高消防營(yíng)區(qū)的安全管理水平，通過(guò)部署高清監(jiān)控?cái)z像頭和無(wú)線傳感器，實(shí)現(xiàn)營(yíng)區(qū)全方位監(jiān)控，能夠有效管理所有進(jìn)出營(yíng)區(qū)的人員和車輛，從而在提高營(yíng)區(qū)安全水平的同時(shí)為救援行動(dòng)的快速部署提供有力保障[6]。此外，5G 技術(shù)在消防通信體系中的應(yīng)用，還能使信息即時(shí)共享。通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)，消防隊(duì)伍可以實(shí)時(shí)接收來(lái)自上級(jí)或其他相關(guān)部門的最新指令和信息，確保所有操作都基于最新的情報(bào)進(jìn)行，進(jìn)而提高救援效率。

3.4 消防監(jiān)督

在消防通信體系中，5G 技術(shù)為消防監(jiān)督提供全新的應(yīng)用場(chǎng)景，能夠顯著提高監(jiān)督效率。5G 技術(shù)的高速傳輸能力，能夠使消防監(jiān)督人員實(shí)時(shí)接入并調(diào)取監(jiān)督信息，從而使緊急情況下的響應(yīng)更加迅速有效，也使得消防監(jiān)督部門能夠?qū)崟r(shí)視頻監(jiān)控火災(zāi)隱患點(diǎn)，提升火災(zāi)預(yù)防的主動(dòng)性。監(jiān)督人員可以通過(guò)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控檢查消防設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取措施，減少因設(shè)備故障導(dǎo)致的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。5G 技術(shù)還能夠促進(jìn)消防監(jiān)督信息的共享與協(xié)同，通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一的消防監(jiān)督平臺(tái)，不同區(qū)域和不同級(jí)別的消防部門可以實(shí)時(shí)共享監(jiān)督信息，強(qiáng)化部門間的協(xié)作，避免信息孤島，提升監(jiān)督?jīng)Q策的科學(xué)性。隨著5G 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，消防監(jiān)督逐步結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)手段，推動(dòng)監(jiān)督管理向智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。例如，通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，或使用人工智能算法自動(dòng)識(shí)別監(jiān)控畫(huà)面中的異常情況。

4 結(jié) 論

5G 通信技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)志著通信領(lǐng)域的重大飛躍，不僅在速度上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，而且在穩(wěn)定性、兼容性以及安全性方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，未來(lái)將該項(xiàng)技術(shù)與消防通信深度融合，構(gòu)建完善的消防通信體系，進(jìn)而為現(xiàn)代化消防通信提供更多支持。