基于物聯網技術的地震應急救援通信系統

張 瑩 尹文剛 郭紅梅

1.四川省地震局 減災救助研究所 四川 成都 610000;2.武警警官學院 信息通信息 四川 成都 610000

1 地震應急救援通信系統的特征

根據地震應急救援通信系統的應用需求,結合物聯網技術的特點設計基于物聯網技術的地震應急救援通信系統,系統體系架構的設計將決定地震應急救援通信系統實現的技術細節、應用模式和發展趨勢。在地震救援背景下的應急通信指揮體系,遵循“可視化、物聯化、一體化”的技術原則。

1.1 可視化 地震應急救援的現場情況應以視頻監控等可視化監控設備實現現場全景實時可視化展示,且在應急指揮場所能夠實現基于虛擬現實技術的三維立體GIS平臺展示。可以生動展示地理信息(河流、森林、地形、房屋結構等)、設備信息(基站、輸電線路、鐵塔等)、人員信息(救援人員、指揮人員等)。結合國家電網內部調度自動化信息和變電站視頻監控統一平臺,虛擬現實技術將地震后的內外環境結合在一起,給指揮者直觀視覺感受,從而大大提高了指揮應急救援的效率和速度。

1.2 物聯化 物聯網技術是發展地震應急救援的關鍵技術。傳統技術對地震的監控和預警僅僅基于基站、北斗和EQI M 地震速報系統,無法對地震系統全過程進行實時監控。物聯網技術通過布設各種傳感器網絡及射頻識別(RFID,Radio Fre-quency IDentificaiton)芯片傳感網絡,可以實現地震后內外部環境、人員、物資的聯網。通過進行狀態讀取,定位等信息綜合手段及移動終端計算技術,結合可視化監控平臺,利用同一IP平臺實現應急救援現場的綜合信息全面覆蓋。目前的地震應急通信系統對災害現場信息獲取能力相對較弱,還無法完全獲得綜合環境信息、圖像信息,更重要的是無法獲得現場指揮和救援人員、物資的實時信息。基于物聯網的地震應急災害現場指揮系統可以將現場的外部環境(溫度、濕度、風速、地形等)、救援人員信息(姓名、職務、現楊任務、實時行動信息、實時定位信息等)、物資信息(類型、數量、物流信息、實時狀態、實時定位信息等)全面信息納入統一監控平臺,并經數據分析平臺實現資源的最優化調度,且可確保命令下達的準確及時,其系統結構如下圖1所示。

一個典型的傳感器節點可被看作是一個微型計算機,由3部分組成：低功耗微型處理器(信息和路由處理器)、信息傳感器(溫濕度傳感器或RFID芯片等)、通信模塊(超短波、微波等)。該節點可以被看作具有信息傳感和路由的雙重功能。無線傳感網絡的核心在于其Adhoc的自組織路由協議,即每個節點可以根據信道情況自動發現和生成路由,以確保最佳的傳輸質量。在某節點失效時,與其建立路由的節點可以自動尋找其他替代節點進行路由,確保了網絡的抗毀能力。由此可見,無線傳感器網絡非常適合用在地震災害現場進行數據和信息的采集,并通過骨干節點回傳至現場指揮中心,再通過衛星或光纖與應急指揮中心相連。

2.2 RFD技術 除了配置在無線傳感網絡節點上固有的傳感器外,在傳感網絡激蓋范圍的其他信息的獲取則需要RFID來實現。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據,識別工作無須人工干預,可工作于各種惡劣環境。RFID 技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,操作快捷方便。在地震救援現場,通過人員或物資隨身攜帶的RFID芯片與無線傳感網進行交互,則可以對人員和物資的信息(如位置信息、狀態信息等)進行收集。

2.3 云計算 云計算(Cloud Co mputing)指的是無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式,無論何時何地只要需要就可以通過某種設備訪問到所需的信息,云計算網絡架構如下圖2所示。

圖1 物聯網系統結構

圖2 云計算網絡架構圖

1.3 一體化 通過可視化、物聯化可以獲得海量數據,但從數據到信息還需要較長的過程。采用數據挖掘和大數據技術進行信息綜合整理分析,和現有應急指揮系統平臺的信息互通融合才能更有效地發揮應急指揮的效率和作用。在結合地震應急救援的內部信息與外部信息(救援現場的環境、人員、物資信息等)后,利用數據挖掘功能進行地震現場的脆弱性分析,進行最優化應急救援指揮調度。同時,一體化的應急通信平臺還可以保證信息的及時性、同步性、完整性。現場移動計算終端、現場指揮部、后方應急指揮中心實現“三位一體”的分級訪問控制的信息共享系統,確保信息及時、可靠、安全。

2 關鍵技術

2.1 無線傳感器網絡 無線傳感器網絡的基本功能是將一系列在空間上分散的傳感器單元通過自組織的無線網絡進行連接,從而將各自采集的數據進行傳輸匯總,以實現對空間分散范圍內的物理或環境狀況的協作監控,并根據這些信息進行相應的分析和處理。無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器,可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象,能夠實時監測和采集網絡分布區域內的各種檢測對象的信息,并將這些信息發送到網關節點,以實現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤,具有快速展開、抗毀性強等特點,有著廣闊的應用前景。

隨著半導體技術和現代電子技術的飛速發展,移動計算終端已經可以做到很小,結合“最后一公里”的無線通信回程接入(如802.11n Wifi Mesh、802.16 Wi Max等),采用便攜移動計算終端可以很方便的在接入點附近進行數據的傳輸。如果搭配相應的終端處理軟件,并從接入點的服務器獲取數據和資源,則可以在任何時間和地點形成一個“移動終端站”甚至“移動中心站”。在地震救援現場的應急指揮部建立數據服務器,甚至應急指揮中心的服務器通過衛星、光纖等寬帶連接到現場的無線回程接入點,都可以作為云計算的無線回程接入。現場救援人員通過便攜移動計算終端訪問無線接入點,則可以獲得權限范圍內應急指揮中心的所有資料數據,更加有利于現場的救援指揮。

2.4 數據挖掘技術 一體化信息綜合技術(數據獲取、數據挖掘、專家輔助支持決策系統)要將通過傳感器網絡獲得的海量信息轉變為可以供決策參考的知識,必須做數據的獲取和挖掘工作。視頻信號、傳感器信號、RFID信號的獲取和數據結構的建模是進行數據挖掘工作的基礎。同時,應急指揮中心系統服務平臺的各項數據如地震應急基礎數據庫系統、監控信息、氣候信息、社會信息等,也是數據挖掘的信息基礎,利用這些內外部環境的基礎數據,采用數據挖據技術則可以最優化地決策應急救援指揮,大大提高應急救援的專業化和效率。

3 系統架構設計

基于物聯網技術的地震應急救援通信系統能夠在第一時間快速展開、密集布設,為決策層提供密布現場每一個角落的第一手信息資料,為現場工作人員提供強有力的信息服務支撐,為上級的資源調配指令提供暢通無阻的通信通道。物聯網技術在應急救援指揮調度系統中能夠填補現有通信系統的空缺,提升指揮調度系統布設速度,增加應急指揮調度系統續航能力,增加感知范圍,同時節省投資、降低成本。基于物聯網技術的地震應急救援通信系統硬件架構如下圖3所示。

圖3 地震應急救援通信系統硬件架構

系統可以同時顯示地理信息、環境信息、現場影像信息以及設備、人員、物資等各種要素信息,還可以進行分類展示和管理。系統可以搭載影像圖和矢量圖等多種GIS要素,獲得更充分的地理信息供決策參考,系統可以對人員、設備、物資等各種要素進行分類識別、追蹤、查詢、統計等操作。該應急救援指揮調度系統的無線傳感網部分采用分級管理架構設計,共分為應急中心、現場指揮部、應急行動小組3層。

1、應急中心可對地震現場所采集上傳信息進行實時匯總、智能處理,對各項任務執行情況物資輸送情況進行了解,并發出相應指揮調度方案。

2、現場指揮中心是現場指揮調度的核心機構,根據傳感節點上傳數據以及應急中心所下達的應急方案進行現場指揮,并將雙向信息進行交互。

3、應急行動小組作為地震應急教援的實施力量,通過移動終端與前端信息中心的互聯,可實時得到應急中心的最新指示,并將現場任務實施情況向應急中心進行上報。

系統底層為地震現場密集布設的感知節點,根據不同節點所處環境需求的不同,可搭配各種信息采集模塊,比如：環境信息傳感器、RFID讀卡器、攝像頭、GPS模塊等。通過上述多種感知設備,系統可以全面感知地震現場的人、財物等各類實時狀況,并將信息傳遞至匯聚節點,從而由移動終端、前端信息中心、移動指揮車3方面進行信息的接收、處理及上傳,最終傳送至應急指揮中心。地震應急指揮中心根據所上傳信息及處理平臺所給出的意見進行決策,將指令傳輸至各級系統。

和已有的地震應急救援系統相比,該系統有如下優點：

(1)使應急救援現場的各類環境信息、物資及人員的標識及位置信息、圖像信息等可以得到密集、實時的采集,并安全、有效地提供給中央指揮控制系統供領導層決策部署。

(2)使指揮部門可通過該系統實時進行高效的復雜指令傳達與人員物資的動態調配。

(3)使現場工作各單元可以利用該系統上傳第一手的災情及工作信息,同時獲取中控系統的智能云服務,有效支持現場作業。

(4)中央指揮控制系統根據各類信息構筑傳感資源云,從而提高應急救援決策指揮的效率和水平,將地震應急救援工作進一步推動到物聯化、智能化時代。

4 結論

本文構建的基于物聯網技術的地震應急救援通信系統將大大提高地震系統現有應急救援通信系統的信息化水平,使地震應急救援現場以更加直現、清晰的方式展示,提高應急救援決策指揮的效率和水平,將地震應急救援工作進一步推動到智能化時代。應急的處置和救援是地震發生時最重要的一個環節,其中應急通信及指揮系統的建設又是應急處置的根本保障,做好應急通信系統的信息化、智能化建設,將大大提高地震救援的效率,降低受災成本,產生極大的經濟效益;同時地震行業應急通信系統的信息可與政府、社會信息共享,成為黨和政府應急救援體系中的重要環節,為維護社會穩定、促進社會發展做出地震行業的貢獻。