地震應(yīng)急通信“最后一公里”問題的解決方案設(shè)計*

婁世平 賈榮光 楊玉永 劉瑞峰 董 翔 徐秀杰

地震應(yīng)急通信“最后一公里”問題的解決方案設(shè)計*

婁世平 賈榮光 楊玉永 劉瑞峰 董 翔 徐秀杰

以打通震后災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信“最后一公里”、消除通信盲區(qū)為目的，設(shè)計基于衛(wèi)星通信的地震現(xiàn)場應(yīng)急通信系統(tǒng)，集成多種通信手段，將通信能力向?yàn)?zāi)區(qū)縱深延伸，通過話音綜合調(diào)度系統(tǒng)對各種不同通信方式進(jìn)行融合，并根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況，分析各種手段的優(yōu)點(diǎn)和局限性，并探討下一步的升級改良方案。

地震應(yīng)急 通信 最后一公里

1 ．引言

大地震發(fā)生后，地面上的通信設(shè)施會遭到毀滅性破壞，而地震造成的道路損毀、電力中斷，又加大了通信設(shè)施搶修的難度。應(yīng)急通信保障是地震救援中的重要一環(huán)，主要任務(wù)是在震后第一時間建立地震現(xiàn)場與外界的通信聯(lián)絡(luò)，及時讓外界了解災(zāi)區(qū)的災(zāi)情和救援處置情況，同時連通前方和后方指揮部，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的圖像、話音和數(shù)據(jù)的傳輸，保障指揮長對災(zāi)害救援現(xiàn)場圖像和各類信息的實(shí)時掌控，為領(lǐng)導(dǎo)及時有效的指揮決策提供強(qiáng)有力的支持。在地震行業(yè)，從“九五”開始，經(jīng)過中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)、國家地震社會服務(wù)工程等項(xiàng)目的實(shí)施，目前大多數(shù)省級地震局已配備現(xiàn)場應(yīng)急通信車，部分有條件的市級地震局也在進(jìn)行建設(shè)。應(yīng)急通信車擔(dān)負(fù)著地震現(xiàn)場通信樞紐和指揮樞紐的重任，但應(yīng)急通信車一般載重大，通過性較差，尤其在地震之后道路遭到破壞的情況下，更是難以深入到災(zāi)區(qū)第一線，在地震現(xiàn)場，如何將通信能力向縱深延伸，打通應(yīng)急通信的“最后一公里”，建立能夠覆蓋地震現(xiàn)場各個救援處置點(diǎn)的通信能力，使指揮調(diào)度命令能夠下達(dá)到每一個救援處置小組，保證救援工作協(xié)同有序開展，同時也為因通信基礎(chǔ)設(shè)施毀壞而陷入“通信孤島”的人員提供通信服務(wù)，是地震現(xiàn)場應(yīng)急通信保障的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。

“十五”期間，山東省地震局建設(shè)完成了地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，但該系統(tǒng)存在集成度不高、通信手段單一、對現(xiàn)場工作的綜合保障能力欠缺等方面的問題，為更好的服務(wù)于山東省的防震減災(zāi)工作，“十二五”期間，作為山東省防震減災(zāi)“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目的一部分，山東省地震局建設(shè)完成了山東地震現(xiàn)場移動指揮平臺，指揮平臺采用北方奔馳二類載貨汽車底盤進(jìn)行改裝，會議區(qū)采用雙向側(cè)拉方艙，空間充足，配備多種通信手段，充分考慮惡劣條件下的通信需求。指揮平臺外觀如圖1所示。

該項(xiàng)目于2014年通過驗(yàn)收并投入使用，項(xiàng)目建成后，山東省地震現(xiàn)場應(yīng)急服務(wù)水平得到了提高，通信能力、綜合保障能力、現(xiàn)場產(chǎn)出能力以及車輛機(jī)動性等有了明顯提升。在解決應(yīng)急通信“最后一公里”問題方面，本項(xiàng)目做了積極有效的嘗試，綜合應(yīng)用了多種不同類型的通信手段，并將各種手段集成到統(tǒng)一的指揮調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通。本文重點(diǎn)介紹山東地震移動指揮平臺在解決“最后一公里”問題上的設(shè)計方案，并分析應(yīng)用情況，探討進(jìn)一步的改良方案。

圖1 山東地震現(xiàn)場移動指揮平臺外觀

2 ．通信系統(tǒng)總體設(shè)計

山東地震移動指揮平臺實(shí)現(xiàn)了省抗震救災(zāi)指揮部的核心功能前移，是多源災(zāi)情信息的現(xiàn)場綜合處理平臺、抗震救災(zāi)指揮部的移動支撐平臺和專家協(xié)同的前端集成點(diǎn)，通信能力是保障各項(xiàng)業(yè)務(wù)順利開展的基礎(chǔ)，在通信系統(tǒng)的設(shè)計上，我們遵循了先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性和安全性相統(tǒng)一的原則，合理配置各種通信資源，確保在任何時間、任何地點(diǎn)、任何環(huán)境下通信不中斷。

VSAT（Very Small Aperture Terminal）衛(wèi)星通信系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的核心，采用德國諾達(dá)公司的SkyWAN衛(wèi)星系統(tǒng)，接入中國地震局應(yīng)急衛(wèi)星通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)和中國地震局中心站、其他省局衛(wèi)星站、山東省地震局衛(wèi)星固定站之間的互聯(lián)互通，同時，為確保震后衛(wèi)星通信暢通，在現(xiàn)有國家地震應(yīng)急衛(wèi)星通信平臺的基礎(chǔ)上，增配DVB-SCPC技術(shù)體制的通信設(shè)備，使整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了SkyWAN（日常模式和應(yīng)急模式）和DVB-SCPC（點(diǎn)對點(diǎn)）相結(jié)合的雙模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在地震應(yīng)急時，當(dāng)SkyWAN系統(tǒng)不能提供足夠的帶寬資源時，可根據(jù)需要切換至第二種體制的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，使用DVB-SCPC模式與省局指揮中心建立點(diǎn)對點(diǎn)衛(wèi)星信道。

指揮平臺還部署了海事衛(wèi)星、短波、超短波、3G/4G移動通信、北斗衛(wèi)星通信以及光纖通信等多種通信方式，其中，北斗系統(tǒng)的短報文功能是在最不利條件下的保底手段，可向省局指揮中心上報位置信息和收發(fā)短消息，在較不利條件下，則可使用海事衛(wèi)星電話與外界公網(wǎng)取得聯(lián)系，或者用短波通信進(jìn)行專網(wǎng)的話音對講。

3 ．應(yīng)急通信“最后一公里”解決方案設(shè)計

解決應(yīng)急通信“最后一公里”問題的關(guān)鍵是通信設(shè)備的小型化，在車輛無法通行的地區(qū)，可由人員攜帶前行，或者搭載在無人機(jī)、飛艇等浮空平臺上，提供通信服務(wù)。打通應(yīng)急通信的“最后一公里”，并不意味著要提供和震前同樣的通信服務(wù)水平，在通信斷絕的“孤島”上，即使能夠向外界傳送一條文字信息，其價值也是非常高的。我們的設(shè)計目標(biāo)是消除通信盲區(qū)、恢復(fù)通信能力，根據(jù)不同情況，綜合采用微波、超短波、便攜衛(wèi)星、海事衛(wèi)星以及有線光纖等手段，使不具備通信能力的地點(diǎn)恢復(fù)通信聯(lián)絡(luò)，建立語音、視頻、數(shù)據(jù)等雙向或單向通道。

3.1 微波高清圖像傳輸

3.2 無線網(wǎng)橋

指揮平臺配備5臺思科無線網(wǎng)橋，與路由器、交換機(jī)同一品牌，形成統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)，支持點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的配置，11 Mbps情況下通信最大跨度可達(dá)到32公里，聚合吞吐量不低于28 Mbps，802.11b最大發(fā)射功率為100毫瓦，802.11g最大發(fā)射功率為30毫瓦，支持天線分集，可在車頂安裝全向、扇形或高增益碟型天線，增大傳輸距離。

3.3 光端機(jī)

光纖傳輸具有頻帶寬、損耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，指揮平臺也具備光纖通信能力，車上搭載了兩部光端機(jī)，還有200米和1000米兩個光纖線纜盤，指揮平臺部署一部光端機(jī)，在車輛裙箱的接口中有4個光纖接口，其中有2個用于多業(yè)務(wù)光端機(jī)、1個用于1000米光纜、1個備用，另外一部光端機(jī)根據(jù)需要部署在車外，建立與指揮車的有線通信。

3.4 數(shù)字集群對講

2014年3 月—2017年1月間，采用回顧性、抽樣調(diào)查方法，選擇118例在重慶市開州區(qū)人民醫(yī)院診治的老年膝關(guān)節(jié)周圍骨腫瘤患者，納入標(biāo)準(zhǔn)：就診的初發(fā)未治膝關(guān)節(jié)周圍骨腫瘤患者；年齡≥60歲；膝關(guān)節(jié)周圍骨腫瘤診斷依據(jù)WHO標(biāo)準(zhǔn)；既往未曾治療；具有手術(shù)指征與化療指征；本研究得到了本院倫理委員會的批準(zhǔn)。排除標(biāo)準(zhǔn)：精神疾病患者；合并嚴(yán)重心肝腎異?；颊?；妊娠與哺乳期婦女。根據(jù)治療方法不同將其分為各59例患者的觀察組與對照組，統(tǒng)計學(xué)對比基礎(chǔ)資料，兩組患者間無差異。見表1。

數(shù)字集群技術(shù)具有調(diào)度功能、組呼功能和快速呼叫特性，應(yīng)急指揮平臺搭載數(shù)字集群基站，配置1個無線車載臺和若干手持臺，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場語音指揮調(diào)度和命令傳達(dá)，可建立覆蓋移動指揮平臺周圍5公里范圍的無線對講聯(lián)絡(luò)。

3.5 便攜衛(wèi)星系統(tǒng)

Thuraya（舒拉亞）衛(wèi)星系統(tǒng)是一個商業(yè)化的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合GSM和GPS，能夠?yàn)橐苿佑脩籼峁┌ㄕZ音、數(shù)據(jù)、傳真和短信的通信服務(wù)。為保證在公用通信網(wǎng)絡(luò)不能使用的情況下仍能使用手機(jī)等智能終端上報災(zāi)情信息，指揮平臺配備了兩套Thuraya IP+便攜衛(wèi)星系統(tǒng)，單套系統(tǒng)自重僅1.4公斤，可提供444 Kbps帶寬，震后由單人攜帶，配合安裝在智能終端上的災(zāi)情上報軟件回傳災(zāi)情調(diào)查、烈度劃界等數(shù)據(jù)。

3.6 海事衛(wèi)星電話

配置1套支持車載移動通信功能的BGAN海事衛(wèi)星終端，置于車頂部的天線具有實(shí)時追蹤衛(wèi)星信號位置的功能，可在車輛移動中提供持續(xù)的話音和數(shù)據(jù)服務(wù)，另外，還配備1套BGAN 500和1套BGAN 700便攜式海事衛(wèi)星終端，方便單人攜帶，可提供話音和寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)。

4 ．通信融合

圖2 話音綜合調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

指揮平臺具備多種不同類型的通信手段，為了綜合調(diào)度各種通信方式傳輸?shù)脑捯魳I(yè)務(wù)，打通指揮中心和前方救援處置第一線的話音通道，指揮平臺部署了話音綜合調(diào)度系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用IP軟交換通信技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，支持普通電話、短波電臺、超短波電臺、常規(guī)/集群對講電臺和數(shù)字集群電臺、3G/4G、海事衛(wèi)星電話等不同通信方式以及不同無線頻點(diǎn)的話音通信，通過端口對應(yīng)的固定開關(guān)完成不同端口之間的互聯(lián)互通，具備輪詢呼叫、組呼、動態(tài)會議、自動追呼等功能，通過一鍵式撥號建立不同通信系統(tǒng)間的聯(lián)系，如固定電話直接與無線電臺話音交互、對講機(jī)直接與海事衛(wèi)星電話話音交互等，實(shí)現(xiàn)了各種有線或無線話音業(yè)務(wù)互聯(lián)互通和統(tǒng)一調(diào)度。話音綜合調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

多種不同通信手段的融合，解決了某些通信方式通信距離短、只能在一定范圍內(nèi)使用、無法直接和遠(yuǎn)距離指揮中心聯(lián)系的缺點(diǎn)，部署了話音綜合調(diào)度系統(tǒng)以后，前方作業(yè)人員可通過數(shù)字集群手持臺等便攜設(shè)備直接與后方指揮長聯(lián)系，后方指揮長的指揮調(diào)度命令也可以直接傳達(dá)到前方第一線的作業(yè)人員，提高了溝通的效率，保證了各類信息及時準(zhǔn)確的上傳下達(dá)。

5 ．應(yīng)用情況分析

2014年4月，移動指揮平臺到達(dá)山東省地震局，開始驗(yàn)收前調(diào)試，2014年8月，調(diào)試階段結(jié)束，正式交付投入使用，投入使用以來，每月至少組織一次演練，對指揮平臺主要功能進(jìn)行檢查測試，參加過2014年在煙臺舉行的山東半島地震應(yīng)急救援綜合演練、2015年在濰坊舉行的山東省地震應(yīng)急救援綜合演練等大型演練活動，負(fù)責(zé)建立現(xiàn)場指揮部，保障現(xiàn)場通信和提供綜合辦公環(huán)境，能夠圓滿完成任務(wù)。該項(xiàng)目建設(shè)方案被河南省地震局、青海省地震局、濟(jì)南市地震局、青島市地震局、山東電力等多家單位借鑒。

解決應(yīng)急通信“最后一公里”問題的各種通信手段都有其獨(dú)特性，也有其局限性，在實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)不同的情況需求，采取最適合的通信手段，完成任務(wù)要求。

發(fā)生地震后，后方指揮中心需要獲得第一手的前方資料，高清微波圖傳可以將地震現(xiàn)場的清晰畫面和聲音實(shí)時傳送到移動指揮平臺，經(jīng)過混合矩陣切換，進(jìn)入視頻會議系統(tǒng)，經(jīng)由VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)建立的衛(wèi)星信道傳輸?shù)胶蠓街笓]中心，在公網(wǎng)通信基礎(chǔ)設(shè)施能提供服務(wù)的時候，也可通過3G/4G信道建立視頻會議，傳輸?shù)漠嬅尜|(zhì)量更高。高清微波圖傳可與指揮平臺進(jìn)行雙向話音交互，背負(fù)圖傳終端的前方作業(yè)人員可第一時間接收到指揮平臺的指揮調(diào)度命令，經(jīng)過話音綜合調(diào)度系統(tǒng)，也可直接與后方指揮中心建立話音聯(lián)絡(luò)，在指揮平臺參加的幾次大型演練中，都使用了微波圖傳進(jìn)行現(xiàn)場畫面的采集和傳輸。微波圖傳最大的問題是受傳輸路徑上障礙物的影響非常大，一般情況下只能在視距傳輸，為了解決這個問題，我們通過無人機(jī)搭載圖傳終端在高空進(jìn)行作業(yè)，在2016年的全國演練中，通過搭載在多旋翼無人機(jī)上的圖傳終端在高空拍攝現(xiàn)場畫面，并實(shí)時傳輸?shù)狡瑓^(qū)演練會場，取得了很好的效果。與此類似，無線網(wǎng)橋也易受中間障礙物影響，在使用時，我們采取了將指揮平臺的基站天線架高，盡量增大傳輸距離的做法，有一定的效果。

數(shù)字集群對講臺適合進(jìn)行現(xiàn)場指揮調(diào)度，是多車輛編組行進(jìn)過程中溝通聯(lián)絡(luò)的首選工具，但通信容量較小，實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)單一，手持臺之間可以直接進(jìn)行通信，也可通過基站中繼，后一種方式可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的通信覆蓋，在地震現(xiàn)場工作中，一般是將指揮平臺基站天線升起，采用基站中繼的方式進(jìn)行通信。

便攜衛(wèi)星系統(tǒng)和海事衛(wèi)星電話不依賴于指揮平臺的控制，可獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信。便攜衛(wèi)星系統(tǒng)的通信費(fèi)用較高，沒有包月套餐，按流量收費(fèi)，在實(shí)際工作中一般是配合中國地震局下發(fā)的災(zāi)情上報軟件使用，建立災(zāi)情調(diào)查和烈度劃界數(shù)據(jù)上報的衛(wèi)星通道。

6 ．下一步升級方案

在指揮平臺的使用過程中，各種通信手段相互配合，取長補(bǔ)短，經(jīng)過3年多的磨合，基本達(dá)到了最初的設(shè)計預(yù)期，較好保障了現(xiàn)場的各類需求，在應(yīng)用過程中，我們也著眼最新的科技成果，思考將更多合適的通信手段應(yīng)用于現(xiàn)場通信保障，實(shí)現(xiàn)消除通信盲區(qū)、開展多樣化業(yè)務(wù)的目標(biāo)。目前可供選擇的通信手段主要有以下幾種。

6.1 便攜短波電臺

短波通信受地面障礙物制約性小，設(shè)備成本低廉，具有較強(qiáng)的靈活性和抗打擊性，適合應(yīng)急通信中使用[2]。指揮平臺配備125W短波車載臺，在車輛無法到達(dá)的區(qū)域，可使用便攜短波電臺，由單人背負(fù)前行，便攜短波電臺與現(xiàn)有的微波圖傳、數(shù)字集群等手段相比，在繞射能力、傳輸距離方面具有比較明顯的優(yōu)勢，是解決“最后一公里”問題的一個可選手段，可直接與后方指揮中心通信，也可融合到指揮平臺的話音綜合調(diào)度系統(tǒng)，經(jīng)過中繼建立通信。

6.2 空中平臺通信中繼

利用空中平臺搭載通信基站，具有覆蓋范圍廣、通信容量高、傳輸損耗低、機(jī)動性能強(qiáng)等優(yōu)勢，可以快速滿足特殊地形的通信需求。系留多旋翼無人機(jī)采用系留供電的方式，由地面提供電力，可以實(shí)現(xiàn)不間斷的飛行，同時具備靈活控制、穩(wěn)定懸停的能力，是浮空器的首選?？罩衅脚_可以搭載自組網(wǎng)電臺、集群微型基站、LTE微型基站等多種通信載荷，形成多種靈活的通信應(yīng)用配置方式，從而在救災(zāi)現(xiàn)場快速搭建通信環(huán)境[3]。指揮平臺現(xiàn)已配備一架多旋翼無人機(jī)用于航拍，不過，該無人機(jī)平臺并非系留無人機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)不間斷的飛行。

6.3 Ad Hoc無線自組網(wǎng)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種多跳、無中心、自組織的無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，它不需要固定的網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)，具有靈活快速組網(wǎng)的特點(diǎn)，非常適合于震后建立應(yīng)急通信，可作為末端子網(wǎng)接入蜂窩無線網(wǎng)或者衛(wèi)星通信網(wǎng)，擴(kuò)展現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，也可以獨(dú)立構(gòu)建臨時局域網(wǎng)，為入網(wǎng)設(shè)備提供通信服務(wù)[4]。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的有中心網(wǎng)絡(luò)相比，構(gòu)建更為靈活，抗毀性更強(qiáng)，可以作為現(xiàn)場局域網(wǎng)組網(wǎng)的一個備用手段。

6.4 WiMax技術(shù)

WiMax是基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的無線城域網(wǎng)技術(shù)，其基本目標(biāo)是在城域范圍內(nèi)提供一種有效的互操作寬帶無線接入手段[5]，在地震現(xiàn)場搭建WiMax基站，可以保障現(xiàn)場WiMax終端之間的語音、數(shù)據(jù)、視頻的實(shí)時傳輸，同時，將WiMax基站與現(xiàn)場的衛(wèi)星系統(tǒng)連接，將有效擴(kuò)展現(xiàn)場衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，與指揮平臺現(xiàn)有的無線網(wǎng)橋設(shè)備相比，具有更高的靈活性。

7 ．結(jié)束語

山東省地震現(xiàn)場移動指揮平臺的定位是地震現(xiàn)場的指揮樞紐和通信集成點(diǎn)，其通信能力設(shè)計是建設(shè)中重點(diǎn)考慮的問題，要保證在任何條件下都能夠通信暢通，就需要足夠多的冗余資源設(shè)計，并不依賴于某一種通信手段，而是確保在某一類通信手段失效的情況下會有有效的備用手段。移動指揮平臺是通信能力向?yàn)?zāi)區(qū)縱深延伸的“根據(jù)地”，是后方指揮中心設(shè)在地震現(xiàn)場的“眼睛”，需要為后方領(lǐng)導(dǎo)和專家提供足夠詳盡、準(zhǔn)確和及時的現(xiàn)場信息，在通信能力設(shè)計上，重視解決“最后一公里”問題，單一的通信方式都具有一定的局限性，我們配備了多種不同類型的通信方式，盡量保證在最惡劣的情況下也具備一定的通信能力，消滅“通信孤島”。在應(yīng)用過程中，我們關(guān)注最新技術(shù)的發(fā)展，著眼于更高的要求，不斷思考新的技術(shù)手段，以更好更有效的服務(wù)于地震現(xiàn)場的通信保障。

作者單位：山東省地震局

[1] 趙恒,白仙富,張方浩等.破壞性地震的應(yīng)急通信需求與應(yīng)用初探[J].地震研究,2012,35(1):139-144

[2] 韓小明.基于短波通信技術(shù)的應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計研究[J].中國新通信,2016(16):11

[3] 郝昱文,李曉雪,趙喆等.突發(fā)公共事件天地一體化應(yīng)急通信技術(shù)綜述[J].信息技術(shù),2016(4):84-87

[4] 王海濤,吳連才,武媛媛.應(yīng)急通信保障中無線自組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].數(shù)據(jù)通信,2013(2):41-44

[5] 王海濤.WiMax技術(shù)分析及其在應(yīng)急通信中的應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界,2011(9):57-60

山東省地震局“地震應(yīng)急信息服務(wù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”資助項(xiàng)目；山東省地震局重點(diǎn)研發(fā)計劃“地震應(yīng)急救援要素管理和信息發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)”資助項(xiàng)目。