消防救援領(lǐng)域水下通信技術(shù)的應(yīng)用與研究分析

姜漢卿

衢州市消防救援支隊(duì)，浙江衢州，324000

0 引言

隨著消防救援隊(duì)伍向全災(zāi)種、大應(yīng)急的發(fā)展，當(dāng)前消防救援的種類更廣，專業(yè)要求更高。特別是水域救援作為消防救援中比較常見的救援種類，在日常的水下打撈、水下搜救、潛水作業(yè)中水下與水面的通信一直是制約救援更快、更安全、更科學(xué)的重要因素。

1 消防救援隊(duì)伍水下通信現(xiàn)狀

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和智能化應(yīng)用，當(dāng)前各級(jí)消防救援隊(duì)伍對(duì)消防應(yīng)急通信越來越重視，由原來的單一保障成了左右救援開展的重要因素，特別是洞穴、水下、地下工程等復(fù)雜環(huán)境的救援，通信更是關(guān)鍵。消防救援的水面、水下通信一般是指水上實(shí)體與水下目標(biāo)（潛水員、水下機(jī)器人、水下被困人員等）的通信或水下目標(biāo)之間的通信。

其主要是為了解決指揮員與救援人員或被困人員的音視頻互通問題，使指揮員第一時(shí)間了解水下情況，做出科學(xué)決策。但從當(dāng)前全國消防救援隊(duì)伍的實(shí)際來看，水下通信設(shè)備的配備基本還處于起步階段，很多單位對(duì)水下通信的概念基本是一片空白，僅滿足通信設(shè)備的防水性，水下通信仍是當(dāng)前的通信難點(diǎn)[1]。

由于水下復(fù)雜的時(shí)空環(huán)境，通信系統(tǒng)的有效信息傳輸率往往成為瓶頸，這與不斷增長(zhǎng)的水下通信需求形成矛盾。現(xiàn)階段基層消防隊(duì)站還未普遍配備水下通信設(shè)備，最普遍、最廣泛使用的水下通信方式仍然是傳統(tǒng)的繩語。

繩語這種通信方式使用簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便，但是其弊端也是顯而易見的：信號(hào)繩僅能實(shí)現(xiàn)有限信息量的表達(dá)，且信號(hào)傳輸過程極易受復(fù)雜水環(huán)境影響而中斷或失效，甚至造成誤判，尤其在復(fù)雜的水域救援時(shí)，極易造成信號(hào)繩纏住潛水員或水下障礙物等，導(dǎo)致安全事故。針對(duì)信號(hào)繩的諸多弊病，結(jié)合智能穿戴設(shè)備的快速發(fā)展，面向消防救援領(lǐng)域的智能穿戴產(chǎn)品逐新成為研發(fā)熱點(diǎn)之一。

目前也有部分總隊(duì)配備水下無線通信設(shè)備，但是由于售后服務(wù)跟不上、價(jià)格高昂等還未在基層隊(duì)站得到普遍應(yīng)用。但是隨著水域救援的需要，將成為未來水下通信技術(shù)在消防救援領(lǐng)域應(yīng)用的重點(diǎn)方向。

2 水下通信的發(fā)展方向

目前，陸上與空中的有線及無線通信比較成熟，相對(duì)來說水下通信仍處于較低水平。隨著各類水域救援的增多，各級(jí)消防救援隊(duì)伍對(duì)水下通信有著極大的需求。盡管在水下可以使用電纜、光纜等有線方式進(jìn)行通信，但是這些方式中節(jié)點(diǎn)無法移動(dòng)，適用對(duì)象極其有限，所以未來的消防水域救援應(yīng)急通信將向著無線通信的方向發(fā)展，目前常見的水下通信技術(shù)有以下幾種。

電磁波通信是目前在通信中應(yīng)用比較廣泛的一種通信方式，在無人機(jī)遙感、智慧消防、手持個(gè)人終端等無線通信行業(yè)應(yīng)用廣泛。但由于電磁波在水中衰減極其嚴(yán)重，導(dǎo)致電磁波在水中的通信距離和通信結(jié)果衰減嚴(yán)重。因此，無線電波通信主要還是應(yīng)用在陸地上，水下通信的應(yīng)用條件相對(duì)不成熟，僅在短距離中應(yīng)用，不能滿足遠(yuǎn)距離水下組網(wǎng)的要求，特別是由于水體的流動(dòng)性及水中因季節(jié)、氣候、降雨等因素影響導(dǎo)致水體環(huán)境發(fā)生變化，電磁波在不同的水體環(huán)境中變化較大，導(dǎo)致通信的穩(wěn)定性較差[2]。

水下量子通信的技術(shù)難度較高，目前主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，主要分兩種。一種是水下激光通信，其主要原理是利用激光通信的方式在水下傳遞信息，但是由于同片水域水體密度和雜質(zhì)含量不同導(dǎo)致激光在水體中會(huì)發(fā)生折射、散射等，且激光通信受限于視距，通信時(shí)兩點(diǎn)之間任意的遮擋都將導(dǎo)致通信中斷。且由于現(xiàn)階段水中激光通信的收發(fā)設(shè)備研究成本高，技術(shù)相對(duì)不夠成熟，抗干擾能力弱，僅處在實(shí)驗(yàn)室階段。另一種是水下中微子通信，技術(shù)上還沒有取得較大的突破，目前僅處在理論階段，實(shí)際應(yīng)用中還沒有，但應(yīng)用前景極其廣闊。

水聲通信是當(dāng)前水下無線通信中應(yīng)用最常見的一種技術(shù)手段。其工作原理是將需要傳輸?shù)囊纛l、圖片等信息轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，以水體本身作為傳輸介質(zhì)，接收端接收到聲波信號(hào)后，將聲信號(hào)解碼后還原成需要傳遞的信息。雖然原理上比較簡(jiǎn)單，但是由于水體中聲波信號(hào)受干擾嚴(yán)重，傳輸速率低，且對(duì)聲波收發(fā)設(shè)備的調(diào)制、編碼、解碼和糾錯(cuò)的要求較高，導(dǎo)致了不同設(shè)備廠家在通信效果上的差距比較明顯[3]。

3 消防救援水下通信特點(diǎn)分析

近年來，隨著水域救援增多，消防救援隊(duì)伍在水域救援過程中水下通信保障困難的問題越來越凸顯，特別是在水下通信保障方面存在一些技術(shù)性難題，主要有以下幾個(gè)方面。

（1）對(duì)通信設(shè)備防水要求高，要依靠專業(yè)設(shè)備。水域救援過程中由于長(zhǎng)時(shí)間在水面或水下工作，特殊情況下設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間接觸水，比如水下機(jī)器人、水下電話、水下攝像機(jī)、防水對(duì)講機(jī)等，所以水域救援通信設(shè)備需要達(dá)到專業(yè)的防水要求。

（2）水下通信需要依靠水面通信作支撐。在水域救援中水下通信一般都經(jīng)過水面通信作支撐，依靠水面的通信設(shè)備將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，水面上主要以消防救援舟、艇為主，移動(dòng)性較強(qiáng)，且水體具有一定的流動(dòng)性，難以用有線的方式進(jìn)行通信，所以在水面的救援中，通信保障基本選擇以無線的方式為主。

（3）水下無線通信衰減嚴(yán)重。水域救援中因水的物理特性，導(dǎo)致電磁波信號(hào)在水中衰減嚴(yán)重，受水體渾濁程度、溫度和風(fēng)浪大小，聲波通信幾乎無法跨越水與空氣的界面?zhèn)鞑ァ?/p>

（4）水下環(huán)境復(fù)雜，有線通信易出現(xiàn)線路故障問題。水域救援中水下作業(yè)時(shí)需要與岸上或水面人員進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通，方便決策指揮，但由于水下環(huán)境復(fù)雜，特別是河流、湖泊等水域水下樹枝雜亂，地形復(fù)雜，易導(dǎo)致水下有線通信的線路被樹枝、石頭等纏住，導(dǎo)致信號(hào)中斷。

4 如何有效解決消防救援水下通信難點(diǎn)

目前，消防救援隊(duì)伍水下通信技術(shù)在救援領(lǐng)域方面仍處于探索與試用階段。結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際，水下通信主要有以下幾個(gè)方法。

4.1 水下機(jī)器人通信

水下環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，人的潛水深度有限，使得水下搜尋難度大、時(shí)間長(zhǎng)、危險(xiǎn)性高，超過30米的水下作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)更大。水下機(jī)器人可代替潛水員延長(zhǎng)水下探潛時(shí)長(zhǎng)和深度需求、有效減少潛水員下水危險(xiǎn)。水下機(jī)器人可根據(jù)不同需求選配輔助攝像頭、聲吶、水下通信系統(tǒng)等多種傳感器及作業(yè)工具進(jìn)行組合作業(yè)，滿足水下打撈、檢測(cè)、巡查和救援，通過搭載的通信系統(tǒng)可將水下音視頻通過線纜或水面中繼器傳輸至控制面板，解決水下與水面和岸上的通信問題。2018年“10.28”重慶大巴墜江事故中，利用水下機(jī)器人最終確定了車輛位置，并進(jìn)入大巴車內(nèi)，拍攝到清晰的水下畫面，協(xié)助完成了打撈工作[4]，如圖1所示。

圖1 消防水下救援機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景

目前消防救援隊(duì)伍配備的多是遙控式水下機(jī)器人。分為有線水下機(jī)器人和無線水下機(jī)器人兩種。有線水下機(jī)器人是通過線纜將機(jī)器人和控制面板連接，通過線纜傳輸機(jī)器人的音視頻、控制信號(hào)和定位信息等，如圖2所示。

圖2 有線水下機(jī)器人工作原理

無線水下機(jī)器人是通過在水面設(shè)置中繼器，將水作為介質(zhì)，通過電磁波、超聲波或激光等方式將水下機(jī)器人與水面中繼器建立通信連接，再將水面中繼器通過有線或無線的方式與控制面板進(jìn)行連接。如圖3所示。

圖3 無線水下機(jī)器人工作原理

4.2 有線水下通信系統(tǒng)

隨著智能穿戴設(shè)備的發(fā)展，目前部分消防救援隊(duì)伍，配備了具有有線通信功能的潛水員全面罩呼吸器，實(shí)際上是作為一個(gè)水下對(duì)講機(jī)，通過有線連接全面罩呼吸器和水面站，可實(shí)現(xiàn)岸上人員與水下人員的實(shí)時(shí)音視頻通信。主要由水面和水下兩部分組成，中間用通信線纜連接，全面罩呼吸器里面有耳機(jī)和麥克。目前配備常見的有線水下通信設(shè)備有意大利ocean reef水下電話、HOPETEK水下監(jiān)控語音一體機(jī)等設(shè)備[5],如圖4所示。

圖4 有線水下通信系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

4.3 無線水下通信系統(tǒng)

無線水下通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要由全面罩呼吸器、水下對(duì)講機(jī)和水面工作站三個(gè)部分組成。其主要工作原理是利用超聲波在水下進(jìn)行通信，通常將信號(hào)收發(fā)設(shè)備、音頻播放設(shè)備、麥克風(fēng)、電源和一些附屬設(shè)備等置于一個(gè)潛水員全面罩呼吸器里面，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)通過信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)射后以水為介質(zhì)進(jìn)行傳導(dǎo)，被另一個(gè)水下超聲波接收裝置接收后，轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)，經(jīng)過音頻播放設(shè)備播放。可實(shí)現(xiàn)潛水員與潛水員，潛水員與地面的清晰通話。在消防救援領(lǐng)域中應(yīng)用較多的是美國OTS無線水下通信系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 無線水下通信系統(tǒng)

5 水面、水下應(yīng)急通信保障幾點(diǎn)設(shè)想

根據(jù)水面、水下應(yīng)急通信保障的特點(diǎn)，把水面、水下應(yīng)急通信保障分為四個(gè)部分研究。

（1）水域救援后場(chǎng)通信設(shè)。①衛(wèi)星通信車、衛(wèi)星便攜站或移動(dòng)指揮終端：將水域救援的一線救援情況音視頻傳回指揮中心并組建會(huì)議實(shí)時(shí)調(diào)度，為遠(yuǎn)程指揮決策提供輔助；②單兵圖傳、音視頻布控球：將水域救援的全景畫面和特寫畫面?zhèn)骰刂笓]中心，為遠(yuǎn)程指揮提供決策依據(jù)；③發(fā)電機(jī)：保障現(xiàn)場(chǎng)指揮部通信設(shè)備的用電；④音頻設(shè)備：包括公網(wǎng)對(duì)講機(jī)、350M手持臺(tái)、話筒、調(diào)音臺(tái)、音響、功放等，保證語音指揮暢通；⑤顯示設(shè)備包括顯示器、投影儀、LED高清大屏等設(shè)備,顯示前方救援人員的救援視頻，為現(xiàn)場(chǎng)指揮部分析決策提供信息；⑥繪圖儀、白板：用于掛圖作戰(zhàn)；⑦三大運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)基站：為救援現(xiàn)場(chǎng)提供無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，保障救援現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)需求。

（2）水面通信設(shè)備。主要包括：①防水公網(wǎng)對(duì)講機(jī)、防水350M手持臺(tái)：②單兵圖傳或布控球；③無人機(jī)。

（3）水下通信設(shè)備。主要包括：①水下機(jī)器人；②水下電話；③水下無線通信系統(tǒng)；④GOPro運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)。

消防救援水下應(yīng)急通信保障人員配備。消防救援水下應(yīng)急通信保障人員配備分為兩部分，水下通信保障人員和水面通信保障人員。水下通信保障人員具備專業(yè)潛水證并進(jìn)行專項(xiàng)培訓(xùn)，能熟練使用水下通信設(shè)備，至少2人以上，一般由潛水員兼任。水面通信保障人員作為水面工作站和后場(chǎng)通信設(shè)備的保障人員，時(shí)刻與水下保持通信暢通，并保持與指揮中心等后方的不間斷通信[6]。為提高水面、水下應(yīng)急通信保障能力，應(yīng)明確各應(yīng)急通信保障小組的任務(wù)，規(guī)范各應(yīng)急通信保障小組應(yīng)該攜帶的器材裝備、主要任務(wù)、途中通信、到場(chǎng)展開、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度等，形成水面、水下應(yīng)急通信保障體系。

6 結(jié)語

當(dāng)前在消防救援中應(yīng)用的水下通信技術(shù)各有優(yōu)劣，隨著對(duì)應(yīng)急救援工作的重視，新型的水下通信技術(shù)在消防救援領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越多，通信距離、通信質(zhì)量將進(jìn)一步提高，為水下打撈、水下搜救和水下作業(yè)等多個(gè)維度貢獻(xiàn)力量。