地震現(xiàn)場物聯(lián)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賴俊彥

地震現(xiàn)場物聯(lián)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賴俊彥

賴俊彥，中國地震應(yīng)急搜救中心高級(jí)工程師，國家地震現(xiàn)場應(yīng)急工作隊(duì)隊(duì)員，國家地震災(zāi)害緊急救援隊(duì)隊(duì)員，聯(lián)合國災(zāi)害評(píng)估與協(xié)調(diào)（UNDAC）隊(duì)隊(duì)員，2010-2011年作為訪問學(xué)者在日本京都大學(xué)防災(zāi)研究所開展研究工作。近年來先后主持多項(xiàng)城市地震對(duì)策研究專題，先后承擔(dān)科技部多個(gè)課題的示范應(yīng)用工作，包括國家科技支撐計(jì)劃“基于衛(wèi)星定位的野外應(yīng)急救援終端和救援信息服務(wù)平臺(tái)研發(fā)”課題、國家863計(jì)劃“廢墟搜索與輔助救援機(jī)器人研制”課題、“高性能四足仿生機(jī)器人研發(fā)”課題、國家科技合作項(xiàng)目“中日地震減災(zāi)及其應(yīng)對(duì)技術(shù)合作研究”等，發(fā)表學(xué)術(shù)論文15篇。

引言

近年來地震災(zāi)害頻發(fā)，汶川、玉樹、蘆山、岷縣、漳縣等大量地震應(yīng)急救援實(shí)例表明，重大及特別重大地震災(zāi)害的處置，實(shí)際上是動(dòng)員組織全社會(huì)力量應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害的戰(zhàn)斗。地震現(xiàn)場的應(yīng)急救援工作通常表現(xiàn)出緊迫性、時(shí)限性和協(xié)同性，要求在地震發(fā)生后最短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)、由多個(gè)部門協(xié)同、在有限的時(shí)間內(nèi)完成，這種特殊性使信息共享成為地震現(xiàn)場協(xié)同的基礎(chǔ)，這就要求構(gòu)建一套協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，為全國各地趕赴災(zāi)區(qū)參加抗震救災(zāi)的隊(duì)伍提供快速互聯(lián)互通的手段，實(shí)現(xiàn)信息的高效共享、指令快速傳遞和資源合理調(diào)配。

目前，隨著通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，地震現(xiàn)場的指令傳遞和情況回傳已基本實(shí)現(xiàn)，但受通信工具、信道資源、網(wǎng)絡(luò)覆蓋的限制，現(xiàn)場的信息共享主要通過電話、短信和文件拷貝等方式，存在格式不統(tǒng)一、共享不及時(shí)、操作復(fù)雜等問題，協(xié)同效率不高。利用物聯(lián)技術(shù)在地震現(xiàn)場快速構(gòu)建協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)范圍內(nèi)不同協(xié)同主體間的互聯(lián)互通互操作，能夠大大提高現(xiàn)場應(yīng)急救援信息共享的效率，為地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮決策提供更有力支撐。

地震現(xiàn)場協(xié)同現(xiàn)狀

地震現(xiàn)場協(xié)同主要分為兩大領(lǐng)域，一是現(xiàn)場應(yīng)急領(lǐng)域，包括在破壞性地震現(xiàn)場為提供搶險(xiǎn)救災(zāi)和恢復(fù)重建所需的技術(shù)性資料而緊急開展的一系列工作，這一領(lǐng)域的協(xié)同歷經(jīng)了包括“九五”“十五”建設(shè)的多年發(fā)展，在標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)方面取得了長足進(jìn)展；二是現(xiàn)場救援領(lǐng)域，包括在地震現(xiàn)場為搶救生命財(cái)產(chǎn)、防止災(zāi)害蔓延的一系列緊急行動(dòng)。汶川地震后，救援行動(dòng)的協(xié)同也逐漸引起重視。

1.地震現(xiàn)場應(yīng)急協(xié)同現(xiàn)狀

地震現(xiàn)場應(yīng)急工作主要包括震情趨勢判斷、地震監(jiān)測、地震烈度評(píng)估、災(zāi)害損失調(diào)查等業(yè)務(wù)，這些工作具有時(shí)效性強(qiáng)、協(xié)調(diào)性強(qiáng)、專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)含量高和社會(huì)化要求高的特點(diǎn)，要求工作人員要在震后很短的時(shí)間、按照統(tǒng)一的技術(shù)程序、精細(xì)化分工、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、協(xié)同開展工作，全面、準(zhǔn)確、科學(xué)、規(guī)范地完成各項(xiàng)工作任務(wù)。

為促進(jìn)地震現(xiàn)場應(yīng)急協(xié)同，中國地震局先后頒布了一系列現(xiàn)場工作標(biāo)準(zhǔn)（圖1），并建立了地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮系統(tǒng)，包含：現(xiàn)場災(zāi)情獲取及傳輸子系統(tǒng)，現(xiàn)場調(diào)查、烈度評(píng)估和科學(xué)考察子系統(tǒng)，地震現(xiàn)場建筑物安全鑒定子系統(tǒng)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、GIS地理信息處理子系統(tǒng)、后方指揮部現(xiàn)場動(dòng)態(tài)跟蹤管理系統(tǒng)、應(yīng)急衛(wèi)星網(wǎng)管中心等，已有研究者從專業(yè)系統(tǒng)角度圍繞地震現(xiàn)場應(yīng)急系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建開展了深入論證。

在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范下和各子系統(tǒng)的支持下，地震現(xiàn)場應(yīng)急工作人員將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并通過GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)、海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)或PSTN、ISDN等有線通信系統(tǒng)上傳到地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮部，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查、烈度評(píng)估和科考數(shù)據(jù)的記錄，對(duì)現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)的分類、統(tǒng)計(jì)分析和圖形顯示，并實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)、人員調(diào)度、現(xiàn)場與后方的信息共享等功能。

2.地震現(xiàn)場救援協(xié)同現(xiàn)狀

近幾年，特別是汶川地震和玉樹地震后，我國地震專業(yè)救援隊(duì)伍不斷壯大，各行業(yè)建立了專業(yè)救援隊(duì)伍，各地也紛紛建立綜合救援隊(duì)伍和緊急救援志愿者隊(duì)伍。這些隊(duì)伍在隊(duì)伍能力、人員組成、裝備配置等方面存在差異。因此，在地震災(zāi)害現(xiàn)場，需要在統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下協(xié)調(diào)一致地實(shí)施救援。根據(jù)我國現(xiàn)行的地震災(zāi)害響應(yīng)與處置以“屬地為主”的原則，救援隊(duì)伍在抵達(dá)災(zāi)區(qū)后，其開展的救援行動(dòng)接受災(zāi)區(qū)地方抗震救災(zāi)指揮部的領(lǐng)導(dǎo)和指揮，包括向地方指揮部領(lǐng)受任務(wù)并匯報(bào)進(jìn)展。然而，汶川地震等幾次地震現(xiàn)場救援行動(dòng)反映出現(xiàn)場救援協(xié)同缺乏必要的技術(shù)手段支持，隊(duì)伍之間、隊(duì)伍與地方抗震救災(zāi)指揮部之間的溝通主要通過打電話、發(fā)短信等方式，信息共享范圍有限，協(xié)同效率比較低下。

圖2 基于現(xiàn)場通信系統(tǒng)的地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮系統(tǒng)

國際上，為促進(jìn)不同救援隊(duì)伍之間的信息交流，聯(lián)合國駐日內(nèi)瓦辦事處下屬的現(xiàn)場協(xié)調(diào)支持部（Field Coordination Support Section，簡稱FCSS）開設(shè)了基于B/S架構(gòu)的網(wǎng)上現(xiàn)場行動(dòng)協(xié)調(diào)中心（Virtual On-Site Operation Coordination Center，簡稱VO），每次國際救援行動(dòng)開設(shè)一項(xiàng)專題，在專題下劃分災(zāi)情與救災(zāi)需求、響應(yīng)與協(xié)調(diào)、通關(guān)與運(yùn)輸、救災(zāi)隊(duì)伍、救災(zāi)物資、地圖與遙感影像、聯(lián)系方式、次生災(zāi)害與環(huán)境影響評(píng)估等模塊，提供表單填寫、圖件上傳、文字評(píng)論、時(shí)效性顯示等功能。在我國，“十一五”國家地震社會(huì)服務(wù)工程制定了《救援隊(duì)伍聯(lián)動(dòng)規(guī)范》，建設(shè)“國內(nèi)救援隊(duì)伍聯(lián)動(dòng)服務(wù)平臺(tái)”，在國內(nèi)地震現(xiàn)場救援行動(dòng)中提供類似的信息共享功能。

地震現(xiàn)場物聯(lián)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，互聯(lián)網(wǎng)得以由人與人的溝通連接擴(kuò)展到人與物、物與物之間的信息交互，一個(gè)全球的、開放的泛在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正在形成。在地震行業(yè)，Zigbee、RFID等物聯(lián)技術(shù)正在得到逐步應(yīng)用并取得初步效果?；谖锫?lián)技術(shù)構(gòu)建地震現(xiàn)場協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，將推動(dòng)地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)及各專業(yè)系統(tǒng)功能向下延伸，推動(dòng)參與地震現(xiàn)場應(yīng)急救援的組織、人員乃至設(shè)備開展深度協(xié)同，由基于通信網(wǎng)絡(luò)的人工協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向基于物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)協(xié)同。

地震現(xiàn)場物聯(lián)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)可以分為震害與處置感知層、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、專有網(wǎng)絡(luò)層和專業(yè)應(yīng)用層（圖3）。一般來講，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)通過震害處置感知層中的各種傳感器和終端來進(jìn)行信息采集，依托衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等地震應(yīng)急指揮的專有網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行信息傳遞，最后由專業(yè)應(yīng)用層對(duì)各類信息進(jìn)行調(diào)用、分析和整合。然而，大震巨災(zāi)的地震現(xiàn)場，隨著各類應(yīng)急救援力量的不斷投入，傳感器和終端的種類將不斷增加，其數(shù)量也會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用產(chǎn)生幾何式增長，如果將這些傳感器設(shè)備直接接入現(xiàn)有的專有網(wǎng)絡(luò)層，勢必會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成巨大的資源壓力。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)傳感設(shè)備的獨(dú)立接入增加的軟硬件也是對(duì)現(xiàn)有資源的浪費(fèi)。因此，需要物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)震害處置感知層的數(shù)據(jù)匯聚，并屏蔽震害處置感知層與專有網(wǎng)絡(luò)層之間的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信的細(xì)節(jié)。

1.專業(yè)應(yīng)用層

圖3 地震現(xiàn)場物聯(lián)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

專業(yè)應(yīng)用層是地震物聯(lián)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)集中產(chǎn)出信息成果的一層，應(yīng)充分利用已建成的地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)、各專業(yè)子系統(tǒng)以及國內(nèi)救援隊(duì)伍聯(lián)動(dòng)平臺(tái)，提供支持地震現(xiàn)場應(yīng)急救援指揮決策的專業(yè)功能，包括烈度評(píng)定、災(zāi)害損失調(diào)查、震情趨勢判定、建筑物安全鑒定、救援隊(duì)伍聯(lián)動(dòng)等。專業(yè)應(yīng)用層從應(yīng)用集成的角度，提出共享信息的標(biāo)準(zhǔn)化分類、編碼、交換格式、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)字典及數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面的要求，黃宏生等對(duì)上述問題進(jìn)行了研究，將涉及地震現(xiàn)場應(yīng)急協(xié)同的共享信息劃分為兩類：其一，日常工作中準(zhǔn)備好并用于地震現(xiàn)場的信息，包括基礎(chǔ)地理信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)、地震基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、災(zāi)害影響背景、救災(zāi)資源及其通信聯(lián)絡(luò)、地震應(yīng)急預(yù)案與法規(guī)等6類數(shù)據(jù)；其二，地震現(xiàn)場工作開展過程中產(chǎn)生的即時(shí)共享數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場流動(dòng)觀測、震情分析、災(zāi)情及災(zāi)害損失評(píng)估及科學(xué)考察、建筑物安全鑒定、應(yīng)急與救災(zāi)行動(dòng)、地震現(xiàn)場工作報(bào)告、地震現(xiàn)場音視頻和圖像、現(xiàn)場指揮記錄等8類數(shù)據(jù)。

2.專有網(wǎng)絡(luò)層

歷經(jīng)“九五”“十五”建設(shè)，目前在地震現(xiàn)場應(yīng)用的無線通信方式主要有以下八種：

1）戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星通信（烽火衛(wèi)星、海事衛(wèi)星）：不受地形限制，使用方便，適用于機(jī)動(dòng)通信；傳輸速率較低，使用受衛(wèi)星資源限制。

2）VSAT衛(wèi)星通信：傳輸速率高, 不受地形限制；設(shè)備體積較大，不適用于分隊(duì)的機(jī)動(dòng)通信，通常由應(yīng)急通信指揮車搭載。

3）無線廣域網(wǎng)：我國目前的移動(dòng)基站已基本覆蓋人口稠密地區(qū), 提供了方便、快捷通信方式。但汶川地震中，出現(xiàn)了移動(dòng)通信基站大量退服、通話量擁塞等現(xiàn)象。

4）短波通信：傳輸距離遠(yuǎn), 不受地形限制, 使用方便；傳輸速率低，功耗大。

5）超短波通信：受地形限制小，使用方便，適用于機(jī)動(dòng)通信；傳輸距離有限，傳輸速率較低。

6）微波通信：傳輸速率高，功耗低；受地形影響大，不適用于機(jī)動(dòng)通信。

7）散射通信：傳輸距離遠(yuǎn)，方向性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)；設(shè)備體積大，不適用區(qū)域移動(dòng)通信。

8）無線對(duì)講系統(tǒng)：使用方便，特別適合小區(qū)域、無基站移動(dòng)通信；但通信距離有限。

3.震害處置感知層

震害處置感知層主要功能是采集地震、災(zāi)情、處置等信息，其設(shè)備可分為兩類，一類是監(jiān)測設(shè)備，按照設(shè)定時(shí)間間隔、通過傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，如基于ZigBee的新型前兆無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)；第二類是搭載了網(wǎng)絡(luò)攝像頭、GPS等傳感設(shè)備的智能終端和智能裝備，如智能手機(jī)、災(zāi)情偵察無人機(jī)等，搭載專業(yè)信息采集處理模塊，向協(xié)同網(wǎng)絡(luò)上傳符合專業(yè)應(yīng)用要求的共享數(shù)據(jù)，如在2014年5月30日云南盈江地震現(xiàn)場，集成了網(wǎng)絡(luò)攝像頭、GPS等傳感設(shè)備的野外智能終端平臺(tái)在現(xiàn)場烈度評(píng)估和災(zāi)害調(diào)查工作中得到成功應(yīng)用。隨著物聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來地震現(xiàn)場的感知設(shè)備將出現(xiàn)幾何式增長。

4.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要功能包括以下幾個(gè)方面：首先是接入能力，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，一端接入到傳感網(wǎng)中，另一端有選擇的以多種方式接入到互聯(lián)網(wǎng)等公共網(wǎng)絡(luò)中；其次是協(xié)議轉(zhuǎn)換，這是網(wǎng)關(guān)最基本的功能，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換，能夠有效快速的通過有線無線等方式傳送到公共網(wǎng)絡(luò)中；最后是一定的管理控制功能和安全性，作為物聯(lián)網(wǎng)信息獲取的入口，提供對(duì)傳感網(wǎng)的管理接口的同時(shí)對(duì)接入用戶進(jìn)行有效控制。

1）網(wǎng)關(guān)硬件：綜合考慮多種接入方式的硬件模塊、體積、成本、特定應(yīng)用設(shè)計(jì)。其中接入方式有短距離通信方式，ZigBee、RFID、藍(lán)牙、WiFi等，接入互聯(lián)網(wǎng)方式有以太網(wǎng)、3G、GPRS、衛(wèi)星通信網(wǎng)等，未來可根據(jù)需要擴(kuò)展添加NFC、4G等。以上接入模塊可靈活選擇搭配，以減少網(wǎng)關(guān)體積。而針對(duì)應(yīng)用需要，同時(shí)還能選擇性地添加觸摸屏等設(shè)備，方便演示、配置控制或其他用途。

2）網(wǎng)關(guān)軟件：網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有廣泛的接入能力，并提供對(duì)傳感器和終端的可管理性的支持，網(wǎng)關(guān)軟件提供傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)通信的接口，而且它需要為身份認(rèn)證、實(shí)時(shí)消息查看、信息采集提供支持：

（1）消息通信，是整個(gè)系統(tǒng)通信的橋梁和樞紐。它要通過WiFi與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)相連接，獲取傳感網(wǎng)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)信息，是身份認(rèn)證、信息查看的基礎(chǔ)。

（2）身份認(rèn)證，從硬件資源配置上看，網(wǎng)關(guān)優(yōu)于傳感節(jié)點(diǎn)而劣于平臺(tái)設(shè)備，因此選擇快速簡單的動(dòng)態(tài)身份認(rèn)證技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)設(shè)備的快速接入。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，平臺(tái)設(shè)備通過WiFi、3G、衛(wèi)星通信等接入網(wǎng)絡(luò)采集信息，由于受到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的分布、存儲(chǔ)能力和存儲(chǔ)信息量、網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)延等因素影響，需要合理設(shè)定網(wǎng)關(guān)之間信息的協(xié)商和緩存策略，以實(shí)現(xiàn)高效便捷的信息采集和方便的實(shí)時(shí)查看。

圖4 基于移動(dòng)智能終端的現(xiàn)場信息采集模式

（4）現(xiàn)場信息采集，在廣域網(wǎng)遭到地震摧毀或遭遇網(wǎng)絡(luò)堵塞情況下，智能移動(dòng)終端通過WiFi直連技術(shù)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備和文件傳輸服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)高效便捷的現(xiàn)場信息采集（圖4）。

結(jié)語

利用物聯(lián)技術(shù)在地震現(xiàn)場構(gòu)建的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，具有快速、多主體互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)。降低地震現(xiàn)場應(yīng)急救援協(xié)同的復(fù)雜性，提高現(xiàn)場應(yīng)急救援信息共享的效率，為地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮決策提供更有力支撐。

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提升和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，未來地震災(zāi)害的規(guī)模和復(fù)雜程度將進(jìn)一步升級(jí)。研究基于物聯(lián)技術(shù)的地震現(xiàn)場應(yīng)急救援協(xié)同模型、程序，開發(fā)基于物聯(lián)技術(shù)的地震現(xiàn)場應(yīng)急救援協(xié)同終端設(shè)備，將大大提高我國應(yīng)對(duì)重特大地震災(zāi)害的能力，有利于高效地調(diào)度和運(yùn)用一切可能的應(yīng)急救援力量，最大限度地減輕地震災(zāi)害造成的傷亡和損失。

2018年《城市與減災(zāi)》雜志征訂單

本文由地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目XH13030Y資助