消防灭火救援中的5G技术运用研究

熊孝坤

摘要：5G通信技术的应用，将对社会产生巨大影响，在物联网、大数据的发展方面表现得更为突出。灭火救援是维护社会稳定的关键环节，面对复杂的救援场景，良好的通信技术对于提高救援效果、降低负面影响有着关键作用。对此，文章以消防灭火救援中的5G技术研究为话题，展开详细探讨。

关键词：消防灭火救援;5G技术;消防设备

消防灭火救援作为民生建设工程中重要的保障工作，对于维护社会秩序、保护国家和个人财产方面有着重要意义。现实中，消防灭火救援实际上是一项复杂的现场紧急性救助項目工程，除了传统的消防灭火救援设备支撑外，还需要强大的通信技术为现场实时化调度提供技术支撑。5G通信是当前最新的通信系统，具有高带宽、低延时、低功耗的特点，推动了通信技术的不断发展，尤其是在大数据、人工智能等方面具有基础支持作用。因此将5G技术应用于消防灭火救援过程，能够在一定程度上为消防调度提供通畅的通信条件，能够根据现场火情变化情况进行灵活调度，提升消防灭火效率。

1  5G通信关键技术概述

1.1  MIMO技术

对于无线通信网络而言，在进行收发信息的过程中，采用多个天线来传输信号的方式被称为MIMO无线通信系统[1]，见图1。MIMO技术的核心环节就是采用了多天线技术手段来实现了信道容量的显著扩大。MIMO技术中的多天线技术一般采用分布式天线技术，这种方式的天线布置能够显著增大各个天线之间的距离，由此使得获取的信号保持近似的相对独立。另一项重要的技术就是空时编码技术，这一技术主要针对多个天线信号之间的协同所形成，其作用在于调整来自各个天线信号的融合等，由此提升信号增益或者通量。

根据上述的分析可知，MIMO技术的本质在于为当前的通信系统提供足够的空间分集增益和空间复用增益。前者可以有效改善信号传输的可靠度，并有效降低误码率，而后者的作用则是提升信息传输速率。

1.2  空时编码技术

空时编码STC（Space-TimeCoding）技术[2]作为因MIMO系统技术出现而形成的重要技术，对提升天线分集对应的通信容量有着开创性意义。作为一种高效数据传输的编码技术，实现了信号传输在空间和时间上的结合，尤其是依托多天线技术实现了空间分集，而在时间上实现了时分复用，由此极大的提升分集和编码增益，实现了传输速率的显著提升。空时编码在不同天线所发送的信号中引入了时间和空间之间的相关性，从而能够在不增加带宽使用量的基础上可以在接收端获得不同编码条件下的分集和编码增益。从其表现特征上看，空时编码技术可以根据发射机和接收机是否需要获取信道状态信息分为两大类别[3]。第一类则是需要知晓信道状态信息，其可以进一步分为分层空时编码（LSTC）、空时格型编码（STTC）、空时分组码（STBC）;第二类编码为不需要知晓信道状态信息的编码技术，其可以进一步分为酉空时编码（USTC）、差分空时编码（DSTBC）。

1.3  自组织网络SON技术

作为重要的网络技术，为了改善无线通信中自主性问题，SON通过自治方式实现网络共享[4]，从而减少人工干预，并降低运营成本。对于这一网络架构而言，其主要功能可以概括为自配置、自优化以及自愈等三个方面。对于自配置而言，主要涉及设备在安装上电到用户设备正接入业务过程中，网络自动完成配置，减少安全调试过程，实现即插即用功效。自优化就是用户终端和基站之间的网络运行状态调整，参数优化均通过网络自适应优化以实现性能改善。自愈就是整个网络能够进行自我故障修复，网络故障预警、定位，并能够自动消除部分问题，从而以最小化网络用户使用影响程度。

1.4  M2M通信技术

M2M就是指数据从一个用户终端转移到另一个用户终端，实现机器与机器之间的对话[5]。这种方式目前在物联网领域应用较为普遍，具体技术形式见图2。从当前发展来看，该技术已经应用于多个领域，具体包括智能化机器设备、M2M硬件设备、通信网络以及中间结构等。智能化机器就是让机器具有一定的分析能力，实现一定领域上对人的取代。M2M硬件则是使机器可具备联网能力和远程通信的部件，进行信息提取，实现自我分析。通信网络则是诸如以以太网、广域网为基础的通信网络中实现M2M转化。中间结构则是M2M网关完成在不同协议之间的转换，在通信网络和IT系统之间建立桥梁。

1.5  非正交多址技术

非正交多址技术（NOFDM）[6]起源于正交多址技术（OFDM），后者信号各个子载波是相互正交的，在使用这种多址技术时，解调时只会解调出对应子载波上的信号，不会影响其他子载波上的信号。子载波间是相互正交的，因此可以使子载波的频谱相互重叠，这样极大地提高了频带效率。在NOFDM技术下，这种正交性被打破，子载波之间的重叠会更高，因而能够提升信号中涵盖的子载波数目，由此增大单一信号符号涵盖更多信息，从而提升信息传输效率。当然高度重叠的子载波导致接收端解调难度增大，对此需要打破常规，采用稀疏理论，在稀疏变换域空间实现各个子载波的变换表达，从而离散各个子载波，实现载波信息的有效提取，由此实现高容量信息的传输过程。

1.6  超宽带技术

超宽带技术（UWB）作为一种信息无线通信技术，通过尖锐上下变动的脉冲信号直接调制来实现数量级为GHz的宽带容量[7]。这一技术的出现显著提升了无线通信能力，使得便捷极速的5G通信成为可能。通过相应技术测试可知，该技术对无线通信信道不敏感，并且设计系统复杂度不高、抗截获能力强且呈现出低功耗特性，因而成为5G通信技术体系中最为重要的技术细节。目前该技术在智能交通、传感器网络、成像系统等领域有着广阔的前景。

2  5G技术在消防灭火救援中的重要性分析

2.1  5G通信技术特点

作为当前最新的通信技术体系，5G通信涵盖MIMO技术、空时编码技术、自组织网络SON技术、M2M通信技术、非正交多址技术以及超宽带技术等关键技术，具有极高的频带宽度，具有高容量、高速度通信的效能。5G通信技术具有如下特点及优势：（1）注重用户体验，技术创新发展提速。（2）点对点通信传输转变为多点传输、多用户、多天线以及多小区组合成为技术发展关键。（3）使用更高的通信波段，这样就会削减传输能力，但是使用的频带资源会更多。（4）具备较好的软配置能力，这样运营方可以根据客户需求对网络资源进行优化配置，从而削减成本，提升在消防救援中的实时沟通效果。

2.2  消防灭火救援的无线通信新需求

当前在我国消防灭火救援系统中，已经实现了无线通信技术覆盖，并且结合WLAN技术，实现各类设备之间的网络连接，但是连接的稳定性能直接对消防灭火救援进程效果产生直接影响。对此在5G通信技术背景下，我国的消防灭火救援系统相关要求不断提升。根据当前运行情况，在消防灭火救援背景下，有的要求救灾现场通信稳定、安全，有的要求救灾现场能够进行大容量信息传输。总体来说，良好环境适应力、安全稳定、大带宽的车地传输网络是最主流的技术选择，如何满足这些要求成为5G通信技术在消防灭火救援中的关键问题。

3  当前消防灭火减灾工作执行中问题概述

3.1  消防通讯技术局限性

在消防救援现场，所有工作的开展需要迅速、准确，并和时间进行赛跑。对此在消防过程中，需要有效获取现场综合信息。对此要求在消防调度作业中，消防指挥中心依托先进的通信技术获取现场数据信息，并形成地理信息图文继承，从而实现指挥调度的远程可视化，并通过大数据技术实现现场调度决策。这些复杂高通量信息的传输需要非常强大的通信技术作为支撑。但是由于消防通讯技术的局限性，使指挥调度工作容易和现场需求存在脱节情况，造成消防灭火救援工作进展无法进一步优化。

3.2  相关通讯设备兼容性不佳

随着社会的发展，消防灭火救援形式发生着重要变化，环境的复杂性推动了消防通讯设备的多元化，由此为各种复杂的消防灭火场景提供技术支撑。但是多元化设备的搭配导致设备之间的兼容性问题日益突出。如通信设备信号形式的不统一导致在消防灭火现场无法进行优化调度，使各类消防救援设备联合使用作用不显著。此外复杂的设备系统，不同的操作方式，导致在火情严重的情况下难以有效配合使用，导致部分性能优异的设备系统无法发挥应有效果，给整体消防灭火救援带来较大困扰。

3.3  消防灭火救援图像传输不通畅

消防灭火救援现场和指挥调度中心需要进行密切迅捷的联系，这给当前的通信方式带来挑战。在消防灭火现场，大量的现场图像被传输到指挥调度中心，这些高清的图片的传输则需要高速高容量的通信系统予以支撑。当前消防员采用的通信系统为单兵作战图像侦查系统、单兵作战图像传输装置等技术来实现火灾现场图片传输。这些设备采用的传输频率为433Hz的无线电进行数据传输，这样对应的可靠传输距离仅为2km，而采用2.4GHz的通讯频率则对应的可靠传输距离缩小到1km，由此可见对应频率选择的不同对应的可靠传输距离有着显著性差异。如果考虑周围环境因素的影响，对应的可靠传输距离更小，而调度中心一般会在远离火情的安全区域，这样容易造成火情图像信息传输不够稳定通畅，容易引发调度决策误判情况。

4  5G传输技术在消防救援行业的应用分析

4.1  无人消防灭火救援作战系统应用分析

随着科学技术的发展，现代自动化控制系统的高度应用实现了部分领域的人力替代。在消防灭火救援作业中，面对复杂多变、危险性極大的火灾现场，采用无人消防灭火救援作战系统，显然有助于降低对消防救援人员的依赖，并且能够最大限度减少伤亡。对此，依托5G通信技术，可以实现消防灭火现场和指挥调度中心的顺畅通信联系。现场无人化消防灭火救援作战系统可以根据设定路线抵达火灾现场，并依据空中无人侦察机的回传数据对火情进行迅速评估[8]，并做出灭火救援决策，开启救援设备进入现场作业，并同时对现场数据进行回传，输送至指挥调度中心，对火情进行三维建模，实现对现场的可视化模拟，为人为干预决策提供支撑。在5G通信技术的加持下，调度中心对消防机器人进行操作，并移动消防炮，同时依托无人机从空中泼洒灭火剂，实现三维立体空间下多手段联合的灭火机动作业，以此实现高效精准地智能化灭火过程。

4.2  消防员生命安全装备应用分析

消防员生命安全装备应用有助于最大限度保护现场作业的消防人员的生命安全，降低消防救援过程中的伤亡损失。消防员生命安全装备应用作为一类可穿戴装备，可以依托所嵌入的5G通信模块，对消防人员的生命体征信息进行回传，帮助指挥调度中心及时掌握参与灭火救援的现场人员的身体状态，为其做出正确决策，并保障消防人员安全撤离。在现代无线网络技术和互联网技术的支撑下，该装备上附着着大量的传感器设备，这些设备在获取现场数据后通过特定的IP网络实现数据的传输，从而以帮助调度中心及时掌握真实火情。这些复杂的技术在当前的4G通信技术下难以得到充分融合调度，因此只有在5G技术不断普及下，这种面向常规化的消防设备将得以普及。

4.3  消防救援车辆配备物联网技术应用分析

物联网技术作为当前最为火热的网络综合技术，在消防救援车辆配备该技术后，能够将该消防救援车辆装备为一个小型的现场指挥调度中心，依托5G通信技术和物联网技术，实现对各类现场数据信息的接收、处理和分析[9]。从而能够在大量的数据信息的辅助下获得各类消防救援器材、现场情况的状态信息。通过综合判断，能够最大程度地掌握现场信息，从而通过信息分析实现人员设备的配备和调度，以此优化消防灭火救援过程中的各项工作，推动消防灭火救援现场秩序优化，从而实现现场灭火救援效果的最大化。

5  结语

消防灭火救援是当前消防工作中的关键作业内容，对维护国家、人民的财产生命安全有着重要意义。当前消防灭火救援过程由于存在消防通讯技术局限性、相关通讯设备兼容性不佳、消防灭火救援图像传输不通畅等问题，造成最终消防灭火救援效果无法实现最大化。对此本文着重考虑在5G通信背景下的消防灭火救援的演化情况。当前5G通信技术具备高通量、低延时的特点，在复杂的消防灭火现场能够推动技术革新，如无人消防灭火救援作战系统、消防员生命安全装备、消防救援车辆配备物联网技术等新型技术的开发，不仅能够最大化保障消防灭火救援效果，还可以最大程度上保证消防救援人员的生命安全，因此这类技术随着5G通信技术的快速普及，必将广泛应用。

参考文献：

[1]王茹.5G时代物联网技术在重特大灾害事故应急救援消防宣传管理中的应用[J].消防界（电子版），2020，6（22）：36-37.

[2]李莹.5G背景下NB-IOT技术的典型应用分析[J].无线互联科技，2020，17（22）：78-79.

[3]朱國庆.5G与无人机技术应用于危化品仓库火灾应急救援[J].劳动保护，2020（11）：62-65.

[4]王璐，杨方明.基于5G网络中的关键技术及实际应用分析[J].数码世界，2020（10）：30-32.

[5]蔡剑锋，林丽梅，林鹏程.如何利用5G通信手段推进消防信息化建设再上新台阶[J].电子世界，2020（18）：72-73.

[6]黄赞辉.消防灭火救援在5G时代下的发展研究[J].今日消防，2020，5（09）：6-7.

[7]陈威铭.无线通信技术在消防领域中的应用分析[J].数字技术与应用，2020，38（08）：40-42.

[8]戴建林.无人机在消防灭火救援中的应用[J].中国新通信，2019，21（21）：91-92.

[9]成都移动携手成都消防开展5G灭火救援演练[J].通信与信息技术，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