天地空融合通信在消防應(yīng)急通信保障中的實(shí)施與應(yīng)用探究

周小祥

（湖北省消防救援總隊(duì)?wèi)?yīng)急通信與車輛勤務(wù)大隊(duì)，湖北 武漢 430000）

0 引 言

人們?nèi)粘Ｉ钪校匀粸?zāi)害和突發(fā)性事件時有發(fā)生。面對災(zāi)害時，經(jīng)常會出現(xiàn)信號中斷、通信設(shè)備被毀等情況，不僅不利于調(diào)查災(zāi)情，還會影響后方指揮中心與前線救援人員之間的互聯(lián)互通，造成信息滯后。目前，消防應(yīng)用通信技術(shù)主要以5G單兵圖傳為主。為更好地落實(shí)救援工作，應(yīng)將通信技術(shù)與其他各項(xiàng)檢測技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建全方位的融合系統(tǒng)，即天地空融合通信，從而保證快速傳回救援現(xiàn)場信息，為后續(xù)的相關(guān)工作提供通信保障。

1 天地通融合通信設(shè)計(jì)思路及實(shí)施保障

1.1 設(shè)計(jì)思路

大型災(zāi)害會導(dǎo)致受災(zāi)區(qū)域內(nèi)的通信設(shè)備損壞，從而導(dǎo)致整個災(zāi)區(qū)面臨電力中斷、道路中斷、通信中斷情況。常規(guī)的通信應(yīng)急手段無法保證快速恢復(fù)受災(zāi)區(qū)域內(nèi)的通信，加之突發(fā)事件發(fā)生初期業(yè)務(wù)量增加，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，導(dǎo)致現(xiàn)場偵查信息收集不全面，無法滿足彈性延伸和全覆蓋的要求。公網(wǎng)正常時，可應(yīng)用5G 圖傳、無人機(jī)、GoPro 設(shè)備傳回災(zāi)害現(xiàn)場實(shí)況；公網(wǎng)癱瘓時，可利用衛(wèi)星便攜站和衛(wèi)星平板構(gòu)建傳輸鏈路，同時配合無人機(jī)等采集終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳回。一線設(shè)備的類別如下：第一類為無人機(jī)、GoPro以及主席臺攝像機(jī)，無人機(jī)和GoPro 執(zhí)行云直播任務(wù)，而主席臺攝像機(jī)則要用于召開會議，保證信息實(shí)時直播；第二類為單兵、車載以及布控球，利用電信虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN）專網(wǎng)收集信息、轉(zhuǎn)換以及存儲，用于現(xiàn)場指揮，聯(lián)合各級指揮中心，將結(jié)果用發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）大屏進(jìn)行可視化共享；第三類為衛(wèi)星便攜站和海事衛(wèi)星平板，將信息呈現(xiàn)在現(xiàn)場指揮中心[1]。

1.2 實(shí)施保障

以某區(qū)域的災(zāi)情演練為案例，設(shè)定市周邊城區(qū)部分發(fā)生6 級地震，周圍山體局部位置出現(xiàn)滑坡，部分低矮建筑和房屋發(fā)生倒塌，并伴隨燃?xì)夤艿佬孤植砍霈F(xiàn)火災(zāi)問題，被困人數(shù)27 人。消防部門立即組織救援啟動應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)用天地空融合通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)況傳回和指揮。天層負(fù)責(zé)音頻視頻傳輸，將受災(zāi)區(qū)域劃分為5 個片區(qū)，應(yīng)用5 架小型無人機(jī)分別在各自對應(yīng)的空域承擔(dān)救援任務(wù)。在實(shí)施過程中保證每個無人機(jī)之間保持10 m 距離，擴(kuò)大信息搜集范圍，同時降低碰撞風(fēng)險。地層負(fù)責(zé)搭建通信設(shè)備，在消防應(yīng)急通信中350 MHz 數(shù)字對講機(jī)是最便捷的語言通信設(shè)備，具有無延時、高效、待機(jī)時間長的優(yōu)勢，是現(xiàn)場救援工作的保障之一。空層負(fù)責(zé)構(gòu)建衛(wèi)星通信系統(tǒng)，承載衛(wèi)星便攜站、衛(wèi)星電話、衛(wèi)星平板等設(shè)施的功能。

2 天地空融合通信在消防應(yīng)急通信保障中的詳細(xì)應(yīng)用

2.1 天層應(yīng)用

2.1.1 無人機(jī)技術(shù)

目前，消防應(yīng)急通信保障在天層的應(yīng)用主要是以無人機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)成動力系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，利用無人機(jī)搭載動態(tài)監(jiān)測設(shè)備和傳感器，實(shí)現(xiàn)對災(zāi)情現(xiàn)場的實(shí)況拍攝，再根據(jù)指揮部門要求變換拍攝方向[2]。與常規(guī)的無人機(jī)相比，應(yīng)用在消防應(yīng)急救援中的無人機(jī)更加靈活，且續(xù)航能力更強(qiáng)。災(zāi)區(qū)內(nèi)通信癱瘓時，可利用無人機(jī)與音響設(shè)備組合的方式播報救援信息，維護(hù)秩序[3]。

為避免無人機(jī)發(fā)生碰撞，需要設(shè)置不同的飛行高度。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感技術(shù)相比，無人機(jī)搭載傳感器的方式能夠突破衛(wèi)星運(yùn)行周期的限制，并根據(jù)實(shí)際需求展開針對性救援。其在拍攝時角度精度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)豎向和斜向攝影，并且能夠?qū)崿F(xiàn)亞米級精度拍攝，直接反應(yīng)區(qū)域現(xiàn)況。此外，可以應(yīng)用無人機(jī)掛載移動式裝置實(shí)現(xiàn)廣域信號覆蓋，配合地面的TD930手持終端建立穩(wěn)定的通信現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)面結(jié)合消除盲點(diǎn)，布設(shè)通信網(wǎng)后能夠及時傳回災(zāi)情畫面，輔助指揮中心調(diào)度[4]。目前，我國消防應(yīng)急通信系統(tǒng)中較常用的無人機(jī)應(yīng)急方案為系留式低空無人機(jī)應(yīng)急方案。該方案能夠攜帶蜂窩射頻單元的多旋翼無人機(jī)和地面數(shù)據(jù)，同時配合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星便攜站以及應(yīng)急通信車，利用無人機(jī)升空和滯空的方式擴(kuò)大信息采集范圍。系留式低空無人機(jī)應(yīng)急如圖1 所示。

圖1 系留式低空無人機(jī)應(yīng)急

2.1.2 高分遙感影像處理技術(shù)

在無人機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，天層通信部分通過采用高分遙感技術(shù)配合無人機(jī)收集災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)，配合數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數(shù)字地表模型（Digital Surface Model，DSM）地理信息數(shù)據(jù)完成地面測繪[5]。在影像處理中應(yīng)用正射矯正和融合增強(qiáng)等方式完成預(yù)處理，詳細(xì)的系統(tǒng)組成如圖2 所示。由于存在現(xiàn)場火災(zāi)情況，無法直接觀察火災(zāi)涉及范圍。通過利用無人機(jī)遙感技術(shù)，可以根據(jù)衛(wèi)星地圖標(biāo)識的起降條件設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行航線，并裝載高分辨率的航拍系統(tǒng)以及紅外熱像儀系統(tǒng)，從而實(shí)時觀察災(zāi)情，進(jìn)而判斷火災(zāi)中心位置和蔓延情況。針對現(xiàn)場較為隱蔽的火源，可以實(shí)時傳達(dá)數(shù)據(jù)信息偵查情況，利用計(jì)算機(jī)模擬火災(zāi)蔓延方向及程度，做到及時控制災(zāi)情，縮小損傷范圍[6]。

圖2 系統(tǒng)組成

2.2 地層應(yīng)用

地層應(yīng)用包括以下4 點(diǎn)。

（1）影像數(shù)據(jù)獲取。以無人機(jī)攝影、衛(wèi)星遙感影像技術(shù)、無人機(jī)遙感影像技術(shù)以及區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控視頻影像技術(shù)所提供的信息為基礎(chǔ)統(tǒng)籌全局，明確應(yīng)急機(jī)動和相關(guān)方案。

（2）環(huán)境變化信息獲取。針對一些建筑坍塌、山體滑坡、泥石流以及暴雪等災(zāi)害問題，消防應(yīng)急工作需要獲取原有地質(zhì)資源和地上資源的信息與實(shí)時監(jiān)控信息進(jìn)行比對，從而了解并實(shí)時監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)其變化情況，為后續(xù)的應(yīng)急計(jì)劃設(shè)計(jì)和救援提供支持[7]。

（3）地層數(shù)據(jù)接收終端需要對傳回的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理、自動比對以及預(yù)警。首先，預(yù)處理環(huán)節(jié)中需要解決內(nèi)容模糊、亮度以及分辨率等問題，降低物理遮擋和天氣情況的影響，并根據(jù)實(shí)際特征進(jìn)行去霧和調(diào)光處理，為后續(xù)的識別工作降低難度；其次，應(yīng)用違法行為識別模塊對被巡視現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)況識別，包括火災(zāi)、山體滑坡、建筑坍塌以及洪水等；最后，利用預(yù)警模塊動態(tài)化篩選現(xiàn)有情況，并對其進(jìn)行分類預(yù)警[8]。

（4）建立監(jiān)測服務(wù)平臺。主要針對衛(wèi)星遙感和無人機(jī)遙感建立數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)各自的影響和服務(wù)進(jìn)行動態(tài)化調(diào)研。

2.3 空層應(yīng)用

空層部分通信系統(tǒng)的應(yīng)用主要是以衛(wèi)星技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠播報較大范圍地理面積的數(shù)據(jù)，確保終端之間能夠相互傳輸信息，節(jié)約傳輸寬帶。目前，消防通信已經(jīng)建立衛(wèi)星便攜基站，配置專業(yè)設(shè)備滿足音頻和視頻傳輸功能，能夠與無人機(jī)設(shè)備和終端等進(jìn)行連接成像。由于消防救援現(xiàn)場具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，針對消防應(yīng)急演習(xí)活動，選用KU 頻段和亞洲9 號等頻帶較寬的頻段，滿足采集、傳輸、存儲需求，解決以往圖像拉遠(yuǎn)拍攝的問題，從而推動救援工作的順利進(jìn)行[9]。

衛(wèi)星遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)數(shù)據(jù)源為1 ～2 m 分辨率衛(wèi)星影像，利用現(xiàn)有資料進(jìn)行正射糾正，再利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行影像比對，提取區(qū)域變化信息。利用時序遙感影像回溯功能觀察歷史影像，生成直觀的數(shù)據(jù)和圖像信息，遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)詳細(xì)技術(shù)路線如圖2所示。

圖3 遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)詳細(xì)技術(shù)路線

3 消防應(yīng)急系統(tǒng)中應(yīng)用天地空融合通信技術(shù)的保障

3.1 擴(kuò)大應(yīng)用范圍

天地空融合通信系統(tǒng)的建立中存在大量復(fù)雜的流程和環(huán)節(jié)，需要在實(shí)踐中不斷完善，從而制定最優(yōu)方案。目前，該系統(tǒng)在消防應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用普遍為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，對基礎(chǔ)設(shè)施完備性的要求較高。同時，該系統(tǒng)在整體上存在明顯的區(qū)域差異，在基礎(chǔ)設(shè)備不完善的條件下實(shí)施天地空融合通信，無法發(fā)揮其價值，進(jìn)而導(dǎo)致消防應(yīng)急救援水平降低[10]。針對該情況，需要加大對經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)投入力度，提供相關(guān)應(yīng)急通信保障技術(shù)和設(shè)備等，從而提升綜合能力。面對多樣化的災(zāi)害，消防應(yīng)急工作對通信保障系統(tǒng)提出新要求，需要滿足多類型突發(fā)事件的客觀需求，在極端情況下保證設(shè)備應(yīng)用的規(guī)范性。各地政府需要增加無人機(jī)設(shè)備、全地形車、北斗終端設(shè)備以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)星電話設(shè)備的預(yù)置數(shù)量，形成多位一體的合作模式。

3.2 實(shí)現(xiàn)設(shè)備兼容

為提升消防應(yīng)急任務(wù)執(zhí)行過程的專業(yè)性和快捷性，必須保證設(shè)備和系統(tǒng)之間的配合，避免由于生產(chǎn)主體的差異而導(dǎo)致系統(tǒng)或設(shè)備出現(xiàn)不兼容的情況。一旦系統(tǒng)或設(shè)備無法互相兼容，就會增加通信發(fā)生故障的概率。以無人機(jī)為例，無人機(jī)具有便攜、操作簡單、使用范圍廣的優(yōu)勢，在消防應(yīng)急救援通信中承擔(dān)著“眼睛”的功能，為災(zāi)區(qū)現(xiàn)場人員和后方指揮人員提供一手材料。但是，在天地空融合通信中，其兼容性較差，部分設(shè)備無法滿足地面通信設(shè)備的兼容要求。針對該問題，需要在消防應(yīng)急演練中進(jìn)行優(yōu)化，通過全方位思考，選擇最優(yōu)設(shè)備，進(jìn)而解決不兼容的問題。

4 結(jié) 語

目前，我國消防應(yīng)急技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，天地空融合通信模式的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)一步突破技術(shù)壁壘，并促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的融通，針對不同的場景，能夠滿足多樣化的通信需求。同時，通過應(yīng)用現(xiàn)階段的主流技術(shù)，如無人機(jī)技術(shù)、直播技術(shù)、終端應(yīng)用技術(shù)以及衛(wèi)星技術(shù)等，能夠促進(jìn)無人機(jī)、地面應(yīng)急車、衛(wèi)星以及網(wǎng)絡(luò)基站之間的融合，形成完善的體系，實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)，有效突破以往消防救援中的單兵通信觀測局限，擴(kuò)大視覺范圍和觀測距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)和多種設(shè)備的融合統(tǒng)一化管理，為現(xiàn)有資源的綜合調(diào)度提供有力保障。