基于北斗的交通路網(wǎng)應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)設計

葉清琳，劉 玲，翟曉曉

(1.交通運輸部衛(wèi)星技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100088；2.中交星宇科技有限公司，北京 100088；3.中國交通信息科技集團有限公司，北京 100088)

0 引言

近年來，在環(huán)境變化、氣候影響等因素共同作用下，各類自然災害發(fā)生頻度與破壞程度呈上升態(tài)勢，大規(guī)模路網(wǎng)基礎設施受到自然災害的影響也日益凸顯，不僅造成交通路網(wǎng)設施直接損毀，同時極大地影響了通行效率，導致災害救援的難度增大，進一步加大了災害損失。

交通部門處置突發(fā)事件時，主要以電話或地面無線通信設備收發(fā)信息，組織救援。重特大災害發(fā)生時，災害現(xiàn)場電力、網(wǎng)絡基礎設施損壞嚴重，地面通信鏈路受損或中斷，使得災害現(xiàn)場無法通過地面固定有線或移動通信方式與后方指揮中心實時取得聯(lián)系。災害現(xiàn)場道路損毀狀態(tài)大都依靠前方到達人員人工反饋，但由于缺乏有效通信手段和可用通信鏈路，應急移動通信能力嚴重不足，不能滿足救災現(xiàn)場信息實時回傳要求，導致信息采集難、反饋周期長，現(xiàn)場應急通信面臨巨大挑戰(zhàn)。

同時，在現(xiàn)有自然災害應急通信體系下，前后方一體化應急移動通信指揮不暢，大范圍自然災害中動態(tài)的交通狀態(tài)推送、時空數(shù)據(jù)交互和災害現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)處理時效性不強，空-天-路等不同監(jiān)測平臺間數(shù)據(jù)與信息交互難，導致應急數(shù)據(jù)更新慢、指揮協(xié)同困難、救援不及時，限制應急移動通信指揮的快速開展，對交通路網(wǎng)通行能力以及評估災后損毀趨勢造成巨大挑戰(zhàn)。近年來，研究人員開展了采用北斗技術進行災害應急救援的相關研究。郁文[1]、郝明[2]等開展了針對地質(zhì)災害特定環(huán)境下，基于北斗衛(wèi)星通信的應急救援系統(tǒng)研究，但對平臺具體功能少有描述。李博[3]、張學華[4]等開展了基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，結合公網(wǎng)移動通信的應急通信保障系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了雙通信鏈路的互聯(lián)互通。項順伯等[5]利用北斗二代短報文雙向通信功能，設計和開發(fā)了一種基于北斗衛(wèi)星通信的應急救援平臺。費倫林等[6]設計了應用于高速公路上的一種基于北斗技術的綜合應急指揮調(diào)度系統(tǒng)，側重常態(tài)下綜合預警和應急指揮。王立衛(wèi)等[7]提出了結合北斗衛(wèi)星和GPS雙模式下的地震應急指揮系統(tǒng)。陳俊等[8]提出了運用北斗衛(wèi)星和GPS雙模式下的森林防火調(diào)度指揮系統(tǒng)，二者重點突出提供2種衛(wèi)星模式定位功能互補和備份。尹小俊[9]、李茂源[10]等分別基于LoRa技術和基于WiFi技術集成北斗通信展開了無線局域網(wǎng)下應急通信的研究。唐堯[11]、白雪[12]、李買林[13]、李敏等[14]分別基于高分、3DGIS、eLTE、云視頻技術開展了應急通信指揮系統(tǒng)研究。張瓊雄等[15]重點圍繞應急通信指揮系統(tǒng)中數(shù)據(jù)層的多源數(shù)據(jù)融合方面開展了相關研究，賈文崢[16]、陳曉琳[17]、程效軍[18]等結合城市、公安系統(tǒng)和地震等應用場景展開了相關研討。

從研究成果來看，高效的應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)是實現(xiàn)災情快速應急響應的前提。針對大范圍自然災害復雜現(xiàn)場條件，電子化、數(shù)字化、智能化成為交通路網(wǎng)應急通信協(xié)同指揮研究發(fā)展方向。本文構建了基于北斗、天通衛(wèi)星通信、寬帶衛(wèi)星融合應用的應急移動通信指揮保障體系，是一種不受地面公網(wǎng)限制、基于衛(wèi)星通信的移動應急手段，可實現(xiàn)實時、動態(tài)、無盲區(qū)的災害現(xiàn)場應急移動通信，可以掌握災害現(xiàn)場的每個點位信息，輔助災害現(xiàn)場交通路網(wǎng)應急資源調(diào)度運輸?shù)膬?yōu)化配置。

1 系統(tǒng)設計

在地面通信鏈路嚴重損壞的情況下，充分考慮應急移動指揮的高帶寬傳輸需求，采取多星技術融合、功能互補的方式，采用靜中通車載式終端、Ku頻段便攜式背負終端作為寬帶衛(wèi)星接入手段，天通手持機及北斗終端群作為窄帶衛(wèi)星接入手段，空天地一體的網(wǎng)絡傳輸和基礎設施平臺為基礎的一體化應急通信網(wǎng)絡架構，滿足特重大災后現(xiàn)場的應急通信需求。同時構建交通路網(wǎng)應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)，解決重特大災害發(fā)生時無公網(wǎng)情況下視頻、圖像、音頻、數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)采集和信息交互，構建前方通信點位、移動應急通信和后方固定通信協(xié)同指揮通信保障。

1.1 總體架構

基于北斗的交通路網(wǎng)應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)，包括各類前端移動應急通信終端、空天地一體應急保障網(wǎng)絡、應急通信協(xié)同指揮云平臺、數(shù)據(jù)服務以及遠程指揮等應用子系統(tǒng)和各類用戶。一體化的應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)總體架構包括終端層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層和用戶層，如圖1所示。

① 終端層：采用各類終端實現(xiàn)災害現(xiàn)場前端數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，包括Ku頻段便攜式背負終端、靜中通車載式終端、北斗手持終端、天通手持機和無線短波電臺等。

② 網(wǎng)絡層：融合地面運營公網(wǎng)、交通行業(yè)專網(wǎng)作為穩(wěn)定、固定的傳輸線路，結合北斗、天通及Ku頻段寬帶等衛(wèi)星移動通信鏈路、無線短波電臺、WiFi、微基站等無線自組網(wǎng)通信鏈路，形成多網(wǎng)融合的多元網(wǎng)絡傳輸，滿足災害現(xiàn)場信息的回傳需求，實現(xiàn)前方與后方應急指揮中心的信息互通。

③ 平臺層：應急通信協(xié)同指揮云平臺基于數(shù)據(jù)采集、匯聚、傳輸、處理及分析數(shù)據(jù)流程，利用災害現(xiàn)場各類視頻、語音、圖片和文本等感知數(shù)據(jù)采集，匯聚統(tǒng)一的應急通信協(xié)同指揮數(shù)據(jù)庫，構建應急移動通信數(shù)據(jù)庫和各類感知信息共享交換平臺。

④ 應用層：面向災害交通路網(wǎng)應急移動通信指揮需求，建設遠程指揮子系統(tǒng)、指揮調(diào)度信息接收子系統(tǒng)、預警消息廣播消息群發(fā)子系統(tǒng)、求助響應子系統(tǒng)、人員車輛應急安全移動通信子系統(tǒng)及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)滿足了數(shù)據(jù)采集、實時定位、應急指揮調(diào)度、信息實時回傳和次生災害預警等功能，提供了相應的服務內(nèi)容。

⑤ 用戶層：包括后方應急指揮中心用戶、前端應急指揮車用戶和災害現(xiàn)場的前方應急終端用戶。

圖1 基于北斗的交通路網(wǎng)應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)總體架構Fig.1 Overall architecture of the Beidou-based traffic network emergency communication cooperative command system

1.2 空天地一體應急通信網(wǎng)絡設計

1.2.1 空天地一體應急通信網(wǎng)絡保障

利用北斗短報文通信、天通、寬帶衛(wèi)星以及地面移動通信功能，重點突破應急通信的延時低、容量大和速率高的傳輸要求，達到多網(wǎng)資源融合1 MHz帶寬，特別是因自然災害產(chǎn)生遮擋物的遮擋條件下，作為通信保底手段，實現(xiàn)應急通信。

空天地一體應急通信網(wǎng)絡主要采用北斗、天通和寬帶衛(wèi)星等空間信息技術，融合地面?zhèn)鞲懈兄O備、通信傳輸技術，結合北斗導航衛(wèi)星短報文通信手段，搭建空天地一體的衛(wèi)星通信保障體系，將衛(wèi)星通信、地面固定有線通信和地面移動通信網(wǎng)絡有機地結合，實現(xiàn)應急通信的無縫覆蓋、無縫連接，滿足重大自然災害范圍下重點災害區(qū)域現(xiàn)場通信不間斷的傳輸需求，如圖2所示。

災害發(fā)生后，應急指揮車到達災害現(xiàn)場，通過衛(wèi)星通信、地面固定有線通信和地面移動通信網(wǎng)絡等方式與后方應急指揮中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和中繼通信。若車輛無法到達，救援人員背負各類應急移動通信終端前往災害現(xiàn)場，通過北斗手持終端、北斗RD車載定位終端、無線短波電臺及天通手持機，實現(xiàn)與應急指揮車之間的點對點通信，應急移動通信傳輸路由是前方人員至應急通信車，再到后方指揮中心。

圖2 基于北斗的交通路網(wǎng)應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡設計Fig.2 Network design of emergency communication cooperative command system for traffic network based on beidou

空天地一體應急通信網(wǎng)絡優(yōu)先地面移動網(wǎng)絡，地面網(wǎng)絡中斷后，采用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡。無公網(wǎng)、寬帶衛(wèi)星無法覆蓋區(qū)域，使用Ku寬帶衛(wèi)星通信實現(xiàn)圖像傳輸，天通手持機實現(xiàn)語音傳輸，北斗短報文實現(xiàn)指揮調(diào)度信息的文字傳輸。

1.2.2 集群式通信和自動尋優(yōu)切換通信技術

系統(tǒng)運用多種信息技術和多衛(wèi)星功能交替互補，采用多鏈路資源融合尋優(yōu)的技術方法進行系統(tǒng)網(wǎng)絡設計，綜合應用基于智能分包的北斗短報文集群式通信技術和自動尋優(yōu)切換通信技術。

針對應用中各種災害數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和文件傳輸?shù)刃畔鬏數(shù)膸捫枨螅约笆芡鈬h(huán)境影響的通信成功率問題，重點解決北斗用戶SIM卡短報文容量限制以及受外圍環(huán)境影響的通信成功率問題，通過創(chuàng)新應用智能數(shù)據(jù)分包技術、多卡集群式通信技術等，在物理層面將通信容量從單卡每分鐘78 byte擴容至2 080 byte以上。通過信道智能分配實現(xiàn)了帶寬高效利用，較傳統(tǒng)衛(wèi)星流量分配方法，帶寬利用率提升約23.2%。

運用北斗終端通信鏈路自動尋優(yōu)切換技術，實現(xiàn)北斗通信和地面公網(wǎng)移動通信的無縫集成。用戶手持北斗終端，在地面無公網(wǎng)移動通信信號覆蓋區(qū)域，自動切換到北斗通信鏈路與后臺北斗指揮機進行數(shù)據(jù)上傳和信息交互；到達公網(wǎng)移動通信網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域后，自動切換到公網(wǎng)移動通信鏈路進行信息交互，實現(xiàn)在廣域范圍內(nèi)自動優(yōu)選通信，解決通信網(wǎng)絡盲區(qū)的問題，提升應急通信能力。

1.2.3 移動應急通信終端群

移動應急通信終端群部署在應急指揮車及應急通信車上，其中在應急指揮車上包括靜中通車載終端、Ku頻段便攜式背負終端、北斗指揮型接收機、北斗手持終端、北斗RD車載定位終端及天通手持機。

靜中通車載終端。在車頂裝置Ku頻段的靜中通車載天線，分為1.2/1.8 m兩種口徑，可實現(xiàn)點對點的衛(wèi)星站點開通。車載天線設備自動實現(xiàn)對星，快速、準確建立衛(wèi)星通信鏈路，設備實現(xiàn)了上下變頻模塊小型集成，衛(wèi)星端站可使用L波段中頻接口接續(xù)終端用戶，部署于應急指揮車Ku頻段的靜中通車載天線。

Ku頻段便攜式背負終端。Ku頻段便攜式背負終端為Ku頻段0.8 m的背負式自動便攜天線，自動實現(xiàn)對星，快速、準確建立衛(wèi)星通信鏈路，為前方應急救援保障人員提供較短時間內(nèi)一鍵對星，完成定位、展開、跟蹤衛(wèi)星，并實現(xiàn)與應急指揮車的點對點的衛(wèi)星站點通信。

北斗指揮型接收機。北斗指揮型接收機循環(huán)多次發(fā)送指令(入站)以提高頻度，用于發(fā)送大型報文數(shù)據(jù)或分組通播，同時能夠將監(jiān)控指揮下屬終端用戶數(shù)量擴容，同時可提供衛(wèi)星精準授時服務。

北斗手持終端?？蓪崿F(xiàn)自然災害現(xiàn)場各區(qū)域的人員動態(tài)精準定位功能，短距離采用DMR制式進行語音交互或短信交互，實現(xiàn)自動尋優(yōu)通信鏈路工程，提供一鍵SOS報警預警和下行廣播預警功能。可實現(xiàn)長續(xù)航時間，保障災后現(xiàn)場終端續(xù)航，寬溫度擴大使用范圍，滿足重大災害環(huán)境下的應急通信需求。

北斗RD車載定位終端。車載終端具備北斗系統(tǒng)RDSS的通信功能和RNSS的定位導航功能，可實現(xiàn)應急通信車和應急指揮車的短報文通信，可實現(xiàn)連續(xù)實時導航、測速、授時、精準位置服務以及上報定位信息等功能，是基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位和通信技術實現(xiàn)各種車輛平臺指揮調(diào)度與安全保障的通用設備。

天通手持機。天通手持機分為智能型手機和功能型手機，可與三大運營商的電話號碼進行互通，通話質(zhì)量清晰可辨，能夠滿足應急通信的需求。

1.3 應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)功能設計

應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)功能主要由系統(tǒng)的應用層體現(xiàn)，包括遠程指揮子系統(tǒng)等6個子系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時定位、移動應急通信、應急指揮調(diào)度、信息實時回傳、視頻圖像獲取、次生災害預警、數(shù)據(jù)分析處理和有效數(shù)據(jù)提取及提示。

1.3.1 遠程指揮子系統(tǒng)

遠程指揮子系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程指揮，實現(xiàn)遠程安全保障與監(jiān)控、預警驅動及進行預警發(fā)布。將計劃好的目的地、行進路線、活動區(qū)域、注意事項和聯(lián)系人等信息發(fā)送給前方人員；保障和監(jiān)控前方救援人員的定位、行進路線等信息，并可接收報警信息；在突發(fā)應急事件時，可以通過用戶終端實現(xiàn)一鍵驅動預警、廣播預警、短信群發(fā)預警3種預警方式實現(xiàn)；隨時向接入公網(wǎng)的應急移動通信終端進行預警發(fā)布。

1.3.2 指揮調(diào)度信息接收子系統(tǒng)

應急指揮人員在災害現(xiàn)場或災后現(xiàn)場，使用應急指揮車上應急通信協(xié)同指揮云平臺，對前方救援人員進行調(diào)度指揮，使前方救援人員能夠接收到后方指揮中心發(fā)來的計劃救援目的地、行進路線、活動區(qū)域、注意事項和聯(lián)系人等信息，并保障前方救援人員與后方指揮中心人員進行位置、行進路線等信息交互。

1.3.3 預警消息廣播子系統(tǒng)

當災害現(xiàn)場發(fā)生自然災害、泥石流和臺風等氣象次生災害時，可通過預警信息群發(fā)功能對周邊攜帶應急移動通信終端人員群發(fā)預警信息，通知應急處置信息及聯(lián)系方式。

1.3.4 求助響應子系統(tǒng)

前方救援人員到達災害現(xiàn)場后，遇有突發(fā)情況或次生災害時，可通過用戶終端一鍵求救模塊發(fā)送求救信息，進行報警，平臺接收到報警信息后，迅速響應，通過終端的報警響應界面，可了解當前救援人員基本信息、所在地信息描述及周邊人員信息，及時將相關信息發(fā)送給求助人員的緊急聯(lián)系人、單位及所在駐地應急指揮中心。

1.3.5 人員車輛應急安全移動通信子系統(tǒng)

基于北斗手持終端或應急移動通信終端實現(xiàn)重特大自然災害的前方人員定位及通信，可迅速精準地提供災害現(xiàn)場情況，包括前方救援人員數(shù)量和位置分布，實時動態(tài)跟蹤人員位置信息，回傳人員在不同時間段的行動軌跡，為災害現(xiàn)場的人員安全保障提供位置服務的基礎數(shù)據(jù)。

基于北斗車載終端對重要車輛進行定位及通信，及時準確地提供車輛的位置、分布情況以及活動軌跡。在現(xiàn)場環(huán)境中實時生成災害前方人員車輛的流動路線、活動軌跡回放。

1.3.6 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

系統(tǒng)滿足多媒體數(shù)據(jù)的接收查看功能，如手持終端回傳的圖片、語音和視頻等；監(jiān)控攝像頭采集的監(jiān)控視頻和回傳的實時視頻等。同時，平臺可驅動廣播系統(tǒng)，實現(xiàn)在不同場景下的信息播發(fā)功能。

2 應用驗證

傳輸在無主站中繼的情況下，根據(jù)指揮車輛的配置，可分為2種配置場景。場景1：在浙江麗水地區(qū)，指揮車輛以SUV、中巴車為底盤時，根據(jù)可安裝衛(wèi)星天線為1.2 m天線配置。應急指揮車配置Ku頻段1.2 m靜中通衛(wèi)星天線、40 W衛(wèi)星功放、LNB、調(diào)制解調(diào)器、北斗終端、天通手持機、網(wǎng)絡交換設備和便攜發(fā)電機等，實現(xiàn)與衛(wèi)星的信息交互。網(wǎng)絡設備與終端集群系統(tǒng)相連，為終端用戶提供IP信息通道。滿足應急指揮車與2臺應急通信車同時通信的需求。

設置應急指揮車信道設備發(fā)送1 Ms/s,PSK3/4TDM前向載波，應急通信車信道設備接收12 Ms/s,QPSK3/4TDMA返向載波，小站完成入網(wǎng)后，測試數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸誤碼率和數(shù)據(jù)傳輸時延。浙江麗水地區(qū)測試的結果如表1所示。

表1 浙江麗水地區(qū)測試結果顯示

經(jīng)過鏈路計算，發(fā)射天線口徑1.2 m天線配備5 W以上的功放，保有一定的雨衰余量，可滿足1 MHz通信帶寬雙向通信的需求。傳輸誤碼率小于10-6，時延720 ms，經(jīng)測試，寬帶可以實現(xiàn)1路720P視頻。天通衛(wèi)星信號正常覆蓋區(qū)域，實現(xiàn)2個天通手持機正常通話。北斗正常覆蓋區(qū)域，實現(xiàn)1 min50路短報文收發(fā)位置信息，地面公網(wǎng)正常覆蓋區(qū)域，可以自動切換至移動通信，實現(xiàn)4G制式信號通信。

場景2：在西藏地區(qū)，指揮車以大型方艙車為底盤，衛(wèi)星天線為1.8 m靜中通天線配置。經(jīng)過鏈路計算，發(fā)射天線口徑1.8 m天線配備40 W以上的功放保障與1.8 m指揮車天線正常通信，保有一定的雨衰余量情況下,滿足1 MHz通信帶寬雙向通信的需求。經(jīng)測試，寬帶可以實現(xiàn)1路720P視頻。天通正常覆蓋區(qū)域，實現(xiàn)2個天通手持機正常通話。北斗正常覆蓋區(qū)域，實現(xiàn)1 min50路短報文收發(fā)位置信息。地面公網(wǎng)正常覆蓋區(qū)域，可以自動切換至移動通信，實現(xiàn)4G制式信號通信。西藏地區(qū)測試結果如表2所示。

表2 西藏地區(qū)測試結果顯示

可以看出，應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)依托寬帶衛(wèi)星為主要傳輸手段，指揮車配備1.2/1.8 m靜中通天線及相關調(diào)制解調(diào)設備，應急通信車同樣配備1.2/1.8 m靜中通天線及調(diào)制解調(diào)設備，可為應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)提供不小于1 Mb/s的寬帶衛(wèi)星鏈路，綜合北斗手持終端、車載終端及天通手持機，可為應急指揮車與應急通信車之間提供音頻、視頻和數(shù)據(jù)傳輸。

3 結束語

基于移動應急集群通信系統(tǒng)通信鏈路尋優(yōu)切換技術，實現(xiàn)北斗、寬帶衛(wèi)星通信、地面通信的無縫集成。融合北斗系統(tǒng)、天通及寬帶衛(wèi)星的應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)在重大自然災害場景的集成應用；天通和寬帶網(wǎng)衛(wèi)星通信技術，突破應急通信的低延時速率，大容量帶寬，實現(xiàn)災情現(xiàn)場視頻圖片、語音傳輸以及文字的信息互動；覆蓋范圍大，通信盲區(qū)少；同時具備獨立的組網(wǎng)能力，不需要其他任何系統(tǒng)支持；適合分布于大面積范圍內(nèi)的重大自然災害現(xiàn)場的應急數(shù)據(jù)采集與應急傳輸通道的應用。