突发事件应急通信系统原型设计

熊宗炬　周波　剑阳

摘要：应急通信体系在城市运转遭到突发灾害或事故时，承担着及时、准确、畅通地传递第一手信息的“急先锋”角色，是决策者正确指挥抢险救灾的中枢神经。目前，我国已经认识到应急通信系统的重要性，因此我国各个部门已经配置了不少应急通信系统和设备，并且积累了相当的使用经验。但是，对于应急通信的功能需求和系统建设目前仍存在不少值得讨论的问题。本文重点探讨了一种改进的应急通信系统的原型设计和构想，为后续应急通信网络建设提供依据。

关键词：应急通信；突发事件；网络安全；系统原型

中图分类号：TN 929.3 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.04.002

0 突发事件的范围及特征和应急通信需求

在现代社会，突发事件的发生较为普遍，相关的机构也渐渐积累了一些应对处理的应急响应机制。就涉及到日常生活中常见的突发事件就包括高速公路事故，冰凌路况勘察，事故现场，医疗急救，反恐处突，危险品泄露、爆炸等，坑道救援，自然灾害如地震、泥石流、洪水、台风等等，总结这些突发事件的通信方面的特征就是，由于时间地点的不可预知，事发现场的通信保障能力较弱，而且可能已经因为各种原因受到损坏甚至完全瘫痪。为了处理这些事件的应急响应需要大流量的通信网络，而恶劣的外部环境如潮湿、有毒、高山、停电等让保障难度加大。应急处理过程需要在采集现场的视频和图像数据，这对应急机动通信提出了更高的要求。

1 应急机动通信建设原则

结合上述特征，应急通信能力建设的原则有以下几个方面：

（1）无线与有线相结合，现场以无线网为主：有线通信能够提供更高的带宽，更可靠的通信服务，但是临时部署的快速性不高，在一些比较混乱危险的场合甚至无法部署。现场的通信以无线方式就能熊宗炬等：突发事件应急通信系统原型设计很快的展开，成本上也很经济。（2）模块化设计原则：模块化标准设计，是为了统一标准，保持系统整体的先进性和兼容性，同时也为将来的扩充和升级换代留下足够的余地。另一方面，不同用户有不同的需求和预算，模块化能够让用户根据具体的情况进行选择和定制功能。（3）可机载以方便快速部署：在模块化的基础上，可机载是指用汽车或者飞机装载，这样对于快速部署到现场能够提供更高的机动性。一旦这些运输机具机动到现场，就能够立即展开一个应急通信节点。（4）适用、够用、经济的原则：新产品新技术不断推陈出新，如果一味追求先进性会额外的增加整个系统的成本，而且盲目尝试某些新技术可能导致系统的不稳定，所以在工程实现时要尽可能考虑成熟稳定经过时间和市场考验的产品。（5）设计上分开话音、数据（短信）和视频：不同的场合有不同的通信需求，将不同带宽和可靠性要求的上述三者分开来设计分别满足能够根据具体的要求提供不同的服务，而不是不分轻重缓急的全部上视频通话。分开设计的另外一个好处就是能够用多种工程实现手段以提供冗余性来实现可靠性要求。

2 应急机动通信系统设计

如图所示把整体应急机动通信系统分成几个子系统，这些子系统并不是绝对分割，只是为了方便描述而进行的逻辑划分，实际上不同子系统之间是有各种各样的联接关系的。此外，为了便于运输和管理，不同子系统的线缆需要单独放入各自的保管箱中，具体细节就不再赘述。由于采用机动载具，对于载具本身有一定的要求，比如都需要有足够的装载空间、续航半径、通过能力和运输能力，最好能够集成多套导航系统，如美国的GPS和国产的北斗系统。这样能够适应一定的恶劣天气环境和特殊需求。下面分各个子系统进行逐一介绍，介绍的时候会比较全面，但结合前面考虑的模块化和经济原则，在具体的工程实现时是可以根据用户和现场的实际情况选择部分功能模块的。

2.1 整体支持保障子系统

该子系统是对应急通信系统提供整体支持保障的，包括供电模块、防雷接地模块和照明广播模块。

供电模块可以包括市电引入单元，车载油机发电机组，开关电源，充电机，整流器，稳压单元，蓄电池组，长距离电缆线及转接分接单元等设备模块。这样设计是考虑了在有市电保障的地方通过线缆盘向该系统供电，在没有市电时通过发电机组输出电力，再经过相关的整流稳压单元实现供电的可靠性。

防雷接地模块需要考虑类似雷击等比较恶劣极端的情况，所以要考虑综合防雷措施，包括直击雷防护、感应雷防护、联合接地、等电位连接、电磁屏蔽、雷电分流、浪涌防护和雷电过电保护。充分接地也是电磁兼容设计的一个重要部分。机动应急通信系统需要配置接地准备部件如接地铜排、接地钢钎、接地线等。需要注意的是强弱电的地线要分开设置，即电源地和信号地不能简单的合二为一，否则会对通信产生干扰。有条件的场所最好将数字地和模拟地分开，高频部分地和低频部分地分开。在实际操作中，如果现场有现成的地网，尽量利用现有的地网以提示接地效果。防雷接地网敷设完成后，需要确保设备接地点与接地接线柱之间的电阻不大于0.02欧姆，接地电阻小于5欧姆。

广播照明模块，配置一台可垂直升降式照明装置，能够解决机动应急通信点所需的现场照明，通过调音台、功放和高功率音响组成现场广播，能够将远方的音频源如电话、现场喊话等，实时广播出去。

2.2 有线局端子系统

该子系统是指采用有线方式工作的各个子系统，包含的子模块比较多，包括传输交换系统，协议转换接口，安全保密系统，语音视频网关，存储服务器和显示系统。

传输交换系统实现本地和远端的数据传输与交换服务。包含了常用的多功能光端机，网络交换机，路由器，程控交换机等实现常用传输和交换功能的模块，这些模块包括附属的野战光缆和被复线等有较强抗毁能力的线缆。

协议转换接口并不是一套独立的系统，这其实是和传输交换系统紧密连接密切相关的实现各种通信协议的转换的物理接口，主要实现对逻辑音视频图像信号的编码和调制，再按照各系统能识别的信号电平和协议格式进入各传输交换环节。

安全保密系统也是一个重要模块，根据需要可以有防火墙，入侵检测，病毒防护，隔离网闸，路由密码机，信号加密机，保密机等设备用于确保通信的安全可靠传输。

语音视频网关包括音视频调度台，音视频采集模块，MCU，音视频切换矩阵等实现音视频信号的转换和分发。

存储服务器包括音视频硬盘录像机，数据存储阵列，应用服务器等设备，主要实现对音视频数据的存储、记录等，同时能够结合应用服务器实现态势的整合，辅助决策等功能。考虑机动环境的因素，这些服务器都需要特别的加固处理，尽可能采用电子部件而不采用容易造成损坏的机械部件，如硬盘就考虑采用SSD产品以增加坚固性。

显示系统包括便携式投影，液晶显示屏，监视器，触摸屏，笔记本电脑，KVM等能够显示现场或者远方图像的各种显示设备，实现对各种复杂来源的图像及态势的监视和显示，在其他设备的配合下可以进行视频会议。

2.3 无线局端子系统

该子系统是指采用无线方式工作用于局端的子系统。它和无线终端子系统一起构成无线通信网络。所谓局端是指系统体积较为庞大，功能较为复杂，而终端是指系统体积较小，功能相对简单，但能够方便单人携带。无线局端子系统包括，无线局域网设备，短波电台，移动通信基站，卫星通信系统几个模块，实现无线信号的落地和中枢。

无线局域网

利用大功率的无线局域网设备，可以迅速搭建起以设备为中心的802.11a/b/n/g的现场无线局域网，以支持各种无线局域网的终端设备的网络接入。目前大功率的无线局域网设备可以在开阔地区覆盖半径达0-3公里。如果加上信号中继设备，还可以进一步延长覆盖范围。利用无线局域网，不仅仅能够传图片和视频，还能结合互联网电话服务器实现基于IP的网络电话，这对于简化用户操作起到很好的作用。

短波电台和超短波电台

短波电台不需要建立中继站即可实现远距离通信，因而建设和维护费用低，建设周期短；而且设备简单，可以根据使用要求固定设置，进行定点固定通信，也可以背负或进行移动通信；临时组网方便、迅速，具有很大的使用灵活性加之通信设备体积小能够快速方便的实现远距离点对点半双工语音、数据等通信业务。超短波电台虽然通信距离较近，但是价格低廉，加之体积小、重量轻，机动性强；与短波电台相比，具有通信频带宽、容量大、信号稳定等优点。在设备选型的时候可以根据用户的实际需求选择不同功率的产品以实现不同距离的覆盖。

移动通信基站

利用机动式移动微基站设备，其覆盖范围可以达到几个平方公里，能够同时为30部手机同时提供通话和短信服务，特别适用于无线终端不够或者没有移动通信信号的环境，能够让人手一部的手机临时发挥作用，实现临时话音和短信服务。

卫星通信系统具有不受地面环境影响，可以快速建立连接的优点，通信范围较广。其缺点是成本较高而且带宽较窄，延时较大。卫星通信包括高功放，变频，放大器，调制解调等设备组成，根据不同的应用需求可以与亚星，北斗，中星等卫星相连，考虑天线尺寸和干扰等因素，机动应急通信系统的卫星通信系统一般使用Ku频段进行工作。

天馈线系统包括升降杆，固定杆，基站天线，微波天线，馈线及随动电缆盘，全向天线，定向天线，信号中继天线，天线调节伺服机构，避雷针和警示灯等设备模块。由于不同信号制式的系统使用的天线不一样，需要在使用时注意配套。

2.4 无线终端子系统

该子系统主要包括各类支持音视频的便携式通信模块例如头戴或手持式设备，通信用无人机，运输用无人机等设备。这些设备的统一特征就是利用无线方式和无线局端进行通信，同时利用其他功能模块完成音视频采集，环境参数收集等特定的功能。

无人机在本系统中的作用可以有很多种，配备变焦摄像头可以作为现场航拍图像或者视频用，配备音频采集和播放设备可以作为一个可移动式通信终端用，配备温湿度探头或者特殊气体如烟雾或者危险气体感应探头可以作为环境参数收集用，也可以作为从后方给前方快速运输一些小设备用，还可以作为通信接力模块用。

为了便于无人机和现场特定人员的互动，可以考虑给现场人员配备特别的信标，例如RFID卡或者特殊频率电子信号或光信号模块，这样无人机通过识别这些信标就能够接近这些人员实现物品的交接或者音视频的采集。

考虑到现有无人机的续航能力较为有限，可以熊宗炬等：突发事件应急通信系统原型设计在预设的区域事先安装能够无线充电的充电设施。或者在系统配备的时候多备几台进行轮流替换使用。

3 应急机动通信原型实现需要考虑的因素

3.1 注意模块化标准设计

模块化设计的好处是能够提高子系统间的兼容性，便于扩展和升级；同时规范统一各系统的接口标准适配，便于系统的集成和互联互通。经济上能够让用户能够根据具体的需求进行选择和定制功能，节约成本。在实际工程实现的时候，用户根据其现实需求，选用符合标准和要求的产品设备，像搭积木一样能够快速成型一套应急通信系统，备品备件也能够及时得到补充和替换。

3.2 注意电磁兼容，防止中频干扰

电磁兼容设计的目的是解决电路之间的相互干扰，防止电子设备产生过强的电磁发射和防止电子设备对外界干扰过度敏感。在机动应急通信系统中干扰来源于几个方面：机动载具本身的干扰，机载通信设备，天线间的耦合和外界的杂波干扰。这里面的分析和解决较为复杂，具体而言包括设备的选择、接地设计、屏蔽设计和滤波设计等方面。在具体工程实现的时候，特别是在设备选型上，需要重点关注的就是中频信号干扰。

中频信号是高频信号经过变频而获得的一种信号，为了使放大器能够稳定的工作和减小干扰，一般的接收机都要将高频信号变为中频信号。中频干扰是接收机干扰的一种，接收机为了保持通道的一致性，所有信号经与本振差频后得到中频，如果存在与原始信号频段接近的信号，就会产生中频干扰。一般接收机有中频抑制这一参数，原则上是越大越好，但是具体环境中也要考虑对其他系统的影响。

3.3 注意短波通信的盲区问题

短波主要靠天波和地波两种方式传播。地波传播较稳定，但由于地表面对短波能量的吸收较大，其传播距离一般在几十千米之内。中远距离的通信，则依靠电离层对电波的一次或多次反射的天波传播，天波传播时衰减较小，传输距离可达数千千米甚至上万千米，因此天波与地波传输距离的差异就形成了短波通信的“盲区”。如果机动应急通信系统与前方或者后方的距离和位置刚好位于该盲区内，就必须考虑用其他的手段来进行通信。

4 总结

在突发的各类事件发生后，机动应急通信系统能够迅速到达事件现场并展开，利用有线和无线设备，实现现场的全覆盖式的数据、图像传输，为现场指挥部和应急工作队伍提供可移动指挥的临时办公和现场应急指挥通信保障，实现前方和后方的指挥协同，及时准确安全可靠的将信息传递到需要的人和地方，为后续的现场勘察，人员配备，物资调拨等应急资源和力量的分配提供有力可靠的技术支持，提高应急处突的工作效率。

机动应急通信系统中，整体支撑保障子系统是为整个应急通信系统提供整体支持保障；有线局端子系统是指采用有线方式工作的各个子系统，能够为现场的指挥和决策提供支持；无线局端子系统和无线终端子系统是指采用无线方式工作用的子系统，主要是采用无线方式工作的各类支持音视频的通信模块。