基于多源信道融合的云南地震现场视频会议系统设计与应用

邓树荣，周建荣，曹彦波，张方浩，余庆坤，徐俊祖

（云南省地震局, 昆明 650224）

0 引言

地震现场应急是地震应急处置工作的关键环节之一，地震应急指挥关系到地震应急处置的效率和成败，良好的地震应急指挥决策离不开地震现场信息的支持。新时代背景下的地震应急处置对地震现场的信息交互提出了快、准、好的需求。地震应急处置工作中，现场指挥部与后方指挥部主要有两大信息交互需求，分别是视频会议和数据传输。多次大地震应急实践表明，在地震现场召开视频会议需要具有快速联动的特点。在最短的时间内实现视频、语音和数据共享，保证地震应急信息快速传递、高效处理，是支持防震减灾工作的有效手段[1]。另外，地震现场指挥部也需要通过前后方指挥部的网络链路，上传灾情信息、灾情简报、现场情况等，下载地震目录、强震观测、烈度速报等数据，实现前后方的地震应急数据传输。云南地处云贵高原，地形地貌险峻，电力通信基础设施薄弱，震后通信基础设施损坏和通信网络中断的风险较高。据统计，1992 年以来云南发生5.0 级以上破坏性地震72 次，其中极灾区网络通信局部中断30 次，区域性中断6 次，破坏性地震后通信状况堪忧。没有通信，灾区就会形成信息孤岛，灾区与外界信息无法交互，给救援决策带来困难。因此，地震现场通信保障是云南地震现场应急保障的重要任务之一，也是地震现场视频会议联通的必要条件。

为了提升地震现场视频会议的保障能力，使地震现场视频会议技术的指挥调度功能更加完善，应用更加科学，一些专家学者对地震应急指挥技术系统硬件和软件[2]、地震应急指挥协同平台[3]、地震救援现场应急通信系统的设计[4]、基于北斗卫星通信的地震应急指挥系统[5]和地震应急现场通信系统[6]进行了深入的研究。视频会议组网方面，郑树平等[7]提出单网、双网、多网和外网多种模式下的视频会议组网模式，李敏提出多网融合组会能力的新型视频会议解决方案[8]，张方浩等提出基于互联网多信道轻度集成的现场视频会议系统架构[9]，林向洋等分析多层级跨网视频会议系统架构特点，提出多层级树状组网结构[10]，地震视频会议组网模式灵活多样。在视频会议应用方面，张翼对四川地震应急指挥大厅技术系统集成及应用进行了研究[11]，许瑞杰对四川九寨沟7.0 级地震现场视频会议系统应用时出现的问题及原因进行了探讨，并研究和优化了云南地震应急视频会议组网模式[1，12]。这些专家学者从地震现场视频会议的硬件、软件、网络、组网、应用等全过程进行了研究和探索，为地震视频会议的建设、应用、改进优化提供了科学的参考，为云南地震现场视频会议系统建设与改造提供了可供借鉴的经验和设计思路。

1 现状分析

1.1 系统现状

2007 年，云南省地震局通过国家十五规划—中国数字地震观测网络项目，建成了第一套车载集成的现场应急指挥技术系统，此后逐步设计和建造了功能更完善，集卫星通信、视频会议、现场办公、指挥决策于一体的现场工作队通信指挥系统、现场指挥所、前方移动指挥平台，地震现场便携信息采集传输系统、地震现场指挥部互联互通系统、现场便携卫星通信视频会议系统、地震应急云视频会议系统，截至目前，云南共建成了8 套现场视频会议系统（平台），各系统整体的装备和功能各有侧重，但也有相同和相似的部分，有的可独立使用，有的需要相互配合使用，有的装备可满足多种功能，有的功能需要多种装备配合才能实现[13]。由于设备老旧和新时代地震应急的需求，部分设备已经不再使用，目前在用的还有3 套系统，分别是现场工作队通信指挥系统、现场便携卫星通信视频会议系统和地震应急云视频会议系统（表1）。现场工作队通信指挥系统车体较大，为方舱结构，主要用于大震应急时现场指挥部的卫星网络通信保障以及大型演练现场的装备展示和宣传。现场便携卫星通信视频会议系统卫星网络较稳定，设备轻便，用于地震现场野外灾区重要点位的视频会议保障。地震应急云视频会议系统搭载了较为常用的小鱼易连视频会议终端，在现场互联网畅通的条件下效果较好，可以组建互联网视频会议。这3 套系统在近几年的地震现场应急、应急演练、日常运维中应用效果良好，保障有力。

表1 云南地震现场视频会议系统Table 1 The video conference system for the earthquake site in Yunnan

网络平台方面，国家建立了自上而下的应急指挥与协同应用平台，以地震行业专网、国家电子政务专网、互联网等为信息通道[3]。云南省地震局当前已实现多种网络信道的应急视频会议组网模式，通过地震行业网实现国家-省-州市-县区的4 级视频联动，通过卫星网和互联网实现省局指挥中心和现场工作队的互联互通，通过电子政务网实现与30 余家省级抗震救灾指挥部成员单位的互联互通，通过消防系统专网实现与云南省应急厅和云南省消防总队及下属支队的互联互通[12]。这几种网络信道由不同的网络营运商和管理部门提供，它们在带宽、呼叫速率、震后稳定性、安全保密性等方面有着不同的特点，各信道也有自己的优缺点（表2）。

表2 地震现场视频会议网络信道对比Table 2 Comparison of network channels for the video conference system for earthquake emergency

1.2 存在问题与分析

云南省地震局建成的8 套现场视频会议系统（平台），在近几年的破坏性地震应急中发挥了重要作用。然而，随着新时代地震应急理念的变化，按照目前的地震应急处置惯例，5.0 级以上破坏性地震发生后，国务院抗震救灾指挥部将通过视频会议与地震现场实现应急指挥调度，了解地震现场灾情和应急处置情况。在云南严峻的震情和疫情双重防控形势下，地震现场应急视频会议保障工作面临新挑战，现场装备表现出一些不足：

1）装备大。建成的各种车载集成系统、无人机地震灾情获取系统、大型装备车在鲁甸地震等灾区环境恶劣、交通破坏重的地震现场中难于进入灾区。日常演练和运维也存在群众恐慌、舆论猜疑等风险。

2）装备多。地震现场便携卫星站、云视频会议系统、卫星电话、网络设备、办公设备等便携设备，满足了功能完备、便携的需求。然而设备众多，在地震现场时间紧、保障要求高的情况下给地震现场指挥部搭建带来了困难。

3）中断风险高。这些设备每一套均有独自的功能、独自的网络。在2017 年四川九寨沟地震中暴露出了单套系统保障风险高的缺点，一旦网络中断或设备出现故障，将出现设备退服，很难在短时间内恢复视频会议。

与后方视频会议相比，前方视频会议系统处于机动状态，需临时搭建，地震来临时刻考验着系统的稳定性。 随着互联网+、物联网和工业信息化的快速发展，各种信息技术在地震应急处置中得到应用。基于互联网、4G/5G 无线网络、卫星网的地震现场视频会议通信信道较为成熟，组网模式灵活多样。现代应急通信和互联网新技术的发展推动地震现场应急指挥技术系统向高度集成、智慧服务方向发展[9]。因此，网络平台方面，目前采用的卫星网、互联网、行业网各自形成一套网络，在复杂的地震现场环境中单套网络中断和掉线的风险高，需要进行多网络信道融合，实现网络快速恢复或切换，满足实时共享的数据流。硬件平台方面，由于抗震救灾越来越贴近实战化，单点连接和逐级上报的视频会议效率太低，国务院抗震救灾指挥部不仅需要了解面上的应急情况，也需要掌握现场灾区的灾情，急需搭建稳定可靠的国家、省、州(市)、县等用户的多方视频会议平台，实现快速直接的上下联动、沟通协调和会商决策。此外，在后疫情时代和国际形势影响下，一些国际卫星电话收费较高，且存在技术壁垒和信息安全问题，需要国内卫星电话提供支持。

2 系统设计与实现

2.1 系统架构

以需求为导向，为了解决现场视频会议装备大、装备多、网络视频中断风险高的问题，提出地震现场多源信道融合思路（图1），使得网络、视频会议、信息数据互为备份，克服单套设备、单网络信道、单视频会议通道中断风险高的不足。

图1 多源信道融合思路Fig.1 multi-source channel fusion idea

根据在地震现场视频会议保障工作中积累的软件使用与多次软件研发经验，对云南地震现场视频会议系统保障存在的问题和需求进行分析，多源信道融合下的云南地震现场视频会议集成系统在设计时需要综合考虑网络的搭建、硬件平台的集成、地震现场的需求、满足不同用户的功能等。另外，为确保整个系统运行的稳定性和运维成本，还要对系统硬件集成结构及网络搭建进行合理设计。基于这些考虑，系统设计采用“多网络平台+多视频会议终端”的设计思路，实现多项功能满足多用户需求的目标。系统整体技术架构分为4 层，即网络层、平台层、服务层和用户层，如图2所示。

图2 系统技术架构Fig.2 System technical architecture

2.2 系统设计

2.2.1 网络平台

相较于指挥大厅选择多种带宽信道稳定的网络信道不同，地震现场的网络信道需要结合现场机动便携的特点，选择一些稳定可靠、灵活搭网的网络信道。在云南地区发生5.0 级及以上破坏性地震后，地震系统现场指挥部需要3 类通信网络，分别是互联网、地震行业网、卫星通信网[9]。互联网覆盖范围广，中小地震网络中断后恢复快，且地震现场指挥部驻地县城互联网保障能力强。地震行业网是地震业务数据往来的主要通道，震后需要上传/下载大量地震监测、震情会商、现场灾情等地震行业数据。卫星网可靠性高，大震时互联网中断后，卫星网可快速提供强有力的保障，具备互联网不可替代的应急通信能力。因此，卫星网是底线保障网络，不可缺少，互联网搭建使用方便，地震行业网可上传/下载大量的专业数据。在云南地震现场视频会议系统设计时，选择互联网、地震行业网、卫星网构建现场视频会议系统的网络骨干。3 种网络呈“并行+串行”的拓扑结构（图3）。其中有线路由器通过VPN 技术实现公网与行业网的互联，或者地震行业网直接接入。

图3 现场指挥部网络链路拓扑图Fig.3 Network topology of the earthquake site headquarters

2.2.2 硬件平台

硬件平台分视频、语音、控制/矩阵、接口4 个主要单元。

1）视频单元。系统采用宝利通、小鱼易连、网络视频会议多视频会议终端接入组会，宝利通视频会议连接卫星网和行业网，小鱼易连连接互联网，网络视频会议连接互联网（图4）。3 种视频会议可同时在线，满足多方视频会议组会功能。

图4 地震现场指挥部视频会议拓扑图Fig.4 Topology of the video conference of the earthquake site headquarters

2）语音单元。系统配备了一套无线话筒主机、扩音音响，保障现场指挥部和灾评会商会议需求。设计了4 部卫星电话，其中功能机1 部、智能机1 部、背夹卫星电话2 部。功能机和智能机具备超长待机能力，待机时长大于120 小时，持续通话时间大于6 小时。目前，Android 智能终端的应用已经十分普及，其具有良好的移动性、便携性以及强大的信息处理能力和通信能力，非常适合移动端的信息采集、上报和查询[14]，因此，设计了2 部可连接Android手机的背夹电话。

3）控制/矩阵单元。系统配备1 台高清混合矩阵，1 套智能平板连接的集中控制系统。摄像机、视频会议终端、显示设备、音频设备、外围多种类信号源的输入和输出与混合矩阵进行物理连接。集中控制系统通过控制终端对视频会议终端遥控器、摄像机变焦和转动、高清矩阵的音视频信号进行切换（图5）。

图5 多元输入/输出矩阵切换Fig.5 Multivariate input/output matrix switching

4）接口单元。机箱设置统一的音视频输入/输出、电源接口面板，音视频输入/输出连接相应的音视频设备，电源接口为机柜标准插座，可连接便携发电机和市电。还另外预留了输入/输出接口。

综合网络平台、硬件平台设计思路，结合设备的功能和接口特性，系统整体设计拓扑如图6，系统箱体如图7。

图6 地震现场多元视频会议系统拓扑结构Fig.6 Topology of the multvariant video conference system for earthquake emergency

图7 多源视频会议系统Fig.7 The multi-source video conference system

2.3 功能实现

通过系统集成，实现了现场网络、视频会议、语音通话、数据传输、信息服务功能。

1）现场网络服务。采用互联网、卫星网、行业网三网并行网络结构，通过网络交换机、无线AP 在现场组成现场指挥部局域网，双路由公网接入，同时支持地震应急卫星网和行业网的数据接入，网络交换机延伸出的行业网供现场上/下载地震行业数据。现场公网延伸出的无线网络供现场办公需要。此外，灾评队员和现场外场应急人员可通过天通卫星、海事卫星和移动3G/4G 实现网络通信。

2）视频会议服务。采用多视频会议系统并行的结构，即宝利通、小鱼易连和网络视频会议系统同时并行，宝利通视频会议连接内网，小鱼易连和网络视频会议连接互联网。视频会议具备单流、双流和多方视频会议组会功能，为地震前后方指挥部、灾评会商、现场队员提供视频会议服务。

3）语音通话服务。集成箱内安装1 套话筒集线器，满足多人与远端视频会议终端音频通话，选择带音频输出的显示器实现基本的声音输出，配置1 台有源监听音箱实现高声压的声音输出，并预留音频输入/输出接口。配置的天通卫星电话由中国电信运营，可支持语音、短信和低速数据业务，为现场野外队员提供语音通话服务。

4）数据传输服务。系统提供的网络可为现场指挥部成员提供数据、文档、图片、视频等上传和下载服务，为现场办公提供OA 系统搭建、文电传输等，为监测预报人员提供地震前兆、测震、强震、预警等数据的上传和下载服务。

5）信息服务。系统配备的卫星电话可进行地震灾情信息采集传输，现场大屏、投影可进行地震波形、灾情、工作进展等方面的图像视频展示。也可携带便携投影等设备外出进行地震应急宣传。

3 应用分析

系统建成后，在2018 年通海5.0 级、墨江5.9 级、2020 年 巧 家5.0 级、2021 年 漾 濞6.5 级和2022 年宁蒗5.5 级地震现场应急响应中进行了应用，保障了地震现场指挥部的网络、视频会议、数据传输等业务。各功能模块运行正常，高效地保障了地震现场应急响应与处置工作，应用情况见表3，应用效果如图8 所示。在地震应急保障期间，该系统均通过互联网、卫星网和行业网信道与中国地震局应急指挥中心、台网中心、云南省地震局后方指挥部等用户实现了多信道下的双视频在线视频会议。系统还选择云南香格里拉高寒环境、怒江峡谷地带、昆明大雾天气等不同的极端环境进行了测试（表4）。在测试过程中，该系统均能不同程度地连通卫星网和互联网，特别是卫星网作为大震应急环境下的底线网络，在极端环境下也能满足语音通话和低速率的视频会议需求。

图8 地震现场视频会议连接情况Fig.8 The video conference systems appiled to the earthquake emergency

表3 地震现场多源视频会议系统应用情况表Table 3 Some cases of the application of the multi-source video conference system to earthquake emergency

表4 地震现场多源视频会议系统极端环境测试情况表Table 4 Test of the Multi-source Video Conference System in the Extreme Environment of Earthquake-stricken Area

多次地震现场应用和极端环境测试结果表明，系统稳定性较好，可靠度较高，得益于系统设计时对系统架构、功能、形式方面的优化和改进。

1）对网络信道、视频会议进行了有机融合。采用“三网并行+多视频会议在线”的系统架构，即互联网、卫星网、行业网的三网并行，宝利通、小鱼易连、其他网络视频会议多视频在线。在地震现场保障中任意网络中断或视频会议故障，另一网络链路和视频会议立即切换。

2）信号输入/输出实现热切换控制。设计统一的多源输入和输出接口，利用物联网的原理，将音视输入/输出连接矩阵，由智能平板连接中控系统实现矩阵热切换，减少了插拔接口带来的差错率。

3）对设备进行整体集成，提升了系统功能完备性和使用的便携性。采用物联网的原理对分散的网络设备、视频会议设备、中控矩阵进行集成，统一设计封装到一个箱子中。系统供电满足便携发电机、市电接入。设备整备质量60 kg，箱体尺寸60 cm×60 cm×60 cm，越野车即可运载到灾区，克服了车载集成系统体积大、难于进入灾区的不足。

4 结论与讨论

地震现场多源视频会议系统是分散的视频会议系统的有机融合，有效减少了多套设备带来的装备大、装备多、功能单一的问题。系统采用智能平板连接矩阵进行热切换，减少了插拔物理接口带来的故障率。系统的设计与应用，采用了物联网技术，是新技术新方法在地震现场视频会议系统应用中的具体实践。系统建成以后，在多次破坏性地震中科学有效地保障了地震现场指挥部的视频会议。应用结果表明，该系统较为稳定可靠，具有较高的应用价值。

后疫情时代的到来，线上视频会议逐渐取代一些非必要的线下视频会议，缩短了时空成本，提高了效率。随着5G 现代通信技术、物联网技术和人工智能的发展，地震现场视频会议保障会有更多的技术选择和优化。在今后的地震应急技术研究与应用中，地震现场指挥部视频会议如何与互联网视频会议有机融合，会议终端、现场设备和各种软件平台如何实现更好的物联，应急指挥控制和调度如何更加快捷、智能和高效，是需要着力研究的问题。