摘要：针对数字化单兵装备功能单一、链路融合缺失、后场指挥平台各自独立的现状，设计实现了数字一体化多功能消防单兵系统装备，将前场功能各异的数字单兵装备进行了功能集成、链路融合和一体化指挥平台设计。阐述了消防员体域网智能架构体系、异构通信链路单元设计与实现、多信息流及多业务单兵一体化模型集成型指挥平台等的设计思想和实现方法，明确了数字化消防单兵装备体系设计思想。

关键词：消防；多功能；集成型；单兵装备

1 背景及需求

目前，数字化消防单兵装备种类繁多，能够采集各种火灾现场、装备工况以及人员状态等的信息，比如图侦、定位、呼救器、空吸器余量、气体侦检、体征监测等，每一种单兵装备配置一个后端接收显示装置，各自成一个系统。如此种类繁多的后场接收显示装置，在应急救援现场非常冗杂，至少要配备3~5名消防技师进行支持，显然不符合应急实战需求。数字化装备各自配置专用指挥平台(笔记本电脑、平板电脑、手机等)进行辅助指挥，造成“电脑多”“技师多”等现象。

以某总队特勤消防员随身携行数字化单兵装备为例，参照JB152—2017《城市消防站建设标准》，消防员进入火场时需携行对讲机、消防员呼救器、消防员定位、图像侦察与传输、气体侦检等装备，造成“开关多”“天线多”现象，如图1所示。

造成上述现状的原因，一是装备功能单一、携带装备多、配置方式固化、操作复杂度高、系统兼容性差、配备标准缺失、成套化程度低，多种数字化装备功能融合缺失；二是多装备通信信道独立、信息格式不统一、通信标准缺失、信道带宽利用效率低、通信互扰严重，多种数字化装备通信链路融合缺失；三是多种现场指挥平台并存、软件不兼容、系统维护复杂、指挥通信信道随意分配，多种数字化装备集成型一体化指挥平台缺失。

2 数字一体化多功能消防单兵系统装备简介

数字一体化多功能消防单兵系统装备(以下简称“单兵系统装备”)的产生和发展是实现应急救援现场一体化的客观要求。强调功能集成、信息集成、链路集成和系统集成。各基层部队要求数字化装备各功能单元融合，减少背负重量和操作复杂性，解放消防员双手。信息融合后至单兵，通过通信链路融合，最终与灭火救援战斗网和作战指挥网构成一体，使各功能领域之间更好地协调和相互支持。单兵系统装备应该是集智能化、信息化和网络化于一体的系统，可以使消防实战的信息传递和处理达到一种“态势感知实时化”的程度，从而提高应急救援作战小组和单兵对现场情况的反应速度，加快队伍的灭火救援行动节奏，能极大地提高队伍整体作战能力。

单兵系统装备基于无线传感网络系统技术(Mesh自组网、4G公网、专网、卫通)，由消防员体域网单元、异构通信链路单元和集成型移动指挥平台组成，如图2所示该系统装备可实现消防员定位、图像侦察、红外搜救、单兵图传、气体侦检、空呼器余量监控、生命体征监测、现场环境信息监测、语音对讲、身份识别、呼救报警、指令下达、六熟悉巡检记录、装备及物资管理、重点场所消防物联网对接等多种功能，并具有一体化的通信链路和集成式后场显示平台与系统软件。

3 数字一体化多功能消防单兵系统装备设计与实现

单兵系统装备建设的一个重要内容是构建单兵信息系统模型。单兵信息系统模型应该具有较强的实用性、可扩展性和开放性，能够满足现实和未来应急处置任务中多信息流及多业务的需求，同时具有一定的抗毁性。根据单兵系统装备的特点，研究与之相适应的单兵信息系统模型和关键技术是具有重要理论和实现价值的工作，同时应开展体域网智能架构体系研究、异构通信链路单元和集成型指挥平台等的研究工作。

3.1 消防员体域网智能架构体系研究

消防员体域网单元由分布式传感节点(Distributed Sensor Node)、汇聚节点(Sink Node)和融合型身体主站(Body Area Network Router)组成。

分布式传感节点用于捕获生命体征、装备器材工况、环境和现场辅助等多种信息。每个传感节点采用分布式设计，是具有MCU处理能力的独立模块，可独立进行数据采集运算、处理和传输，仅将处理结果传输至汇聚节点，可以有效减少通信量；其次可大幅减少多个传感节点数据传输冲突；同时增加了错误检测和校正机制，做到分布式传感器节点节能策略与网络协议的优化设计。

汇聚节点负责体域网分布式各节点的管理，把体域网各分布式节点采集信息统一传输到现场指挥处理端。为了提升单兵系统装备的可扩展性，使系统具有较强的开放性，必须考虑到多种数字化单兵消防装备带来的融合兼容问题，汇聚节点应具有不同的数据传输协议、通信协议和物理接口兼容能力。因此，在调研主流数字化单兵装备的链接协议的基础上，对汇聚节点添加了多种蓝牙传输协议(BLE、SPP)兼容、多种物理硬件接口(网口、串口、RFID)对接等功能。

融合型身体主站负责汇聚节点信息、语音信息和视频信息的融合、压缩、处理和外网传输。融合型身体主站与系统冗余传输链路建立灵活连接，将多种融合后的信息数据传至集成型移动指挥平台，进行统一处理和显示。为增强融合型身体主站的采集与处理能力，MCU处理单元采用双核DSP+FPGA设计，具有较强的多路同步处理能力。同时，为了增强融合与通信能力，其添加了Wi-Fi、Mesh.4G、专网、音视频接口、串口等链接设计。

由于消防员体域网单元主要是管理消防员随身携带的传感器，故可采用星形网络拓扑结构，但考虑系统可开放、可组合等特性，采用多中心节点设计，形成多个星形网拓扑结构，最大程度上提升系统可扩展性。中心节点相当于传感节点的网关，传感器数据汇总至中心节点，由中心节点进行统一处理、显示、报警或远程传输。为便于接入和区分传感器网络节点，采用传感器网络节点与中心节点对码的方式进行配对，一个中心节点可以与多个传感器网络节点对码，构成多路星形网络。同时设置自动对码和标定功能，尽量减少操作。

消防员体域网装备功能较多，系统采用多星形网络设计。消防队伍可根据实际需要进行功能选配，故此类装备各个功能单元应采用分布式独立设计，可灵活搭配，同时整个装备系统具备可扩展功能，为升级和功能添加提供可靠保证。

3.2 异构通信链路单元设计与实现

单兵系统装备融合4G公网(FDD-LTE、TDO-LTE、WCDMA/HSPA +、TD-SWCDMA、GSM/1520GPRS/EDGE网络)、Mesh网络和Wi-Fi等不同的经典宽带通信链路。根据应急救援灾害处置现场通信需求，主要采用4G和Mesh自组网融合通信模式。

异构网络融合通信模式，让消防员无须关心4G公网和Mesh网络的信号情况，智能完成4G公网和Mesh网络的传输，实现4G公网和Mesh网络任意一个网络正常情况下完成通信，达到较低时延实现异构网络同传的目的(异构网络间切换时间小于10 ms)。

融合通信模式提升了系统的自愈能力与稳定性。在融合网络中设备可以通过不同节点同时连接到网络，减少了作战现场网络拥塞的可能，提高了网络可靠性，同时融合通信技术提供了更大的冗余机制与数据平衡。融合通信协议的基础协议承载在UDP上，原因在于考虑实时性需求，UDP比TCP虽然在传输可靠性上差一些，但UDP的实时性较好。另外，对于Mesh专网而言，TCP的ACK数据小包会极大的降低无线传输的效率，故最终选择UDP作为整个协议的基础承载。

在公网传输上，各个设备的身份特征不明显，需要区分设备在公网上数据交换组和组内信息，通过简洁设置，同一个作战小组的设备的帧头特征值定为相同并且唯一，4G公网云服务器的交换模块利用该帧头来完成4G公网上的组内的数据交换。在Mesh专网内，相同组的设备的局域网IP地址肯定唯一，故可利用该IP地址最后一位作为组内不同成员的身份标志，融合通信数据格式如图3、表1所示。

3.3 多信息流及多业务单兵一体化模型集成型指挥平台

集成型指挥平台可集中多种装备工况、消防员体征、环境监测、辅助类等信息，并能实现多窗口分别显示和多终端同时显示等功能，使消防员、作业装备和防护装备有机结合形成一个完备且合理的体系，完善了人-机系统，使之能够迅速准确地处理和传递信息，为现场动态态势判断提供科学支撑，如图4所示。

集成型指挥平台，将图侦、定位、呼救器、呼吸器余量、安全监测、气体侦检、生命体征监测等单一-功能的后场显示装置集成到一个平台，如图5所示。

集成型指挥平台以无线传感器网络为底层技术，是由穿戴在消防员身体上的传感器以及消防现场中分布在消防员周围的传感器、终端设备和网络通信设备等组成的信息化网络，主要通过收集、传送以及分析处理消防员的生理数据和消防现场的环境数据，实现智能感知和远程监控等功能。与传统的体域网相比，消防员体域网的设备数量更多、数据量更大、业务类型更多、传输环境更为恶劣、可靠性要求更高、可扩展性要求更高。

集成型指挥平台包括数十种消防装备，随着技术的进一步发展，未来还可能需要扩展支持其他类型的消防装备。因此，集成型指挥平台体系架构需要具备大规模的组网能力、统一开放的接口标准、良好的可扩展能力和优良的互操作能力。消防员体域网收集和传输的数据类型众多、格式各异，每种类型的数据的冗余度、精确度、重要程度、带宽需求、时延要求以及与其他数据的相关性都各不相同，进而对设计一体化、高度集成的单兵装备网络体系架构造成极大困难。此外，多个体域网之间还面临着因消防员协同作业形成的相互干扰。体域网需要在不可靠的传输网络的基础.上向上层应用提供高效率、高可靠、大带宽和低延时的传输服务。鉴于以上理由，消防员体域网的系统架构仍然遵循传统的分层结构，分为感知层、接入层、承载层、控制层和应用层5个层次，如图6所示。

4 结论

多功能一体化集成型消防单兵系统装备顺应了世界新消防装备革命的发展趋势，实现了从“现场孤点”到“体系节点”。一体化集成型消防单兵系统装备具有较强的实用性、可扩展性和开放性，能够满足现时和未来应急处置任务中多信息流、多业务的需求。

参考文献：

[1] 伦永亮.信息物理融合系统优化调度理论与方法的研究[D].广州：广东工业大学. 2012.

[2] 陈辉.单兵计算机系统的体系结构与无线通信模块的设计[D].杭州：浙江大学.2008.

[3] 邰斌.单兵通信系统的研究[D]西安：西安电子科技大学，2012.

[4] 刘伟.单兵作战通信系统平台研究[D].南京：东南大学，2017.

[5] 侯忠辉，钟雷.消防数字化单兵装备系统的研究[C]//2013年中国消防协会科学技术年会论文集，2013.