大尺度區(qū)域?yàn)?zāi)害應(yīng)急通信研究

孫金陽(yáng)

摘要：我國(guó)是世界上災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，不但災(zāi)害類型多、頻度高、強(qiáng)度大，災(zāi)后環(huán)境復(fù)雜惡劣，各類災(zāi)害事故對(duì)社會(huì)功能、城市秩序及環(huán)境與資源等方面造成了嚴(yán)重的破壞，對(duì)人民生活、生產(chǎn)、社會(huì)安定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面造成了不良影響。本文主要以大尺度區(qū)域?yàn)?zāi)害為研究背景，在面向大范圍自然災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信的數(shù)據(jù)需求和鏈路的高可靠性需求時(shí)，消防隊(duì)伍現(xiàn)行應(yīng)急通信體系內(nèi)公網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信模式，以及對(duì)實(shí)現(xiàn)寬帶自組網(wǎng)、公網(wǎng)、衛(wèi)星、集群對(duì)講和短波通信等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，語(yǔ)音、視頻、短信等多源數(shù)據(jù)的綜合調(diào)度，滿足自然災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)“看得見、呼得通、調(diào)得動(dòng)”的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求等進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：大尺度;應(yīng)急通信;融合系統(tǒng)

應(yīng)急通信貫穿災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援行動(dòng)的全過程，是救援行動(dòng)順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素之一。大尺度區(qū)域?yàn)?zāi)害發(fā)生后，例如：2010年4月14日玉樹地震;2019年3月30日涼山木里森林火災(zāi);2020年3月31日西昌瀘山森林火災(zāi)等，通常會(huì)導(dǎo)致公網(wǎng)癱瘓，造成災(zāi)害地點(diǎn)處于盲區(qū)，外界無法有計(jì)劃性的展開救援。隨著“十二五”“十三五”消防隊(duì)伍信息化規(guī)劃的全部實(shí)施以及“十四五”信息化的展開，我國(guó)消防隊(duì)伍已經(jīng)形成了一整套較為完善的應(yīng)急通信體系，初步形成空、天、地一體化多種裝備多維度的救援通信模式。但應(yīng)急通信形勢(shì)與方式上依舊存在較多問題需要解決，例如通信過程中靈活性低、自組網(wǎng)設(shè)備相對(duì)單一、衛(wèi)星信號(hào)受外界因素影響較大、新分配370兆頻點(diǎn)新建難度大、短波保底通信使用頻率低等問題普遍存在。

1 災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)通信保障情況分析

我國(guó)自然災(zāi)害主要以洪澇、臺(tái)風(fēng)、干旱、地震、泥石流、地質(zhì)災(zāi)害為主，森林草原火災(zāi)和風(fēng)雹、低溫冷凍、雪災(zāi)等災(zāi)害也有不同程度發(fā)生。消防隊(duì)伍在遂行任務(wù)時(shí)根據(jù)受災(zāi)情況不同，災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的通信會(huì)受到以下幾方面的影響。

1.1災(zāi)害易造成有線通信中斷

從1876年貝爾通過聲音振動(dòng)產(chǎn)生電流來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸開始，有線通信系統(tǒng)經(jīng)歷了一百多年的演變和拓展，早已從同軸電纜向雙絞線再到光纖通信的過度。目前有線通信以光纖通信為主，其容量大、傳輸距離遠(yuǎn);信號(hào)干擾小、保密性能好;傳輸數(shù)據(jù)速率高等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。有線通信應(yīng)用于部局指揮中心、各總隊(duì)指揮中心和支隊(duì)指揮中心之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時(shí)各級(jí)指揮中心可通過指揮調(diào)度系統(tǒng)來接處警，是召開視頻會(huì)議、下達(dá)命令、力量調(diào)派、日常辦公、消防監(jiān)督檢查等的重要方式。有線通信的信號(hào)沿通信介質(zhì)傳輸，因此遍布各地的電線、光纜等有線傳輸介質(zhì)，在發(fā)生地震、冰凍災(zāi)害、泥石流、洪澇災(zāi)害、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害時(shí)，極易被損壞，導(dǎo)致受災(zāi)區(qū)域通信不暢。例如2008年1月中國(guó)發(fā)生大范圍低溫、雨雪、冰凍等自然災(zāi)害，20個(gè)?。▍^(qū)、市）受災(zāi)，造成通信桿路共倒斷桿33萬根、通信線路共3.2萬公里受損。2008年汶川地震、2010年玉樹地震，震中所有公網(wǎng)基站處于癱瘓狀態(tài)，一時(shí)之間震中無任何通信設(shè)備可向外傳遞地震后造成損失的具體情況，給救援帶來了極大的困難。

1.2災(zāi)害易造成無線通信阻塞

無線通信中使用的3kHz-3000GHz的電磁波稱為無線電波，無線電波是電磁波的一部分。無線通信是指多個(gè)節(jié)點(diǎn)間不經(jīng)由導(dǎo)體或纜線傳播而是利用自由空間傳播的電磁波進(jìn)行的遠(yuǎn)距離傳輸通信，它包括甚低頻、低頻、中頻、高頻、甚高頻、特高頻、超高頻、極高頻、至高頻通信，也叫作長(zhǎng)波、中波、短波、超短波、微波通信。無線通信也是消防應(yīng)急通信的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

現(xiàn)階段我國(guó)商用最多的第四代移動(dòng)通信和逐步推廣的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)都屬于微波通信，使用蜂窩小區(qū)制基站建設(shè)，基站覆蓋范圍小。公用移動(dòng)通信基站是無線電臺(tái)站的一種形式，它是4G、5G的重要組成部分，是在一定的無線電覆蓋區(qū)中，通過移動(dòng)通信交換中心，與移動(dòng)電話終端之間進(jìn)行信息傳遞的無線電收發(fā)信電臺(tái)。目前為止，在消防通信系統(tǒng)中4G通信網(wǎng)絡(luò)是災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信使用最多的通信網(wǎng)絡(luò)之一。其中4G單兵圖傳、布控球、poc手持對(duì)講機(jī)、公網(wǎng)移動(dòng)電話等設(shè)備都需要通過基站交換信號(hào)。當(dāng)發(fā)生大尺度區(qū)域?yàn)?zāi)害事故后，災(zāi)區(qū)通信基站極易受損，且災(zāi)害造成電力系統(tǒng)故障后，通信基站只能依靠備用電源在短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。同時(shí)，災(zāi)害對(duì)通信基站造成的破壞往往是嚴(yán)重的，修復(fù)需要一定時(shí)間。而現(xiàn)階段在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)參加救援的應(yīng)急救援隊(duì)伍、地方政府、人民群眾所使用的通信裝備有很大一部分需要依靠通信基站進(jìn)行通信。因此通信基站受損會(huì)造成災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)通信不暢，阻礙救援行動(dòng)的展開。并且，數(shù)據(jù)上4G基站有支持用戶連接的上限，超過了最大連接數(shù)，終端將會(huì)接入失敗，信號(hào)極差甚至是不能入網(wǎng)。一部分基站失效，會(huì)使用戶鏈接集中到部分基站，這就會(huì)造成通信癱瘓，使外部失去受災(zāi)地區(qū)消息，給救援行動(dòng)帶來困難。

衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地球站之間的通信。衛(wèi)星通信是微波通信的繼承和發(fā)展，是微波通信向太空的延伸。應(yīng)急管理部消防救援局通過租用商用衛(wèi)星來完成音視頻和數(shù)據(jù)的傳輸，從最早的亞洲3s衛(wèi)星的 22 兆帶寬到亞洲7 號(hào)衛(wèi)星的32兆帶寬再到亞洲9號(hào)衛(wèi)星的54兆帶寬，經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展歷程。主要用于傳輸音視頻的衛(wèi)星通信裝備包含了動(dòng)中通衛(wèi)星通信指揮車、靜中通衛(wèi)星通信指揮車、衛(wèi)星便攜站和海事衛(wèi)星平板，用于傳輸音頻的包含了海事衛(wèi)星電話、銥星衛(wèi)星電話和天通衛(wèi)星電話等。衛(wèi)星通信設(shè)備具有通信距離遠(yuǎn)，且費(fèi)用與通信距離無關(guān);覆蓋面積大，便于多址連接;通信頻帶寬，傳輸容量大;通信線路穩(wěn)定可靠，通信質(zhì)量高;通信靈活等實(shí)際優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)生災(zāi)害后作為消防隊(duì)伍主要使用通信網(wǎng)絡(luò)并依托于圖像綜合管理平臺(tái)。與此同時(shí)，衛(wèi)星通信受到傳輸延遲大;10GHz以上頻帶受雨雪的影響;天線受太陽(yáng)噪聲的影響也給通信傳輸造成了很大困難。衛(wèi)星通信過程中衛(wèi)星天線必須始終精準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，這就在使用過程中提出了具體要求，在城市內(nèi)會(huì)經(jīng)常受到高樓大廈的遮擋;在地震、泥石流等災(zāi)害救援時(shí)，通信指揮車難以到達(dá)核心災(zāi)害地點(diǎn)，衛(wèi)星便攜站攜帶困難，使用過程中就會(huì)受到多種因素影響;在森林火災(zāi)中單兵衛(wèi)星通信設(shè)備往往會(huì)受到茂密的樹木遮擋導(dǎo)致對(duì)星失敗，最終無法將數(shù)據(jù)成功的進(jìn)行傳輸。

2 重大災(zāi)害空天地一體化應(yīng)急通信技術(shù)

重大地震時(shí)，災(zāi)區(qū)公網(wǎng)通信可能受限;臺(tái)風(fēng)等極端氣象災(zāi)害時(shí)，無人機(jī)等機(jī)載平臺(tái)難以升空;重大森林火災(zāi)及暴雨時(shí)，衛(wèi)星通信和定位信號(hào)衰減嚴(yán)重;重大洪水災(zāi)害和重大地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，地面單兵及車載通信可能部署困難。因此，為解決場(chǎng)景適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高的大尺度區(qū)域多體制融合應(yīng)急通信與組網(wǎng)已迫在眉睫。

2.1重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容

本文通過歸納總結(jié)列舉了四個(gè)方面的課題需要去突破，具體是：

（1）面向大范圍自然災(zāi)害快速救援的天空地敏捷協(xié)同應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

①面向組網(wǎng)及傳輸時(shí)延最小化的廣域立體異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成技術(shù)

②支持智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)切片的天空地節(jié)點(diǎn)功能分割與接口設(shè)計(jì)

③多參數(shù)復(fù)雜約束下的大范圍自組網(wǎng)覆蓋、能耗與抗毀性聯(lián)合優(yōu)化

④業(yè)務(wù)類型、通信體制、鏈路能力聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的天空地協(xié)同智能路由技術(shù)

⑤異體制通信節(jié)點(diǎn)間的高效鑒權(quán)認(rèn)證技術(shù)

（2）衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)智能異構(gòu)融合與信道資源自適應(yīng)分配技術(shù)

①衛(wèi)星、無人機(jī)與地面通信網(wǎng)絡(luò)的智能異構(gòu)融合技術(shù)

②空地節(jié)點(diǎn)無線自組織寬帶傳輸技術(shù)

③多體制融合通信中的無線資源自適應(yīng)分配與調(diào)度技術(shù)

④寬帶多媒體數(shù)字集群與公網(wǎng)話音業(yè)務(wù)融合技術(shù)

⑤立體智能融合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化體系設(shè)計(jì)

（3）災(zāi)害事故應(yīng)急預(yù)案和輔助決策數(shù)據(jù)庫(kù)

①災(zāi)害事故的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、事故還原與災(zāi)情分析

②基于救援事故大數(shù)據(jù)建立和現(xiàn)行滅火救援指揮系統(tǒng)對(duì)接

③應(yīng)用于多部門物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

（4）重大災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)融合及調(diào)度一體化技術(shù)、平臺(tái)系統(tǒng)與應(yīng)用示范

①基于應(yīng)急通信鏈路的重大自然災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)融合和實(shí)時(shí)指揮調(diào)度一體化技術(shù)及平臺(tái)

②應(yīng)急通信關(guān)鍵裝備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的測(cè)試規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程

③具備不少于三類重大自然災(zāi)害場(chǎng)景應(yīng)急救援演練和事故態(tài)勢(shì)發(fā)展推演

④裝備及平臺(tái)在國(guó)家綜合性消防救援隊(duì)伍的實(shí)戰(zhàn)和演練中的應(yīng)用示范

2.2融合系統(tǒng)功能研究

本文由于篇幅有限，僅對(duì)第四課題進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。

面向大范圍自然災(zāi)害的智能化指揮通信調(diào)度系統(tǒng)通過語(yǔ)音、視頻數(shù)據(jù)通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種語(yǔ)音通信終端（包括模擬電話、IP電話、手機(jī)、對(duì)講機(jī)等終端設(shè)備）在各級(jí)指揮中心本地以及跨級(jí)之間的互通以及與視頻系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，建立“看得到、呼得應(yīng)、調(diào)得動(dòng)”的通信調(diào)度服務(wù)，通過與融合通信調(diào)度系統(tǒng)的互聯(lián)，對(duì)各類語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)和活動(dòng)進(jìn)行通信指揮，實(shí)現(xiàn)相關(guān)指令下達(dá)、統(tǒng)一行動(dòng)、信息傳遞、情況收集等功能。

本文中的融合系統(tǒng)需滿足平戰(zhàn)結(jié)合的指揮調(diào)度、通信聯(lián)絡(luò)需求，除具備一般電話業(yè)務(wù)功能外，還能滿足處理突發(fā)事件所需的電話調(diào)度功能（如單呼、組呼、群呼、強(qiáng)插、強(qiáng)拆、電話會(huì)議等）;能在最短的時(shí)間內(nèi)，完成與相關(guān)人員的通訊，并保證能夠第一時(shí)間聯(lián)系上相關(guān)人員。具備同時(shí)處理多起突發(fā)事件的能力，能夠完成指揮中心的統(tǒng)一指揮調(diào)度。依托專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各種語(yǔ)音通信/視頻的融合和互聯(lián)互通。實(shí)現(xiàn)應(yīng)急值守室會(huì)議與擴(kuò)聲系統(tǒng)與指揮中心、視頻系統(tǒng)、市話、移動(dòng)通信、集群的數(shù)據(jù)傳輸和信息資源共享。

融合系統(tǒng)具備VOIP、GSM＼CDMA、4G、5G、數(shù)字＼模擬集群、常規(guī)對(duì)講、E1＼FXO＼FXS等通信，具有調(diào)度、交換和會(huì)議功能。調(diào)度員通過在調(diào)度臺(tái)席進(jìn)行單呼、組呼、廣播、會(huì)議，強(qiáng)插、強(qiáng)插、監(jiān)聽、保留、轉(zhuǎn)接等各種指揮調(diào)度操作，滿足應(yīng)急時(shí)全接口調(diào)度通信。融合系統(tǒng)需具備豐富、標(biāo)準(zhǔn)的接口，具有完善的組網(wǎng)能力，可實(shí)現(xiàn)與公網(wǎng)（PSTN/PLMN）、移動(dòng)通信網(wǎng)（GSM/CDMA/WCDMA）、專網(wǎng)（無線集群、短波/超短波、衛(wèi)星通信）、VOIP、內(nèi)網(wǎng)（PBX、IPPBX）的融合組網(wǎng)和各種通信終端之間的互聯(lián)互通。調(diào)度IP話機(jī)、座機(jī)、手機(jī)、移動(dòng)電話、集群對(duì)講設(shè)備等各種類型的終端，領(lǐng)導(dǎo)或應(yīng)急人員可遠(yuǎn)程通過手機(jī)、座機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)救援人員的指揮調(diào)度工作。

3 結(jié)語(yǔ)

面向大尺度重大自然災(zāi)害應(yīng)急通信迫切需求，需突破多體制智能融合傳輸組網(wǎng)、立體自組網(wǎng)、衛(wèi)星通信、寬帶多媒體集群、可接入公網(wǎng)、短波電臺(tái)等系列關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)面向語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)為載體的融合指揮調(diào)度平臺(tái)，打造體系化應(yīng)急通信能力，構(gòu)建空天地一體化的現(xiàn)場(chǎng)后方快速協(xié)同災(zāi)情綜合研判生成和實(shí)時(shí)指揮調(diào)度系統(tǒng)，具備多種重大自然災(zāi)害場(chǎng)景應(yīng)急救援演練和事故態(tài)勢(shì)發(fā)展推演能力，為重大自然災(zāi)害應(yīng)急救援通信裝備的現(xiàn)代化提供堅(jiān)實(shí)保障。