核電廠火災應急融合通訊系統的設計與實現

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，基于突發災情的應急指揮系統不斷迭代升級，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，可實現智能調度。陳琛等[2]提出一種電力應急綜合指揮系統，該系統由指揮通信、車載通信、視頻會議、衛星定位等部分組成。鄧創[3]優化設計了一套基于無線自組網的電力應急現場指揮通信系統。徐年等[4]提出以衛星通信和3G 網絡為主的應急指揮車通信技術系統的設計方案。賈寧等[5]對應急通信指揮車改造和系統集成提出可行方案。楊鴻昌等[6]提出了一種基于物聯網技術的電力應急救援智能通信系統的設計思路。馮海亮等[7]提出基于TD-LTE 數字集群的寬帶無線專網架構及其融入應急通訊指揮的可能性。

目前核電廠火災現場的通信主要采用對講機和固定電話方式實現。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、具備多網融合的通信措施，核電廠現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，該系統在消防指揮車上設置了一套通信平臺，火災發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

核電廠火災應急現場處置是綜合性的業務，包括現場災情偵察、信息數據上報、指揮命令下達、現場環境監控等一系列內容。為處理核電廠突發事件中的應急指揮事件，統一指揮消防工作，聯合行動，融合通信平臺，將現場應急通信的需求歸納如下：①完善的接入能力。可接入電話系統、監控系統、會議音頻系統、視頻會議系統、無線對講系統、移動單兵終端等通訊子系統。②完善的級聯能力。系統各級可以接入不同的通訊自系統，將系統進行統一調度，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的綜合調度能力，配備調度臺，可同時處理多路通話，對接入的其他通信子系統可進行靈活調度互通。調度臺與單兵終端進行緊密高效的工作匯報及任務下達。可靈活調度已接入的音視頻終端，可將音視頻傳輸推送至其他系統。④靈活的網絡適應能力。系統可基于不同的網絡形式和架構，實現穩定及時的通訊調度，包括有線網絡、無線網絡、無線專網、自組網、衛星網等，適應不同的網絡環境。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度終端手動錄音錄像結合保證錄制數據完整性，全面留存系統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，最大限度保證數據安全性。⑥足夠的性能指標。最大可提供100 終端注冊能力及最大50 通話并發能力，完全滿足日常及消防調度應用。⑦開放的對外接口能力。支持多平臺SDK 二次開發及webservice 基礎數據接口，擁有與第三方系統靈活對接融合的能力。

3 系統架構

3.1 整體架構

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

圖1 應急指揮通信系統整體架構示意圖

3.2 網絡架構設計

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

3.2.1 自組網

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

圖2 Mesh 網絡系統架構示意圖

3.2.2 4G 傳輸

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

4G 專網傳輸指在核電廠區建立專用4G 網絡基站，使用TD-LTE 標準的4G 網絡，該網絡系統下行采用OFDMA 技術、上行采用單載波頻分多址接入（SCFDMA）。該系統在時、頻、空三維資源上采用靈活的基于子信道化的分組調度技術，通過業務優先級、公平性、吞吐量、干擾協調、信道質量等信息對業務進行調度傳輸。通過設置用戶優先級以保證不同用戶的資源分配差異，優先保證高優先級用戶的通信。該系統采用扁平化、全IP 化網絡架構，基站直接與核心網相連，沒有無線網絡控制器，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 系統網絡架構如圖3所示。

圖3 4G 網絡系統架構示意圖

3.2.3 自組網、4G 專網傳輸互補

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

4 系統功能設計與實現

系統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場，有效連接各硬件節點實現核電廠區火災應急通訊功能，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、音頻廣播網關和工業4G 路由器等系統設備，用于快速部署現場指揮部，回傳無人機圖像和聯通指揮中心等功能；③消防現場部署自組網系統、單兵終端、衛星電話、4G 布控球、移動無線集群網關、無人機等設備，多種手段回傳現場音視頻信息，同時通過對講機和衛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度部門，該區域功能的實現需設置智能融合通信系統主機、媒體會議服務器。

智能融合通信系統作為融合通信平臺的核心服務器對接不同通信系統，支持包括RFC 系列、SIPv2、TCP/UDP/IP、RTP/RTCP、HTTP、ARP 等多項傳輸協議，實現多套系統間資源共享，通訊互通，包括語音調度、視頻會議、視頻監控、GIS 調度、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，是多媒體調度交換系統的核心組件，對多媒體調度業務中的視頻數據進行轉發、轉碼等交換處理，滿足多媒體調度系統大量視頻數據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 協議與視頻服務器對接使用。

以上主機及服務器后面板的網絡接口連接機房內網交換機，按照網絡要求配置IP 地址，和內網內部其他設備網絡互通。

4.2 消防通訊指揮車

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

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

4.3 消防現場

消防現場設置自組網系統、單兵終端、衛星電話、4G布控球、移動無線集群網關、無人機、消防員狀態監測系統。自組網通訊系統包括自組網中繼基站和單兵背負自組網設備，用于架設現場局部網絡。該系統為MIMO 高性能自組網，內建4 W 高線性功放，IP66 以上防護等級，采用無中心多跳組網方式，支持4G LTE 公網接入和2.4G/5.8G 雙頻Wi-Fi。現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設備，網絡與便攜箱設備聯通，實現音視頻通訊。衛星電話是特殊情況下采用的應急通訊工具。通過海事衛星終端，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布控球將現場圖像通過4G/有線網/衛星鏈路方式傳回消防指揮車，并通過便攜箱將視頻融合，并進行調度，或將視頻畫面傳回指揮中心，該設備內置GPS/BD 天線具有定位功能。移動集群網關為對講延伸設備，基于ROIP 技術和SIP協議將直接無線無法互通的對講系統通過有線的方式進行延伸，將各種無線電臺通信系統接入應急指揮融合通信平臺中，與傳統的模擬/數字對講系統實現互聯互通，且可以在沒有融合通信平臺的情況下單獨使用。現場無人機為空中視頻回傳工具，將拍攝到的現場視頻回傳到指揮車，并通過現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。指揮車內的流媒體服務器使用有線網絡連接車內內網交換機。消防員狀態監測系統使用生命體征手環實時監測消防人員生命系統信息，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、歷史數據查詢等功能，采用BT4.0 藍牙技術傳輸至單兵手持終端。

5 結束語

本課題根據核電廠火災應急指揮需求設計并實現應急融合通訊系統功能，解決了火災現場指揮的痛點問題，使核電廠能更迅速高效執行火災應急任務，降低受災成本。該通訊系統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。