基于無線通信技術的復雜環境下滅火救援指揮

摘要：當前，傳統通信系統在極端條件下的性能瓶頸，已成為制約滅火救援指揮效能提升的關鍵因素。針對復雜環境下滅火救援指揮的通信難題，系統分析了高溫/強電磁干擾、地下/密閉空間、山地/森林廣域及化工/危化品泄漏等4類典型場景的通信需求與技術瓶頸。提出了基于無線通信技術的多維解決方案，包括耐高溫電磁兼容設計、高精度融合定位系統、空天地一體化網絡架構及智能決策支持平臺。旨在為提升復雜環境下的滅火救援指揮效能提供參考。

關鍵詞：無線通信技術；滅火救援指揮；復雜環境；智能決策

當前，火災事故呈現場景多樣化、環境復雜化的特征。高溫/強電磁干擾、地下/密閉空間、山地/森林廣域及化工/危化品泄漏等特殊環境，對滅火救援指揮系統的通信可靠性提出了嚴峻挑戰。在極端條件下，現有技術常面臨信號衰減、定位偏差、數據延遲等問題，導致指揮決策與現場態勢脫節。因此，立足通信技術前沿，系統剖析4類典型復雜環境的物理特性與通信需求十分重要。

1 典型復雜環境及其通信需求

1.1" 高溫/強電磁干擾環境

高溫與強電磁干擾環境，對通信系統提出了多重嚴苛需求：第一，通信設備須具備極端溫度耐受能力，核心元器件應能在300℃高溫下持續工作。第二，電磁屏蔽效能需通過金屬鍍膜屏蔽罩與電磁吸波材料的復合設計來實現，滿足GB/T17626.5—2019《電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》標準對工業電磁環境的兼容性要求。第三，為支持火場熱成像數據的實時回傳，系統需借助毫米波頻段的高速率特性與自適應調制技術，實現1080P@30fps紅外視頻流的穩定傳輸[1]。

1.2" 地下/密閉空間環境

地下隧道、車庫等密閉空間由于GPS信號被完全屏蔽，定位精度與穿透能力成為核心需求：第一，非視距定位需要融合超寬帶（UWB）技術的厘米級測距能力與慣性導航系統的運動軌跡推算，并利用卡爾曼濾波算法補償金屬結構反射造成的定位跳變。第二，自組網設備需穿透多層混凝土墻體。需要采用波束賦形技術集中發射能量，同時結合低頻補盲中繼節點擴展覆蓋范圍。第三，有毒氣體監測對實時性要求較高，CO濃度數據上報間隔要小。需要部署窄帶物聯網（NB-IoT）與LoRa混合網絡，通過事件觸發式上報機制減少信道占用。第四，穿戴終端體積需進行壓縮。需要通過三維集成封裝技術將通信模塊、傳感器與微電池高度集成，同時采用柔性電路板以適應人體工程學設計。

1.3" 山地/森林廣域環境

山地與森林火災救援面臨地形起伏大、信號遮擋嚴重的通信困境，其需求聚焦于廣域覆蓋與動態適應性。第一，通信覆蓋要通過系留無人機搭載智能反射面（RIS），形成定向波束，并結合地形數據庫動態調整覆蓋角度。第二，動態拓撲適應能力要求支持節點0～20m/s的移動速度。需采用軟件定義網絡（SDN）架構，實現路由協議的毫秒級重構，確保在火線推進時通信網絡能夠同步擴展。第三，應急供電系統需維持長時間的續航。需設計太陽能薄膜電池與甲醇燃料電池的混合供電方案，在濃煙環境下通過光譜過濾技術提升光能轉換效率。第四，GIS火線預測模型需及時更新數據。這依賴于邊緣計算節點對多光譜衛星影像與無人機航拍數據進行實時融合處理[2]。

1.4" 化工/危化品泄漏環境

危化品儲罐區與化工廠房面臨著爆炸性氣體與腐蝕性介質的雙重威脅，通信系統必須同時滿足防爆安全與功能可靠性的要求。第一，本安型防爆設計需符合ATEX防爆認證標準。通過限壓、限流電路，將設備內部能量控制在可燃氣體的最小點火能以下。第二，對于多氣體檢測，需同步檢測CH4、H2S、Cl2等氣體。對此，需要開發多通道光譜傳感器陣列，利用TDLAS激光吸收光譜技術實現更高的檢測精度。第三，設備外殼防護等級需達到IP68，采用氟橡膠密封圈與納米涂層技術，以抵御酸堿腐蝕。第四，應急撤離指令廣播需實現全區域覆蓋。對此，需構建分級優先的廣播信道搶占機制，并部署分布式定向聲波陣列。

2 基于無線通信技術的復雜環境下滅火救援指揮挑戰

2.1" 高溫/強電磁干擾環境下的指揮協同失效

高溫與強電磁干擾環境給滅火救援指揮帶來了多重挑戰。第一，火場動態感知存在盲區，導致指揮決策滯后。熱成像設備在高溫環境中，由于熱輻射對毫米波信號產生衰減效應，視頻數據回傳延遲，導致指揮中心無法實時追蹤火勢的蔓延方向。第二，工業設備產生的強電磁干擾導致關鍵設備狀態信息的誤碼率攀升，造成資源調度指令與現場實際需求出現偏差。如果水泵壓力數據因干擾而丟失，可能會造成指揮端的誤判，進而延誤增援請求[3]。第三，跨部門協同通信中斷的問題尤為突出。消防、醫療、環保部門分別采用PDT窄帶集群、5G公網和LTE專網，多制式協議之間的沖突使得聯合指令的傳遞效率降低。

2.2" 地下/密閉空間環境中的指揮控制失靈

人員定位系統受金屬結構反射的影響，導致UWB信號產生定位偏差。慣性導航系統會累積軌跡誤差，使得指揮端顯示的救援隊位置與實際位置出現“鏡像偏差”，無法有效監控作業進度。同時，在狹小空間內，多救援組共用信道會引發嚴重的數據碰撞問題，信道沖突概率高，導致關鍵指令（如緊急撤離）的傳輸延遲超過安全閾值。

2.3" 山地/森林廣域環境下的指揮體系割裂

地形遮擋形成通信盲區。當火線以較快速度推進時，固定中繼節點的部署速度遠遠落后于災情變化，形成了“追趕式組網”的困境。同時，無人機集群每小時回傳1.2TB的多光譜數據，超出了傳統指揮平臺的處理能力。數據處理延遲直接導致撲救方案的制定滯后于火場實際態勢。此外，氣象數據（風速、濕度）、地形數據（坡度、植被）與火勢數據（溫度、蔓延方向）未有效融合，導致指揮端的綜合研判準確率較低[4]。

2.4" 化工/危化品泄漏環境中的指揮決策失準

多氣體傳感器在并發傳輸數據時，由于信道競爭，導致數據丟包率升高。防爆通信設備受功率限制，使得儲罐結構形變數據的采樣率低，無法捕捉應力突變特征。爆炸風險評估需要5G網絡提供端到端時延＜10ms的支持，但受到現有系統的時延影響，使得從數據采集到風險預警的閉環響應難以實現。

3 基于無線通信技術的復雜環境下的滅火救援指揮對策

3.1" 高溫/強電磁干擾環境指揮效能強化方案

在硬件層面，采用氮化鎵（GaN）寬禁帶半導體器件替代傳統硅基元件。憑借其耐高溫特性，通信設備可在高溫環境中穩定運行。同時，通過多層陶瓷基板與微通道液冷技術，實現熱防護與散熱的動態平衡。為提升電磁屏蔽效能，需采用金屬化塑料外殼與吸波材料的復合結構，并參照MIL-STD-461G標準設計多頻段濾波電路，提升電磁兼容性。針對工業頻段干擾，部署自適應跳頻通信模塊，利用實時頻譜感知與機器學習算法預測干擾源，實現動態避讓。

在感知與傳輸層面，需要建立熱力學-電磁學耦合信道模型。基于火場溫度梯度與電磁場分布特征，動態優化毫米波傳輸路徑的選擇，結合波束賦形技術，降低誤碼率。為解決熱成像數據回傳延遲問題，應研發融合H.265編碼與AI幀間預測的智能壓縮算法，利用邊緣計算節點對視頻流進行實時處理，降低端到端傳輸延遲。在跨部門協同通信方面，需要搭建異構網絡互聯網關，通過協議虛擬化技術實現5G公網、PDT窄帶集群與LTE專網之間的無損協議轉換。

3.2" 地下/密閉空間精準指揮控制體系構建

高精度融合定位系統需集成UWB技術、誤差補償型慣性導航以及地磁指紋匹配算法。通過卡爾曼濾波與粒子群優化算法實現多源數據的融合處理，提升非視距定位精度。在分布式MIMO定位基站的部署方面，應采用低頻補盲與高頻精確定位相結合的方案。在5GHz頻段下，利用波束掃描與反射增強技術，使得信號能夠穿透多層混凝土墻體。

在黃金救援期內，為保障通信特權通道暢通，需采用預留頻譜與搶占式調度策略，降低緊急撤離指令的端到端傳輸時延。構建NB-IoT與寬帶Mesh網絡的互補架構，利用NB-IoT的低功耗特性，實現有毒氣體數據的秒級上報。而Mesh網絡通過多跳中繼技術，擴展網絡的覆蓋范圍。在穿戴終端的小型化設計方面，需采用三維系統級封裝技術，將通信模塊、傳感器與能源單元集成于較小空間內，同時引入柔性天線與人體耦合技術，提升信號收發效率。

3.3" 山地/森林廣域環境動態指揮網絡部署

山地森林火災具有廣域動態特性，這就要求通信網絡具備自適應重構能力。空天地一體化應急通信網需要整合系留無人機、低軌衛星與地面Mesh節點。其中，無人機搭載可重構RIS，通過動態波束成形技術，擴展通信覆蓋半徑，并結合數字高程模型（DEM）實時優化反射路徑。低軌衛星終端應采用相控陣天線與多頻段兼容設計，以便滿足在復雜地形中提供上下行速率不低于50Mbps的應急鏈路要求。火勢蔓延預測-通信拓撲聯動算法需基于強化學習框架，融合氣象數據、火線熱輻射特征以及網絡負載狀態，實現路由協議的秒級更新，確保通信資源能夠隨火勢動態調整[5]。

能源供應系統需要突破傳統局限，采用石墨烯基柔性太陽能電池。通過光譜選擇性吸收涂層，在濃煙環境保證光電轉換效率。燃料電池-超級電容混合供電系統應設計甲醇重整制氫與能量管理協同控制算法，有效延長設備續航。輕量化系留纜繩需采用碳纖維復合材料與分布式動力單元，使纜繩重量減輕。

3.4" 化工/危化環境智能指揮決策系統實現

在危化品泄漏場景中，智能決策需要構建多參數感知-風險推演的閉環體系。本安型多參數監測網絡需研發微型化防爆氣體傳感器陣列，利用微機電系統（MEMS）與激光光譜技術，實現對12類危化氣體的同步檢測，并壓縮采樣周期。光纖光柵形變監測系統應通過飛秒激光刻寫技術制作高密度傳感器網絡，提高空間分辨。

風險推演平臺需要構建危化品擴散數字孿生模型，將計算流體力學（CFD）與實時監測數據進行耦合。通過GPU加速仿真技術，提升預測精度。5G邊緣計算應急指令系統需部署輕量化AI推理引擎，在基站側完成數據處理與指令生成工作，降低端到端時延。

4 結束語

復雜環境下的滅火救援指揮通信系統建設，本質上是一項融合多學科技術的系統工程。本文通過深入剖析4類典型場景的通信需求，提出了涵蓋硬件設計、網絡架構、算法優化的綜合解決方案，可以提升極端條件下的信息獲取與處理能力。未來研究需進一步探索跨域協同機制，推動通信技術與AI、數字孿生等前沿技術的深度融合，同時加強標準化建設，以促進技術成果轉化與實踐應用。

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]劉媛媛.無線通信技術在消防應急通信保障中的應用[J].水上安全，2024（12）：127-129.

[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]葉進榮.5G通信技術在數據中心消防系統中的運用研究[J].長江信息通信，2022，35（1）：180-182+185.

[5]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（2）：4-5.