基于北斗的交通路网应急通信协同指挥系统设计和实现

程云欢

（北京华录高诚科技有限公司，北京 100043）

0 引 言

在自然环境、气候因素等变化的影响作用下，不同类型的自然灾害频发、破坏程度上升，导致大规模的交通路网基础设施损毁，极大程度上对交通路网通信效率造成严重影响，还制约了灾害救援的速度和难度。因此，交通部门在对突发事件进行处理时，一般借助地面无线通信设备或者打电话的方式，取得和事故现场的人员进行联系，并实施救援。但在重特大自然灾害发生时，现场电力以及网络等基础设备均遭到严重的破坏，导致地面通信链路终端无法借助固定的通信方式来取得和后方救援指挥中心之间的联系。由于外部环境的影响，还缺乏有效的通信手段，应急通信能力差，无法充分满足救援现场的实时通信和信息回传。因此，在当前自然灾害的应急通信体系背景下，现有的应急通信指挥系统并不通畅，时空数据交互、动态交通状态信息推送以及灾害现场的情况实时数据回传处理的时效性不强，以及空、天、路等三路监测平台之间的数据信息交互、协同指挥困难等，进一步使得应急通信协同指挥系统的发展受到限制，同时也会对现有交通路网以及通信能力、灾害评估等方面造成极大的影响。

近几年，相关研究人员对北斗技术在自然灾害的应急救援展开了全面分析。杨明等人设计了基于北斗卫星导航技术的应急通信系统，为抢险救灾提供了一种稳定的通信技术保障手段[1]。陈晓琳等人结合地震应用场景对北斗的应急指挥系统研究展开了相关研讨[2]。高旭东等人基于北斗卫星设计了一种新的BGAN 应急指挥监控系统，该系统适用范围较广，并且在噪声干扰影响的情况下依然能够实现系统稳定运行[3]。从其研究成果上来看，高效、实时、快速响应的应急通信协同指挥系统是推动国内灾情应急响应实现的重要基础。

1 应急通信系统设计

重特大灾害的发生，会导致地面的通信链路出现严重的损坏。因此，在对应急指挥系统进行设计时，需要分析该应急系统在实际应用过程中对高带宽、低延时、高效率的传输需求。接着，选择利用多卫星技术融合以及功能互补的方式，实现Ku 频段便携式终端以及静中通车载式终端等设备作为中星A6 宽带卫星的接入方式；而窄带卫星的接入方式，主要借助天通手持机设备与北斗终端群设备等实现了通信连接，并由此构建一个能够实现空天地一体化的应急通信平台，能够充分满足重特大灾害发生后，现场应急通信方面的需求。针对交通路网的应急通信系统设计规划，能够有效解决灾害发生之后，在无公网状态下，实现图像、音视频以及短信数据等信息的实时采集传输和交互，从而构建了一种前方点位、移动应急以及后方固定等通信的指挥平台，为灾害现场的救援奠定了基础[4]。

2 系统总体架构设计

从系统的总体架构上来看，基于北斗技术所提出的一体化应急通信指挥系统的总体设计，主要由用户层、应用层、终端层和网络层等4 个部分组成，具体如图1 所示。同时，本系统的设计还包括了不同类型用户、远程指挥、数据服务、应急指挥云平台以及空天地一体应急卫星网络系统等。其中，终端层设计通过不同类型终端设备实现了对灾害现场的前端数据采集与传输等服务；网络层设计通过对交通行业专网以及地面公网的融合，为应急通信传输提供了稳定的传输线路，还实现了前、后方间应急指挥中信息的实时互通。应用层的设计主要针对交通路网对应急通信协同指挥系统的设计需求，提供了灾害点位的实时数据采集、应急指挥调度、实时定位、次生灾害的预警以及现场信息的实时回传等功能和服务。

图1 交通路网的应急通信指挥系统设计示意

2.1 应急移动通信网络设计

2.1.1 空天地一体应急通信网络系统

该应急通信网络系统，主要通过将北斗卫星、天通卫星、宽带卫星、地面通信等技术进行融合，打破了应急通信大容量、高速率以及低延时的传输要求，使得多网资源的融合带宽达到了1 MHz 以上，实现了应急通信。同时，还利用地面传感感知设备、通信传输技术、北斗短报文通信技术等，实现了空天地一体卫星通信网络系统的建设，使得三方面之间进行有机结合，充分满足了灾害范围区域内的现场应急通信无缝覆盖、无缝衔接以及通信不间断的传输需求[5]。

2.1.2 应急移动通信终端群

应急移动通信终端群的设计主要配置在应急通信车和应急指挥车上，且该终端群主要包括北斗指挥型接收设备、天通手持设备、北斗手持终端、Ku 频段便携式终端、北斗RD 车载定位终端以及静中通车载终端等设备。其中，北斗手持终端设备的设计实现了对灾害现场不同区域中人员情况的动态精准定位，然后选择利用DMR 制式技术，实现双方短距离的短信以及语音交互。同时，还能够实现自动寻优通信链路功能设计、一键求救报警预警功能、预警广播功能。天通手持设备的设计利用三大运营商进行互通。北斗指挥型接收设备提高了发生指令的频度和终端用户数量的扩容，还为用户提供了精准度卫星授时服务。基于北斗技术，设计的北斗车载定位终端主要包含了基于北斗系统的卫星无线电定位系统（Radio Determination Satellite System，RDSS）和RNSS 定位导航系统，从而实现了应急通信车与指挥车之间的短报文通信功能设计，以及实时导航、精准位置服务、定位信息上报等重要功能的应用，为不同车辆平台的指挥调度和安全方面提供了保障。Ku 频段便携式终端设备的设计实现了快速、精准的卫星通信链路建设，为前方应急救援一线人员提供短时间中的对星服务，以及和应急指挥车之间的点对点卫星站点通信服务[6]。并且，以上设备的设计均充分满足了重特大灾害环境下的应急通信需求。

2.1.3 集群式通信及自动切换通信技术

系统通过结合多卫星功能、信息技术进行交替互补，然后结合多链路资源融合寻优技术实现了对应急通信系统的网络设计，同时还实现了结合北斗短报文集群式通信技术的应用。针对不同灾害数据位置、文件传输等数据传输方面的带宽需求与外部环境对通信成功率的影响，需要进一步解决北斗用户SIM 卡的短报文容量限制和环境对应急通信的成功率影响问题。本文选择利用多卡集群式通信和智能数据分包技术，从物理层上将单卡每分钟78byte 通信容量扩容到了2 080byte 之上，以此实现了带宽的高效率应用，使其利用率得到23.2%的提升。而北斗终端通信链路自动切换技术的应用，不仅实现了地面公网与北斗通信之间的应急通信无缝集成，还有效解决了应急通信网络存在的盲区问题，使得其应急通信能力得到进一步提高。此外，针对指挥系统的数据库设计，本文选择利用开源代码MySQL 数据库为主，它不仅能够为多种类型编程语言提供应用程序接口（Application Programming Interface，API）， 还 拥有良好的可移植性。同时，MySQL 数据库为了进一步方便用户的使用，还为应急通信指挥系统提供Java数据库连接（Java Database Connectivity，JDBC）、传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）以及开放数据库连接（Open Database Connectivity，ODBC）等3 种数据库连接方法，并结合结构化查询语言（Structured Query Language，SQL）数据语言方法，为用户对数量庞大的数据以及用户实施管理和扩展提供支持，支持能够处理超过千万条数据信息记录的大型数据库。基于北斗技术提出并设计的应急通信指挥系统的数据表设计主要包含了设备、用户、故障记录、系统日志、操作记录以及北斗信息记录等信息表。

2.2 系统主要功能设计

本文所提出的基于北斗卫星的交通路网应急通信协同指挥系统的主要功能模块由灾情统计分析模块、应急业务调度功能模块、应急中心及界面显示模块、数据存储模块、应急预警传播功能模块以及人员位置定位功能模块等6 个部分组成。

2.2.1 灾情统计分析功能

此功能的设计主要对不同子系统的数据进行采集、处理以及分析之后，形成直观的灾情分析结果，并将其呈现给用户。针对灾情的数据，主要来源于对多媒体设备中数据（如图片、音视频等）的接收和查看，以及对监控设备采集的现场视频与回传实时视频进行接收。同时，从资源管理模块、业务调度模块以及卫星资等方面均可以实现对灾情数据的采集。最后，通过图表、报表以及文字等结合的方式，生成灾情分析报告。

2.2.2 应急业务调度功能

当应急指挥人员和救援人员到达灾害、灾后现场后，通过应急指挥车上的协同指挥云平台，能够实现对一线救援人员的调度指挥，并为救援人员提供最优的行进路线和实时定位、联系人以及活动区域等信息，从而保证三方之间的信息交互通畅，并为应急通信业务保障提供支撑。

2.2.3 应急中心及界面显示功能

此功能主要实现了远程安全保障和监控、远程指挥、远程预警驱动及发布等作用，能够将制定好的救援计划以信息的方式发送给前方人员，并保持与救援人员的定位和行进路线服务。当遇到突发应急事件时，可以随时接入公网，进行应急预警发布。当一线救援人员达到灾害现场后，面对突发情况，可以利用终端设备向指挥中心一键求救，并进行报警，当平台接收到信息后，会及时为用户提供对应的基本信息，并将相关信息及时发送给就近的单位、驻地应急指挥中心。最后，通过界面显示功能将现场情况以数据的方式展示出来。

2.2.4 数据存储及处理功能

通过将串口通信数据参数、网络通信参数以及北斗用户地址等相关参数存储到对应的配置文件当中，然后利用串口通信，将其存放在数据库中。而数据处理功能的设计，主要实现了对串口数据以及网络数据两者之间的格式转化处理。

2.2.5 应急预警传播功能

针对灾害现场所发生的次生灾害，利用该模块的预警信息群发功能，能够向四周携带应急通信终端设备的人员进行预警信息群发，并向其通知对应的应急处置信息和联系方式。

2.2.6 人员位置实时定位功能

该模块的设计，实现了对在重特大灾害救援现场中一线人员的通信以及定位，还能够精准地将现场的实际情况、救援人员的数量、位置情况进行采集定位，并对其信息进行实时动态跟踪，从而为一线人员的救援安全和求救人员的安全提供位置服务等基础数据保障[7]。同时，该模块还能够实时对灾害一线人员的车辆流动线路、活动轨迹等情况进行回放和定位。

3 实验分析

为了进一步验证本文所提出的应急通信指挥系统的可行性，在没有主站中继情况下进行数据传输，选择以信号质量极差、无公网覆盖的偏远新疆地区为例，进行验证。在该地区中，应急指挥车的选择，主要考虑大型方舱车位底盘，并在指挥车上配备了1.8 m 的静中卫星天线[8]。接着，通过链路计算发现，所发射的1.8 m 口径天线能够与1.8 m 的应急指挥车的天线之间保持正常的通信。同时，在雨衰余量的状态下，还能够有效满足1 MHz 的通信带宽双向通信要求。

经过实验测试证明，宽带能够实现1 路720p 视频的传输。并且，在天通卫星的正常覆盖范围中，能够实现多个天通手持机设备之间的正常通信服务。而基于北斗卫星所覆盖的区域，能够实现1 min/50 路的短报文信息的收发与定位。地面公网所能够正常覆盖的范围上，能够实现移动通信的自动切换、5G 制式信号的通信。新疆地区测试结果如表1 所示。

表1 新疆地区的测试结果显示

从表1 中可以发现,本文所提出的基于北斗技术的交通路网应急通信系统设计，借助宽带卫星为数据传输手段，搭配相应的设备、应急指挥车等，能够实现在应急指挥车和应急通信车之间展开不小于1 Mb/s的音视频以及数据传输。

4 结 论

基于北斗定位技术、北斗短报文通信技术、宽带卫星融合技术以及天通卫星通信技术等设计的应急通信协同指挥系统，是一种不受设备、系统、地面公网限制的应急救援手段。在实际应用过程中可以实现实时、动态、无任何盲区的自然灾害现场的应急通信，同时该系统的设计还拥有独立组网能力，非常适合在覆盖面积广的重特大灾害现场应急传输通道以及数据采集等方面的应用，能够帮助后方指挥中心实时掌握灾害现场的每个点位情况，为辅助灾害现场的交通路网应急救援、资源调度运输等方面优化配置提供支持，也为国内抢险救灾过程中的应急通信协同指挥方面提供了一种先进技术保障措施。并且，该系统的设计在偏远区域、通信不畅的山区等地方应用同样存在明显优势。