地震应急通信“最后一公里”问题的解决方案设计*

娄世平 贾荣光 杨玉永 刘瑞峰 董 翔 徐秀杰

地震应急通信“最后一公里”问题的解决方案设计*

娄世平 贾荣光 杨玉永 刘瑞峰 董 翔 徐秀杰

以打通震后灾区应急通信“最后一公里”、消除通信盲区为目的，设计基于卫星通信的地震现场应急通信系统，集成多种通信手段，将通信能力向灾区纵深延伸，通过话音综合调度系统对各种不同通信方式进行融合，并根据实际的应用情况，分析各种手段的优点和局限性，并探讨下一步的升级改良方案。

地震应急 通信 最后一公里

1 ．引言

大地震发生后，地面上的通信设施会遭到毁灭性破坏，而地震造成的道路损毁、电力中断，又加大了通信设施抢修的难度。应急通信保障是地震救援中的重要一环，主要任务是在震后第一时间建立地震现场与外界的通信联络，及时让外界了解灾区的灾情和救援处置情况，同时连通前方和后方指挥部，实现实时的图像、话音和数据的传输，保障指挥长对灾害救援现场图像和各类信息的实时掌控，为领导及时有效的指挥决策提供强有力的支持。在地震行业，从“九五”开始，经过中国数字地震观测网络、国家地震社会服务工程等项目的实施，目前大多数省级地震局已配备现场应急通信车，部分有条件的市级地震局也在进行建设。应急通信车担负着地震现场通信枢纽和指挥枢纽的重任，但应急通信车一般载重大，通过性较差，尤其在地震之后道路遭到破坏的情况下，更是难以深入到灾区第一线，在地震现场，如何将通信能力向纵深延伸，打通应急通信的“最后一公里”，建立能够覆盖地震现场各个救援处置点的通信能力，使指挥调度命令能够下达到每一个救援处置小组，保证救援工作协同有序开展，同时也为因通信基础设施毁坏而陷入“通信孤岛”的人员提供通信服务，是地震现场应急通信保障的重点和难点[1]。

“十五”期间，山东省地震局建设完成了地震现场应急指挥技术系统，但该系统存在集成度不高、通信手段单一、对现场工作的综合保障能力欠缺等方面的问题，为更好的服务于山东省的防震减灾工作，“十二五”期间，作为山东省防震减灾“十二五”规划项目的一部分，山东省地震局建设完成了山东地震现场移动指挥平台，指挥平台采用北方奔驰二类载货汽车底盘进行改装，会议区采用双向侧拉方舱，空间充足，配备多种通信手段，充分考虑恶劣条件下的通信需求。指挥平台外观如图1所示。

该项目于2014年通过验收并投入使用，项目建成后，山东省地震现场应急服务水平得到了提高，通信能力、综合保障能力、现场产出能力以及车辆机动性等有了明显提升。在解决应急通信“最后一公里”问题方面，本项目做了积极有效的尝试，综合应用了多种不同类型的通信手段，并将各种手段集成到统一的指挥调度系统，实现了互联互通。本文重点介绍山东地震移动指挥平台在解决“最后一公里”问题上的设计方案，并分析应用情况，探讨进一步的改良方案。

图1 山东地震现场移动指挥平台外观

2 ．通信系统总体设计

山东地震移动指挥平台实现了省抗震救灾指挥部的核心功能前移，是多源灾情信息的现场综合处理平台、抗震救灾指挥部的移动支撑平台和专家协同的前端集成点，通信能力是保障各项业务顺利开展的基础，在通信系统的设计上，我们遵循了先进性、实用性、可靠性和安全性相统一的原则，合理配置各种通信资源，确保在任何时间、任何地点、任何环境下通信不中断。

VSAT（Very Small Aperture Terminal）卫星通信系统是通信系统的核心，采用德国诺达公司的SkyWAN卫星系统，接入中国地震局应急卫星通信网，实现和中国地震局中心站、其他省局卫星站、山东省地震局卫星固定站之间的互联互通，同时，为确保震后卫星通信畅通，在现有国家地震应急卫星通信平台的基础上，增配DVB-SCPC技术体制的通信设备，使整个系统实现了SkyWAN（日常模式和应急模式）和DVB-SCPC（点对点）相结合的双模卫星网络结构，在地震应急时，当SkyWAN系统不能提供足够的带宽资源时，可根据需要切换至第二种体制的卫星通信系统，使用DVB-SCPC模式与省局指挥中心建立点对点卫星信道。

指挥平台还部署了海事卫星、短波、超短波、3G/4G移动通信、北斗卫星通信以及光纤通信等多种通信方式，其中，北斗系统的短报文功能是在最不利条件下的保底手段，可向省局指挥中心上报位置信息和收发短消息，在较不利条件下，则可使用海事卫星电话与外界公网取得联系，或者用短波通信进行专网的话音对讲。

3 ．应急通信“最后一公里”解决方案设计

解决应急通信“最后一公里”问题的关键是通信设备的小型化，在车辆无法通行的地区，可由人员携带前行，或者搭载在无人机、飞艇等浮空平台上，提供通信服务。打通应急通信的“最后一公里”，并不意味着要提供和震前同样的通信服务水平，在通信断绝的“孤岛”上，即使能够向外界传送一条文字信息，其价值也是非常高的。我们的设计目标是消除通信盲区、恢复通信能力，根据不同情况，综合采用微波、超短波、便携卫星、海事卫星以及有线光纤等手段，使不具备通信能力的地点恢复通信联络，建立语音、视频、数据等双向或单向通道。

3.1 微波高清图像传输

3.2 无线网桥

指挥平台配备5台思科无线网桥，与路由器、交换机同一品牌，形成统一的无线网络，支持点到点或点到多点的配置，11 Mbps情况下通信最大跨度可达到32公里，聚合吞吐量不低于28 Mbps，802.11b最大发射功率为100毫瓦，802.11g最大发射功率为30毫瓦，支持天线分集，可在车顶安装全向、扇形或高增益碟型天线，增大传输距离。

3.3 光端机

光纤传输具有频带宽、损耗低、抗干扰能力强的特点，指挥平台也具备光纤通信能力，车上搭载了两部光端机，还有200米和1000米两个光纤线缆盘，指挥平台部署一部光端机，在车辆裙箱的接口中有4个光纤接口，其中有2个用于多业务光端机、1个用于1000米光缆、1个备用，另外一部光端机根据需要部署在车外，建立与指挥车的有线通信。

3.4 数字集群对讲

2014年3 月—2017年1月间，采用回顾性、抽样调查方法，选择118例在重庆市开州区人民医院诊治的老年膝关节周围骨肿瘤患者，纳入标准：就诊的初发未治膝关节周围骨肿瘤患者；年龄≥60岁；膝关节周围骨肿瘤诊断依据WHO标准；既往未曾治疗；具有手术指征与化疗指征；本研究得到了本院伦理委员会的批准。排除标准：精神疾病患者；合并严重心肝肾异常患者；妊娠与哺乳期妇女。根据治疗方法不同将其分为各59例患者的观察组与对照组，统计学对比基础资料，两组患者间无差异。见表1。

数字集群技术具有调度功能、组呼功能和快速呼叫特性，应急指挥平台搭载数字集群基站，配置1个无线车载台和若干手持台，实现现场语音指挥调度和命令传达，可建立覆盖移动指挥平台周围5公里范围的无线对讲联络。

3.5 便携卫星系统

Thuraya（舒拉亚）卫星系统是一个商业化的卫星通信系统，该系统结合GSM和GPS，能够为移动用户提供包括语音、数据、传真和短信的通信服务。为保证在公用通信网络不能使用的情况下仍能使用手机等智能终端上报灾情信息，指挥平台配备了两套Thuraya IP+便携卫星系统，单套系统自重仅1.4公斤，可提供444 Kbps带宽，震后由单人携带，配合安装在智能终端上的灾情上报软件回传灾情调查、烈度划界等数据。

3.6 海事卫星电话

配置1套支持车载移动通信功能的BGAN海事卫星终端，置于车顶部的天线具有实时追踪卫星信号位置的功能，可在车辆移动中提供持续的话音和数据服务，另外，还配备1套BGAN 500和1套BGAN 700便携式海事卫星终端，方便单人携带，可提供话音和宽带数据服务。

4 ．通信融合

图2 话音综合调度系统网络拓扑示意图

指挥平台具备多种不同类型的通信手段，为了综合调度各种通信方式传输的话音业务，打通指挥中心和前方救援处置第一线的话音通道，指挥平台部署了话音综合调度系统，该系统采用IP软交换通信技术和数字信号处理技术，支持普通电话、短波电台、超短波电台、常规/集群对讲电台和数字集群电台、3G/4G、海事卫星电话等不同通信方式以及不同无线频点的话音通信，通过端口对应的固定开关完成不同端口之间的互联互通，具备轮询呼叫、组呼、动态会议、自动追呼等功能，通过一键式拨号建立不同通信系统间的联系，如固定电话直接与无线电台话音交互、对讲机直接与海事卫星电话话音交互等，实现了各种有线或无线话音业务互联互通和统一调度。话音综合调度系统网络拓扑如图2所示。

多种不同通信手段的融合，解决了某些通信方式通信距离短、只能在一定范围内使用、无法直接和远距离指挥中心联系的缺点，部署了话音综合调度系统以后，前方作业人员可通过数字集群手持台等便携设备直接与后方指挥长联系，后方指挥长的指挥调度命令也可以直接传达到前方第一线的作业人员，提高了沟通的效率，保证了各类信息及时准确的上传下达。

5 ．应用情况分析

2014年4月，移动指挥平台到达山东省地震局，开始验收前调试，2014年8月，调试阶段结束，正式交付投入使用，投入使用以来，每月至少组织一次演练，对指挥平台主要功能进行检查测试，参加过2014年在烟台举行的山东半岛地震应急救援综合演练、2015年在潍坊举行的山东省地震应急救援综合演练等大型演练活动，负责建立现场指挥部，保障现场通信和提供综合办公环境，能够圆满完成任务。该项目建设方案被河南省地震局、青海省地震局、济南市地震局、青岛市地震局、山东电力等多家单位借鉴。

解决应急通信“最后一公里”问题的各种通信手段都有其独特性，也有其局限性，在实际的应用中，根据不同的情况需求，采取最适合的通信手段，完成任务要求。

发生地震后，后方指挥中心需要获得第一手的前方资料，高清微波图传可以将地震现场的清晰画面和声音实时传送到移动指挥平台，经过混合矩阵切换，进入视频会议系统，经由VSAT卫星系统建立的卫星信道传输到后方指挥中心，在公网通信基础设施能提供服务的时候，也可通过3G/4G信道建立视频会议，传输的画面质量更高。高清微波图传可与指挥平台进行双向话音交互，背负图传终端的前方作业人员可第一时间接收到指挥平台的指挥调度命令，经过话音综合调度系统，也可直接与后方指挥中心建立话音联络，在指挥平台参加的几次大型演练中，都使用了微波图传进行现场画面的采集和传输。微波图传最大的问题是受传输路径上障碍物的影响非常大，一般情况下只能在视距传输，为了解决这个问题，我们通过无人机搭载图传终端在高空进行作业，在2016年的全国演练中，通过搭载在多旋翼无人机上的图传终端在高空拍摄现场画面，并实时传输到片区演练会场，取得了很好的效果。与此类似，无线网桥也易受中间障碍物影响，在使用时，我们采取了将指挥平台的基站天线架高，尽量增大传输距离的做法，有一定的效果。

数字集群对讲台适合进行现场指挥调度，是多车辆编组行进过程中沟通联络的首选工具，但通信容量较小，实现的业务单一，手持台之间可以直接进行通信，也可通过基站中继，后一种方式可以实现较大范围的通信覆盖，在地震现场工作中，一般是将指挥平台基站天线升起，采用基站中继的方式进行通信。

便携卫星系统和海事卫星电话不依赖于指挥平台的控制，可独立工作，实现远距离的通信。便携卫星系统的通信费用较高，没有包月套餐，按流量收费，在实际工作中一般是配合中国地震局下发的灾情上报软件使用，建立灾情调查和烈度划界数据上报的卫星通道。

6 ．下一步升级方案

在指挥平台的使用过程中，各种通信手段相互配合，取长补短，经过3年多的磨合，基本达到了最初的设计预期，较好保障了现场的各类需求，在应用过程中，我们也着眼最新的科技成果，思考将更多合适的通信手段应用于现场通信保障，实现消除通信盲区、开展多样化业务的目标。目前可供选择的通信手段主要有以下几种。

6.1 便携短波电台

短波通信受地面障碍物制约性小，设备成本低廉，具有较强的灵活性和抗打击性，适合应急通信中使用[2]。指挥平台配备125W短波车载台，在车辆无法到达的区域，可使用便携短波电台，由单人背负前行，便携短波电台与现有的微波图传、数字集群等手段相比，在绕射能力、传输距离方面具有比较明显的优势，是解决“最后一公里”问题的一个可选手段，可直接与后方指挥中心通信，也可融合到指挥平台的话音综合调度系统，经过中继建立通信。

6.2 空中平台通信中继

利用空中平台搭载通信基站，具有覆盖范围广、通信容量高、传输损耗低、机动性能强等优势，可以快速满足特殊地形的通信需求。系留多旋翼无人机采用系留供电的方式，由地面提供电力，可以实现不间断的飞行，同时具备灵活控制、稳定悬停的能力，是浮空器的首选。空中平台可以搭载自组网电台、集群微型基站、LTE微型基站等多种通信载荷，形成多种灵活的通信应用配置方式，从而在救灾现场快速搭建通信环境[3]。指挥平台现已配备一架多旋翼无人机用于航拍，不过，该无人机平台并非系留无人机，无法实现不间断的飞行。

6.3 Ad Hoc无线自组网

Ad Hoc网络是一种多跳、无中心、自组织的无线移动通信网络，它不需要固定的网络控制节点，具有灵活快速组网的特点，非常适合于震后建立应急通信，可作为末端子网接入蜂窝无线网或者卫星通信网，扩展现场通信网络的覆盖范围，也可以独立构建临时局域网，为入网设备提供通信服务[4]。Ad Hoc网络与传统的有中心网络相比，构建更为灵活，抗毁性更强，可以作为现场局域网组网的一个备用手段。

6.4 WiMax技术

WiMax是基于IEEE802.16标准的无线城域网技术，其基本目标是在城域范围内提供一种有效的互操作宽带无线接入手段[5]，在地震现场搭建WiMax基站，可以保障现场WiMax终端之间的语音、数据、视频的实时传输，同时，将WiMax基站与现场的卫星系统连接，将有效扩展现场卫星网络的覆盖范围，与指挥平台现有的无线网桥设备相比，具有更高的灵活性。

7 ．结束语

山东省地震现场移动指挥平台的定位是地震现场的指挥枢纽和通信集成点，其通信能力设计是建设中重点考虑的问题，要保证在任何条件下都能够通信畅通，就需要足够多的冗余资源设计，并不依赖于某一种通信手段，而是确保在某一类通信手段失效的情况下会有有效的备用手段。移动指挥平台是通信能力向灾区纵深延伸的“根据地”，是后方指挥中心设在地震现场的“眼睛”，需要为后方领导和专家提供足够详尽、准确和及时的现场信息，在通信能力设计上，重视解决“最后一公里”问题，单一的通信方式都具有一定的局限性，我们配备了多种不同类型的通信方式，尽量保证在最恶劣的情况下也具备一定的通信能力，消灭“通信孤岛”。在应用过程中，我们关注最新技术的发展，着眼于更高的要求，不断思考新的技术手段，以更好更有效的服务于地震现场的通信保障。

作者单位：山东省地震局

[1] 赵恒,白仙富,张方浩等.破坏性地震的应急通信需求与应用初探[J].地震研究,2012,35(1):139-144

[2] 韩小明.基于短波通信技术的应急通信系统设计研究[J].中国新通信,2016(16):11

[3] 郝昱文,李晓雪,赵喆等.突发公共事件天地一体化应急通信技术综述[J].信息技术,2016(4):84-87

[4] 王海涛,吴连才,武媛媛.应急通信保障中无线自组网技术的应用研究[J].数据通信,2013(2):41-44

[5] 王海涛.WiMax技术分析及其在应急通信中的应用[J].数字通信世界,2011(9):57-60

山东省地震局“地震应急信息服务创新团队”资助项目；山东省地震局重点研发计划“地震应急救援要素管理和信息发布系统的设计与实现”资助项目。