引言

在高層建筑火災(zāi)、化工園爆炸等事故現(xiàn)場(chǎng)濃煙高熱、建筑倒塌等情形下通信線路極易中斷；公網(wǎng)通信在火災(zāi)發(fā)生時(shí)存在基站損壞、基站過載等通信線路中斷的可能，衛(wèi)星通信傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)、通信費(fèi)用高昂。單一通信方式均不理想，消防力量嘗試多種無線通信方式之間的結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短搭建整體通信網(wǎng)絡(luò)。因此，本文對(duì)多種無線通信方式的綜合應(yīng)用進(jìn)行研究，旨在為應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)搭建提供參考。

一、滅火救援場(chǎng)景對(duì)無線通信技術(shù)的需求分析

（一）通信環(huán)境的復(fù)雜性與特殊性

火災(zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)的極端環(huán)境對(duì)無線通信技術(shù)構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在建筑火災(zāi)中，高溫、濃煙與建筑結(jié)構(gòu)損毀形成復(fù)合障礙：室內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫可達(dá) 800^°C-1200^°C ，遠(yuǎn)超普通電子設(shè)備的工作耐受溫度，直接威脅通信設(shè)備的穩(wěn)定性；濃密煙霧不僅降低能見度，還會(huì)導(dǎo)致空氣中懸浮顆粒增多，對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生散射和吸收作用，造成信號(hào)強(qiáng)度衰減[1]。此外，坍塌建筑中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、金屬管道形成電磁屏蔽效應(yīng)，化工災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的易燃易爆氣體與強(qiáng)電磁干擾，進(jìn)一步加劇通信鏈路的脆弱性。據(jù)應(yīng)急管理部統(tǒng)計(jì)，在復(fù)雜災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，傳統(tǒng)通信設(shè)備的有效工作時(shí)長(zhǎng)不足正常環(huán)境的1/3。

（二）多樣化的通信需求

滅火救援整個(gè)流程包含指揮調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)偵察、生命探測(cè)等諸多環(huán)節(jié)，這對(duì)應(yīng)急通信提出了差異化的需求。在指揮方面，跨部門協(xié)同工作需要穩(wěn)定傳輸高清視頻、地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)以及語(yǔ)音指令，以此保障消防、醫(yī)療、公安等多部門間的實(shí)時(shí)信息交互。在一線救援中，消防員需要借助便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)100米范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)語(yǔ)音對(duì)講，從而確保戰(zhàn)術(shù)配合能夠精準(zhǔn)、高效。對(duì)于無人機(jī)、消防機(jī)器人等智能裝備的遠(yuǎn)程控制，要依靠低時(shí)延通信（小于100毫秒）來實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃與動(dòng)作執(zhí)行，隨著災(zāi)情出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，通信系統(tǒng)要具備快速部署的能力，在災(zāi)害發(fā)生后30分鐘內(nèi)完成臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)搭建，并支持節(jié)點(diǎn)靈活增減來適應(yīng)救援范圍的擴(kuò)大或者收縮[2]。

（三）現(xiàn)有通信技術(shù)的局限性

既有通信技術(shù)無法滿足實(shí)際工作條件。傳統(tǒng)的模擬對(duì)講技術(shù)只能在1千米至3千米范圍內(nèi)使用并受到同頻干擾，數(shù)字集群專網(wǎng)只能滿足語(yǔ)音調(diào)度，單載波寬帶率只有 25kHz ，無法滿足高清視頻通信回傳；4G/5G公網(wǎng)在正常狀態(tài)下通信速率能夠滿足要求，若發(fā)生火災(zāi)事故，基站斷電、傳輸光纜損毀、激增用戶導(dǎo)致通信擁塞、中斷等情況屢見不鮮。因此，傳統(tǒng)的單一通信技術(shù)無法滿足滅火救援通信需求，需要多種通信技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)新滅火救援通信系統(tǒng)技術(shù)。

二、適用于滅火救援的無線通信技術(shù)特性分析

（一）專網(wǎng)通信技術(shù)

專網(wǎng)通信技術(shù)憑借其高可靠性與強(qiáng)保密性，在滅火救援指揮調(diào)度環(huán)節(jié)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。TETRA（陸地集群無線電）系統(tǒng)作為全球廣泛應(yīng)用的數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)，采用400MHz—800MHz頻段，具備快速呼叫建立（小于0.3秒）、優(yōu)先級(jí)搶占、組呼和私密呼叫等功能。在大型火災(zāi)救援中，指揮人員可通過TETRA終端向不同作戰(zhàn)小組下達(dá)指令，確保關(guān)鍵信息優(yōu)先傳輸[3]。例如，在2023 年某化工廠爆炸事故處置中，TETRA系統(tǒng)保障了消防、環(huán)保、醫(yī)療等多部門間的實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信，有效避免了信息傳遞混亂。然而，TETRA系統(tǒng)依賴固定基站部署，單基站覆蓋半徑通常在5公里一15公里，在山區(qū)、地下空間等地形復(fù)雜區(qū)域存在大量信號(hào)盲區(qū)。PDT（警用數(shù)字集群）作為我國(guó)自主研發(fā)的專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在消防領(lǐng)域同樣得到廣泛應(yīng)用。其采用時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)，兼容模擬與數(shù)字模式，支持語(yǔ)音加密與短數(shù)據(jù)傳輸。與TETRA相比，PDT系統(tǒng)更適應(yīng)我國(guó)國(guó)情，建設(shè)成本較低且便于與現(xiàn)有模擬設(shè)備過渡銜接。PDT網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率有限，僅能滿足文字、圖片等小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)，難以支持高清視頻實(shí)時(shí)回傳。

（二）自組網(wǎng)通信技術(shù)

自組網(wǎng)通信技術(shù)通過無中心、多跳中繼的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，解決了災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施條件下的通信難題。COFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)作為自組網(wǎng)的核心，具有抗多徑干擾、穿透能力強(qiáng)的特性。在建筑物內(nèi)部，COFDM設(shè)備可穿透磚墻保持通信，傳輸距離達(dá)200米一500米。消防員攜帶的自組網(wǎng)終端能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)周圍節(jié)點(diǎn)，通過動(dòng)態(tài)路由協(xié)議構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)接力傳輸。例如，在2022年某商場(chǎng)坍塌救援中，自組網(wǎng)設(shè)備成功在廢墟內(nèi)部搭建通信鏈路，保障了救援人員與外部指揮中心的實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)[4]。然而，自組網(wǎng)技術(shù)存在明顯局限性。隨著網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)增加，數(shù)據(jù)傳輸帶寬呈指數(shù)級(jí)下降，當(dāng)跳數(shù)超過5跳時(shí)，有效帶寬從初始的8Mbps降至1Mbps以下。此外，自組網(wǎng)設(shè)備的電池續(xù)航能力有限，連續(xù)工作時(shí)間通常在4小時(shí)一6小時(shí)，難以滿足長(zhǎng)時(shí)間救援需求。同時(shí)，自組網(wǎng)缺乏統(tǒng)一的管理調(diào)度機(jī)制，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過50個(gè)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，容易出現(xiàn)路由沖突與擁塞問題。

（三）衛(wèi)星通信技術(shù)

衛(wèi)星通信憑借其廣域覆蓋能力，成為偏遠(yuǎn)地區(qū)及公網(wǎng)癱瘓時(shí)的重要通信保障。海事衛(wèi)星系統(tǒng)采用地球同步軌道衛(wèi)星，覆蓋全球 99% 以上區(qū)域，支持語(yǔ)音、短信及低速數(shù)據(jù)傳輸，適合災(zāi)情初期的應(yīng)急聯(lián)絡(luò)。天通衛(wèi)星作為我國(guó)自主衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為國(guó)內(nèi)及周邊地區(qū)提供更高質(zhì)量的通信服務(wù)，其手持終端可實(shí)現(xiàn)1.2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足語(yǔ)音通話與低清視頻回傳需求。高通量衛(wèi)星的發(fā)展為滅火救援帶來新突破。中星16號(hào)衛(wèi)星采用Ka頻段，總?cè)萘窟_(dá) 20Gbps ，支持高清視頻實(shí)時(shí)傳輸。在2021年某森林火災(zāi)救援中，通過高通量衛(wèi)星回傳的無人機(jī)偵察畫面，指揮中心得以實(shí)時(shí)掌握火勢(shì)蔓延態(tài)勢(shì)。由于信號(hào)需往返地球與衛(wèi)星，單向傳輸時(shí)延約270毫秒，嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)控制類業(yè)務(wù)。同時(shí)，衛(wèi)星通信設(shè)備體積較大、功耗高，終端設(shè)備重量普遍超過1公斤，使用成本高昂，每分鐘數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用達(dá)數(shù)元。

（四）5G公網(wǎng)通信技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)憑借高速率、低時(shí)延、廣連接的特性，為滅火救援工作注人全新的動(dòng)能。5G網(wǎng)絡(luò)理論峰值速率能達(dá)到 20Gbps ，可實(shí)現(xiàn)4K/8K視頻的實(shí)時(shí)回傳，其端到端的時(shí)延能夠低至1毫秒，可滿足消防機(jī)器人遠(yuǎn)程操控需求。在公網(wǎng)正常覆蓋的區(qū)域范圍， 5G+MEC 移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)把計(jì)算任務(wù)下沉到靠近用戶的邊緣節(jié)點(diǎn)，以此進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)處理的時(shí)延。在2023年某高層建筑火災(zāi)演練當(dāng)中，5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)AR遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)系統(tǒng)提供支撐，專家借助實(shí)時(shí)視頻流，標(biāo)注火源位置，協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)指揮員制定救援方案。5G網(wǎng)絡(luò)在災(zāi)害發(fā)生時(shí)會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)。5G基站運(yùn)用高頻段進(jìn)行通信，信號(hào)穿透能力較弱，在建筑物內(nèi)衰減情況嚴(yán)重，其宏基站覆蓋半徑僅僅只有200米到500米，需要依賴密集部署來保證覆蓋范圍。5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力供應(yīng)與傳輸光纜的依賴程度很高，在災(zāi)害致使基礎(chǔ)設(shè)施遭受損毀時(shí)，網(wǎng)絡(luò)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在重大災(zāi)害發(fā)生以后，5G基站的平均中斷時(shí)長(zhǎng)會(huì)超過12小時(shí)，這嚴(yán)重影響通信服務(wù)的連續(xù)性。

三、多種無線通信技術(shù)的融合應(yīng)用方案

（一）融合架構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)建“空天地一體化”融合通信網(wǎng)絡(luò)，突破傳統(tǒng)單一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)局限，依靠分層部署和智能協(xié)同來實(shí)現(xiàn)全域覆蓋。在高空層面，采用無人機(jī)搭載微型基站當(dāng)作移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)，憑借其靈活、機(jī)動(dòng)性快速填補(bǔ)信號(hào)覆蓋盲區(qū)，如搭載4G/5G基站的系留無人機(jī)能在100米—200米高空持續(xù)作業(yè)6小時(shí)一8小時(shí)，覆蓋半徑可達(dá)3公里—5公里，適用于火災(zāi)初期大范圍態(tài)勢(shì)偵察場(chǎng)景；中空部分部署系留氣球作為固定中繼平臺(tái)，它配備的專網(wǎng)基站如TET-RA、PDT與衛(wèi)星通信模塊，可提供穩(wěn)定的廣域覆蓋;在高層建筑火災(zāi)中，能保障30層以上區(qū)域的通信暢通。地面網(wǎng)絡(luò)依托便攜式基站、Mesh自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建末端通信鏈路，消防員攜帶的多模終端可自動(dòng)接入最近節(jié)點(diǎn)，形成“最后一公里”通信保障。在網(wǎng)絡(luò)控制層面，引人軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)，通過集中式控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)度。SDN控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各鏈路的信號(hào)強(qiáng)度、帶寬利用率、時(shí)延等參數(shù)，依據(jù)業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源。例如，當(dāng)消防員深人建筑內(nèi)部時(shí)，控制器自動(dòng)將視頻傳輸業(yè)務(wù)切換至自組網(wǎng)鏈路，而指揮調(diào)度類業(yè)務(wù)優(yōu)先使用專網(wǎng)或衛(wèi)星鏈路確保關(guān)鍵指令傳輸可靠。這種動(dòng)態(tài)路由機(jī)制讓網(wǎng)絡(luò)資源利用率提升 40% 以上，保障多業(yè)務(wù)并發(fā)場(chǎng)景下的服務(wù)質(zhì)量[5]。

（二）場(chǎng)景化應(yīng)用策略

1.高層建筑火災(zāi)場(chǎng)景

在高層建筑火災(zāi)處置工作中，需要針對(duì)不同階段實(shí)施差異化通信策略。在火情初期階段，優(yōu)先啟用5G公網(wǎng)傳輸無人機(jī)采集的全景視頻，利用5G公網(wǎng)高速率特性將高清畫面實(shí)時(shí)回傳至指揮中心，當(dāng)火勢(shì)蔓延致使周邊基站出現(xiàn)癱瘓情況后，迅速放飛系留氣球搭建臨時(shí)中繼平臺(tái)，接入TETRA專網(wǎng)，保障語(yǔ)音指揮調(diào)度工作開展。消防員進(jìn)入建筑內(nèi)部時(shí)，啟動(dòng)自組網(wǎng)終端構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)樓層間的通信互聯(lián)。

2.化工災(zāi)害場(chǎng)景

化工災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)有著強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆等特殊風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)通信系統(tǒng)的抗干擾性和安全性提出更高要求。該場(chǎng)景采用“專網(wǎng) + 自組網(wǎng) + 衛(wèi)星通信”的融合方案，利用PDT專網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)指揮層的語(yǔ)音通信，其加密機(jī)制能有效抵御電磁干擾。自組網(wǎng)設(shè)備采用本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，在危險(xiǎn)區(qū)域構(gòu)建防爆通信網(wǎng)絡(luò)，支持氣體檢測(cè)儀、生命探測(cè)儀等設(shè)備的數(shù)據(jù)回傳，衛(wèi)星通信作為兜底，確保與外部指揮中心的長(zhǎng)距離聯(lián)絡(luò)。

3.森林火災(zāi)場(chǎng)景

針對(duì)森林火災(zāi)地域廣闊、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的特點(diǎn)，構(gòu)建“無人機(jī)中繼 + 衛(wèi)星通信 + 自組網(wǎng)\"立體網(wǎng)絡(luò)。通過多架無人機(jī)組成空中通信編隊(duì)，實(shí)現(xiàn)火場(chǎng)區(qū)域信號(hào)接力覆蓋，高通量衛(wèi)星承擔(dān)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，將火場(chǎng)紅外熱成像及氣象數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)傳回指揮部，消防員在林區(qū)內(nèi)通過自組網(wǎng)終端保持戰(zhàn)術(shù)協(xié)同。

（三）關(guān)鍵技術(shù)突破

1.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合協(xié)議

研發(fā)跨技術(shù)混合通信協(xié)議，解決不同網(wǎng)絡(luò)間的不兼容問題。引入統(tǒng)一信令轉(zhuǎn)換機(jī)制，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通問題，如TETRA的APCO－25協(xié)議、5G的NGAP協(xié)議等，通過信令轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無縫切換。例如，通過OpenStack研發(fā)網(wǎng)絡(luò)編排平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)與專網(wǎng)之間業(yè)務(wù)的無縫切換，切換時(shí)間僅需3秒，數(shù)據(jù)丟包率小于 0.1% 。設(shè)計(jì)智能選擇算法，智能選擇最佳鏈路，從信號(hào)質(zhì)量、業(yè)務(wù)類型、設(shè)備能耗等方面進(jìn)行綜合考量。

2.智能路由優(yōu)化技術(shù)

針對(duì)Mesh自組網(wǎng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)，設(shè)計(jì)出基于加強(qiáng)學(xué)習(xí)的路由改進(jìn)算法，通過對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳輸路徑進(jìn)行模擬，反復(fù)對(duì)路由進(jìn)行修改，達(dá)到提升傳輸速率 35% 的效果。在較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中，采用分簇路由策略，將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)子網(wǎng)，由簇頭對(duì)各個(gè)子網(wǎng)進(jìn)行管理，減少了路由的開銷，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為100的情況下，網(wǎng)絡(luò)吞吐量提升2倍以上。

3.輕量化終端集成技術(shù)

研制多模通信移動(dòng)式終端，支持專網(wǎng)、自組網(wǎng)、衛(wèi)星、5G等通信方式，采用異構(gòu)多核處理器架構(gòu)，采用動(dòng)態(tài)功耗控制技術(shù)將功耗降低了 40% ，持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)大于8小時(shí)，設(shè)備重量小于800克，防雨防塵外殼設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)IP67。某新型消防通信終端有10種通信方式，切換時(shí)長(zhǎng)在2秒之內(nèi)，便于消防人員進(jìn)行通信。

結(jié)語(yǔ)

多種無線通信技術(shù)融合應(yīng)用，能系統(tǒng)性解決滅火救援通信難題。利用專網(wǎng)保障指揮調(diào)度、自組網(wǎng)解決末端通信、衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)全域覆蓋、5G公網(wǎng)支撐多媒體業(yè)務(wù)，構(gòu)建互補(bǔ)協(xié)同的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。未來研究要進(jìn)一步攻克異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)兼容性問題并探索AI技術(shù)在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用，同時(shí)推動(dòng)通信設(shè)備朝著輕量化和智能化方向發(fā)展。隨著技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐不斷深人，多技術(shù)融合會(huì)持續(xù)提升消防救援信息化水平，并為保護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全提供堅(jiān)實(shí)的通信保障。

參考文獻(xiàn)

[1］麥宜.無線通信技術(shù)在極端惡劣條件下滅火救援實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)新通信，2024，26（17）： ：1-3+6

[2]魯金寶.消防通信系統(tǒng)中無線通信技術(shù)的應(yīng)用分析[J].消防界（電子版），2023，9（03）：61-63.

[3]王軍虎.5G通信技術(shù)在消防滅火救援中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)高新科技，2022（12）：111-112.

[4］羅娜.5G無線通信技術(shù)在消防滅火救援工作中監(jiān)管作用的研究[J].今日消防，2021，6（02）：4-5.

[5]熊孝坤.消防滅火救援中的5G技術(shù)運(yùn)用研究[J].今日消防，2021，6（09）：31-33.