天地空融合通信在消防应急通信保障中的实施与应用探究

周小祥

（湖北省消防救援总队应急通信与车辆勤务大队，湖北 武汉 430000）

0 引 言

人们日常生活中，自然灾害和突发性事件时有发生。面对灾害时，经常会出现信号中断、通信设备被毁等情况，不仅不利于调查灾情，还会影响后方指挥中心与前线救援人员之间的互联互通，造成信息滞后。目前，消防应用通信技术主要以5G单兵图传为主。为更好地落实救援工作，应将通信技术与其他各项检测技术相结合，构建全方位的融合系统，即天地空融合通信，从而保证快速传回救援现场信息，为后续的相关工作提供通信保障。

1 天地通融合通信设计思路及实施保障

1.1 设计思路

大型灾害会导致受灾区域内的通信设备损坏，从而导致整个灾区面临电力中断、道路中断、通信中断情况。常规的通信应急手段无法保证快速恢复受灾区域内的通信，加之突发事件发生初期业务量增加，造成网络拥塞，导致现场侦查信息收集不全面，无法满足弹性延伸和全覆盖的要求。公网正常时，可应用5G 图传、无人机、GoPro 设备传回灾害现场实况；公网瘫痪时，可利用卫星便携站和卫星平板构建传输链路，同时配合无人机等采集终端，实现数据的实时传回。一线设备的类别如下：第一类为无人机、GoPro以及主席台摄像机，无人机和GoPro 执行云直播任务，而主席台摄像机则要用于召开会议，保证信息实时直播；第二类为单兵、车载以及布控球，利用电信虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）专网收集信息、转换以及存储，用于现场指挥，联合各级指挥中心，将结果用发光二极管（Light Emitting Diode，LED）大屏进行可视化共享；第三类为卫星便携站和海事卫星平板，将信息呈现在现场指挥中心[1]。

1.2 实施保障

以某区域的灾情演练为案例，设定市周边城区部分发生6 级地震，周围山体局部位置出现滑坡，部分低矮建筑和房屋发生倒塌，并伴随燃气管道泄漏，局部出现火灾问题，被困人数27 人。消防部门立即组织救援启动应急预案，应用天地空融合通信系统实现现场实况传回和指挥。天层负责音频视频传输，将受灾区域划分为5 个片区，应用5 架小型无人机分别在各自对应的空域承担救援任务。在实施过程中保证每个无人机之间保持10 m 距离，扩大信息搜集范围，同时降低碰撞风险。地层负责搭建通信设备，在消防应急通信中350 MHz 数字对讲机是最便捷的语言通信设备，具有无延时、高效、待机时间长的优势，是现场救援工作的保障之一。空层负责构建卫星通信系统，承载卫星便携站、卫星电话、卫星平板等设施的功能。

2 天地空融合通信在消防应急通信保障中的详细应用

2.1 天层应用

2.1.1 无人机技术

目前，消防应急通信保障在天层的应用主要是以无人机技术为基础，构成动力系统、飞行系统、大数据系统等，利用无人机搭载动态监测设备和传感器，实现对灾情现场的实况拍摄，再根据指挥部门要求变换拍摄方向[2]。与常规的无人机相比，应用在消防应急救援中的无人机更加灵活，且续航能力更强。灾区内通信瘫痪时，可利用无人机与音响设备组合的方式播报救援信息，维护秩序[3]。

为避免无人机发生碰撞，需要设置不同的飞行高度。与传统的卫星遥感技术相比，无人机搭载传感器的方式能够突破卫星运行周期的限制，并根据实际需求展开针对性救援。其在拍摄时角度精度更高，能够实现竖向和斜向摄影，并且能够实现亚米级精度拍摄，直接反应区域现况。此外，可以应用无人机挂载移动式装置实现广域信号覆盖，配合地面的TD930手持终端建立稳定的通信现场，实现点面结合消除盲点，布设通信网后能够及时传回灾情画面，辅助指挥中心调度[4]。目前，我国消防应急通信系统中较常用的无人机应急方案为系留式低空无人机应急方案。该方案能够携带蜂窝射频单元的多旋翼无人机和地面数据，同时配合卫星网络、卫星便携站以及应急通信车，利用无人机升空和滞空的方式扩大信息采集范围。系留式低空无人机应急如图1 所示。

图1 系留式低空无人机应急

2.1.2 高分遥感影像处理技术

在无人机技术的基础上，天层通信部分通过采用高分遥感技术配合无人机收集灾区数据，配合数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和数字地表模型（Digital Surface Model，DSM）地理信息数据完成地面测绘[5]。在影像处理中应用正射矫正和融合增强等方式完成预处理，详细的系统组成如图2 所示。由于存在现场火灾情况，无法直接观察火灾涉及范围。通过利用无人机遥感技术，可以根据卫星地图标识的起降条件设计无人机飞行航线，并装载高分辨率的航拍系统以及红外热像仪系统，从而实时观察灾情，进而判断火灾中心位置和蔓延情况。针对现场较为隐蔽的火源，可以实时传达数据信息侦查情况，利用计算机模拟火灾蔓延方向及程度，做到及时控制灾情，缩小损伤范围[6]。

图2 系统组成

2.2 地层应用

地层应用包括以下4 点。

（1）影像数据获取。以无人机摄影、卫星遥感影像技术、无人机遥感影像技术以及区域内的监控视频影像技术所提供的信息为基础统筹全局，明确应急机动和相关方案。

（2）环境变化信息获取。针对一些建筑坍塌、山体滑坡、泥石流以及暴雪等灾害问题，消防应急工作需要获取原有地质资源和地上资源的信息与实时监控信息进行比对，从而了解并实时监控和统计其变化情况，为后续的应急计划设计和救援提供支持[7]。

（3）地层数据接收终端需要对传回的数据信息进行预处理、自动比对以及预警。首先，预处理环节中需要解决内容模糊、亮度以及分辨率等问题，降低物理遮挡和天气情况的影响，并根据实际特征进行去雾和调光处理，为后续的识别工作降低难度；其次，应用违法行为识别模块对被巡视现场进行实况识别，包括火灾、山体滑坡、建筑坍塌以及洪水等；最后，利用预警模块动态化筛选现有情况，并对其进行分类预警[8]。

（4）建立监测服务平台。主要针对卫星遥感和无人机遥感建立数据库，并根据各自的影响和服务进行动态化调研。

2.3 空层应用

空层部分通信系统的应用主要是以卫星技术为基础，能够播报较大范围地理面积的数据，确保终端之间能够相互传输信息，节约传输宽带。目前，消防通信已经建立卫星便携基站，配置专业设备满足音频和视频传输功能，能够与无人机设备和终端等进行连接成像。由于消防救援现场具有复杂性的特点，针对消防应急演习活动，选用KU 频段和亚洲9 号等频带较宽的频段，满足采集、传输、存储需求，解决以往图像拉远拍摄的问题，从而推动救援工作的顺利进行[9]。

卫星遥感动态监测技术数据源为1 ～2 m 分辨率卫星影像，利用现有资料进行正射纠正，再利用计算机技术进行影像比对，提取区域变化信息。利用时序遥感影像回溯功能观察历史影像，生成直观的数据和图像信息，遥感动态监测技术详细技术路线如图2所示。

图3 遥感动态监测技术详细技术路线

3 消防应急系统中应用天地空融合通信技术的保障

3.1 扩大应用范围

天地空融合通信系统的建立中存在大量复杂的流程和环节，需要在实践中不断完善，从而制定最优方案。目前，该系统在消防应急领域的应用普遍为经济发达区域，对基础设施完备性的要求较高。同时，该系统在整体上存在明显的区域差异，在基础设备不完善的条件下实施天地空融合通信，无法发挥其价值，进而导致消防应急救援水平降低[10]。针对该情况，需要加大对经济欠发达地区的经济投入力度，提供相关应急通信保障技术和设备等，从而提升综合能力。面对多样化的灾害，消防应急工作对通信保障系统提出新要求，需要满足多类型突发事件的客观需求，在极端情况下保证设备应用的规范性。各地政府需要增加无人机设备、全地形车、北斗终端设备以及乡镇卫星电话设备的预置数量，形成多位一体的合作模式。

3.2 实现设备兼容

为提升消防应急任务执行过程的专业性和快捷性，必须保证设备和系统之间的配合，避免由于生产主体的差异而导致系统或设备出现不兼容的情况。一旦系统或设备无法互相兼容，就会增加通信发生故障的概率。以无人机为例，无人机具有便携、操作简单、使用范围广的优势，在消防应急救援通信中承担着“眼睛”的功能，为灾区现场人员和后方指挥人员提供一手材料。但是，在天地空融合通信中，其兼容性较差，部分设备无法满足地面通信设备的兼容要求。针对该问题，需要在消防应急演练中进行优化，通过全方位思考，选择最优设备，进而解决不兼容的问题。

4 结 语

目前，我国消防应急技术的应用领域中，天地空融合通信模式的应用已经进一步突破技术壁垒，并促进相关产业的融通，针对不同的场景，能够满足多样化的通信需求。同时，通过应用现阶段的主流技术，如无人机技术、直播技术、终端应用技术以及卫星技术等，能够促进无人机、地面应急车、卫星以及网络基站之间的融合，形成完善的体系，实现资源互补，有效突破以往消防救援中的单兵通信观测局限，扩大视觉范围和观测距离，进而实现多项技术和多种设备的融合统一化管理，为现有资源的综合调度提供有力保障。