移动互联及应急通信技术在防汛抗旱中的应用

（长江水利委员会网络与信息中心，湖北武汉 430010）

1 概述

视频会商系统是利用电视技术、计算机技术和通信技术在两地或多个地点召开电视会议，同时可以通过网络传输图片、文字、语音和图像，进行远程教育和会商的多媒体系统［1］。视频会商系统作为政务信息化的重要组成部分，承担着各级政府部门内部及相互之间沟通、会商、决策的重要职责，各级政府的指示精神和重要事务需要通过此系统进行上传下达［2］。

视频监控是安全防范系统的重要组成部分，可获得有效数据、图像或声音信息，对突发性异常事件的过程进行及时监视和记忆，用以提供高效、及时地指挥和调度、险情处置等。部署建设远程视频监控系统，有利于第一时间掌握工程现地施工资料，实时对可能或正在发生的汛情、险情、灾情进行动态监视，提高工程现场管理决策效率，对保障工程安全具有重要作用［3］。

通过近几年国家防汛抗旱指挥系统以及相关信息系统的建设，长江水利委员会（以下简称“长江委”）逐步建立起了较完善的视频会商和视频监控系统，保障了防汛指挥长会商、洪水模型调度、应急演练等会议的顺利召开和国家领导人对重点水库及断面的实时画面调阅指挥，尤其在2020年长江流域性大洪水的防汛调度工作中发挥了不可替代的作用，为方案商讨、指令下达、调令监督等工作提供了重要保障。

但是，由于视频会商和视频监控系统的传输带宽较高，且对线路的传输延迟较敏感，一般均采用租用专线的方式进行传输，存在以下问题：

（1）造价高昂，存在性能瓶颈。会商系统建设初期需投入较高的经费，尤其是MCU设备价格昂贵，且会议容量受限于单台MCU的性能，一旦设备损坏则无法召开多点会议。

（2）租用费用高，利用率较低。传统会商和监控需要租用运营商专线，每年线路租赁费是一笔不小的开支，且为保证视频传输质量，一般线路租用后只能用于该业务，难以与其他业务共享带宽，线路利用率不高。

（3）部署不便。由于线路开通时即指定了线路的两端位置，因此线路租用后仅限于两端间的数据传输，无法在临时有需要时增加会商或监控的接入，影响了现地指挥和现场实时图像传输的灵活性需求。

（4）组网方式不灵活。随着智能设备不断普及，越来越多的用户倾向于使用个人手持设备参与会商或使用手持设备采集现场的音视频信息，而传统的会商和监控方式则难以满足这类需求。

本文探讨采用移动互联和应急通信技术作为传统视频会商和视频监控的传输辅助手段，为防汛抗旱工作提供更加可靠、灵活、便利的保障措施。

2 系统总体架构

基于移动互联和应急通信技术的会商监控系统架构，如图1所示。

传统的视频会商系统要求在单位内部安装视频会议终端、MCU设备，通过水利网与水利部和各流域相关单位进行会商。而传统的视频监控系统则要求在单位内部安装视频监控平台服务器，通过运营商专线接入前端视频监控点位，这些都对线路带宽占用有较高的要求。

采用移动互联和应急通信技术后，视频会商和视频监控大大提高了接入的灵活性，并节约了带宽的可利用率。在普通使用场景下，视频会商可采用云会议方式，在家中或办公环境等任意可接入互联网的地方，采用支持云会议相关协议的云终端、手机或电脑等接入会议系统，即时进行会商讨论；视频监控可使用蜂窝网，通过现场配置的路由器无线接入当地运营商基站，再通过运营商核心网络交换至单位骨干网后接入视频监控平台，快捷接入任意有运营商基站覆盖的监控点位。在极端使用场景，如运营商网络不可用时，可通过在应急现场部署的卫星便携站传输现场的声音和视频，完成对现场的监控图像提取以及远程指挥。

图1 系统总体架构

3 关键技术

3.1 云会议

云会议系统采用云计算架构和虚拟化技术，通过将新一代MCU利用虚拟化方式统一部署在云平台上，实现集群化MCU资源池［4］。虚拟服务器与传统MCU不同，传统的MCU架构是“全编全解”，而新一代MCU仅负责码流的转发，不再进行编解码处理，云会议中的各个终端根据自己的处理能力和网络状况，向服务器请求接收合适的码流并解码。

采用云会议系统，由于MCU采用集群化部署，大大增强了其容灾能力，且云会议系统不依赖于专线，各智能设备均能通过互联网、蜂窝网等直接接入，组网更加方便，接入方式更加灵活，更适应多种移动会商场景。

3.2 4G/5G蜂窝网

目前，作为4G标准之一的LTE技术已成为全球主流，相关产品正处于成熟期，网络部署接近尾声，终端也已十分丰富，4G网络是全球运营商的主流服务网络，按照行业预计，在未来相当长的一段时间内，将与5G网络并存，成为运营商的主要服务网络。

使用4G/5G网络传输视频会商和视频监控数据，具备如下优点：①全天候全时段传输，只要有运营商信号覆盖的地方，将设备连通电源，就可快捷地将现场数据传输回平台或服务器端；②传输速率高，视频会商和视频监控对网络带宽的需求较大，而目前即使采用4G网络，速率也可达到下行100 Mbps、上行20 Mbps，切换到5G网络后还会进一步提升速率，保证了视频传输的流畅度，完全满足会商和监控的使用需求；③使用成本低，相比传统的租用专线传输，4G/5G网络传输按需使用，费用按流量计算，不使用时不占用资源，也无需计费，加之业务不断普及，流量需求量增加，流量费也更易于与运营商议价，单位费用可进一步降低；④设备架设便捷，前端只需采用个人手机或增加1个小型的4G路由器即可打通数据链路，适合突发事件报道或专线难以快速覆盖的情况下使用。

3.3 VPDN

VPDN（Virtual Private Dial-up Network）又称虚拟专用（或私有）拨号网，是虚拟专用网（VPN）的业务之一，是以拨号接入方式上网传输数据，并对数据进行封包和加密的一种网络。利用IP网络的承载功能结合相应的认证和授权机制建立起来的安全VPN，是近年来随着互联网发展而迅速发展起来的技术［5］。VPDN可实现将数据流量强制到特定目的地，并提供必要数据安全支持。

无线VPDN基于运营商的LTE高速分组数据网络，利用L2TP（第二层隧道协议）隧道技术为无线移动终端构建的与公众互联网完全隔离的虚拟专用网络，从而实现在任何地点为无线移动终端提供到达客户内部网络的无缝和安全连接［6］，满足安全访问内网相关资源的需求。使用VPDN业务，可为每个摄像机分配1个固定的私网IP地址，监控平台均可如访问内网资源一样的访问各前端摄像头，在保证高质量视频传输和数据安全的同时，提高了部署的灵活性，在视频监控领域应用广泛。

3.4 卫星网

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信，使用的无线电波频率为微波频段（300 MHz～300 GHz）。卫星视频会议系统主要用于在重大突发公共事件发生时，指挥中心与各级民政部门以及灾害现场的协调沟通、会议会商［7］。

与其他通信技术相比，卫星通信技术具有许多独特优点，包括：①覆盖范围广。卫星通信覆盖面广，适合于站点分散、面状分布、远离城市和公用电信网覆盖不到的边远地区组建通信网，作为水库及水文测站的通信手段尤为合适。②建设投资省。卫星通信不需要建设中继站，无需建通信铁塔，一个卫星地面站造价还不及一个微波中继站建站投资的1/4。③安装调试便利。卫星地面站设备轻便，天线口径小，架设方便，安装及调试的时间也很短，可用于防洪抢险现场的指挥调度，是应急通信手段的重要组成部分。④可靠性高。除卫星转发器外，传输线路上没有中间环节，各个小站之间相互独立，互不影响，可靠性高。⑤传输质量好。卫星数据传输速率可达2 048 kbps以上，误码率优于10-7，话音的误码率优于10-6。⑥抗水毁能力强。与地面通信系统相比，卫星通信受自然灾害特别是洪水灾害损毁的概率小，单站点故障不影响其他远端站或全网的正常通信。

利用卫星通信的优点，结合水利系统防汛抗旱的业务特点，可将卫星通信网作为防汛抗旱会商系统的备用通信信道，提升会商系统的可用性，还可在紧急情况下通过卫星链路召开临时视频会议，以解决突发事件现场无公网覆盖情况下的音、视频传输问题。

3.5 物联网

物联网（The Internet of Things，简称IoT）是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

通过物联网应用，可实现远程无人值守站点的信息状态获取，动态掌握前端设备的运行状况、获取所需要提取的数据，进而可以更智能地对前端设备进行控制，在减轻工作量的同时，提高设备的智能化管理水平。

4 具体应用

4.1 异地飞检

受疫情影响，2020年初外地出差受到了一定限制。为不影响防汛检查工作的开展，长江委采用了对部分站点飞检的形式检查防汛准备情况。采用云视频会商系统，站点工作人员通过手机接入会议，共享经手机采集的现场视音频，并直接在现场做工作汇报，由专家在会商现场对其进行了质询，提高了检查效率，确保了工作的正常完成，保证了防汛设施在汛前准备到位。异地飞检应用场景见图2。

图2 异地飞检

4.2 即时讨论会商

作为传统视频会商的重要补充手段，即时讨论会商采用云视频会议方式，支持正式会场、个人电脑、笔记本、手机等设备的接入，随时召集、参与会议，音视频清晰流畅，且不受场地、线路和环境的影响。会议过程中参会者可灵活调整视频观看布局，接收或共享发送演示文档，便于即时与各参会人员讨论。即时讨论会商应用场景见图3。

图3 即时讨论会商

4.3 险情现场指挥

山洪、泥石流、堰塞湖等水利系统突发事件大多发生在偏远地区，而现有的公网通信主要是依靠光纤通信网络，极易受到灾害影响而中断，且恢复通信需耗费大量时间。移动卫星通信车或便携式卫星设备机动灵活、可快速部署，能在各种恶劣环境下高效运行工作，而且支持语音、视频、数据的传输，险情现场利用卫星通信作为通信保障非常合适。图4为应急演练期间在水库现场通过无人机采集视频然后经卫星传输回长江委的视频画面。

图4 险情现场指挥

卫星通信网打通后，现场指挥部可利用视频会议设备与后方指挥部进行视频会商，及时通过无人机或DV将现场图片、视频及采集到的各种数据传送至指挥决策机构，使后方指挥决策人员可直观了解险情现场情况，及时作出相关部署，大大提高险情处置的效率。

4.4 临时监控架设

采用4G/5G无线传输方式，便于在野外任意位置临时架设视频监控。监控头架设好后，通过网线连接4G/5G路由器，在路由器上安装运营商SIM卡并经过简单的参数配置后，即可将现场视频传输回监控平台，无需租用昂贵的运营商专线，也无需复杂的网络配置，视频传输清晰稳定，满足应急现场视频采集需求。

图5为2020年9月长江委赴川滇藏交界的巴塘水文站，在修复水毁卫星小站的同时，通过架设2个视频监控摄像头和4G路由器，将现场实时视频传输回长江委，为了解站点水位情况提供了直观数据。

图5 临时监控架设

4.5 设备远程状态获取

对于无人值守站点，对现场设备的维护和状态获取尤为重要，不仅可实时掌握设备的健康情况，也便于及时重启设备以恢复正常工作状态。图6为汛期采用太阳能供电的监控站点的实时电压电流状态获取结果。

采用IoT技术，通过4G路由器提供的无线传输信道，可建立远程串口通道，在服务器上部署相关应用程序，定时获取设备端传输的电压、电流数据，了解电池容量和充电电流。在发现电池欠压时，还可通过控制电源开启关闭、减少云台运动等方式减小电源损耗，以实现设备的长期稳定运行。

图6 设备远程状态获取

5 结语

移动互联和应急通信技术的加入，为视频会商和视频监控提供了更加便利、灵活且可靠的数据传输通道，使会商和监控的形式多样化，传统视频会商和视频监控得到了有效补充和延伸。2020年入汛后先后发生5次编号洪水，而借助基于移动互联和应急通信技术的视频会商和视频监控系统的高效密集商讨调度和实时在线远程监督，长江流域汛前检查工作准备充足，应急演练工作成效良好，防汛调度工作开展得有条不紊，且有效落实了调令下达工作，确保了防汛抗旱工作取得阶段性胜利。

近年来，长江流域多次举行跨专业、跨系统的应急演练，利用卫星通信和移动互联技术作为通信手段进行会商取得了良好的效果，为可能发生的实战打下了坚实基础。未来将扩大移动互联和应急通信技术在各领域的应用，让系统延伸到采砂管理、工程监管、水资源保护、水政执法等各业务工作中，积极拓展系统的使用范围，为长江委内各项业务提供强有力的支撑和保障。