大尺度區域災害應急通信研究

孫金陽

摘要：我國是世界上災害最嚴重的國家之一，不但災害類型多、頻度高、強度大，災后環境復雜惡劣，各類災害事故對社會功能、城市秩序及環境與資源等方面造成了嚴重的破壞，對人民生活、生產、社會安定、經濟發展等方面造成了不良影響。本文主要以大尺度區域災害為研究背景，在面向大范圍自然災害救援現場應急通信的數據需求和鏈路的高可靠性需求時，消防隊伍現行應急通信體系內公網和衛星網絡通信模式，以及對實現寬帶自組網、公網、衛星、集群對講和短波通信等異構網絡融合，語音、視頻、短信等多源數據的綜合調度，滿足自然災害救援現場“看得見、呼得通、調得動”的業務應用需求等進行簡要分析。

關鍵詞：大尺度;應急通信;融合系統

應急通信貫穿災害現場救援行動的全過程，是救援行動順利進行的關鍵因素之一。大尺度區域災害發生后，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;2020年3月31日西昌瀘山森林火災等，通常會導致公網癱瘓，造成災害地點處于盲區，外界無法有計劃性的展開救援。隨著“十二五”“十三五”消防隊伍信息化規劃的全部實施以及“十四五”信息化的展開，我國消防隊伍已經形成了一整套較為完善的應急通信體系，初步形成空、天、地一體化多種裝備多維度的救援通信模式。但應急通信形勢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、自組網設備相對單一、衛星信號受外界因素影響較大、新分配370兆頻點新建難度大、短波保底通信使用頻率低等問題普遍存在。

1 災害現場通信保障情況分析

我國自然災害主要以洪澇、臺風、干旱、地震、泥石流、地質災害為主，森林草原火災和風雹、低溫冷凍、雪災等災害也有不同程度發生。消防隊伍在遂行任務時根據受災情況不同，災害現場的通信會受到以下幾方面的影響。

1.1災害易造成有線通信中斷

從1876年貝爾通過聲音振動產生電流來進行數據的傳輸開始，有線通信系統經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;信號干擾小、保密性能好;傳輸數據速率高等特點被廣泛的應用到各個領域中。有線通信應用于部局指揮中心、各總隊指揮中心和支隊指揮中心之間的網絡架構，同時各級指揮中心可通過指揮調度系統來接處警，是召開視頻會議、下達命令、力量調派、日常辦公、消防監督檢查等的重要方式。有線通信的信號沿通信介質傳輸，因此遍布各地的電線、光纜等有線傳輸介質，在發生地震、冰凍災害、泥石流、洪澇災害、臺風等自然災害時，極易被損壞，導致受災區域通信不暢。例如2008年1月中國發生大范圍低溫、雨雪、冰凍等自然災害，20個省（區、市）受災，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，震中所有公網基站處于癱瘓狀態，一時之間震中無任何通信設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。無線通信是指多個節點間不經由導體或纜線傳播而是利用自由空間傳播的電磁波進行的遠距離傳輸通信，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，也叫作長波、中波、短波、超短波、微波通信。無線通信也是消防應急通信的難點和重點。

現階段我國商用最多的第四代移動通信和逐步推廣的第五代移動通信系統都屬于微波通信，使用蜂窩小區制基站建設，基站覆蓋范圍小。公用移動通信基站是無線電臺站的一種形式，它是4G、5G的重要組成部分，是在一定的無線電覆蓋區中，通過移動通信交換中心，與移動電話終端之間進行信息傳遞的無線電收發信電臺。目前為止，在消防通信系統中4G通信網絡是災害現場應急通信使用最多的通信網絡之一。其中4G單兵圖傳、布控球、poc手持對講機、公網移動電話等設備都需要通過基站交換信號。當發生大尺度區域災害事故后，災區通信基站極易受損，且災害造成電力系統故障后，通信基站只能依靠備用電源在短時間內運行。同時，災害對通信基站造成的破壞往往是嚴重的，修復需要一定時間。而現階段在災害現場參加救援的應急救援隊伍、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行通信。因此通信基站受損會造成災害現場通信不暢，阻礙救援行動的展開。并且，數據上4G基站有支持用戶連接的上限，超過了最大連接數，終端將會接入失敗，信號極差甚至是不能入網。一部分基站失效，會使用戶鏈接集中到部分基站，這就會造成通信癱瘓，使外部失去受災地區消息，給救援行動帶來困難。

衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發或反射無線電信號，實現兩個或多個地球站之間的通信。衛星通信是微波通信的繼承和發展，是微波通信向太空的延伸。應急管理部消防救援局通過租用商用衛星來完成音視頻和數據的傳輸，從最早的亞洲3s衛星的 22 兆帶寬到亞洲7 號衛星的32兆帶寬再到亞洲9號衛星的54兆帶寬，經歷了一個長期的發展歷程。主要用于傳輸音視頻的衛星通信裝備包含了動中通衛星通信指揮車、靜中通衛星通信指揮車、衛星便攜站和海事衛星平板，用于傳輸音頻的包含了海事衛星電話、銥星衛星電話和天通衛星電話等。衛星通信設備具有通信距離遠，且費用與通信距離無關;覆蓋面積大，便于多址連接;通信頻帶寬，傳輸容量大;通信線路穩定可靠，通信質量高;通信靈活等實際優點，在發生災害后作為消防隊伍主要使用通信網絡并依托于圖像綜合管理平臺。與此同時，衛星通信受到傳輸延遲大;10GHz以上頻帶受雨雪的影響;天線受太陽噪聲的影響也給通信傳輸造成了很大困難。衛星通信過程中衛星天線必須始終精準的對準衛星，這就在使用過程中提出了具體要求，在城市內會經常受到高樓大廈的遮擋;在地震、泥石流等災害救援時，通信指揮車難以到達核心災害地點，衛星便攜站攜帶困難，使用過程中就會受到多種因素影響;在森林火災中單兵衛星通信設備往往會受到茂密的樹木遮擋導致對星失敗，最終無法將數據成功的進行傳輸。

2 重大災害空天地一體化應急通信技術

重大地震時，災區公網通信可能受限;臺風等極端氣象災害時，無人機等機載平臺難以升空;重大森林火災及暴雨時，衛星通信和定位信號衰減嚴重;重大洪水災害和重大地質災害時，地面單兵及車載通信可能部署困難。因此，為解決場景適應性強、靈活性高的大尺度區域多體制融合應急通信與組網已迫在眉睫。

2.1重點研究內容

本文通過歸納總結列舉了四個方面的課題需要去突破，具體是：

（1）面向大范圍自然災害快速救援的天空地敏捷協同應急通信網絡架構

①面向組網及傳輸時延最小化的廣域立體異構網絡自動生成技術

②支持智能網絡架構切片的天空地節點功能分割與接口設計

③多參數復雜約束下的大范圍自組網覆蓋、能耗與抗毀性聯合優化

④業務類型、通信體制、鏈路能力聯合驅動的天空地協同智能路由技術

⑤異體制通信節點間的高效鑒權認證技術

（2）衛星與地面通信網智能異構融合與信道資源自適應分配技術

①衛星、無人機與地面通信網絡的智能異構融合技術

②空地節點無線自組織寬帶傳輸技術

③多體制融合通信中的無線資源自適應分配與調度技術

④寬帶多媒體數字集群與公網話音業務融合技術

⑤立體智能融合網絡標準化體系設計

（3）災害事故應急預案和輔助決策數據庫

①災害事故的現場調研、事故還原與災情分析

②基于救援事故大數據建立和現行滅火救援指揮系統對接

③應用于多部門物聯網應用

（4）重大災害現場態勢融合及調度一體化技術、平臺系統與應用示范

①基于應急通信鏈路的重大自然災害現場態勢融合和實時指揮調度一體化技術及平臺

②應急通信關鍵裝備現場應用的測試規范、標準與規程

③具備不少于三類重大自然災害場景應急救援演練和事故態勢發展推演

④裝備及平臺在國家綜合性消防救援隊伍的實戰和演練中的應用示范

2.2融合系統功能研究

本文由于篇幅有限，僅對第四課題進行簡要描述。

面向大范圍自然災害的智能化指揮通信調度系統通過語音、視頻數據通信網實現各種語音通信終端（包括模擬電話、IP電話、手機、對講機等終端設備）在各級指揮中心本地以及跨級之間的互通以及與視頻系統的聯動，建立“看得到、呼得應、調得動”的通信調度服務，通過與融合通信調度系統的互聯，對各類語音通信業務和活動進行通信指揮，實現相關指令下達、統一行動、信息傳遞、情況收集等功能。

本文中的融合系統需滿足平戰結合的指揮調度、通信聯絡需求，除具備一般電話業務功能外，還能滿足處理突發事件所需的電話調度功能（如單呼、組呼、群呼、強插、強拆、電話會議等）;能在最短的時間內，完成與相關人員的通訊，并保證能夠第一時間聯系上相關人員。具備同時處理多起突發事件的能力，能夠完成指揮中心的統一指揮調度。依托專網，實現各種語音通信/視頻的融合和互聯互通。實現應急值守室會議與擴聲系統與指揮中心、視頻系統、市話、移動通信、集群的數據傳輸和信息資源共享。

融合系統具備VOIP、GSM＼CDMA、4G、5G、數字＼模擬集群、常規對講、E1＼FXO＼FXS等通信，具有調度、交換和會議功能。調度員通過在調度臺席進行單呼、組呼、廣播、會議，強插、強插、監聽、保留、轉接等各種指揮調度操作，滿足應急時全接口調度通信。融合系統需具備豐富、標準的接口，具有完善的組網能力，可實現與公網（PSTN/PLMN）、移動通信網（GSM/CDMA/WCDMA）、專網（無線集群、短波/超短波、衛星通信）、VOIP、內網（PBX、IPPBX）的融合組網和各種通信終端之間的互聯互通。調度IP話機、座機、手機、移動電話、集群對講設備等各種類型的終端，領導或應急人員可遠程通過手機、座機實現對現場救援人員的指揮調度工作。

3 結語

面向大尺度重大自然災害應急通信迫切需求，需突破多體制智能融合傳輸組網、立體自組網、衛星通信、寬帶多媒體集群、可接入公網、短波電臺等系列關鍵技術，研發面向語音、視頻、數據為載體的融合指揮調度平臺，打造體系化應急通信能力，構建空天地一體化的現場后方快速協同災情綜合研判生成和實時指揮調度系統，具備多種重大自然災害場景應急救援演練和事故態勢發展推演能力，為重大自然災害應急救援通信裝備的現代化提供堅實保障。