基于北斗的交通路網應急通信協同指揮系統設計和實現

程云歡

（北京華錄高誠科技有限公司，北京 100043）

0 引 言

在自然環境、氣候因素等變化的影響作用下，不同類型的自然災害頻發、破壞程度上升，導致大規模的交通路網基礎設施損毀，極大程度上對交通路網通信效率造成嚴重影響，還制約了災害救援的速度和難度。因此，交通部門在對突發事件進行處理時，一般借助地面無線通信設備或者打電話的方式，取得和事故現場的人員進行聯系，并實施救援。但在重特大自然災害發生時，現場電力以及網絡等基礎設備均遭到嚴重的破壞，導致地面通信鏈路終端無法借助固定的通信方式來取得和后方救援指揮中心之間的聯系。由于外部環境的影響，還缺乏有效的通信手段，應急通信能力差，無法充分滿足救援現場的實時通信和信息回傳。因此，在當前自然災害的應急通信體系背景下，現有的應急通信指揮系統并不通暢，時空數據交互、動態交通狀態信息推送以及災害現場的情況實時數據回傳處理的時效性不強，以及空、天、路等三路監測平臺之間的數據信息交互、協同指揮困難等，進一步使得應急通信協同指揮系統的發展受到限制，同時也會對現有交通路網以及通信能力、災害評估等方面造成極大的影響。

近幾年，相關研究人員對北斗技術在自然災害的應急救援展開了全面分析。楊明等人設計了基于北斗衛星導航技術的應急通信系統，為搶險救災提供了一種穩定的通信技術保障手段[1]。陳曉琳等人結合地震應用場景對北斗的應急指揮系統研究展開了相關研討[2]。高旭東等人基于北斗衛星設計了一種新的BGAN 應急指揮監控系統，該系統適用范圍較廣，并且在噪聲干擾影響的情況下依然能夠實現系統穩定運行[3]。從其研究成果上來看，高效、實時、快速響應的應急通信協同指揮系統是推動國內災情應急響應實現的重要基礎。

1 應急通信系統設計

重特大災害的發生，會導致地面的通信鏈路出現嚴重的損壞。因此，在對應急指揮系統進行設計時，需要分析該應急系統在實際應用過程中對高帶寬、低延時、高效率的傳輸需求。接著，選擇利用多衛星技術融合以及功能互補的方式，實現Ku 頻段便攜式終端以及靜中通車載式終端等設備作為中星A6 寬帶衛星的接入方式；而窄帶衛星的接入方式，主要借助天通手持機設備與北斗終端群設備等實現了通信連接，并由此構建一個能夠實現空天地一體化的應急通信平臺，能夠充分滿足重特大災害發生后，現場應急通信方面的需求。針對交通路網的應急通信系統設計規劃，能夠有效解決災害發生之后，在無公網狀態下，實現圖像、音視頻以及短信數據等信息的實時采集傳輸和交互，從而構建了一種前方點位、移動應急以及后方固定等通信的指揮平臺，為災害現場的救援奠定了基礎[4]。

2 系統總體架構設計

從系統的總體架構上來看，基于北斗技術所提出的一體化應急通信指揮系統的總體設計，主要由用戶層、應用層、終端層和網絡層等4 個部分組成，具體如圖1 所示。同時，本系統的設計還包括了不同類型用戶、遠程指揮、數據服務、應急指揮云平臺以及空天地一體應急衛星網絡系統等。其中，終端層設計通過不同類型終端設備實現了對災害現場的前端數據采集與傳輸等服務；網絡層設計通過對交通行業專網以及地面公網的融合，為應急通信傳輸提供了穩定的傳輸線路，還實現了前、后方間應急指揮中信息的實時互通。應用層的設計主要針對交通路網對應急通信協同指揮系統的設計需求，提供了災害點位的實時數據采集、應急指揮調度、實時定位、次生災害的預警以及現場信息的實時回傳等功能和服務。

圖1 交通路網的應急通信指揮系統設計示意

2.1 應急移動通信網絡設計

2.1.1 空天地一體應急通信網絡系統

該應急通信網絡系統，主要通過將北斗衛星、天通衛星、寬帶衛星、地面通信等技術進行融合，打破了應急通信大容量、高速率以及低延時的傳輸要求，使得多網資源的融合帶寬達到了1 MHz 以上，實現了應急通信。同時，還利用地面傳感感知設備、通信傳輸技術、北斗短報文通信技術等，實現了空天地一體衛星通信網絡系統的建設，使得三方面之間進行有機結合，充分滿足了災害范圍區域內的現場應急通信無縫覆蓋、無縫銜接以及通信不間斷的傳輸需求[5]。

2.1.2 應急移動通信終端群

應急移動通信終端群的設計主要配置在應急通信車和應急指揮車上，且該終端群主要包括北斗指揮型接收設備、天通手持設備、北斗手持終端、Ku 頻段便攜式終端、北斗RD 車載定位終端以及靜中通車載終端等設備。其中，北斗手持終端設備的設計實現了對災害現場不同區域中人員情況的動態精準定位，然后選擇利用DMR 制式技術，實現雙方短距離的短信以及語音交互。同時，還能夠實現自動尋優通信鏈路功能設計、一鍵求救報警預警功能、預警廣播功能。天通手持設備的設計利用三大運營商進行互通。北斗指揮型接收設備提高了發生指令的頻度和終端用戶數量的擴容，還為用戶提供了精準度衛星授時服務。基于北斗技術，設計的北斗車載定位終端主要包含了基于北斗系統的衛星無線電定位系統（Radio Determination Satellite System，RDSS）和RNSS 定位導航系統，從而實現了應急通信車與指揮車之間的短報文通信功能設計，以及實時導航、精準位置服務、定位信息上報等重要功能的應用，為不同車輛平臺的指揮調度和安全方面提供了保障。Ku 頻段便攜式終端設備的設計實現了快速、精準的衛星通信鏈路建設，為前方應急救援一線人員提供短時間中的對星服務，以及和應急指揮車之間的點對點衛星站點通信服務[6]。并且，以上設備的設計均充分滿足了重特大災害環境下的應急通信需求。

2.1.3 集群式通信及自動切換通信技術

系統通過結合多衛星功能、信息技術進行交替互補，然后結合多鏈路資源融合尋優技術實現了對應急通信系統的網絡設計，同時還實現了結合北斗短報文集群式通信技術的應用。針對不同災害數據位置、文件傳輸等數據傳輸方面的帶寬需求與外部環境對通信成功率的影響，需要進一步解決北斗用戶SIM 卡的短報文容量限制和環境對應急通信的成功率影響問題。本文選擇利用多卡集群式通信和智能數據分包技術，從物理層上將單卡每分鐘78byte 通信容量擴容到了2 080byte 之上，以此實現了帶寬的高效率應用，使其利用率得到23.2%的提升。而北斗終端通信鏈路自動切換技術的應用，不僅實現了地面公網與北斗通信之間的應急通信無縫集成，還有效解決了應急通信網絡存在的盲區問題，使得其應急通信能力得到進一步提高。此外，針對指揮系統的數據庫設計，本文選擇利用開源代碼MySQL 數據庫為主，它不僅能夠為多種類型編程語言提供應用程序接口（Application Programming Interface，API）， 還 擁有良好的可移植性。同時，MySQL 數據庫為了進一步方便用戶的使用，還為應急通信指揮系統提供Java數據庫連接（Java Database Connectivity，JDBC）、傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）以及開放數據庫連接（Open Database Connectivity，ODBC）等3 種數據庫連接方法，并結合結構化查詢語言（Structured Query Language，SQL）數據語言方法，為用戶對數量龐大的數據以及用戶實施管理和擴展提供支持，支持能夠處理超過千萬條數據信息記錄的大型數據庫。基于北斗技術提出并設計的應急通信指揮系統的數據表設計主要包含了設備、用戶、故障記錄、系統日志、操作記錄以及北斗信息記錄等信息表。

2.2 系統主要功能設計

本文所提出的基于北斗衛星的交通路網應急通信協同指揮系統的主要功能模塊由災情統計分析模塊、應急業務調度功能模塊、應急中心及界面顯示模塊、數據存儲模塊、應急預警傳播功能模塊以及人員位置定位功能模塊等6 個部分組成。

2.2.1 災情統計分析功能

此功能的設計主要對不同子系統的數據進行采集、處理以及分析之后，形成直觀的災情分析結果，并將其呈現給用戶。針對災情的數據，主要來源于對多媒體設備中數據（如圖片、音視頻等）的接收和查看，以及對監控設備采集的現場視頻與回傳實時視頻進行接收。同時，從資源管理模塊、業務調度模塊以及衛星資等方面均可以實現對災情數據的采集。最后，通過圖表、報表以及文字等結合的方式，生成災情分析報告。

2.2.2 應急業務調度功能

當應急指揮人員和救援人員到達災害、災后現場后，通過應急指揮車上的協同指揮云平臺，能夠實現對一線救援人員的調度指揮，并為救援人員提供最優的行進路線和實時定位、聯系人以及活動區域等信息，從而保證三方之間的信息交互通暢，并為應急通信業務保障提供支撐。

2.2.3 應急中心及界面顯示功能

此功能主要實現了遠程安全保障和監控、遠程指揮、遠程預警驅動及發布等作用，能夠將制定好的救援計劃以信息的方式發送給前方人員，并保持與救援人員的定位和行進路線服務。當遇到突發應急事件時，可以隨時接入公網，進行應急預警發布。當一線救援人員達到災害現場后，面對突發情況，可以利用終端設備向指揮中心一鍵求救，并進行報警，當平臺接收到信息后，會及時為用戶提供對應的基本信息，并將相關信息及時發送給就近的單位、駐地應急指揮中心。最后，通過界面顯示功能將現場情況以數據的方式展示出來。

2.2.4 數據存儲及處理功能

通過將串口通信數據參數、網絡通信參數以及北斗用戶地址等相關參數存儲到對應的配置文件當中，然后利用串口通信，將其存放在數據庫中。而數據處理功能的設計，主要實現了對串口數據以及網絡數據兩者之間的格式轉化處理。

2.2.5 應急預警傳播功能

針對災害現場所發生的次生災害，利用該模塊的預警信息群發功能，能夠向四周攜帶應急通信終端設備的人員進行預警信息群發，并向其通知對應的應急處置信息和聯系方式。

2.2.6 人員位置實時定位功能

該模塊的設計，實現了對在重特大災害救援現場中一線人員的通信以及定位，還能夠精準地將現場的實際情況、救援人員的數量、位置情況進行采集定位，并對其信息進行實時動態跟蹤，從而為一線人員的救援安全和求救人員的安全提供位置服務等基礎數據保障[7]。同時，該模塊還能夠實時對災害一線人員的車輛流動線路、活動軌跡等情況進行回放和定位。

3 實驗分析

為了進一步驗證本文所提出的應急通信指揮系統的可行性，在沒有主站中繼情況下進行數據傳輸，選擇以信號質量極差、無公網覆蓋的偏遠新疆地區為例，進行驗證。在該地區中，應急指揮車的選擇，主要考慮大型方艙車位底盤，并在指揮車上配備了1.8 m 的靜中衛星天線[8]。接著，通過鏈路計算發現，所發射的1.8 m 口徑天線能夠與1.8 m 的應急指揮車的天線之間保持正常的通信。同時，在雨衰余量的狀態下，還能夠有效滿足1 MHz 的通信帶寬雙向通信要求。

經過實驗測試證明，寬帶能夠實現1 路720p 視頻的傳輸。并且，在天通衛星的正常覆蓋范圍中，能夠實現多個天通手持機設備之間的正常通信服務。而基于北斗衛星所覆蓋的區域，能夠實現1 min/50 路的短報文信息的收發與定位。地面公網所能夠正常覆蓋的范圍上，能夠實現移動通信的自動切換、5G 制式信號的通信。新疆地區測試結果如表1 所示。

表1 新疆地區的測試結果顯示

從表1 中可以發現,本文所提出的基于北斗技術的交通路網應急通信系統設計，借助寬帶衛星為數據傳輸手段，搭配相應的設備、應急指揮車等，能夠實現在應急指揮車和應急通信車之間展開不小于1 Mb/s的音視頻以及數據傳輸。

4 結 論

基于北斗定位技術、北斗短報文通信技術、寬帶衛星融合技術以及天通衛星通信技術等設計的應急通信協同指揮系統，是一種不受設備、系統、地面公網限制的應急救援手段。在實際應用過程中可以實現實時、動態、無任何盲區的自然災害現場的應急通信，同時該系統的設計還擁有獨立組網能力，非常適合在覆蓋面積廣的重特大災害現場應急傳輸通道以及數據采集等方面的應用，能夠幫助后方指揮中心實時掌握災害現場的每個點位情況，為輔助災害現場的交通路網應急救援、資源調度運輸等方面優化配置提供支持，也為國內搶險救災過程中的應急通信協同指揮方面提供了一種先進技術保障措施。并且，該系統的設計在偏遠區域、通信不暢的山區等地方應用同樣存在明顯優勢。