核電廠火災應急融合通訊系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

遲勇睿，羅 鵬，丁春龍，安 寧，陳軍勇，楊 嵐

（1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.陜西秦洲核與輻射安全技術有限公司，陜西 西安 710054）

1 概述

近年來，基于突發(fā)災情的應急指揮系統(tǒng)不斷迭代升級，其已廣泛應用于火災、電力、地震等應急工作中。張景強等[1]設計了一套集多項功能于一體的火災應急指揮平臺，可實現(xiàn)智能調(diào)度。陳琛等[2]提出一種電力應急綜合指揮系統(tǒng)，該系統(tǒng)由指揮通信、車載通信、視頻會議、衛(wèi)星定位等部分組成。鄧創(chuàng)[3]優(yōu)化設計了一套基于無線自組網(wǎng)的電力應急現(xiàn)場指揮通信系統(tǒng)。徐年等[4]提出以衛(wèi)星通信和3G 網(wǎng)絡為主的應急指揮車通信技術系統(tǒng)的設計方案。賈寧等[5]對應急通信指揮車改造和系統(tǒng)集成提出可行方案。楊鴻昌等[6]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電力應急救援智能通信系統(tǒng)的設計思路。馮海亮等[7]提出基于TD-LTE 數(shù)字集群的寬帶無線專網(wǎng)架構及其融入應急通訊指揮的可能性。

目前核電廠火災現(xiàn)場的通信主要采用對講機和固定電話方式實現(xiàn)。由于受煙霧、火、高溫、毒、輻射等多種惡劣因素的影響，核電廠火災現(xiàn)場的情況復雜多變，目前在火災與消防指揮車以及核電廠決策部門之間仍沒有完善的、具備多網(wǎng)融合的通信措施，核電廠現(xiàn)有通信手段和措施不能滿足火災應急指揮需求。

本文為核電廠設計和建立一套火災通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在消防指揮車上設置了一套通信平臺，火災發(fā)生時可快速建立火災單兵與消防指揮車之間的音頻和視頻通信，該平臺也為火災決策指引、火災應急指揮提供通信措施和保障，強化火災通信及響應能力。

2 核電廠火災應急指揮通信需求

核電廠火災應急現(xiàn)場處置是綜合性的業(yè)務，包括現(xiàn)場災情偵察、信息數(shù)據(jù)上報、指揮命令下達、現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控等一系列內(nèi)容。為處理核電廠突發(fā)事件中的應急指揮事件，統(tǒng)一指揮消防工作，聯(lián)合行動，融合通信平臺，將現(xiàn)場應急通信的需求歸納如下：①完善的接入能力?？山尤腚娫捪到y(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、會議音頻系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、無線對講系統(tǒng)、移動單兵終端等通訊子系統(tǒng)。②完善的級聯(lián)能力。系統(tǒng)各級可以接入不同的通訊自系統(tǒng)，將系統(tǒng)進行統(tǒng)一調(diào)度，并可以按照上下級權限靈活分配資源。③豐富的互通能力。各級擁有本級范圍內(nèi)的綜合調(diào)度能力，配備調(diào)度臺，可同時處理多路通話，對接入的其他通信子系統(tǒng)可進行靈活調(diào)度互通。調(diào)度臺與單兵終端進行緊密高效的工作匯報及任務下達?？伸`活調(diào)度已接入的音視頻終端，可將音視頻傳輸推送至其他系統(tǒng)。④靈活的網(wǎng)絡適應能力。系統(tǒng)可基于不同的網(wǎng)絡形式和架構，實現(xiàn)穩(wěn)定及時的通訊調(diào)度，包括有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、無線專網(wǎng)、自組網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)等，適應不同的網(wǎng)絡環(huán)境。⑤完善的安全配備及備份記錄能力。后臺自動錄音錄像與調(diào)度終端手動錄音錄像結合保證錄制數(shù)據(jù)完整性，全面留存系統(tǒng)所有成員的登錄登出記錄、通話記錄、短信記錄等，并提供磁盤報警功能，最大限度保證數(shù)據(jù)安全性。⑥足夠的性能指標。最大可提供100 終端注冊能力及最大50 通話并發(fā)能力，完全滿足日常及消防調(diào)度應用。⑦開放的對外接口能力。支持多平臺SDK 二次開發(fā)及webservice 基礎數(shù)據(jù)接口，擁有與第三方系統(tǒng)靈活對接融合的能力。

3 系統(tǒng)架構

3.1 整體架構

在標準智能融合通信系統(tǒng)的基礎上，結合核電消防行業(yè)的特點和業(yè)務需求，以綜合接入各種通信系統(tǒng)和設備為技術手段，以橫向集成多種相對獨立的通信系統(tǒng)、交叉貫通異種通信系統(tǒng)之間的通信為目的，構建一個集綜合化的集音頻電話、視頻會議、無線對講、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)于一體的智能融合通信指揮平臺。該平臺可實現(xiàn)多層級、多維度、多數(shù)據(jù)之間的信息流轉、實時采集、工作數(shù)據(jù)收發(fā)，實時傳送及發(fā)布指令、圖像語音、消息，從而高效傳送各應急單位之間的信息。應急指揮通信系統(tǒng)整體架構如圖1 所示。

圖1 應急指揮通信系統(tǒng)整體架構示意圖

3.2 網(wǎng)絡架構設計

網(wǎng)絡設計涉及自組網(wǎng)、4G 傳輸和兩種網(wǎng)絡互補結合的方式，在突發(fā)情況下，可以將消防現(xiàn)場的音視頻情況穩(wěn)定傳輸回消防指揮車和后臺指揮中心，按核電消防系統(tǒng)特有的需求和網(wǎng)絡架構體系設計如下。

3.2.1 自組網(wǎng)

火災應急現(xiàn)場使用的無線自組網(wǎng)采用無線Mesh 組網(wǎng)方式。無線Mesh 網(wǎng)絡是MANET 網(wǎng)絡的一種典型實現(xiàn)方式，Mesh 網(wǎng)絡一般分為骨干層和接入層，骨干節(jié)點數(shù)量相對較少、位置相對靜止、功耗約束較少，以無線多跳連接支持穩(wěn)定高效的寬帶通信；接入層節(jié)點數(shù)量較多、單點數(shù)據(jù)少、功耗受限、移動性強，節(jié)點通過接入附近的骨干節(jié)點來感知和傳輸海量數(shù)據(jù)。應急救災現(xiàn)場有大量的人員、物資等信息，是典型的少數(shù)骨干節(jié)點相對靜止、大量客戶端移動性較強的場合，因此采用該結構的Mesh 網(wǎng)絡可為用戶提供穩(wěn)定、高效、靈活的寬帶接入服務。Mesh 網(wǎng)絡系統(tǒng)架構如圖2 所示。

圖2 Mesh 網(wǎng)絡系統(tǒng)架構示意圖

3.2.2 4G 傳輸

4G 傳輸包括聯(lián)通公網(wǎng)傳輸和4G 專網(wǎng)傳輸兩種方式。公網(wǎng)傳輸使用公用聯(lián)通4G 基站，中國聯(lián)通采用“FDD+TDD”混合組網(wǎng)形式，實現(xiàn)4G 語音、視頻和數(shù)據(jù)傳輸。該傳輸網(wǎng)絡由于故障不可控、干擾不可控，因此在火災應急指揮中為輔助通訊網(wǎng)絡。

4G 專網(wǎng)傳輸指在核電廠區(qū)建立專用4G 網(wǎng)絡基站，使用TD-LTE 標準的4G 網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡系統(tǒng)下行采用OFDMA 技術、上行采用單載波頻分多址接入（SCFDMA）。該系統(tǒng)在時、頻、空三維資源上采用靈活的基于子信道化的分組調(diào)度技術，通過業(yè)務優(yōu)先級、公平性、吞吐量、干擾協(xié)調(diào)、信道質(zhì)量等信息對業(yè)務進行調(diào)度傳輸。通過設置用戶優(yōu)先級以保證不同用戶的資源分配差異，優(yōu)先保證高優(yōu)先級用戶的通信。該系統(tǒng)采用扁平化、全IP 化網(wǎng)絡架構，基站直接與核心網(wǎng)相連，沒有無線網(wǎng)絡控制器，無線側的集群控制功能集成在基站，更有利于弱化基站故障。4G 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構如圖3所示。

圖3 4G 網(wǎng)絡系統(tǒng)架構示意圖

3.2.3 自組網(wǎng)、4G 專網(wǎng)傳輸互補

自組網(wǎng)絡和4G 專用網(wǎng)絡系統(tǒng)配備互通鏈接模塊，通過移動集群系統(tǒng)和融合通信系統(tǒng)，使用WAN、LAN、WLAN等多種方式將自組網(wǎng)絡和4G 專用網(wǎng)絡進行鏈接，確保核電廠區(qū)火災應急通訊互通。

4 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)設計分別部署在消防指揮中心、消防通訊指揮車和消防應急現(xiàn)場，有效連接各硬件節(jié)點實現(xiàn)核電廠區(qū)火災應急通訊功能，各硬件部署及連接方式如圖4 所示。各硬件部署如下：①核電消防指揮中心部署智能融合通信系統(tǒng)主機、媒體會議服務器設備；②消防通訊指揮車部署單屏便攜箱、音頻廣播網(wǎng)關和工業(yè)4G 路由器等系統(tǒng)設備，用于快速部署現(xiàn)場指揮部，回傳無人機圖像和聯(lián)通指揮中心等功能；③消防現(xiàn)場部署自組網(wǎng)系統(tǒng)、單兵終端、衛(wèi)星電話、4G 布控球、移動無線集群網(wǎng)關、無人機等設備，多種手段回傳現(xiàn)場音視頻信息，同時通過對講機和衛(wèi)星電話保障消防人員應急通訊。

圖4 硬件部署架構圖

4.1 應急指揮中心

應急指揮中心是火災應急的總調(diào)度部門，該區(qū)域功能的實現(xiàn)需設置智能融合通信系統(tǒng)主機、媒體會議服務器。

智能融合通信系統(tǒng)作為融合通信平臺的核心服務器對接不同通信系統(tǒng)，支持包括RFC 系列、SIPv2、TCP/UDP/IP、RTP/RTCP、HTTP、ARP 等多項傳輸協(xié)議，實現(xiàn)多套系統(tǒng)間資源共享，通訊互通，包括語音調(diào)度、視頻會議、視頻監(jiān)控、GIS 調(diào)度、黑名單/白名單等多項功能。媒體會議服務器作為處理視頻信號的引擎服務器，是多媒體調(diào)度交換系統(tǒng)的核心組件，對多媒體調(diào)度業(yè)務中的視頻數(shù)據(jù)進行轉發(fā)、轉碼等交換處理，滿足多媒體調(diào)度系統(tǒng)大量視頻數(shù)據(jù)集中管理和不同種類視頻終端融合通信的需要。采用標準的H.323/SIP 協(xié)議與視頻服務器對接使用。

以上主機及服務器后面板的網(wǎng)絡接口連接機房內(nèi)網(wǎng)交換機，按照網(wǎng)絡要求配置IP 地址，和內(nèi)網(wǎng)內(nèi)部其他設備網(wǎng)絡互通。

4.2 消防通訊指揮車

消防通訊指揮車是火災應急現(xiàn)場的移動指揮中樞，車內(nèi)設置單屏便攜箱、音頻廣播網(wǎng)關和工業(yè)4G 路由器。

便攜指揮箱為現(xiàn)場快速部署指揮部核心設備，自帶無線集群模塊連接現(xiàn)場對講系統(tǒng)，用于接入和延伸對講范圍。同時安裝調(diào)度臺軟件，作為現(xiàn)場指揮調(diào)度的用戶交互終端。實現(xiàn)VOIP 通信、語音調(diào)度、視頻調(diào)度、GIS 調(diào)度、集群對講功能。設備有線網(wǎng)絡連接指揮車網(wǎng)絡交換機，自組網(wǎng)中繼設備和現(xiàn)場其他設備網(wǎng)絡互通。配備移動指揮平板，網(wǎng)絡與便攜箱通過無線連接。音頻廣播網(wǎng)關用于連接指揮車內(nèi)的音頻系統(tǒng)與融合通信系統(tǒng)，實現(xiàn)互通。采用SIP 音頻傳輸協(xié)議，并支持G726 系列語音編碼，網(wǎng)絡接口使用RJ45 網(wǎng)線與車內(nèi)網(wǎng)絡交換機連接，實現(xiàn)遠程點播、點對點廣播、點對多點廣播。工業(yè)4G 路由器用于傳輸應急期間的大流量數(shù)據(jù)。全線兼容4G/3.5G/3G/2.5G 網(wǎng)路，旗艦級配置、VPN 鏈接、工業(yè)級防護、寬溫設計，可輕松組建高速、穩(wěn)定的無線傳輸網(wǎng)絡，利用公用LTE 網(wǎng)絡為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)。采用高性能的工業(yè)級32 位通信處理器和工業(yè)級無線模塊，以嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，同時提供RS232（或RS485/RS422）、以太網(wǎng)LAN，以太網(wǎng) WAN 以及 Wi-Fi 接口，可同時連接串口設備、以太網(wǎng)設備和Wi-Fi 設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸和路由功能。

4.3 消防現(xiàn)場

消防現(xiàn)場設置自組網(wǎng)系統(tǒng)、單兵終端、衛(wèi)星電話、4G布控球、移動無線集群網(wǎng)關、無人機、消防員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。自組網(wǎng)通訊系統(tǒng)包括自組網(wǎng)中繼基站和單兵背負自組網(wǎng)設備，用于架設現(xiàn)場局部網(wǎng)絡。該系統(tǒng)為MIMO 高性能自組網(wǎng)，內(nèi)建4 W 高線性功放，IP66 以上防護等級，采用無中心多跳組網(wǎng)方式，支持4G LTE 公網(wǎng)接入和2.4G/5.8G 雙頻Wi-Fi?，F(xiàn)場消防員配備手持單兵終端，通過Wi-Fi 方式連接單兵背負自組網(wǎng)設備，網(wǎng)絡與便攜箱設備聯(lián)通，實現(xiàn)音視頻通訊。衛(wèi)星電話是特殊情況下采用的應急通訊工具。通過海事衛(wèi)星終端，前方指揮部和后方指揮部可進行語音會商，無需外網(wǎng)支持可進行語音通信并及時向上級單位匯報火情。4G布控球將現(xiàn)場圖像通過4G/有線網(wǎng)/衛(wèi)星鏈路方式傳回消防指揮車，并通過便攜箱將視頻融合，并進行調(diào)度，或將視頻畫面?zhèn)骰刂笓]中心，該設備內(nèi)置GPS/BD 天線具有定位功能。移動集群網(wǎng)關為對講延伸設備，基于ROIP 技術和SIP協(xié)議將直接無線無法互通的對講系統(tǒng)通過有線的方式進行延伸，將各種無線電臺通信系統(tǒng)接入應急指揮融合通信平臺中，與傳統(tǒng)的模擬/數(shù)字對講系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，且可以在沒有融合通信平臺的情況下單獨使用?，F(xiàn)場無人機為空中視頻回傳工具，將拍攝到的現(xiàn)場視頻回傳到指揮車，并通過現(xiàn)場指揮車中部署的流媒體服務器將視頻回傳到便攜箱。無人機與地面基站通過無線連接，地面基站通過HDMI 專用線纜連接流媒體服務器。指揮車內(nèi)的流媒體服務器使用有線網(wǎng)絡連接車內(nèi)內(nèi)網(wǎng)交換機。消防員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)使用生命體征手環(huán)實時監(jiān)測消防人員生命系統(tǒng)信息，包括體溫、心率、血壓、血氧飽和度等信息，支持生命體征實時顯示、異常報警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，采用BT4.0 藍牙技術傳輸至單兵手持終端。

5 結束語

本課題根據(jù)核電廠火災應急指揮需求設計并實現(xiàn)應急融合通訊系統(tǒng)功能，解決了火災現(xiàn)場指揮的痛點問題，使核電廠能更迅速高效執(zhí)行火災應急任務，降低受災成本。該通訊系統(tǒng)可進一步運用至核電廠電力應急與地震應急指揮行動中，可作為火災應急平臺建設的基礎。