多種無線通信技術在滅火救援中的融合應用研究

引言

在高層建筑火災、化工園爆炸等事故現場濃煙高熱、建筑倒塌等情形下通信線路極易中斷；公網通信在火災發生時存在基站損壞、基站過載等通信線路中斷的可能，衛星通信傳輸延遲時間長、通信費用高昂。單一通信方式均不理想，消防力量嘗試多種無線通信方式之間的結合，取長補短搭建整體通信網絡。因此，本文對多種無線通信方式的綜合應用進行研究，旨在為應急通信網絡搭建提供參考。

一、滅火救援場景對無線通信技術的需求分析

（一）通信環境的復雜性與特殊性

火災救援現場的極端環境對無線通信技術構成了嚴峻挑戰。在建筑火災中，高溫、濃煙與建筑結構損毀形成復合障礙：室內燃燒產生的高溫可達 800^°C-1200^°C ，遠超普通電子設備的工作耐受溫度，直接威脅通信設備的穩定性；濃密煙霧不僅降低能見度，還會導致空氣中懸浮顆粒增多，對無線信號產生散射和吸收作用，造成信號強度衰減[1]。此外，坍塌建筑中的鋼筋混凝土結構、金屬管道形成電磁屏蔽效應，化工災害現場的易燃易爆氣體與強電磁干擾，進一步加劇通信鏈路的脆弱性。據應急管理部統計，在復雜災害現場，傳統通信設備的有效工作時長不足正常環境的1/3。

（二）多樣化的通信需求

滅火救援整個流程包含指揮調度、現場偵察、生命探測等諸多環節，這對應急通信提出了差異化的需求。在指揮方面，跨部門協同工作需要穩定傳輸高清視頻、地理信息系統（GIS）數據以及語音指令，以此保障消防、醫療、公安等多部門間的實時信息交互。在一線救援中，消防員需要借助便攜式設備實現100米范圍內的實時語音對講，從而確保戰術配合能夠精準、高效。對于無人機、消防機器人等智能裝備的遠程控制，要依靠低時延通信（小于100毫秒）來實現路徑規劃與動作執行，隨著災情出現動態變化，通信系統要具備快速部署的能力，在災害發生后30分鐘內完成臨時通信網絡搭建，并支持節點靈活增減來適應救援范圍的擴大或者收縮[2]。

（三）現有通信技術的局限性

既有通信技術無法滿足實際工作條件。傳統的模擬對講技術只能在1千米至3千米范圍內使用并受到同頻干擾，數字集群專網只能滿足語音調度，單載波寬帶率只有 25kHz ，無法滿足高清視頻通信回傳；4G/5G公網在正常狀態下通信速率能夠滿足要求，若發生火災事故，基站斷電、傳輸光纜損毀、激增用戶導致通信擁塞、中斷等情況屢見不鮮。因此，傳統的單一通信技術無法滿足滅火救援通信需求，需要多種通信技術相結合，創新滅火救援通信系統技術。

二、適用于滅火救援的無線通信技術特性分析

（一）專網通信技術

專網通信技術憑借其高可靠性與強保密性，在滅火救援指揮調度環節發揮著關鍵作用。TETRA（陸地集群無線電）系統作為全球廣泛應用的數字集群標準，采用400MHz—800MHz頻段，具備快速呼叫建立（小于0.3秒）、優先級搶占、組呼和私密呼叫等功能。在大型火災救援中，指揮人員可通過TETRA終端向不同作戰小組下達指令，確保關鍵信息優先傳輸[3]。例如，在2023 年某化工廠爆炸事故處置中，TETRA系統保障了消防、環保、醫療等多部門間的實時語音通信，有效避免了信息傳遞混亂。然而，TETRA系統依賴固定基站部署，單基站覆蓋半徑通常在5公里一15公里，在山區、地下空間等地形復雜區域存在大量信號盲區。PDT（警用數字集群）作為我國自主研發的專網標準，在消防領域同樣得到廣泛應用。其采用時分多址（TDMA）技術，兼容模擬與數字模式，支持語音加密與短數據傳輸。與TETRA相比，PDT系統更適應我國國情，建設成本較低且便于與現有模擬設備過渡銜接。PDT網絡的數據傳輸速率有限，僅能滿足文字、圖片等小數據量業務，難以支持高清視頻實時回傳。

（二）自組網通信技術

自組網通信技術通過無中心、多跳中繼的網絡架構，解決了災害現場無基礎設施條件下的通信難題。COFDM（正交頻分復用）技術作為自組網的核心，具有抗多徑干擾、穿透能力強的特性。在建筑物內部，COFDM設備可穿透磚墻保持通信，傳輸距離達200米一500米。消防員攜帶的自組網終端能夠自動發現周圍節點，通過動態路由協議構建Mesh網絡，實現信號接力傳輸。例如，在2022年某商場坍塌救援中，自組網設備成功在廢墟內部搭建通信鏈路，保障了救援人員與外部指揮中心的實時聯絡[4]。然而，自組網技術存在明顯局限性。隨著網絡跳數增加，數據傳輸帶寬呈指數級下降，當跳數超過5跳時，有效帶寬從初始的8Mbps降至1Mbps以下。此外，自組網設備的電池續航能力有限，連續工作時間通常在4小時一6小時，難以滿足長時間救援需求。同時，自組網缺乏統一的管理調度機制，在節點數量超過50個的大規模網絡中，容易出現路由沖突與擁塞問題。

（三）衛星通信技術

衛星通信憑借其廣域覆蓋能力，成為偏遠地區及公網癱瘓時的重要通信保障。海事衛星系統采用地球同步軌道衛星，覆蓋全球 99% 以上區域，支持語音、短信及低速數據傳輸，適合災情初期的應急聯絡。天通衛星作為我國自主衛星通信系統，為國內及周邊地區提供更高質量的通信服務，其手持終端可實現1.2Mbps的數據傳輸速率，滿足語音通話與低清視頻回傳需求。高通量衛星的發展為滅火救援帶來新突破。中星16號衛星采用Ka頻段，總容量達 20Gbps ，支持高清視頻實時傳輸。在2021年某森林火災救援中，通過高通量衛星回傳的無人機偵察畫面，指揮中心得以實時掌握火勢蔓延態勢。由于信號需往返地球與衛星，單向傳輸時延約270毫秒，嚴重影響實時控制類業務。同時，衛星通信設備體積較大、功耗高，終端設備重量普遍超過1公斤，使用成本高昂，每分鐘數據傳輸費用達數元。

（四）5G公網通信技術

5G網絡憑借高速率、低時延、廣連接的特性，為滅火救援工作注人全新的動能。5G網絡理論峰值速率能達到 20Gbps ，可實現4K/8K視頻的實時回傳，其端到端的時延能夠低至1毫秒，可滿足消防機器人遠程操控需求。在公網正常覆蓋的區域范圍， 5G+MEC 移動邊緣計算技術把計算任務下沉到靠近用戶的邊緣節點，以此進一步降低數據處理的時延。在2023年某高層建筑火災演練當中，5G網絡對AR遠程專家指導系統提供支撐，專家借助實時視頻流，標注火源位置，協助現場指揮員制定救援方案。5G網絡在災害發生時會面臨諸多挑戰。5G基站運用高頻段進行通信，信號穿透能力較弱，在建筑物內衰減情況嚴重，其宏基站覆蓋半徑僅僅只有200米到500米，需要依賴密集部署來保證覆蓋范圍。5G網絡對電力供應與傳輸光纜的依賴程度很高，在災害致使基礎設施遭受損毀時，網絡癱瘓的風險會顯著增加。根據相關統計數據，在重大災害發生以后，5G基站的平均中斷時長會超過12小時，這嚴重影響通信服務的連續性。

三、多種無線通信技術的融合應用方案

（一）融合架構設計

構建“空天地一體化”融合通信網絡，突破傳統單一網絡架構局限，依靠分層部署和智能協同來實現全域覆蓋。在高空層面，采用無人機搭載微型基站當作移動中繼節點，憑借其靈活、機動性快速填補信號覆蓋盲區，如搭載4G/5G基站的系留無人機能在100米—200米高空持續作業6小時一8小時，覆蓋半徑可達3公里—5公里，適用于火災初期大范圍態勢偵察場景；中空部分部署系留氣球作為固定中繼平臺，它配備的專網基站如TET-RA、PDT與衛星通信模塊，可提供穩定的廣域覆蓋;在高層建筑火災中，能保障30層以上區域的通信暢通。地面網絡依托便攜式基站、Mesh自組網節點，構建末端通信鏈路，消防員攜帶的多模終端可自動接入最近節點，形成“最后一公里”通信保障。在網絡控制層面，引人軟件定義網絡（SDN）技術，通過集中式控制器實現對不同網絡資源的統一調度。SDN控制器實時監測各鏈路的信號強度、帶寬利用率、時延等參數，依據業務需求動態分配網絡資源。例如，當消防員深人建筑內部時，控制器自動將視頻傳輸業務切換至自組網鏈路，而指揮調度類業務優先使用專網或衛星鏈路確保關鍵指令傳輸可靠。這種動態路由機制讓網絡資源利用率提升 40% 以上，保障多業務并發場景下的服務質量[5]。

（二）場景化應用策略

1.高層建筑火災場景

在高層建筑火災處置工作中，需要針對不同階段實施差異化通信策略。在火情初期階段，優先啟用5G公網傳輸無人機采集的全景視頻，利用5G公網高速率特性將高清畫面實時回傳至指揮中心，當火勢蔓延致使周邊基站出現癱瘓情況后，迅速放飛系留氣球搭建臨時中繼平臺，接入TETRA專網，保障語音指揮調度工作開展。消防員進入建筑內部時，啟動自組網終端構建Mesh網絡，實現樓層間的通信互聯。

2.化工災害場景

化工災害現場有著強電磁干擾、易燃易爆等特殊風險，這對通信系統的抗干擾性和安全性提出更高要求。該場景采用“專網 + 自組網 + 衛星通信”的融合方案，利用PDT專網來實現指揮層的語音通信，其加密機制能有效抵御電磁干擾。自組網設備采用本質安全型設計，在危險區域構建防爆通信網絡，支持氣體檢測儀、生命探測儀等設備的數據回傳，衛星通信作為兜底，確保與外部指揮中心的長距離聯絡。

3.森林火災場景

針對森林火災地域廣闊、基礎設施薄弱的特點，構建“無人機中繼 + 衛星通信 + 自組網\"立體網絡。通過多架無人機組成空中通信編隊，實現火場區域信號接力覆蓋，高通量衛星承擔長距離數據傳輸任務，將火場紅外熱成像及氣象數據等實時傳回指揮部，消防員在林區內通過自組網終端保持戰術協同。

（三）關鍵技術突破

1.異構網絡融合協議

研發跨技術混合通信協議，解決不同網絡間的不兼容問題。引入統一信令轉換機制，解決不同網絡之間的互聯互通問題，如TETRA的APCO－25協議、5G的NGAP協議等，通過信令轉換為統一接口，實現自動無縫切換。例如，通過OpenStack研發網絡編排平臺，實現自組網與專網之間業務的無縫切換，切換時間僅需3秒，數據丟包率小于 0.1% 。設計智能選擇算法，智能選擇最佳鏈路，從信號質量、業務類型、設備能耗等方面進行綜合考量。

2.智能路由優化技術

針對Mesh自組網多跳轉發，設計出基于加強學習的路由改進算法，通過對多種網絡結構的傳輸路徑進行模擬，反復對路由進行修改，達到提升傳輸速率 35% 的效果。在較大的網絡規模中，采用分簇路由策略，將網絡劃分為多個子網，由簇頭對各個子網進行管理，減少了路由的開銷，在網絡規模為100的情況下，網絡吞吐量提升2倍以上。

3.輕量化終端集成技術

研制多模通信移動式終端，支持專網、自組網、衛星、5G等通信方式，采用異構多核處理器架構，采用動態功耗控制技術將功耗降低了 40% ，持續工作時長大于8小時，設備重量小于800克，防雨防塵外殼設計，防護等級IP67。某新型消防通信終端有10種通信方式，切換時長在2秒之內，便于消防人員進行通信。

結語

多種無線通信技術融合應用，能系統性解決滅火救援通信難題。利用專網保障指揮調度、自組網解決末端通信、衛星通信實現全域覆蓋、5G公網支撐多媒體業務，構建互補協同的應急通信網絡。未來研究要進一步攻克異構網絡兼容性問題并探索AI技術在動態組網優化中的應用，同時推動通信設備朝著輕量化和智能化方向發展。隨著技術創新與實踐不斷深人，多技術融合會持續提升消防救援信息化水平，并為保護人民群眾生命財產安全提供堅實的通信保障。

參考文獻

[1］麥宜.無線通信技術在極端惡劣條件下滅火救援實戰中的應用[J].中國新通信，2024，26（17）： ：1-3+6

[2]魯金寶.消防通信系統中無線通信技術的應用分析[J].消防界（電子版），2023，9（03）：61-63.

[3]王軍虎.5G通信技術在消防滅火救援中的應用研究[J].中國高新科技，2022（12）：111-112.

[4］羅娜.5G無線通信技術在消防滅火救援工作中監管作用的研究[J].今日消防，2021，6（02）：4-5.

[5]熊孝坤.消防滅火救援中的5G技術運用研究[J].今日消防，2021，6（09）：31-33.