天地空融合通信在消防應急通信保障中的實施與應用探究

周小祥

（湖北省消防救援總隊應急通信與車輛勤務大隊，湖北 武漢 430000）

0 引 言

人們日常生活中，自然災害和突發性事件時有發生。面對災害時，經常會出現信號中斷、通信設備被毀等情況，不僅不利于調查災情，還會影響后方指揮中心與前線救援人員之間的互聯互通，造成信息滯后。目前，消防應用通信技術主要以5G單兵圖傳為主。為更好地落實救援工作，應將通信技術與其他各項檢測技術相結合，構建全方位的融合系統，即天地空融合通信，從而保證快速傳回救援現場信息，為后續的相關工作提供通信保障。

1 天地通融合通信設計思路及實施保障

1.1 設計思路

大型災害會導致受災區域內的通信設備損壞，從而導致整個災區面臨電力中斷、道路中斷、通信中斷情況。常規的通信應急手段無法保證快速恢復受災區域內的通信，加之突發事件發生初期業務量增加，造成網絡擁塞，導致現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。公網正常時，可應用5G 圖傳、無人機、GoPro 設備傳回災害現場實況；公網癱瘓時，可利用衛星便攜站和衛星平板構建傳輸鏈路，同時配合無人機等采集終端，實現數據的實時傳回。一線設備的類別如下：第一類為無人機、GoPro以及主席臺攝像機，無人機和GoPro 執行云直播任務，而主席臺攝像機則要用于召開會議，保證信息實時直播；第二類為單兵、車載以及布控球，利用電信虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）專網收集信息、轉換以及存儲，用于現場指揮，聯合各級指揮中心，將結果用發光二極管（Light Emitting Diode，LED）大屏進行可視化共享；第三類為衛星便攜站和海事衛星平板，將信息呈現在現場指揮中心[1]。

1.2 實施保障

以某區域的災情演練為案例，設定市周邊城區部分發生6 級地震，周圍山體局部位置出現滑坡，部分低矮建筑和房屋發生倒塌，并伴隨燃氣管道泄漏，局部出現火災問題，被困人數27 人。消防部門立即組織救援啟動應急預案，應用天地空融合通信系統實現現場實況傳回和指揮。天層負責音頻視頻傳輸，將受災區域劃分為5 個片區，應用5 架小型無人機分別在各自對應的空域承擔救援任務。在實施過程中保證每個無人機之間保持10 m 距離，擴大信息搜集范圍，同時降低碰撞風險。地層負責搭建通信設備，在消防應急通信中350 MHz 數字對講機是最便捷的語言通信設備，具有無延時、高效、待機時間長的優勢，是現場救援工作的保障之一。空層負責構建衛星通信系統，承載衛星便攜站、衛星電話、衛星平板等設施的功能。

2 天地空融合通信在消防應急通信保障中的詳細應用

2.1 天層應用

2.1.1 無人機技術

目前，消防應急通信保障在天層的應用主要是以無人機技術為基礎，構成動力系統、飛行系統、大數據系統等，利用無人機搭載動態監測設備和傳感器，實現對災情現場的實況拍攝，再根據指揮部門要求變換拍攝方向[2]。與常規的無人機相比，應用在消防應急救援中的無人機更加靈活，且續航能力更強。災區內通信癱瘓時，可利用無人機與音響設備組合的方式播報救援信息，維護秩序[3]。

為避免無人機發生碰撞，需要設置不同的飛行高度。與傳統的衛星遙感技術相比，無人機搭載傳感器的方式能夠突破衛星運行周期的限制，并根據實際需求展開針對性救援。其在拍攝時角度精度更高，能夠實現豎向和斜向攝影，并且能夠實現亞米級精度拍攝，直接反應區域現況。此外，可以應用無人機掛載移動式裝置實現廣域信號覆蓋，配合地面的TD930手持終端建立穩定的通信現場，實現點面結合消除盲點，布設通信網后能夠及時傳回災情畫面，輔助指揮中心調度[4]。目前，我國消防應急通信系統中較常用的無人機應急方案為系留式低空無人機應急方案。該方案能夠攜帶蜂窩射頻單元的多旋翼無人機和地面數據，同時配合衛星網絡、衛星便攜站以及應急通信車，利用無人機升空和滯空的方式擴大信息采集范圍。系留式低空無人機應急如圖1 所示。

圖1 系留式低空無人機應急

2.1.2 高分遙感影像處理技術

在無人機技術的基礎上，天層通信部分通過采用高分遙感技術配合無人機收集災區數據，配合數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數字地表模型（Digital Surface Model，DSM）地理信息數據完成地面測繪[5]。在影像處理中應用正射矯正和融合增強等方式完成預處理，詳細的系統組成如圖2 所示。由于存在現場火災情況，無法直接觀察火災涉及范圍。通過利用無人機遙感技術，可以根據衛星地圖標識的起降條件設計無人機飛行航線，并裝載高分辨率的航拍系統以及紅外熱像儀系統，從而實時觀察災情，進而判斷火災中心位置和蔓延情況。針對現場較為隱蔽的火源，可以實時傳達數據信息偵查情況，利用計算機模擬火災蔓延方向及程度，做到及時控制災情，縮小損傷范圍[6]。

圖2 系統組成

2.2 地層應用

地層應用包括以下4 點。

（1）影像數據獲取。以無人機攝影、衛星遙感影像技術、無人機遙感影像技術以及區域內的監控視頻影像技術所提供的信息為基礎統籌全局，明確應急機動和相關方案。

（2）環境變化信息獲取。針對一些建筑坍塌、山體滑坡、泥石流以及暴雪等災害問題，消防應急工作需要獲取原有地質資源和地上資源的信息與實時監控信息進行比對，從而了解并實時監控和統計其變化情況，為后續的應急計劃設計和救援提供支持[7]。

（3）地層數據接收終端需要對傳回的數據信息進行預處理、自動比對以及預警。首先，預處理環節中需要解決內容模糊、亮度以及分辨率等問題，降低物理遮擋和天氣情況的影響，并根據實際特征進行去霧和調光處理，為后續的識別工作降低難度；其次，應用違法行為識別模塊對被巡視現場進行實況識別，包括火災、山體滑坡、建筑坍塌以及洪水等；最后，利用預警模塊動態化篩選現有情況，并對其進行分類預警[8]。

（4）建立監測服務平臺。主要針對衛星遙感和無人機遙感建立數據庫，并根據各自的影響和服務進行動態化調研。

2.3 空層應用

空層部分通信系統的應用主要是以衛星技術為基礎，能夠播報較大范圍地理面積的數據，確保終端之間能夠相互傳輸信息，節約傳輸寬帶。目前，消防通信已經建立衛星便攜基站，配置專業設備滿足音頻和視頻傳輸功能，能夠與無人機設備和終端等進行連接成像。由于消防救援現場具有復雜性的特點，針對消防應急演習活動，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，解決以往圖像拉遠拍攝的問題，從而推動救援工作的順利進行[9]。

衛星遙感動態監測技術數據源為1 ～2 m 分辨率衛星影像，利用現有資料進行正射糾正，再利用計算機技術進行影像比對，提取區域變化信息。利用時序遙感影像回溯功能觀察歷史影像，生成直觀的數據和圖像信息，遙感動態監測技術詳細技術路線如圖2所示。

圖3 遙感動態監測技術詳細技術路線

3 消防應急系統中應用天地空融合通信技術的保障

3.1 擴大應用范圍

天地空融合通信系統的建立中存在大量復雜的流程和環節，需要在實踐中不斷完善，從而制定最優方案。目前，該系統在消防應急領域的應用普遍為經濟發達區域，對基礎設施完備性的要求較高。同時，該系統在整體上存在明顯的區域差異，在基礎設備不完善的條件下實施天地空融合通信，無法發揮其價值，進而導致消防應急救援水平降低[10]。針對該情況，需要加大對經濟欠發達地區的經濟投入力度，提供相關應急通信保障技術和設備等，從而提升綜合能力。面對多樣化的災害，消防應急工作對通信保障系統提出新要求，需要滿足多類型突發事件的客觀需求，在極端情況下保證設備應用的規范性。各地政府需要增加無人機設備、全地形車、北斗終端設備以及鄉鎮衛星電話設備的預置數量，形成多位一體的合作模式。

3.2 實現設備兼容

為提升消防應急任務執行過程的專業性和快捷性，必須保證設備和系統之間的配合，避免由于生產主體的差異而導致系統或設備出現不兼容的情況。一旦系統或設備無法互相兼容，就會增加通信發生故障的概率。以無人機為例，無人機具有便攜、操作簡單、使用范圍廣的優勢，在消防應急救援通信中承擔著“眼睛”的功能，為災區現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，部分設備無法滿足地面通信設備的兼容要求。針對該問題，需要在消防應急演練中進行優化，通過全方位思考，選擇最優設備，進而解決不兼容的問題。

4 結 語

目前，我國消防應急技術的應用領域中，天地空融合通信模式的應用已經進一步突破技術壁壘，并促進相關產業的融通，針對不同的場景，能夠滿足多樣化的通信需求。同時，通過應用現階段的主流技術，如無人機技術、直播技術、終端應用技術以及衛星技術等，能夠促進無人機、地面應急車、衛星以及網絡基站之間的融合，形成完善的體系，實現資源互補，有效突破以往消防救援中的單兵通信觀測局限，擴大視覺范圍和觀測距離，進而實現多項技術和多種設備的融合統一化管理，為現有資源的綜合調度提供有力保障。