災(zāi)害應(yīng)急通訊體制研究

龍 珂，鄒光南，董 坤

（航天恒星科技有限公司 北京 10086）

中國(guó)是世界上自然災(zāi)害比較嚴(yán)重的國(guó)家。隨著我國(guó)加快推進(jìn)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)步伐，我國(guó)政府將防災(zāi)減災(zāi)工作作為保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。目前我國(guó)應(yīng)急管理的重點(diǎn)是大力推進(jìn)涉災(zāi)部門的聯(lián)動(dòng)工作機(jī)制，明確中央和地方各級(jí)部門應(yīng)對(duì)災(zāi)害的響應(yīng)啟動(dòng)程序、工作步驟和工作要求，指導(dǎo)和幫助地方建立抗災(zāi)聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)機(jī)制。為落實(shí)上述工作機(jī)制，建立穩(wěn)定、可靠、高效的災(zāi)害應(yīng)急通信體制是必不可少的。然而常規(guī)的通信方式抗災(zāi)性差，因此，具有高可靠性的衛(wèi)星通信，成為了在遭受自然災(zāi)害襲擊地區(qū)保證應(yīng)急通信的最佳手段[1]。

1 國(guó)外應(yīng)急通信概況

國(guó)外應(yīng)急通信保障頗具規(guī)模，應(yīng)急通信體系較為完善，技術(shù)手段較為先進(jìn)。發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)急通信發(fā)展較早，經(jīng)過了多年的建設(shè)和實(shí)踐的不斷檢驗(yàn)，目前已頗具規(guī)模。其中，日本、美國(guó)以及歐洲的一些國(guó)家和地區(qū)均建立了較為完善的應(yīng)急通信體系，在近年來應(yīng)對(duì)突發(fā)事件中發(fā)揮了突出的作用[2]。

1.1 美國(guó)應(yīng)急通信概況

美國(guó)911事件之后建立了9-1-1系統(tǒng)，來應(yīng)對(duì)突發(fā)的災(zāi)難，但9-1-1系統(tǒng)仍然存在很多問題，目前正在開發(fā)下一代9-1-1系統(tǒng)（NG9-1-1），彌補(bǔ)了原來的9-1-1不足。

新技術(shù)在應(yīng)急通信中發(fā)揮重大優(yōu)勢(shì)，卡特里娜颶風(fēng)的颶風(fēng)中，WiMAX、無線VoIP則大顯神通，WiFi、WiMAX以及免許可證的無線網(wǎng)被用來幫助援救人員，和災(zāi)民進(jìn)行通信。特別是WiMAX技術(shù)，由于其覆蓋半徑大，可把災(zāi)區(qū)的一些臨時(shí)性WiFi熱點(diǎn)（如救助中心、避難所）進(jìn)行連接，以及在光纖斷裂時(shí)承擔(dān)回傳鏈路的作用。建立電視、廣播之外的基于Internet的預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。并希望在今后的應(yīng)急通信中充分利用基于IP的技術(shù)。此外，美國(guó)的緊急報(bào)警系統(tǒng)（EAS），可以在全國(guó)緊急狀況下向公眾傳送信息。

1.2 日本應(yīng)急通信概況

日本是世界上信息通信技術(shù)最為發(fā)達(dá)的國(guó)家之一，其完善的防災(zāi)通信體系也走在國(guó)際前列。包括：以政府各職能部門為主，由固定通訊線路（包括影像傳輸線路）、衛(wèi)星通信線路和移動(dòng)通信線路組成的“中央防災(zāi)無線網(wǎng)”；以全國(guó)消防機(jī)構(gòu)為主的“消防防災(zāi)無線網(wǎng)”；以自治體防災(zāi)機(jī)構(gòu)和當(dāng)?shù)鼐用駷橹鞯亩嫉揽h府、市町村的“防災(zāi)行政無線網(wǎng)”，以及在應(yīng)急過程中實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的防災(zāi)相互通信用無線網(wǎng)等。此外，還建立起各種專業(yè)類型的通信網(wǎng)，包括水防通信網(wǎng)、緊急聯(lián)絡(luò)通信網(wǎng)、警用通信網(wǎng)、防衛(wèi)用通信網(wǎng)、海上保安用通信網(wǎng)以及氣象用通信網(wǎng)等。其防災(zāi)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 日本防災(zāi)通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Disaster communication system structure for Japan

1.3 法國(guó)應(yīng)急通信概況

法國(guó)政府進(jìn)行的Emergesat正是目前很多應(yīng)急通信項(xiàng)目研究計(jì)劃中的一項(xiàng)，Emergesat可以支持遠(yuǎn)距離、高速度的應(yīng)急通信，使得災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的救援人員與千里之外的指揮中心能夠?qū)崟r(shí)地交換數(shù)據(jù)。

Emergesat通過使用空間通信技術(shù)，包括對(duì)地觀測(cè)、定位導(dǎo)航技術(shù)。開發(fā)完成了一種非常好的集成工具包，為災(zāi)難應(yīng)急通信提供了一種有效的解決方案，極大地提高了救援效率。Emergesat的工具包通過直升機(jī)可以快速的運(yùn)輸?shù)綖?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，為救援隊(duì)伍提供通信支持以及救援隊(duì)伍之間的協(xié)調(diào)，使得各個(gè)隊(duì)伍可以獲得實(shí)時(shí)信息和決策輔助服務(wù)。

圖2 Emergesat通信架構(gòu)Fig.2 Emergesat communication structure

2 國(guó)內(nèi)應(yīng)急通信概況

通過多年的發(fā)展，我國(guó)應(yīng)急通信已經(jīng)涉及武警、消防、水利等眾多政府部門，在汶川地震、南方雪災(zāi)等特大自然災(zāi)害中都發(fā)揮了重要作用，但由于其缺乏統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，設(shè)備、人員、技術(shù)水平參差不齊，使得應(yīng)急機(jī)構(gòu)各自為戰(zhàn)，不能相互配合，大大削弱了國(guó)家的搶險(xiǎn)救災(zāi)能力，所以其體制不完善和系統(tǒng)設(shè)備的落后是我國(guó)應(yīng)急通訊系統(tǒng)發(fā)展的兩大瓶頸。通過借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，給我國(guó)應(yīng)急通訊建設(shè)帶來了很多啟示：

1）應(yīng)急通信建設(shè)應(yīng)以政府主導(dǎo)，推進(jìn)國(guó)家多級(jí)應(yīng)急平臺(tái)體制建設(shè)。要統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)具備監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)測(cè)預(yù)警、信息報(bào)告、輔助決策、調(diào)度指揮和總結(jié)評(píng)估等功能的國(guó)家應(yīng)急平臺(tái)。加快中央應(yīng)急平臺(tái)建設(shè)，完善有關(guān)專業(yè)應(yīng)急平臺(tái)功能，推進(jìn)地方人民政府綜合應(yīng)急平臺(tái)建設(shè)，形成連接各地區(qū)和各專業(yè)應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)、統(tǒng)一高效的應(yīng)急平臺(tái)體制。

2）大力發(fā)展衛(wèi)星通訊技術(shù)，增強(qiáng)衛(wèi)星系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。我國(guó)災(zāi)害應(yīng)對(duì)工作中所暴露出的通信設(shè)施脆弱、應(yīng)急手段匱乏、保障能力不足等問題的基礎(chǔ)上，逐步建立由航天航空遙感、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星導(dǎo)航和地面應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成的國(guó)家衛(wèi)星減災(zāi)體制，實(shí)現(xiàn)“天－地－現(xiàn)場(chǎng)”一體化的空間技術(shù)減災(zāi)服務(wù)能力。

基于此，針對(duì)我國(guó)災(zāi)害應(yīng)急通訊體制薄弱環(huán)節(jié)，以我國(guó)幅員遼闊，政府分級(jí)管理等特征，在充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通訊資源，提出了以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基礎(chǔ)單元的多層次災(zāi)害應(yīng)急通信體制研究方案[3-5]。

3 災(zāi)害應(yīng)急通訊體制

3.1 分級(jí)規(guī)劃

多層次應(yīng)急通訊體制由國(guó)家級(jí)指揮中心、省級(jí)指揮中心、市級(jí)指揮中心、縣級(jí)指揮中心和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)指揮中心五大部分組成，如圖3所示。在地面網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，各級(jí)指揮中心均通過地面網(wǎng)絡(luò)通信，當(dāng)?shù)孛婢W(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到衛(wèi)星鏈路。

1）從行政管理范疇來說，國(guó)家級(jí)指揮中心可以向各級(jí)指揮中心直接下發(fā)指令，其他各級(jí)指揮中心只能與其下屬指揮中心分發(fā)指令并與上級(jí)指揮中心保持通信，從而形成分層多級(jí)指揮的衛(wèi)星通信網(wǎng)，滿足災(zāi)區(qū)最高指揮員現(xiàn)場(chǎng)指揮的通信需求和現(xiàn)場(chǎng)搶救的通信需求等。

2）從衛(wèi)星通信站型的范疇來說，國(guó)家級(jí)指揮中心為衛(wèi)星主站；省級(jí)指揮中心為衛(wèi)星中心站，其他各級(jí)均為衛(wèi)星遠(yuǎn)端站；市級(jí)指揮中心和縣級(jí)指揮中心一般為固定遠(yuǎn)端站；鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)指揮中心一般為移動(dòng)式遠(yuǎn)端站，主要覆蓋區(qū)域?yàn)槭艿綖?zāi)害的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)。

現(xiàn)場(chǎng)指揮中心包含市級(jí)指揮中心、縣級(jí)指揮中心和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)指揮中心，在發(fā)生重大災(zāi)害時(shí)由國(guó)家級(jí)指揮中心或省級(jí)指揮中心統(tǒng)一調(diào)度，通常配備固定站，移動(dòng)指揮車或便攜式遠(yuǎn)端站等。

除此之外，在每個(gè)大區(qū)中配備若干無人機(jī)，可以第一時(shí)間使指揮中心準(zhǔn)確的了解現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)做出救災(zāi)方案。并裝備北斗導(dǎo)航終端，其快速定位功能可以使移動(dòng)站及時(shí)辨別所處地理位置，使指揮中心有效地對(duì)其進(jìn)行部署，并且北斗具有短信功能，可以使救災(zāi)人員組成更小的救援團(tuán)隊(duì)深入到更廣泛的受災(zāi)地區(qū)，并與指揮中心保持通信。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

災(zāi)害應(yīng)急通訊體制的網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)采用樹型星狀寬帶VAST網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由國(guó)家級(jí)指揮中心主站、省級(jí)指揮中心站和現(xiàn)場(chǎng)指揮中心遠(yuǎn)端站構(gòu)成自上而下三級(jí)樹型星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of star net

1）國(guó)家級(jí)指揮中心

國(guó)家級(jí)指揮中心包括北京、上海兩地Ku主站，采用異地?zé)醾浞绞?，北京為主用主站，上海為備用主站，兩站之間通過光纖（155 Mb/s）或衛(wèi)星鏈路聯(lián)通。

主站是整個(gè)寬帶VSAT網(wǎng)系統(tǒng)的核心管理站點(diǎn)，配有全網(wǎng)的網(wǎng)管中心，采用動(dòng)態(tài)帶寬分配機(jī)制，按需分配轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬資源，支持全網(wǎng)在多頻段、多轉(zhuǎn)發(fā)器模式下工作。

2）省級(jí)指揮中心

省級(jí)指揮中心網(wǎng)絡(luò)由29省 （市、自治區(qū)）Ku中心站組成。中心站是省內(nèi)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視中心，基于主站網(wǎng)管中心的統(tǒng)一配置與授權(quán)，完成對(duì)本省區(qū)域子網(wǎng)內(nèi)通信狀況的集中監(jiān)視。

3）現(xiàn)場(chǎng)指揮中心

現(xiàn)場(chǎng)指揮中心和現(xiàn)場(chǎng)指揮中心位于基層行政中心的民政部門，是國(guó)家巨災(zāi)應(yīng)急通信網(wǎng)的重要組成部分。可實(shí)現(xiàn)與上級(jí)指揮中心以及救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)之間的雙向包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像通信綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

3.3 傳輸機(jī)制

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用的傳輸體制基本可以歸為2類，即FDMA（頻分多址）和TDMA（時(shí)分多址）。雖然FDMA系統(tǒng)時(shí)延短，頻帶利用率高，傳輸速率快，但是在災(zāi)害應(yīng)急系統(tǒng)需要大量終端覆蓋救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情況下，不利于大范圍，大數(shù)量的遠(yuǎn)端站協(xié)同操作，并且遠(yuǎn)端成本高，會(huì)使建設(shè)成本較TDMA成倍增加，不利于系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)[6]。

所以災(zāi)害應(yīng)急體制采用DVB-RCS傳輸機(jī)制，前向鏈路采用TDM方式數(shù)據(jù)發(fā)送、反向鏈路采用MF-TDMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的突發(fā)解調(diào)和接收

DVB-RCS系統(tǒng)分為主站和遠(yuǎn)端站兩個(gè)部分。主站是DVB-RCS系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)交換中心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)前向TDM方式數(shù)據(jù)發(fā)送、反向MF-TDMA方式數(shù)據(jù)的突發(fā)解調(diào)和接收，以及反向鏈路信道資源分配、全網(wǎng)時(shí)間和頻率同步、網(wǎng)絡(luò)管理和TCP/IP加速等功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 DVB-RCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 System structure of DVB-RCS

3.4 體制規(guī)模

體制規(guī)模設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 體制規(guī)模設(shè)計(jì)Tab.1 Design of system scale

根據(jù)國(guó)家行政規(guī)劃，此方案預(yù)做以下部署：

1）在北京國(guó)家級(jí)指揮中心部署一套主站，上海部署一套備用主站；

2）在各大區(qū)中心城市部署一套中心站和若干移動(dòng)衛(wèi)星通信車以及無人機(jī)；

3）在普通省會(huì)部署一套中心站和若干移動(dòng)衛(wèi)星通信車；

4）在各地市和縣城部署固定站，以及若干北斗終端；

5）在中央、省、地市和縣部署大量集裝箱式或便攜式衛(wèi)星通信設(shè)備在發(fā)生巨災(zāi)之后能夠快速就近投放。

4 結(jié)束語(yǔ)

在2008年的汶川大地震中，真正發(fā)揮通信保障作用的還是臨時(shí)調(diào)配的衛(wèi)星移動(dòng)通信終端和北斗導(dǎo)航終端。但是衛(wèi)星移動(dòng)通信體制是國(guó)外體制，存在信道資源有限、資費(fèi)貴、安全性差的缺點(diǎn)，這反映出我國(guó)在巨災(zāi)防災(zāi)減災(zāi)方面缺乏強(qiáng)有力的巨災(zāi)應(yīng)急救援信息技術(shù)支撐體系。我國(guó)目前尤其需要建立一套集應(yīng)急通訊一體化保障技術(shù)、綜合信息協(xié)同分析與天地一體化數(shù)據(jù)集成分析技術(shù)、災(zāi)情研判與風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)、決策支持和遠(yuǎn)程會(huì)商技術(shù)、應(yīng)急裝備配置技術(shù)為一體的巨災(zāi)應(yīng)急救援信息集成系統(tǒng)。

通過研究天地一體化應(yīng)急通訊系統(tǒng)保障體系和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救災(zāi)信息傳輸保障技術(shù)，形成了一套能夠支撐快速部署、基于衛(wèi)星通信的國(guó)家災(zāi)害應(yīng)急通訊體制平臺(tái)方案。

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