大尺度区域灾害应急通信研究

孙金阳

摘要：我国是世界上灾害最严重的国家之一，不但灾害类型多、频度高、强度大，灾后环境复杂恶劣，各类灾害事故对社会功能、城市秩序及环境与资源等方面造成了严重的破坏，对人民生活、生产、社会安定、经济发展等方面造成了不良影响。本文主要以大尺度区域灾害为研究背景，在面向大范围自然灾害救援现场应急通信的数据需求和链路的高可靠性需求时，消防队伍现行应急通信体系内公网和卫星网络通信模式，以及对实现宽带自组网、公网、卫星、集群对讲和短波通信等异构网络融合，语音、视频、短信等多源数据的综合调度，满足自然灾害救援现场“看得见、呼得通、调得动”的业务应用需求等进行简要分析。

关键词：大尺度;应急通信;融合系统

应急通信贯穿灾害现场救援行动的全过程，是救援行动顺利进行的关键因素之一。大尺度区域灾害发生后，例如：2010年4月14日玉树地震;2019年3月30日凉山木里森林火灾;2020年3月31日西昌泸山森林火灾等，通常会导致公网瘫痪，造成灾害地点处于盲区，外界无法有计划性的展开救援。随着“十二五”“十三五”消防队伍信息化规划的全部实施以及“十四五”信息化的展开，我国消防队伍已经形成了一整套较为完善的应急通信体系，初步形成空、天、地一体化多种装备多维度的救援通信模式。但应急通信形势与方式上依旧存在较多问题需要解决，例如通信过程中灵活性低、自组网设备相对单一、卫星信号受外界因素影响较大、新分配370兆频点新建难度大、短波保底通信使用频率低等问题普遍存在。

1 灾害现场通信保障情况分析

我国自然灾害主要以洪涝、台风、干旱、地震、泥石流、地质灾害为主，森林草原火灾和风雹、低温冷冻、雪灾等灾害也有不同程度发生。消防队伍在遂行任务时根据受灾情况不同，灾害现场的通信会受到以下几方面的影响。

1.1灾害易造成有线通信中断

从1876年贝尔通过声音振动产生电流来进行数据的传输开始，有线通信系统经历了一百多年的演变和拓展，早已从同轴电缆向双绞线再到光纤通信的过度。目前有线通信以光纤通信为主，其容量大、传输距离远;信号干扰小、保密性能好;传输数据速率高等特点被广泛的应用到各个领域中。有线通信应用于部局指挥中心、各总队指挥中心和支队指挥中心之间的网络架构，同时各级指挥中心可通过指挥调度系统来接处警，是召开视频会议、下达命令、力量调派、日常办公、消防监督检查等的重要方式。有线通信的信号沿通信介质传输，因此遍布各地的电线、光缆等有线传输介质，在发生地震、冰冻灾害、泥石流、洪涝灾害、台风等自然灾害时，极易被损坏，导致受灾区域通信不畅。例如2008年1月中国发生大范围低温、雨雪、冰冻等自然灾害，20个省（区、市）受灾，造成通信杆路共倒断杆33万根、通信线路共3.2万公里受损。2008年汶川地震、2010年玉树地震，震中所有公网基站处于瘫痪状态，一时之间震中无任何通信设备可向外传递地震后造成损失的具体情况，给救援带来了极大的困难。

1.2灾害易造成无线通信阻塞

无线通信中使用的3kHz-3000GHz的电磁波称为无线电波，无线电波是电磁波的一部分。无线通信是指多个节点间不经由导体或缆线传播而是利用自由空间传播的电磁波进行的远距离传输通信，它包括甚低频、低频、中频、高频、甚高频、特高频、超高频、极高频、至高频通信，也叫作长波、中波、短波、超短波、微波通信。无线通信也是消防应急通信的难点和重点。

现阶段我国商用最多的第四代移动通信和逐步推广的第五代移动通信系统都属于微波通信，使用蜂窝小区制基站建设，基站覆盖范围小。公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，它是4G、5G的重要组成部分，是在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。目前为止，在消防通信系统中4G通信网络是灾害现场应急通信使用最多的通信网络之一。其中4G单兵图传、布控球、poc手持对讲机、公网移动电话等设备都需要通过基站交换信号。当发生大尺度区域灾害事故后，灾区通信基站极易受损，且灾害造成电力系统故障后，通信基站只能依靠备用电源在短时间内运行。同时，灾害对通信基站造成的破坏往往是严重的，修复需要一定时间。而现阶段在灾害现场参加救援的应急救援队伍、地方政府、人民群众所使用的通信装备有很大一部分需要依靠通信基站进行通信。因此通信基站受损会造成灾害现场通信不畅，阻碍救援行动的展开。并且，数据上4G基站有支持用户连接的上限，超过了最大连接数，终端将会接入失败，信号极差甚至是不能入网。一部分基站失效，会使用户链接集中到部分基站，这就会造成通信瘫痪，使外部失去受灾地区消息，给救援行动带来困难。

卫星通信是指利用人造地球衛星作为中继站转发或反射无线电信号，实现两个或多个地球站之间的通信。卫星通信是微波通信的继承和发展，是微波通信向太空的延伸。应急管理部消防救援局通过租用商用卫星来完成音视频和数据的传输，从最早的亚洲3s卫星的 22 兆带宽到亚洲7 号卫星的32兆带宽再到亚洲9号卫星的54兆带宽，经历了一个长期的发展历程。主要用于传输音视频的卫星通信装备包含了动中通卫星通信指挥车、静中通卫星通信指挥车、卫星便携站和海事卫星平板，用于传输音频的包含了海事卫星电话、铱星卫星电话和天通卫星电话等。卫星通信设备具有通信距离远，且费用与通信距离无关;覆盖面积大，便于多址连接;通信频带宽，传输容量大;通信线路稳定可靠，通信质量高;通信灵活等实际优点，在发生灾害后作为消防队伍主要使用通信网络并依托于图像综合管理平台。与此同时，卫星通信受到传输延迟大;10GHz以上频带受雨雪的影响;天线受太阳噪声的影响也给通信传输造成了很大困难。卫星通信过程中卫星天线必须始终精准的对准卫星，这就在使用过程中提出了具体要求，在城市内会经常受到高楼大厦的遮挡;在地震、泥石流等灾害救援时，通信指挥车难以到达核心灾害地点，卫星便携站携带困难，使用过程中就会受到多种因素影响;在森林火灾中单兵卫星通信设备往往会受到茂密的树木遮挡导致对星失败，最终无法将数据成功的进行传输。

2 重大灾害空天地一体化应急通信技术

重大地震时，灾区公网通信可能受限;台风等极端气象灾害时，无人机等机载平台难以升空;重大森林火灾及暴雨时，卫星通信和定位信号衰减严重;重大洪水灾害和重大地质灾害时，地面单兵及车载通信可能部署困难。因此，为解决场景适应性强、灵活性高的大尺度区域多体制融合应急通信与组网已迫在眉睫。

2.1重点研究内容

本文通过归纳总结列举了四个方面的课题需要去突破，具体是：

（1）面向大范围自然灾害快速救援的天空地敏捷协同应急通信网络架构

①面向组网及传输时延最小化的广域立体异构网络自动生成技术

②支持智能网络架构切片的天空地节点功能分割与接口设计

③多参数复杂约束下的大范围自组网覆盖、能耗与抗毁性联合优化

④业务类型、通信体制、链路能力联合驱动的天空地协同智能路由技术

⑤异体制通信节点间的高效鉴权认证技术

（2）卫星与地面通信网智能异构融合与信道资源自适应分配技术

①卫星、无人机与地面通信网络的智能异构融合技术

②空地节点无线自组织宽带传输技术

③多体制融合通信中的无线资源自适应分配与调度技术

④宽带多媒体数字集群与公网话音业务融合技术

⑤立体智能融合网络标准化体系设计

（3）灾害事故应急预案和辅助决策数据库

①灾害事故的现场调研、事故还原与灾情分析

②基于救援事故大数据建立和现行灭火救援指挥系统对接

③应用于多部门物联网应用

（4）重大灾害现场态势融合及调度一体化技术、平台系统与应用示范

①基于应急通信链路的重大自然灾害现场态势融合和实时指挥调度一体化技术及平台

②应急通信关键装备现场应用的测试规范、标准与规程

③具备不少于三类重大自然灾害场景应急救援演练和事故态势发展推演

④装备及平台在国家综合性消防救援队伍的实战和演练中的应用示范

2.2融合系统功能研究

本文由于篇幅有限，仅对第四课题进行简要描述。

面向大范围自然灾害的智能化指挥通信调度系统通过语音、视频数据通信网实现各种语音通信终端（包括模拟电话、IP电话、手机、对讲机等终端设备）在各级指挥中心本地以及跨级之间的互通以及与视频系统的联动，建立“看得到、呼得应、调得动”的通信调度服务，通过与融合通信调度系统的互联，对各类语音通信业务和活动进行通信指挥，实现相关指令下达、统一行动、信息传递、情况收集等功能。

本文中的融合系统需满足平战结合的指挥调度、通信联络需求，除具备一般电话业务功能外，还能满足处理突发事件所需的电话调度功能（如单呼、组呼、群呼、强插、强拆、电话会议等）;能在最短的时间内，完成与相关人员的通讯，并保证能够第一时间联系上相关人员。具备同时处理多起突发事件的能力，能够完成指挥中心的统一指挥调度。依托专网，实现各种语音通信/视频的融合和互联互通。实现应急值守室会议与扩声系统与指挥中心、视频系统、市话、移动通信、集群的数据传输和信息资源共享。

融合系统具备VOIP、GSM＼CDMA、4G、5G、数字＼模拟集群、常规对讲、E1＼FXO＼FXS等通信，具有调度、交换和会议功能。调度员通过在调度台席进行单呼、组呼、广播、会议，强插、强插、监听、保留、轉接等各种指挥调度操作，满足应急时全接口调度通信。融合系统需具备丰富、标准的接口，具有完善的组网能力，可实现与公网（PSTN/PLMN）、移动通信网（GSM/CDMA/WCDMA）、专网（无线集群、短波/超短波、卫星通信）、VOIP、内网（PBX、IPPBX）的融合组网和各种通信终端之间的互联互通。调度IP话机、座机、手机、移动电话、集群对讲设备等各种类型的终端，领导或应急人员可远程通过手机、座机实现对现场救援人员的指挥调度工作。

3 结语

面向大尺度重大自然灾害应急通信迫切需求，需突破多体制智能融合传输组网、立体自组网、卫星通信、宽带多媒体集群、可接入公网、短波电台等系列关键技术，研发面向语音、视频、数据为载体的融合指挥调度平台，打造体系化应急通信能力，构建空天地一体化的现场后方快速协同灾情综合研判生成和实时指挥调度系统，具备多种重大自然灾害场景应急救援演练和事故态势发展推演能力，为重大自然灾害应急救援通信装备的现代化提供坚实保障。