消防救援领域水下通信技术的应用与研究分析

2022-10-20姜汉卿

电子元器件与信息技术 2022年8期

关键词：潜水员有线水域

姜汉卿

衢州市消防救援支队，浙江衢州，324000

0 引言

随着消防救援队伍向全灾种、大应急的发展，当前消防救援的种类更广，专业要求更高。特别是水域救援作为消防救援中比较常见的救援种类，在日常的水下打捞、水下搜救、潜水作业中水下与水面的通信一直是制约救援更快、更安全、更科学的重要因素。

1 消防救援队伍水下通信现状

随着通信技术的发展和智能化应用，当前各级消防救援队伍对消防应急通信越来越重视，由原来的单一保障成了左右救援开展的重要因素，特别是洞穴、水下、地下工程等复杂环境的救援，通信更是关键。消防救援的水面、水下通信一般是指水上实体与水下目标（潜水员、水下机器人、水下被困人员等）的通信或水下目标之间的通信。

其主要是为了解决指挥员与救援人员或被困人员的音视频互通问题，使指挥员第一时间了解水下情况，做出科学决策。但从当前全国消防救援队伍的实际来看，水下通信设备的配备基本还处于起步阶段，很多单位对水下通信的概念基本是一片空白，仅满足通信设备的防水性，水下通信仍是当前的通信难点[1]。

由于水下复杂的时空环境，通信系统的有效信息传输率往往成为瓶颈，这与不断增长的水下通信需求形成矛盾。现阶段基层消防队站还未普遍配备水下通信设备，最普遍、最广泛使用的水下通信方式仍然是传统的绳语。

绳语这种通信方式使用简单、应用方便，但是其弊端也是显而易见的：信号绳仅能实现有限信息量的表达，且信号传输过程极易受复杂水环境影响而中断或失效，甚至造成误判，尤其在复杂的水域救援时，极易造成信号绳缠住潜水员或水下障碍物等，导致安全事故。针对信号绳的诸多弊病，结合智能穿戴设备的快速发展，面向消防救援领域的智能穿戴产品逐新成为研发热点之一。

目前也有部分总队配备水下无线通信设备，但是由于售后服务跟不上、价格高昂等还未在基层队站得到普遍应用。但是随着水域救援的需要，将成为未来水下通信技术在消防救援领域应用的重点方向。

2 水下通信的发展方向

目前，陆上与空中的有线及无线通信比较成熟，相对来说水下通信仍处于较低水平。随着各类水域救援的增多，各级消防救援队伍对水下通信有着极大的需求。尽管在水下可以使用电缆、光缆等有线方式进行通信，但是这些方式中节点无法移动，适用对象极其有限，所以未来的消防水域救援应急通信将向着无线通信的方向发展，目前常见的水下通信技术有以下几种。

电磁波通信是目前在通信中应用比较广泛的一种通信方式，在无人机遥感、智慧消防、手持个人终端等无线通信行业应用广泛。但由于电磁波在水中衰减极其严重，导致电磁波在水中的通信距离和通信结果衰减严重。因此，无线电波通信主要还是应用在陆地上，水下通信的应用条件相对不成熟，仅在短距离中应用，不能满足远距离水下组网的要求，特别是由于水体的流动性及水中因季节、气候、降雨等因素影响导致水体环境发生变化，电磁波在不同的水体环境中变化较大，导致通信的稳定性较差[2]。

水下量子通信的技术难度较高，目前主要处于实验室阶段，主要分两种。一种是水下激光通信，其主要原理是利用激光通信的方式在水下传递信息，但是由于同片水域水体密度和杂质含量不同导致激光在水体中会发生折射、散射等，且激光通信受限于视距，通信时两点之间任意的遮挡都将导致通信中断。且由于现阶段水中激光通信的收发设备研究成本高，技术相对不够成熟，抗干扰能力弱，仅处在实验室阶段。另一种是水下中微子通信，技术上还没有取得较大的突破，目前仅处在理论阶段，实际应用中还没有，但应用前景极其广阔。

水声通信是当前水下无线通信中应用最常见的一种技术手段。其工作原理是将需要传输的音频、图片等信息转换为声波信号，以水体本身作为传输介质，接收端接收到声波信号后，将声信号解码后还原成需要传递的信息。虽然原理上比较简单，但是由于水体中声波信号受干扰严重，传输速率低，且对声波收发设备的调制、编码、解码和纠错的要求较高，导致了不同设备厂家在通信效果上的差距比较明显[3]。

3 消防救援水下通信特点分析

近年来，随着水域救援增多，消防救援队伍在水域救援过程中水下通信保障困难的问题越来越凸显，特别是在水下通信保障方面存在一些技术性难题，主要有以下几个方面。

（1）对通信设备防水要求高，要依靠专业设备。水域救援过程中由于长时间在水面或水下工作，特殊情况下设备需要长时间接触水，比如水下机器人、水下电话、水下摄像机、防水对讲机等，所以水域救援通信设备需要达到专业的防水要求。

（2）水下通信需要依靠水面通信作支撑。在水域救援中水下通信一般都经过水面通信作支撑，依靠水面的通信设备将信息进行转发，水面上主要以消防救援舟、艇为主，移动性较强，且水体具有一定的流动性，难以用有线的方式进行通信，所以在水面的救援中，通信保障基本选择以无线的方式为主。

（3）水下无线通信衰减严重。水域救援中因水的物理特性，导致电磁波信号在水中衰减严重，受水体浑浊程度、温度和风浪大小，声波通信几乎无法跨越水与空气的界面传播。

（4）水下环境复杂，有线通信易出现线路故障问题。水域救援中水下作业时需要与岸上或水面人员进行实时沟通，方便决策指挥，但由于水下环境复杂，特别是河流、湖泊等水域水下树枝杂乱，地形复杂，易导致水下有线通信的线路被树枝、石头等缠住，导致信号中断。

4 如何有效解决消防救援水下通信难点

目前，消防救援队伍水下通信技术在救援领域方面仍处于探索与试用阶段。结合当前的实际，水下通信主要有以下几个方法。

4.1 水下机器人通信

水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，使得水下搜寻难度大、时间长、危险性高，超过30米的水下作业，安全风险更大。水下机器人可代替潜水员延长水下探潜时长和深度需求、有效减少潜水员下水危险。水下机器人可根据不同需求选配辅助摄像头、声呐、水下通信系统等多种传感器及作业工具进行组合作业，满足水下打捞、检测、巡查和救援，通过搭载的通信系统可将水下音视频通过线缆或水面中继器传输至控制面板，解决水下与水面和岸上的通信问题。2018年“10.28”重庆大巴坠江事故中，利用水下机器人最终确定了车辆位置，并进入大巴车内，拍摄到清晰的水下画面，协助完成了打捞工作[4]，如图1所示。

图1 消防水下救援机器人的应用场景

目前消防救援队伍配备的多是遥控式水下机器人。分为有线水下机器人和无线水下机器人两种。有线水下机器人是通过线缆将机器人和控制面板连接，通过线缆传输机器人的音视频、控制信号和定位信息等，如图2所示。

图2 有线水下机器人工作原理

无线水下机器人是通过在水面设置中继器，将水作为介质，通过电磁波、超声波或激光等方式将水下机器人与水面中继器建立通信连接，再将水面中继器通过有线或无线的方式与控制面板进行连接。如图3所示。

图3 无线水下机器人工作原理

4.2 有线水下通信系统

随着智能穿戴设备的发展，目前部分消防救援队伍，配备了具有有线通信功能的潜水员全面罩呼吸器，实际上是作为一个水下对讲机，通过有线连接全面罩呼吸器和水面站，可实现岸上人员与水下人员的实时音视频通信。主要由水面和水下两部分组成，中间用通信线缆连接，全面罩呼吸器里面有耳机和麦克。目前配备常见的有线水下通信设备有意大利ocean reef水下电话、HOPETEK水下监控语音一体机等设备[5],如图4所示。

图4 有线水下通信系统应用场景

4.3 无线水下通信系统

无线水下通信系统结构上主要由全面罩呼吸器、水下对讲机和水面工作站三个部分组成。其主要工作原理是利用超声波在水下进行通信，通常将信号收发设备、音频播放设备、麦克风、电源和一些附属设备等置于一个潜水员全面罩呼吸器里面，将声音信号转换成超声波信号通过信号发射装置发射后以水为介质进行传导，被另一个水下超声波接收装置接收后，转换成声音信号，经过音频播放设备播放。可实现潜水员与潜水员，潜水员与地面的清晰通话。在消防救援领域中应用较多的是美国OTS无线水下通信系统，如图5所示。

图5 无线水下通信系统

5 水面、水下应急通信保障几点设想

根据水面、水下应急通信保障的特点，把水面、水下应急通信保障分为四个部分研究。

（1）水域救援后场通信设。①卫星通信车、卫星便携站或移动指挥终端：将水域救援的一线救援情况音视频传回指挥中心并组建会议实时调度，为远程指挥决策提供辅助；②单兵图传、音视频布控球：将水域救援的全景画面和特写画面传回指挥中心，为远程指挥提供决策依据；③发电机：保障现场指挥部通信设备的用电；④音频设备：包括公网对讲机、350M手持台、话筒、调音台、音响、功放等，保证语音指挥畅通；⑤显示设备包括显示器、投影仪、LED高清大屏等设备,显示前方救援人员的救援视频，为现场指挥部分析决策提供信息；⑥绘图仪、白板：用于挂图作战；⑦三大运营商移动基站：为救援现场提供无线网络覆盖，保障救援现场网络需求。

（2）水面通信设备。主要包括：①防水公网对讲机、防水350M手持台：②单兵图传或布控球；③无人机。

（3）水下通信设备。主要包括：①水下机器人；②水下电话；③水下无线通信系统；④GOPro运动摄像机。

消防救援水下应急通信保障人员配备。消防救援水下应急通信保障人员配备分为两部分，水下通信保障人员和水面通信保障人员。水下通信保障人员具备专业潜水证并进行专项培训，能熟练使用水下通信设备，至少2人以上，一般由潜水员兼任。水面通信保障人员作为水面工作站和后场通信设备的保障人员，时刻与水下保持通信畅通，并保持与指挥中心等后方的不间断通信[6]。为提高水面、水下应急通信保障能力，应明确各应急通信保障小组的任务，规范各应急通信保障小组应该携带的器材装备、主要任务、途中通信、到场展开、现场调度等，形成水面、水下应急通信保障体系。