基于北斗衛(wèi)星的地震災(zāi)情上報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用研究

程 奕 ， 彭晉川 魯長江

（1. 四川省地震局， 成都 610041； 2.四川賽思特科技有限責(zé)任公司， 成都 610041）

0 引言

四川是中國地震多發(fā)省區(qū)之一。 根據(jù)對(duì)全國M≥6 級(jí)地震次數(shù)的統(tǒng)計(jì)， 四川的地震活動(dòng)僅次于臺(tái)灣、 西藏、 新疆和云南， 居全國第五位[1]。 在地域上， 這些地震主要發(fā)生在四川省西部， 青藏高原東南緣， 處于高原、 高山及峽谷地區(qū)， 地形條件復(fù)雜， 海拔高差大， 氣候條件差， 一旦發(fā)生破壞性地震， 極易造成通信、 交通等聯(lián)系方式的全部中斷， 成為 “信息孤島”， 如： 汶川地震時(shí)的震中映秀、 北川縣城， 蘆山地震時(shí)的寶興縣城、 靈關(guān)鎮(zhèn)等地。

“信息孤島” 產(chǎn)生的主要原因是目前的通信方式以地面通信為主， 而破壞性地震的發(fā)生又往往會(huì)對(duì)地面部分地區(qū)的通信基礎(chǔ)設(shè)施造成毀滅性的破壞。 因此， 為了避免 “信息孤島” 的出現(xiàn)， 衛(wèi)星通信將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)” 是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)（BDS）， 是繼美國GPS 和俄羅斯GLONASS 之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、 全天時(shí)為各類用戶提供高精度、 高可靠定位、 導(dǎo)航、 授時(shí)服務(wù)， 并具有短報(bào)文通信能力。 因此， 利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)全天候、 全天時(shí)的短報(bào)文收發(fā)功能將一些重要關(guān)鍵的災(zāi)情信息及時(shí)、 實(shí)時(shí)地回傳給后方指揮部，將為領(lǐng)導(dǎo)正確決策和指揮一線工作提供可靠的第一手資料。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在抗震救災(zāi)中發(fā)揮了巨大的作用。 汶川、 蘆山兩次大地震發(fā)生后,部分重災(zāi)區(qū)的手機(jī)通信基站被完全破壞,電纜、 光纜被截?cái)?有線、 無線通信全部中斷。 在這種情況下,我國自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)成功為災(zāi)區(qū)一線和指揮部建立了實(shí)時(shí)通道,在決策、 搜救、 醫(yī)療等過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[3]。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 關(guān)鍵災(zāi)情信息采集

根據(jù)地震現(xiàn)場工作國家標(biāo)準(zhǔn)， 地震現(xiàn)場災(zāi)情收集內(nèi)容包括地震災(zāi)害破壞范圍， 人員傷亡， 建（構(gòu)）筑物損壞， 財(cái)產(chǎn)損失， 重要（工程）設(shè)施破壞， 次生災(zāi)害及對(duì)生產(chǎn)、 生活、 自然、 生態(tài)環(huán)境等造成的影響等[4]。

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)發(fā)送短報(bào)文的字節(jié)長度和時(shí)間間隔都有嚴(yán)格要求， 一般用戶一次可以傳輸36個(gè)漢字（72個(gè)字節(jié)）， 每次發(fā)送需間隔15 s、30 s 或60 s[5]。 由此可見， 利用北斗系統(tǒng)的短報(bào)文功能發(fā)送國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部或部分災(zāi)情信息，都是不可能完成的任務(wù)。 因此， 需要對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的災(zāi)情上報(bào)信息進(jìn)行梳理， 并研究在破壞性地震發(fā)生后前幾個(gè)小時(shí)， 后方指揮部最關(guān)心 “信息孤島” 的哪些災(zāi)情信息， 以及哪些災(zāi)情信息對(duì)指揮抗震救災(zāi)或救援力量的調(diào)配能起到重要的參考作用， 以明確通過北斗短報(bào)文發(fā)送的關(guān)鍵災(zāi)情信息。

1.2 統(tǒng)一數(shù)據(jù)發(fā)送格式

因?yàn)楸倍沸l(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)發(fā)送短報(bào)文的字節(jié)長度和時(shí)間間隔都有嚴(yán)格要求， 因此， 為了安全地與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行連接， 以及在有限的字節(jié)數(shù)內(nèi)傳遞更多的信息， 需要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一編碼后再發(fā)送。

根據(jù)地震烈度表對(duì)災(zāi)情信息進(jìn)行編碼， 可以將震后復(fù)雜瑣碎的災(zāi)情進(jìn)行歸類整理并簡化為若干類， 每個(gè)類別都用簡單的數(shù)字表示， 為災(zāi)情信息的上報(bào)和傳輸帶來極大方便。 地震災(zāi)情信息編碼對(duì)應(yīng)表如表1：

表1 地震災(zāi)情信息編碼對(duì)應(yīng)表Table 1 Correspondence table of earthquake disaster information coding

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四川省地震局已建成基于2G/3G 和IP 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)條件下的地震災(zāi)情上報(bào)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)在蘆山地震抗震救災(zāi)中， 對(duì)于部分災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況的判斷起到了積極作用。 但在形成 “信息孤島” 后，該系統(tǒng)就失去了運(yùn)行的通信條件。 因此， 基于北斗衛(wèi)星通信的地震災(zāi)情信息上報(bào)系統(tǒng)是在地震災(zāi)區(qū)現(xiàn)場與指揮部之間無法進(jìn)行2G/3G 或IP 數(shù)據(jù)通信的前提下采用的備用應(yīng)急通信手段， 因此， 需在地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)預(yù)先配置必要的災(zāi)情上報(bào)終端， 以便于在破壞性地震發(fā)生并形成 “信息孤島” 后， 將災(zāi)情信息通過北斗衛(wèi)星信道實(shí)時(shí)發(fā)送到現(xiàn)場指揮部和后方指揮部。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture

2.1 系統(tǒng)功能

地震災(zāi)情信息通過北斗衛(wèi)星信道以短報(bào)文的形式建立起災(zāi)區(qū)現(xiàn)場與指揮部的雙向通信聯(lián)系，功能包括：

（1）現(xiàn)場災(zāi)情信息的采集： 災(zāi)情調(diào)查人員采用便攜式手持終端對(duì)建筑物倒塌、 人員傷亡等關(guān)鍵災(zāi)情信息進(jìn)行現(xiàn)場采集。

（2）現(xiàn)場災(zāi)情信息實(shí)時(shí)接收： 指揮部實(shí)時(shí)接收各個(gè)便攜終端發(fā)送的災(zāi)情信息， 并匯總統(tǒng)計(jì)。

（3）現(xiàn)場調(diào)查人員定位監(jiān)控： 指揮部實(shí)時(shí)接收現(xiàn)場調(diào)查人員發(fā)送的定位信息， 并可通過GIS技術(shù)在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示調(diào)查人員的移動(dòng)路徑和位置。

（4）災(zāi)情信息匯總分析： 根據(jù)災(zāi)情信息的編碼規(guī)范進(jìn)行信息解碼、 保存， 并匯總統(tǒng)計(jì)災(zāi)情結(jié)果。

（5）指揮部決策指令下達(dá)： 通過北斗衛(wèi)星信道的雙向通信功能， 指揮部可以短報(bào)文形式向現(xiàn)場調(diào)查人員下達(dá)最新決策指令。

2.2 系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)組成Fig.2 System components

系統(tǒng)由災(zāi)情現(xiàn)場采集系統(tǒng)、 分體式北斗終端和災(zāi)情數(shù)據(jù)處理中心三部分構(gòu)成， 如圖2。 其中，災(zāi)情現(xiàn)場采集系統(tǒng)為手持式智能終端， 主要任務(wù)是將采集到的災(zāi)情信息根據(jù)表1 “災(zāi)情信息編碼對(duì)應(yīng)表” 進(jìn)行編碼后， 編輯成短報(bào)文以無線藍(lán)牙或Wi-Fi 的方式發(fā)送給分體式北斗終端； 分體式北斗終端將接收到的短報(bào)文通過北斗衛(wèi)星信道發(fā)送給災(zāi)情數(shù)據(jù)處理中心； 災(zāi)情數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)對(duì)接收到的災(zāi)情信息進(jìn)行匯總處理， 并得出相應(yīng)的評(píng)估結(jié)果。

2.3 系統(tǒng)流程

以用戶名、 密碼方式通過本地認(rèn)證后， 采用表單的形式完成相應(yīng)關(guān)鍵災(zāi)情信息填寫； 然后，將要上報(bào)的災(zāi)情信息， 根據(jù)手持智能終端本地?cái)?shù)據(jù)庫中保存的災(zāi)情信息編碼對(duì)應(yīng)表進(jìn)行編碼， 并保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中。 編碼結(jié)果由分體式北斗終端編輯成一條或多條北斗短報(bào)文后， 經(jīng)北斗衛(wèi)星信道發(fā)送到位于后方指揮部的災(zāi)情數(shù)據(jù)處理中心。災(zāi)情數(shù)據(jù)處理中心將收到的短報(bào)文進(jìn)行身份認(rèn)證和解碼后， 進(jìn)行災(zāi)情信息的匯總和分析， 并可以向智能終端發(fā)送決策指令。

3 結(jié)論

目前， 災(zāi)情上報(bào)系統(tǒng)多采用基于2G/3G 和IP數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)條件下的數(shù)據(jù)傳輸。 2G/3G 和IP 數(shù)據(jù)通信具有接入方便， 數(shù)據(jù)速率快的優(yōu)點(diǎn)， 但均需接入地面基站， 在破壞性地震發(fā)生后， 地面基礎(chǔ)設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞甚至局部地區(qū)遭到毀滅性破壞時(shí)， 數(shù)據(jù)傳輸將不得不依賴于衛(wèi)星通信。

圖3 系統(tǒng)流程Fig.3 System data flow

當(dāng)前可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男l(wèi)星通信方式主要有VSAT、 BGAN 和 我 國 的 北 斗（GPS 只 具 有 定 位 功能， 不具備數(shù)據(jù)通信功能）。 北斗衛(wèi)星通信雖然相較于VSAT 和BGAN 較快的數(shù)據(jù)速率， 只能發(fā)送短報(bào)文， 但因其同時(shí)具有定位和短報(bào)文通信能力，且較前兩者在資費(fèi)和接入終端體積方面都具有較大優(yōu)勢， 因此， 在未來的地震應(yīng)急工作中， 北斗衛(wèi)星通信將發(fā)揮更大的作用。

總之， “北斗” 衛(wèi)星導(dǎo)航/通信系統(tǒng)安全性高、定位精度滿足一般民用需求、 且具備短報(bào)文通信能力， 為災(zāi)情信息采集和傳輸提供了有力的技術(shù)保障[6]。 在偏遠(yuǎn)貧困、 通信不通暢的山區(qū)， 尤其是在地震、 泥石流等地質(zhì)災(zāi)害形成 “信息孤島” 后進(jìn)行使用更具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

[1] 曲梓鐫. 四川歷史上的地震帶[J]. 文史雜志， 2008 (04)：106.

[2] 周靈， 楊文茵. 基于北斗系統(tǒng)的QoS 保障地理位置路由算法[J]. 計(jì)算機(jī)工程， 2012， 38（11）： 73-76.

[3] 范本堯， 李祖洪， 劉天雄. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在汶川地震中的應(yīng)用及建議[J]. 航天器工程， 2008， 17（4）： 6-12.

[4] 中國地震局. GB/T 18208.1-2006 地震現(xiàn)場工作第1 部分基本規(guī)定[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2006.

[5] 劉丹， 田銀枝. 基于北斗導(dǎo)航的 “天地一體化” 公安扁平化指揮系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2013（12）： 12-14.

[6] 魯長江， 李雪梅. 地震救援便攜式移動(dòng)終端的設(shè)計(jì). 四川地震[J]. 2011（01）： 38-42.