破壞性地震應(yīng)急通信需求與應(yīng)用初探

楊璐遙 宴金旭 葉肇恒 劉楊

破壞性地震是指發(fā)生地震級(jí)別較大，一般震級(jí)大于5級(jí)，造成一定的人員傷亡和建筑物破壞或造成重大的人員傷亡和建筑物破壞的地震災(zāi)害。破壞性地震會(huì)對(duì)地面通信帶來不同程度的影響，不同地震等級(jí)和烈度對(duì)應(yīng)急通信的需求也存在較大差別。破壞性地震對(duì)通信的影響主要有通信設(shè)備遭到破壞、震后通信信道堵塞、地震產(chǎn)生的電磁波可能嚴(yán)重影響無線通信信號(hào)等。這些現(xiàn)象都會(huì)造成災(zāi)區(qū)通訊中斷，嚴(yán)重影響救災(zāi)工作效率。因此，有針對(duì)性地應(yīng)用現(xiàn)代通信技術(shù)是震后快速恢復(fù)災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信鏈路，及時(shí)響應(yīng)應(yīng)急救援、有效互通災(zāi)情信息，避免“信息孤島”出現(xiàn)的重要前提。

1 破壞性地震中通信系統(tǒng)震害現(xiàn)象

在歷次破壞性地震中，通信系統(tǒng)的震害現(xiàn)象主要有：

1.1 通信設(shè)備遭到破壞

破壞性地震發(fā)生后對(duì)光纖、電話線和移動(dòng)通信基站的破壞，會(huì)導(dǎo)致無線和有線網(wǎng)絡(luò)無法連接，實(shí)時(shí)通信出現(xiàn)硬件性的障礙。即使敷設(shè)臨時(shí)光纜后搶通的通信服務(wù)，也相當(dāng)脆弱，一次余震就可能造成光纜的再次中斷。

1.2 .信道擁堵

破壞性地震發(fā)生后，話務(wù)量急劇增大，通信信息量猛增，常規(guī)的通信硬件難以滿足震時(shí)的通信需求，核心通信系統(tǒng)承載量瞬間超過承載量，引發(fā)信道擁堵。通信負(fù)荷過大會(huì)造成信號(hào)不穩(wěn)定、通話困難等，影響關(guān)鍵信息的傳遞，最終造成營救行動(dòng)的延遲或阻礙。

1.3 .電磁干擾

破壞性地震發(fā)生時(shí)，地球磁場引發(fā)震動(dòng)，地震本身及其余震可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波，發(fā)出的波段和某些信號(hào)的波段相近，會(huì)導(dǎo)致電磁信號(hào)受到干擾，嚴(yán)重影響無線通信信號(hào)，通信所傳遞的信息將會(huì)出現(xiàn)缺失或不完整。

圖1 通信設(shè)施破壞（蘆山地震）

因此，當(dāng)震后出現(xiàn)上述情況時(shí)，災(zāi)區(qū)與外界難以有效互通，災(zāi)情信息無法及時(shí)獲取，容易出現(xiàn)“信息孤島”，導(dǎo)致救援相對(duì)滯后、缺乏針對(duì)性等問題。此時(shí)，建立有效的應(yīng)急通信渠道，以便保障救災(zāi)工作所急需的信息得以及時(shí)傳遞，最大限度地減輕地震災(zāi)害所造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

2 不同破壞程度的受災(zāi)地區(qū)對(duì)應(yīng)急通信的技術(shù)需求

地震發(fā)生后，因受災(zāi)程度不同，不同地區(qū)對(duì)應(yīng)急通信的需求也有所不同。本文從以下兩個(gè)層級(jí)分析破壞性地震對(duì)災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信的需求：

2.1 地震烈度Ⅶ度及以下的通信需求

在破壞性地震中，地震烈度Ⅶ度及以下地震主要是指地震烈度Ⅴ-Ⅶ度地區(qū)。在烈度Ⅴ度地區(qū)，通信設(shè)施一般都不會(huì)遭到破壞，語音通信處于較為正常的狀態(tài)[1]，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)依然可以正常使用。但考慮到災(zāi)區(qū)人文地理環(huán)境的復(fù)雜性，在烈度為Ⅴ度的地區(qū)，也會(huì)因某些意外事件而出現(xiàn)局部的通信盲區(qū)[2] [3]。在烈度Ⅵ-Ⅶ度地區(qū)，破壞特征主要為房屋少數(shù)中等和/或輕微破壞，多數(shù)基本完好[4]。在通信方面，對(duì)地面通信設(shè)施會(huì)有一定程度的破壞。一般情況下，Ⅴ度地區(qū)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)仍可以正常使用。但是在Ⅵ-Ⅶ度地區(qū)，部分地面基站出現(xiàn)不同程度受損，可能會(huì)影響該地區(qū)地面通信業(yè)務(wù)的正常運(yùn)作；語音通信也受到影響，不能夠正常使用[5]。通信量的暴增擁堵信號(hào)通道，也是該烈度區(qū)常見的通信故障。

綜上所述，在地震烈度Ⅴ-Ⅶ度的地區(qū)，其應(yīng)急通信的主要需求是利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)搭建現(xiàn)場辦公環(huán)境，并結(jié)合移動(dòng)通信車實(shí)現(xiàn)與后方應(yīng)急指揮部的信道互通。

2.2 地震烈度Ⅷ度及以上地區(qū)的通信需求

地震烈度Ⅷ度地區(qū)房屋少數(shù)毀壞，少數(shù)嚴(yán)重破壞，多數(shù)中等和/或輕微破壞，Ⅸ及以上地區(qū)房屋多數(shù)嚴(yán)重破壞或/和毀壞[4]，人員傷亡多集中于此，是生命救援工作的重點(diǎn)地區(qū)。在通信方面，其破壞主要為對(duì)移動(dòng)基站的破壞、對(duì)陸地基站有線網(wǎng)絡(luò)的破壞、對(duì)交換設(shè)備的破壞、對(duì)數(shù)據(jù)中心的破壞、對(duì)供電系統(tǒng)的破壞等。通信設(shè)施的破壞程度巨大，且范圍很廣，會(huì)造成區(qū)域性的通信癱瘓，語音通信完全不能夠進(jìn)行[6]。

綜上所述，在地震烈度Ⅷ度及以上的地區(qū)，其應(yīng)急通信的主要需求是迅速構(gòu)建全新的通信方式和渠道，滿足抗震救災(zāi)工作的迫切需要。

3 破壞性地震現(xiàn)場應(yīng)急通信解決方案

破壞性地震現(xiàn)場應(yīng)急通信解決方案以四川省地震局現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行介紹。四川省地震局根據(jù)多次地震現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用與日常綜合演練，結(jié)合四川境內(nèi)特殊的地理、自然環(huán)境，建立了以衛(wèi)星通信系統(tǒng)為主體的地震現(xiàn)場應(yīng)急通信體系（見圖2）。其地震現(xiàn)場衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要包括：“靜中通”VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)、“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)、海事衛(wèi)星BGAN便攜終端、便攜式衛(wèi)星通信站、前方指揮子系統(tǒng)等。

該系統(tǒng)有主要有三種工作模式：一是省內(nèi)發(fā)生破壞性地震后，“動(dòng)中通”立即開赴地震現(xiàn)場，建立與國家抗震救災(zāi)指揮部.四川省抗震救災(zāi)指揮部三點(diǎn)之間的通信連接；二是省內(nèi)發(fā)生重大地震后，“動(dòng)中通”、“靜中通”均開赴地震現(xiàn)場，同時(shí)建立與四川省抗震救災(zāi)指揮部、國家抗震救災(zāi)指揮部四點(diǎn)之間的通信連接；三是省邊界發(fā)生地震，建立與鄰省抗震救災(zāi)指揮部、國家抗震救災(zāi)指揮部等多點(diǎn)之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)相互通信。

3.1 地震烈度Ⅶ度及以下的應(yīng)急通信解決方案

圖2 四川省地震局衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈接示意圖

圖3地震烈度VII度及以下地區(qū)應(yīng)急通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖

圖5地震烈度VII度及以下地區(qū)應(yīng)急通信視頻會(huì)議模式

地震烈度Ⅴ度通信環(huán)境受損普遍較輕，Ⅵ-Ⅶ度地區(qū)通信環(huán)境受損具有區(qū)域性特征?？傮w而言，地震烈度Ⅷ度以下區(qū)域地面網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）的信道一般較寬，可以較好地滿足震后突然暴增的通信需求。緊迫性不強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸、語音業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)，可采取依托地面網(wǎng)絡(luò)的辦法來解決，衛(wèi)星通信一般作為備用手段[7]。具體可采取如下幾種應(yīng)急通信方案：

3.1.1 數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)

地震對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)或通信基站的破壞一般發(fā)生在高烈度區(qū)，地震烈度Ⅶ度及以下區(qū)域大部分地面網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一般正常。應(yīng)急通信應(yīng)采用衛(wèi)星傳輸信道、地面寬帶網(wǎng)絡(luò)(電信、網(wǎng)通等)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信等。該方式穩(wěn)定高效帶寬較寬，傳輸速率較高可滿足地震災(zāi)區(qū)海量信息的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

從汶川地震、蘆山地震的經(jīng)驗(yàn)表明，基于互聯(lián)網(wǎng)（移動(dòng)端）、地面寬帶網(wǎng)絡(luò)的通信方式能夠較好地滿足震后突然暴增的通信需求。業(yè)務(wù)流程參見圖3。

3.1.2 語音通信業(yè)務(wù)

地震烈度Ⅴ度及以下地區(qū)蜂窩移動(dòng)電話的地面基站基本正常，偶有中斷現(xiàn)象，或發(fā)生通信量劇增導(dǎo)致通信成功率低的情況；Ⅵ-Ⅶ度區(qū)蜂窩移動(dòng)通信基站受損具有區(qū)域性特征。汶川地震時(shí)在拓展信道方面的一種解決辦法是：棄用用戶量較大的移動(dòng)公司的信道，而啟用用戶量較小的“小靈通”（當(dāng)時(shí)使用）。因此，地震烈度Ⅶ度及以下區(qū)域主要以基于地面基站的蜂窩移動(dòng)電話通信(通用手機(jī))為主，海事衛(wèi)星電話、VSAT衛(wèi)星電話可在該區(qū)域作緊急備用，業(yè)務(wù)流程參見圖4。

3.1.3 視頻業(yè)務(wù)

地震烈度Ⅶ度及以下地區(qū)一般可依托地面寬帶網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為信道開展視頻會(huì)議業(yè)務(wù)，極端條件下使用VSAT衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)流程參見圖5。

3.2 地震烈度Ⅷ度及以上地區(qū)的應(yīng)急通信解決方案

地震烈度Ⅷ度及以上地區(qū)是救災(zāi)任務(wù)最緊迫的地區(qū)。該區(qū)域通信設(shè)施通常都有較大的損壞。由于蜂窩移動(dòng)電話連接帶寬的緣故，其不能很好地適應(yīng)震后突然暴增的通信需求，為保證救災(zāi)重要信息的傳輸，在地震烈度Ⅷ度及其以上區(qū)域應(yīng)采取衛(wèi)星通信方式全面支撐應(yīng)急通信主體業(yè)務(wù)的開展衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣、受地理環(huán)境制約小、通信距離遠(yuǎn)，是地面通信網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充。

具體可采取如下幾種應(yīng)急通信方案：

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)

圖6 應(yīng)急通信車動(dòng)中通

圖7 便攜式衛(wèi)星通信站

圖8 地震烈度Ⅷ度及以上地區(qū)應(yīng)急通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖

圖9地震烈度Ⅷ度及以上地區(qū)應(yīng)急通信視頻會(huì)議模式

VSAT衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸主要手段，在Ⅷ度以下區(qū)域可使用地面寬帶網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在Ⅷ度及其以上區(qū)域則需VSAT衛(wèi)星通信提供支持，業(yè)務(wù)流程參見圖8。汶川大地震中，“靜中通”VSAT衛(wèi)星應(yīng)急指揮車第一時(shí)間趕赴地震現(xiàn)場，順利完成了數(shù)據(jù)多媒體資料回傳、視頻實(shí)時(shí)傳輸、應(yīng)急工作指揮調(diào)度等應(yīng)急通信任務(wù)。其雖然在汶川地震應(yīng)急救援中發(fā)揮了重要作用，但也暴露出了一些問題和不足，如機(jī)動(dòng)性不足，對(duì)環(huán)境要求較高，因此通信系統(tǒng)亟待整合、改造和擴(kuò)建。在汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建項(xiàng)目“接收處理中心和信息節(jié)點(diǎn)升級(jí)改造”中針對(duì)原有地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，提出了地震現(xiàn)場信息節(jié)點(diǎn)升級(jí)改造方案。其中，“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)（圖6）和便攜式衛(wèi)星通信站（圖7）作為原有地震應(yīng)急衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充和延伸，其功能更加強(qiáng)大，與原有應(yīng)急衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，并在以后的蘆山7.0級(jí)、康定6.3級(jí)、九寨溝7.0級(jí)地震中發(fā)揮了重要作用。

3.2.2 音視頻業(yè)務(wù)

地震烈度Ⅷ度及其以上地區(qū)蜂窩移動(dòng)基站大比例損壞，語音通信涵蓋地震所有災(zāi)區(qū)，在該區(qū)域應(yīng)以海事衛(wèi)星電話、VSAT衛(wèi)星電話為主；視頻業(yè)務(wù)方式以VSAT衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為主要，業(yè)務(wù)流程參見圖9。

3.2.3 其他業(yè)務(wù)

破壞性地震發(fā)生后，地震烈度Ⅷ度及其以上的高烈度區(qū)會(huì)出現(xiàn)通信基站破壞嚴(yán)重，有線、無線通信全部中斷的情況，此時(shí)，除通信衛(wèi)星以外，還應(yīng)重視北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在地震現(xiàn)場應(yīng)急通信中的應(yīng)用。我國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)除了有導(dǎo)航、定位、授時(shí)功能，也兼具位置報(bào)告和短信服務(wù)功能。在汶川大地震應(yīng)急救援中，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)揮了巨大的作用，即充分利用北斗特有短報(bào)文功能第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)了地震災(zāi)區(qū)一線和指揮部信息互通，在指揮決策、搜救等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)語

綜上所述，破壞性地震發(fā)生后，由于地理位置、地貌特征、人文環(huán)境等的不同，不同烈度區(qū)通信的破壞程度也不同，為保證震后災(zāi)區(qū)內(nèi)部之間、災(zāi)區(qū)與外部之間實(shí)現(xiàn)有效互聯(lián)互通，認(rèn)真分析不同烈度區(qū)對(duì)現(xiàn)代應(yīng)急通信技術(shù)的需求，有效結(jié)合地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)的優(yōu)勢，有針對(duì)性地從數(shù)據(jù)傳輸、語音、視頻、信息等方面進(jìn)行具體應(yīng)用，能有效提高地震現(xiàn)場應(yīng)急通信工作效率。但目前，移動(dòng)通信網(wǎng)、地面網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)等缺乏同一平臺(tái)互聯(lián)，視頻數(shù)據(jù)等尚未實(shí)現(xiàn)共享，因此，在今后的工作中，應(yīng)考慮采用融合通信技術(shù)，融合地面通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、北斗通信等多通信手段，實(shí)現(xiàn)多通信平臺(tái)與獨(dú)立平臺(tái)相互融合，以保障破壞性地震發(fā)生后，能及時(shí)進(jìn)行緊急通信，互通信息，準(zhǔn)確研判災(zāi)情，實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)急救援。