移動互聯及應急通信技術在防汛抗旱中的應用

（長江水利委員會網絡與信息中心，湖北武漢 430010）

1 概述

視頻會商系統是利用電視技術、計算機技術和通信技術在兩地或多個地點召開電視會議，同時可以通過網絡傳輸圖片、文字、語音和圖像，進行遠程教育和會商的多媒體系統［1］。視頻會商系統作為政務信息化的重要組成部分，承擔著各級政府部門內部及相互之間溝通、會商、決策的重要職責，各級政府的指示精神和重要事務需要通過此系統進行上傳下達［2］。

視頻監控是安全防范系統的重要組成部分，可獲得有效數據、圖像或聲音信息，對突發性異常事件的過程進行及時監視和記憶，用以提供高效、及時地指揮和調度、險情處置等。部署建設遠程視頻監控系統，有利于第一時間掌握工程現地施工資料，實時對可能或正在發生的汛情、險情、災情進行動態監視，提高工程現場管理決策效率，對保障工程安全具有重要作用［3］。

通過近幾年國家防汛抗旱指揮系統以及相關信息系統的建設，長江水利委員會（以下簡稱“長江委”）逐步建立起了較完善的視頻會商和視頻監控系統，保障了防汛指揮長會商、洪水模型調度、應急演練等會議的順利召開和國家領導人對重點水庫及斷面的實時畫面調閱指揮，尤其在2020年長江流域性大洪水的防汛調度工作中發揮了不可替代的作用，為方案商討、指令下達、調令監督等工作提供了重要保障。

但是，由于視頻會商和視頻監控系統的傳輸帶寬較高，且對線路的傳輸延遲較敏感，一般均采用租用專線的方式進行傳輸，存在以下問題：

（1）造價高昂，存在性能瓶頸。會商系統建設初期需投入較高的經費，尤其是MCU設備價格昂貴，且會議容量受限于單臺MCU的性能，一旦設備損壞則無法召開多點會議。

（2）租用費用高，利用率較低。傳統會商和監控需要租用運營商專線，每年線路租賃費是一筆不小的開支，且為保證視頻傳輸質量，一般線路租用后只能用于該業務，難以與其他業務共享帶寬，線路利用率不高。

（3）部署不便。由于線路開通時即指定了線路的兩端位置，因此線路租用后僅限于兩端間的數據傳輸，無法在臨時有需要時增加會商或監控的接入，影響了現地指揮和現場實時圖像傳輸的靈活性需求。

（4）組網方式不靈活。隨著智能設備不斷普及，越來越多的用戶傾向于使用個人手持設備參與會商或使用手持設備采集現場的音視頻信息，而傳統的會商和監控方式則難以滿足這類需求。

本文探討采用移動互聯和應急通信技術作為傳統視頻會商和視頻監控的傳輸輔助手段，為防汛抗旱工作提供更加可靠、靈活、便利的保障措施。

2 系統總體架構

基于移動互聯和應急通信技術的會商監控系統架構，如圖1所示。

傳統的視頻會商系統要求在單位內部安裝視頻會議終端、MCU設備，通過水利網與水利部和各流域相關單位進行會商。而傳統的視頻監控系統則要求在單位內部安裝視頻監控平臺服務器，通過運營商專線接入前端視頻監控點位，這些都對線路帶寬占用有較高的要求。

采用移動互聯和應急通信技術后，視頻會商和視頻監控大大提高了接入的靈活性，并節約了帶寬的可利用率。在普通使用場景下，視頻會商可采用云會議方式，在家中或辦公環境等任意可接入互聯網的地方，采用支持云會議相關協議的云終端、手機或電腦等接入會議系統，即時進行會商討論；視頻監控可使用蜂窩網，通過現場配置的路由器無線接入當地運營商基站，再通過運營商核心網絡交換至單位骨干網后接入視頻監控平臺，快捷接入任意有運營商基站覆蓋的監控點位。在極端使用場景，如運營商網絡不可用時，可通過在應急現場部署的衛星便攜站傳輸現場的聲音和視頻，完成對現場的監控圖像提取以及遠程指揮。

圖1 系統總體架構

3 關鍵技術

3.1 云會議

云會議系統采用云計算架構和虛擬化技術，通過將新一代MCU利用虛擬化方式統一部署在云平臺上，實現集群化MCU資源池［4］。虛擬服務器與傳統MCU不同，傳統的MCU架構是“全編全解”，而新一代MCU僅負責碼流的轉發，不再進行編解碼處理，云會議中的各個終端根據自己的處理能力和網絡狀況，向服務器請求接收合適的碼流并解碼。

采用云會議系統，由于MCU采用集群化部署，大大增強了其容災能力，且云會議系統不依賴于專線，各智能設備均能通過互聯網、蜂窩網等直接接入，組網更加方便，接入方式更加靈活，更適應多種移動會商場景。

3.2 4G/5G蜂窩網

目前，作為4G標準之一的LTE技術已成為全球主流，相關產品正處于成熟期，網絡部署接近尾聲，終端也已十分豐富，4G網絡是全球運營商的主流服務網絡，按照行業預計，在未來相當長的一段時間內，將與5G網絡并存，成為運營商的主要服務網絡。

使用4G/5G網絡傳輸視頻會商和視頻監控數據，具備如下優點：①全天候全時段傳輸，只要有運營商信號覆蓋的地方，將設備連通電源，就可快捷地將現場數據傳輸回平臺或服務器端；②傳輸速率高，視頻會商和視頻監控對網絡帶寬的需求較大，而目前即使采用4G網絡，速率也可達到下行100 Mbps、上行20 Mbps，切換到5G網絡后還會進一步提升速率，保證了視頻傳輸的流暢度，完全滿足會商和監控的使用需求；③使用成本低，相比傳統的租用專線傳輸，4G/5G網絡傳輸按需使用，費用按流量計算，不使用時不占用資源，也無需計費，加之業務不斷普及，流量需求量增加，流量費也更易于與運營商議價，單位費用可進一步降低；④設備架設便捷，前端只需采用個人手機或增加1個小型的4G路由器即可打通數據鏈路，適合突發事件報道或專線難以快速覆蓋的情況下使用。

3.3 VPDN

VPDN（Virtual Private Dial-up Network）又稱虛擬專用（或私有）撥號網，是虛擬專用網（VPN）的業務之一，是以撥號接入方式上網傳輸數據，并對數據進行封包和加密的一種網絡。利用IP網絡的承載功能結合相應的認證和授權機制建立起來的安全VPN，是近年來隨著互聯網發展而迅速發展起來的技術［5］。VPDN可實現將數據流量強制到特定目的地，并提供必要數據安全支持。

無線VPDN基于運營商的LTE高速分組數據網絡，利用L2TP（第二層隧道協議）隧道技術為無線移動終端構建的與公眾互聯網完全隔離的虛擬專用網絡，從而實現在任何地點為無線移動終端提供到達客戶內部網絡的無縫和安全連接［6］，滿足安全訪問內網相關資源的需求。使用VPDN業務，可為每個攝像機分配1個固定的私網IP地址，監控平臺均可如訪問內網資源一樣的訪問各前端攝像頭，在保證高質量視頻傳輸和數據安全的同時，提高了部署的靈活性，在視頻監控領域應用廣泛。

3.4 衛星網

衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電波，在兩個或多個地球站之間進行通信，使用的無線電波頻率為微波頻段（300 MHz～300 GHz）。衛星視頻會議系統主要用于在重大突發公共事件發生時，指揮中心與各級民政部門以及災害現場的協調溝通、會議會商［7］。

與其他通信技術相比，衛星通信技術具有許多獨特優點，包括：①覆蓋范圍廣。衛星通信覆蓋面廣，適合于站點分散、面狀分布、遠離城市和公用電信網覆蓋不到的邊遠地區組建通信網，作為水庫及水文測站的通信手段尤為合適。②建設投資省。衛星通信不需要建設中繼站，無需建通信鐵塔，一個衛星地面站造價還不及一個微波中繼站建站投資的1/4。③安裝調試便利。衛星地面站設備輕便，天線口徑小，架設方便，安裝及調試的時間也很短，可用于防洪搶險現場的指揮調度，是應急通信手段的重要組成部分。④可靠性高。除衛星轉發器外，傳輸線路上沒有中間環節，各個小站之間相互獨立，互不影響，可靠性高。⑤傳輸質量好。衛星數據傳輸速率可達2 048 kbps以上，誤碼率優于10-7，話音的誤碼率優于10-6。⑥抗水毀能力強。與地面通信系統相比，衛星通信受自然災害特別是洪水災害損毀的概率小，單站點故障不影響其他遠端站或全網的正常通信。

利用衛星通信的優點，結合水利系統防汛抗旱的業務特點，可將衛星通信網作為防汛抗旱會商系統的備用通信信道，提升會商系統的可用性，還可在緊急情況下通過衛星鏈路召開臨時視頻會議，以解決突發事件現場無公網覆蓋情況下的音、視頻傳輸問題。

3.5 物聯網

物聯網（The Internet of Things，簡稱IoT）是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。

通過物聯網應用，可實現遠程無人值守站點的信息狀態獲取，動態掌握前端設備的運行狀況、獲取所需要提取的數據，進而可以更智能地對前端設備進行控制，在減輕工作量的同時，提高設備的智能化管理水平。

4 具體應用

4.1 異地飛檢

受疫情影響，2020年初外地出差受到了一定限制。為不影響防汛檢查工作的開展，長江委采用了對部分站點飛檢的形式檢查防汛準備情況。采用云視頻會商系統，站點工作人員通過手機接入會議，共享經手機采集的現場視音頻，并直接在現場做工作匯報，由專家在會商現場對其進行了質詢，提高了檢查效率，確保了工作的正常完成，保證了防汛設施在汛前準備到位。異地飛檢應用場景見圖2。

圖2 異地飛檢

4.2 即時討論會商

作為傳統視頻會商的重要補充手段，即時討論會商采用云視頻會議方式，支持正式會場、個人電腦、筆記本、手機等設備的接入，隨時召集、參與會議，音視頻清晰流暢，且不受場地、線路和環境的影響。會議過程中參會者可靈活調整視頻觀看布局，接收或共享發送演示文檔，便于即時與各參會人員討論。即時討論會商應用場景見圖3。

圖3 即時討論會商

4.3 險情現場指揮

山洪、泥石流、堰塞湖等水利系統突發事件大多發生在偏遠地區，而現有的公網通信主要是依靠光纖通信網絡，極易受到災害影響而中斷，且恢復通信需耗費大量時間。移動衛星通信車或便攜式衛星設備機動靈活、可快速部署，能在各種惡劣環境下高效運行工作，而且支持語音、視頻、數據的傳輸，險情現場利用衛星通信作為通信保障非常合適。圖4為應急演練期間在水庫現場通過無人機采集視頻然后經衛星傳輸回長江委的視頻畫面。

圖4 險情現場指揮

衛星通信網打通后，現場指揮部可利用視頻會議設備與后方指揮部進行視頻會商，及時通過無人機或DV將現場圖片、視頻及采集到的各種數據傳送至指揮決策機構，使后方指揮決策人員可直觀了解險情現場情況，及時作出相關部署，大大提高險情處置的效率。

4.4 臨時監控架設

采用4G/5G無線傳輸方式，便于在野外任意位置臨時架設視頻監控。監控頭架設好后，通過網線連接4G/5G路由器，在路由器上安裝運營商SIM卡并經過簡單的參數配置后，即可將現場視頻傳輸回監控平臺，無需租用昂貴的運營商專線，也無需復雜的網絡配置，視頻傳輸清晰穩定，滿足應急現場視頻采集需求。

圖5為2020年9月長江委赴川滇藏交界的巴塘水文站，在修復水毀衛星小站的同時，通過架設2個視頻監控攝像頭和4G路由器，將現場實時視頻傳輸回長江委，為了解站點水位情況提供了直觀數據。

圖5 臨時監控架設

4.5 設備遠程狀態獲取

對于無人值守站點，對現場設備的維護和狀態獲取尤為重要，不僅可實時掌握設備的健康情況，也便于及時重啟設備以恢復正常工作狀態。圖6為汛期采用太陽能供電的監控站點的實時電壓電流狀態獲取結果。

采用IoT技術，通過4G路由器提供的無線傳輸信道，可建立遠程串口通道，在服務器上部署相關應用程序，定時獲取設備端傳輸的電壓、電流數據，了解電池容量和充電電流。在發現電池欠壓時，還可通過控制電源開啟關閉、減少云臺運動等方式減小電源損耗，以實現設備的長期穩定運行。

圖6 設備遠程狀態獲取

5 結語

移動互聯和應急通信技術的加入，為視頻會商和視頻監控提供了更加便利、靈活且可靠的數據傳輸通道，使會商和監控的形式多樣化，傳統視頻會商和視頻監控得到了有效補充和延伸。2020年入汛后先后發生5次編號洪水，而借助基于移動互聯和應急通信技術的視頻會商和視頻監控系統的高效密集商討調度和實時在線遠程監督，長江流域汛前檢查工作準備充足，應急演練工作成效良好，防汛調度工作開展得有條不紊，且有效落實了調令下達工作，確保了防汛抗旱工作取得階段性勝利。

近年來，長江流域多次舉行跨專業、跨系統的應急演練，利用衛星通信和移動互聯技術作為通信手段進行會商取得了良好的效果，為可能發生的實戰打下了堅實基礎。未來將擴大移動互聯和應急通信技術在各領域的應用，讓系統延伸到采砂管理、工程監管、水資源保護、水政執法等各業務工作中，積極拓展系統的使用范圍，為長江委內各項業務提供強有力的支撐和保障。