5G技術(shù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用研究

冒海微?朱發(fā)斌?李豐

摘要：生態(tài)環(huán)境的日益惡劣不僅威脅著人類的生存，也阻礙了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此，積極探索可移動、超視距、大范圍、全天候、低介入的“非現(xiàn)場”生態(tài)環(huán)境監(jiān)管模式具有極其重要的意義。本文從5G技術(shù)特征出發(fā)，分析了5G技術(shù)的相關(guān)核心技術(shù)，并將其結(jié)合環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控、移動執(zhí)法、環(huán)境應(yīng)急、輻射管理等領(lǐng)域進(jìn)行 “5G+生態(tài)環(huán)境保護(hù)”探索，為新技術(shù)視域下的生態(tài)環(huán)境業(yè)務(wù)創(chuàng)新，綜合決策、監(jiān)管治理和公共服務(wù)提供科學(xué)助力。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù)；生態(tài)環(huán)境保護(hù)；新一代信息技術(shù)

一、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，人民關(guān)心的生態(tài)環(huán)境問題日益突出，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展以及生活水平的提高。“十四五”期間，中央對生態(tài)環(huán)境督察頻次逐漸增加，生態(tài)環(huán)境統(tǒng)一監(jiān)管任務(wù)更加繁重，為控制環(huán)境污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)具備“全面設(shè)點、自動預(yù)警”的響應(yīng)能力。

圍繞生態(tài)環(huán)境建設(shè)發(fā)展趨勢和業(yè)務(wù)管理需求，深度將信息技術(shù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)業(yè)務(wù)融合，建設(shè)生態(tài)環(huán)境信息化成為強化環(huán)境監(jiān)管決策、解決生態(tài)問題、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展的重要技術(shù)支撐。然而，生態(tài)環(huán)境信息化存在監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性不強、數(shù)據(jù)之間的共享交互能力差、全過程監(jiān)管技術(shù)手段單一、預(yù)警預(yù)報能力較弱等問題，而且在現(xiàn)場實時傳輸連接出現(xiàn)嚴(yán)重延遲，導(dǎo)致無法滿足環(huán)境自動監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備在地下、高空乃至深海等地域環(huán)境復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求，嚴(yán)重阻礙了可移動、超視距、大范圍、全天候、低介入的“非現(xiàn)場”生態(tài)監(jiān)管模式的建立。因此，利用信息技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，建設(shè)高效感知、深度挖掘的生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測體系迫在眉睫。

當(dāng)前，隨著新一代以5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為首的信息技術(shù)迅猛發(fā)展，為生態(tài)環(huán)境信息化長遠(yuǎn)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。其中，5G技術(shù)因具備良好的特性，推動了其他新興技術(shù)發(fā)展，基于此，本文對5G特征及核心技術(shù)進(jìn)行深入研究，探討5G在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控體系建設(shè)、環(huán)境移動執(zhí)法、環(huán)境應(yīng)急以及輻射管理領(lǐng)域的應(yīng)用，并對“5G+生態(tài)環(huán)境保護(hù)” 進(jìn)行展望，以期為新技術(shù)視域下的生態(tài)環(huán)境業(yè)務(wù)創(chuàng)新提供借鑒與參考。

二、5G特征及相關(guān)核心技術(shù)

（一）5G特點

從第一代移動通信技術(shù)（1G）到第四代移動通信技術(shù)（4G），移動通信一直研究的核心是人與人之間的通信技術(shù)，可以讓人與人連接得更緊密。但第五代移動通信技術(shù)（5G）通信是面向物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化、無人駕駛等新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，通信也從人與人之間通信轉(zhuǎn)向人與物的通信，直至機器與機器的通信，這給我們的現(xiàn)實生活帶來顯著的變革。5G是當(dāng)前最新一代移動通信技術(shù)，因它在高速率傳輸、降低延遲、降低能耗、降低成本，并實現(xiàn)增強系統(tǒng)容量、促進(jìn)大規(guī)模設(shè)備連接方面性能優(yōu)異，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP為其定義了移動寬帶（eMBB）、大規(guī)模機器通信（mMTC）以及高可靠低時延通信（uRLLC） 三大應(yīng)用場景。 通過3GPP的三大場景定義我們可以看出，5G具備高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時延、萬物互聯(lián)以及重構(gòu)安全六大基本特點。相對于4G，5G在傳輸速率提高了一個量級或更高，在資源利用率和頻譜利用率等方面也有所改善，這些優(yōu)點使得其在無線覆蓋性能、系統(tǒng)安全、傳輸時延和用戶體驗等方面也有了明顯提升。在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域，將5G移動通信與其他無線移動通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)管、執(zhí)法等全天候多維度的信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來生態(tài)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備全面設(shè)點的發(fā)展需求。

（二）5G移動通信若干關(guān)鍵技術(shù)

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)集中了多種核心技術(shù)，通過多種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、多種接入技術(shù)和多層次覆蓋的系統(tǒng)構(gòu)建，以匹配應(yīng)用場景中各類業(yè)務(wù)需求。其中大規(guī)模MIMO技術(shù)、超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛。

1.大規(guī)模MIMO技術(shù)（Massive MIMO）

多天線技術(shù)（MIMO）是公認(rèn)的提高無線通信網(wǎng)絡(luò)容量最有效的途徑之一。而大規(guī)模MIMO技術(shù)是MIMO技術(shù)的延伸，在收發(fā)端配置許多天線，使信號利用多個天線進(jìn)行傳送與接收，從而最終改善通信質(zhì)量。大規(guī)模MIMO技術(shù)與傳統(tǒng)的收發(fā)系統(tǒng)不同，信號覆蓋維度在原有的水平維度增加了垂直維度，充分挖掘更多的維度資源，通過多個天線實現(xiàn)信號的多發(fā)多收，使得在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，實現(xiàn)多個用戶在同一網(wǎng)絡(luò)、同一時頻資源與基站同時進(jìn)行通信，從而成倍地提高系統(tǒng)信道容量，大幅提升信號傳輸速率。隨著對大規(guī)模MIMO技術(shù)研究的不斷深入，大規(guī)模MIMO技術(shù)逐步成熟，其憑借自身優(yōu)勢多被應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，成為未來移動通信最具潛力的研究方向之一。

2.超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Heterogeneous Ultra?Dense Network， HetUDN）

隨著萬物互聯(lián)時代的到來，未來無線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了大量無線終端，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變得越來越復(fù)雜，使用者對網(wǎng)絡(luò)性能及吞吐量提出了更高要求。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（HetUDN） 特別適用于終端密集化的區(qū)域，能有效提升網(wǎng)絡(luò)容量；在覆蓋盲區(qū)利用微小區(qū)覆蓋提升覆蓋面積，實現(xiàn)無縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)憑借密集化這一優(yōu)勢，不僅有效提升了功率效率、頻譜效率、系統(tǒng)容量，也促進(jìn)了業(yè)務(wù)在各種接入技術(shù)和各覆蓋層次間分擔(dān)的靈活性。因此，未來5G通信系統(tǒng)不再是宏基站覆蓋下，面向簡單的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)語音業(yè)務(wù)、簡單的短信業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)，而是多樣化的異構(gòu)密集分布網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋下，面向各種服務(wù)需求的多業(yè)務(wù)、多技術(shù)融合的新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SON）

隨著移動技術(shù)的不斷發(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L的自由通信需求，未來5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。為了降低運維成本，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，自組織網(wǎng)絡(luò)因其適配靈活度高而受到了廣泛關(guān)注。自組織網(wǎng)絡(luò)是一種用戶終端可以在網(wǎng)內(nèi)隨意移動而保持通信的分布式網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署階段的自規(guī)劃和自配置，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段的自優(yōu)化和自愈合，實現(xiàn)在整個網(wǎng)絡(luò)沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施情況下實現(xiàn)終端之間的相互通信。

綜上所述，通過分析5G特征及其相關(guān)核心技術(shù)，我們可以發(fā)現(xiàn)，5G對海量傳感設(shè)備及機器與機器（M2M）通信的支撐能力是巨大的，這為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測全面設(shè)點帶來了可能；無論在地貌崎嶇的山區(qū)還是廣袤無垠的海洋，監(jiān)測設(shè)備與傳感設(shè)備都有可能成為通信的中繼與周邊基站進(jìn)行通信，使得設(shè)備間的連接更加緊密。再利用5G高速度、低時延特點，通過遠(yuǎn)程操控、監(jiān)控水、大氣監(jiān)測設(shè)備與外部系統(tǒng)通信等方式，可以實現(xiàn)環(huán)境的實時監(jiān)測與管理，如部分自動站監(jiān)測實時數(shù)據(jù)、企業(yè)工況實時數(shù)據(jù)、污染源或自動站現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)、無人機應(yīng)急監(jiān)測采集的航拍影像以及環(huán)境執(zhí)法過程視頻等等，都可以借助5G技術(shù)快速傳輸至生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場污染數(shù)據(jù)及狀況的實時監(jiān)控，為生態(tài)環(huán)境綜合決策能力的提升作出貢獻(xiàn)。

三、5G在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，5G突破了傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用范疇，已經(jīng)成為支撐全社會、全行業(yè)運行的基礎(chǔ)性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

（一）5G在環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的應(yīng)用

隨著可移動、超視距、大范圍、全天候、低介入的“非現(xiàn)場”生態(tài)環(huán)境監(jiān)管模式的提出，5G在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的應(yīng)用優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)。在環(huán)境監(jiān)測方面，5G與物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測設(shè)備、污染源自動監(jiān)控設(shè)備、工況監(jiān)控設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行5G及NB-IOT應(yīng)用技術(shù)改造，結(jié)合加裝物聯(lián)網(wǎng)傳感器、5G通信模塊、超清紅外燈專用攝像頭等專用設(shè)備，更新軟件系統(tǒng)，不斷強化污染源監(jiān)控技術(shù)手段。另外，利用5G基礎(chǔ)設(shè)施高覆蓋的特點，選擇合適的5G基站搭載環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，可以實現(xiàn)環(huán)境、信息指揮調(diào)度中心與人三者之間的實時信息交互，監(jiān)測監(jiān)控環(huán)境質(zhì)量狀況，形成基于5G基站的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”（如圖1），能夠有效提升環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與污染源監(jiān)控的實時能力。同時，信息指揮調(diào)度中心信息存儲資源還可為多個城市提供共享數(shù)據(jù)，協(xié)助聯(lián)防聯(lián)控。

通過5G技術(shù)結(jié)合無人機、衛(wèi)星遙感等信息化手段，對從不同網(wǎng)絡(luò)維度采集到的多維環(huán)境監(jiān)測信息進(jìn)行傳輸和處理，突破各自獨立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享的壁壘，實現(xiàn)對資源進(jìn)行匯聚并分發(fā)，有效推進(jìn)了高覆蓋、多維度的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提高了環(huán)境監(jiān)測與污染源企業(yè)監(jiān)管能力。

（二）5G在生態(tài)環(huán)境執(zhí)法中的應(yīng)用

隨著無人機在地形測繪、救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，未來無人機需要處理不同類型的數(shù)據(jù)，如語音、視頻和大數(shù)據(jù)文件，這給通信網(wǎng)絡(luò)寬帶速率帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。隨著5G技術(shù)研究開發(fā)漸趨成熟，它的高速率低時延特性使得綜合承載無人機飛控、圖像、視頻等信息成為可能。無人機在巡檢飛行過程中，利用無人機可以采用吊裝360度全景相機進(jìn)行多維度拍攝這一特點，實現(xiàn)動態(tài)、高緯度的超高清廣角俯視效果，對獲取的生態(tài)環(huán)境信息進(jìn)行實時高清視頻回傳，并利用人工或計算機AI進(jìn)行分析識別，獲取多維生態(tài)環(huán)境信息，極大提升了生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場執(zhí)法指揮調(diào)度能力及執(zhí)法精準(zhǔn)度。另外，將移動監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備全部連接物聯(lián)網(wǎng)，利用5G廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)，通過一部手機和一套軟件實現(xiàn)無人機、無人船、水下機器人、走行車等移動物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備的聯(lián)動，利用移動執(zhí)法系統(tǒng)的音視頻雙向穩(wěn)定傳輸和多方實時通話，讓一線執(zhí)法人員既可以在“非現(xiàn)場”查看企業(yè)實時監(jiān)控情況和歷史數(shù)據(jù)，也可以在執(zhí)法現(xiàn)場與專家進(jìn)行視頻會商，從而創(chuàng)建可移動、超視距、大范圍、全天候、低介入的執(zhí)法檢查和監(jiān)管新模式，實現(xiàn)非現(xiàn)場、不接觸監(jiān)管體系建設(shè)。

（三）5G在生態(tài)環(huán)境應(yīng)急處置能力建設(shè)中的應(yīng)用

基于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)靈活機動的天地一體化無“死角”監(jiān)控應(yīng)急指揮系統(tǒng)，此系統(tǒng)將采用無人機與固定攝像頭相配合的方式，實現(xiàn)全時域無間斷地制高點偵測巡測，同時又彌補固定攝像頭監(jiān)視死角，形成感知精準(zhǔn)、反應(yīng)迅速的預(yù)警體系。另外，結(jié)合“虛擬現(xiàn)實”技術(shù)，開展面向5G時代的VR環(huán)境應(yīng)急防控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；在事故發(fā)生地，通過利用衛(wèi)星遙感輔助無人機進(jìn)行航拍所采集到的高密度數(shù)據(jù)，在異地進(jìn)行三維仿真事故現(xiàn)場模型，結(jié)合污染擴散經(jīng)驗?zāi)Ｐ停约艾F(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)及一些局部可視化視頻等，環(huán)境應(yīng)急專家線上實時同步開展分析及指揮，從而共同為應(yīng)急處置提供全面科學(xué)的決策支持。

（四）5G在輻射管理中的應(yīng)用

為提升輻射安全監(jiān)管水平，有效防止輻射事故發(fā)生，借助5G、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，綜合采用輻射劑量監(jiān)控、視頻監(jiān)控、RFID電子標(biāo)記、GPS位移定位等技術(shù)手段，通過人工智能（AI）技術(shù)自動識別高風(fēng)險放射源的貯存位置、運輸軌跡，對放射源特別是高風(fēng)險源貯存、運輸、使用過程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行動態(tài)預(yù)警，從而達(dá)到放射源特別是高風(fēng)險的貯存、運輸、使用等全過程監(jiān)測監(jiān)控。

綜上所述，隨著對5G技術(shù)研究的不斷深入，將其與生態(tài)環(huán)境具體業(yè)務(wù)進(jìn)行結(jié)合的應(yīng)用點也將不斷增多，由此，5G將為生態(tài)環(huán)境保護(hù)建立系統(tǒng)性的“立體網(wǎng)絡(luò)”。

四、結(jié)束語

本文介紹了5G技術(shù)特征及其核心技術(shù)，并對其在環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控、移動執(zhí)法、環(huán)境應(yīng)急、輻射管理等領(lǐng)域進(jìn)行了分析，結(jié)合生態(tài)環(huán)境體制改革與業(yè)務(wù)需求的新變化，以“推動生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善”為核心服務(wù)目標(biāo)，展望了5G在生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作中的應(yīng)用前景。

“5G+生態(tài)環(huán)境”的應(yīng)用，堅持了“業(yè)務(wù)驅(qū)動”與“技術(shù)引領(lǐng)”相結(jié)合，不僅大大加快了生態(tài)環(huán)境信息化建設(shè)的步伐，而且創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境管理工作方式，為精準(zhǔn)治污提供信息支撐，使得可移動、超視距、大范圍、全天候、低介入的“非現(xiàn)場”生態(tài)環(huán)境監(jiān)管模式成為可能。

作者單位：冒海微 朱發(fā)斌 李豐 鎮(zhèn)江市生態(tài)環(huán)境保護(hù)調(diào)度中心

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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冒海微（1989-），女，漢族，江蘇南通，碩士研究生，高級工程師，研究方向：計算機系統(tǒng)集成與應(yīng)用，新一代信息技術(shù)，生態(tài)環(huán)境信息化建設(shè)研究。