突發(fā)事件應(yīng)急通信系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)

熊宗炬　周波　劍陽

摘要：應(yīng)急通信體系在城市運(yùn)轉(zhuǎn)遭到突發(fā)災(zāi)害或事故時(shí)，承擔(dān)著及時(shí)、準(zhǔn)確、暢通地傳遞第一手信息的“急先鋒”角色，是決策者正確指揮搶險(xiǎn)救災(zāi)的中樞神經(jīng)。目前，我國已經(jīng)認(rèn)識(shí)到應(yīng)急通信系統(tǒng)的重要性，因此我國各個(gè)部門已經(jīng)配置了不少應(yīng)急通信系統(tǒng)和設(shè)備，并且積累了相當(dāng)?shù)氖褂媒?jīng)驗(yàn)。但是，對于應(yīng)急通信的功能需求和系統(tǒng)建設(shè)目前仍存在不少值得討論的問題。本文重點(diǎn)探討了一種改進(jìn)的應(yīng)急通信系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)和構(gòu)想，為后續(xù)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急通信；突發(fā)事件；網(wǎng)絡(luò)安全；系統(tǒng)原型

中圖分類號(hào)：TN 929.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.04.002

0 突發(fā)事件的范圍及特征和應(yīng)急通信需求

在現(xiàn)代社會(huì)，突發(fā)事件的發(fā)生較為普遍，相關(guān)的機(jī)構(gòu)也漸漸積累了一些應(yīng)對處理的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。就涉及到日常生活中常見的突發(fā)事件就包括高速公路事故，冰凌路況勘察，事故現(xiàn)場，醫(yī)療急救，反恐處突，危險(xiǎn)品泄露、爆炸等，坑道救援，自然災(zāi)害如地震、泥石流、洪水、臺(tái)風(fēng)等等，總結(jié)這些突發(fā)事件的通信方面的特征就是，由于時(shí)間地點(diǎn)的不可預(yù)知，事發(fā)現(xiàn)場的通信保障能力較弱，而且可能已經(jīng)因?yàn)楦鞣N原因受到損壞甚至完全癱瘓。為了處理這些事件的應(yīng)急響應(yīng)需要大流量的通信網(wǎng)絡(luò)，而惡劣的外部環(huán)境如潮濕、有毒、高山、停電等讓保障難度加大。應(yīng)急處理過程需要在采集現(xiàn)場的視頻和圖像數(shù)據(jù)，這對應(yīng)急機(jī)動(dòng)通信提出了更高的要求。

1 應(yīng)急機(jī)動(dòng)通信建設(shè)原則

結(jié)合上述特征，應(yīng)急通信能力建設(shè)的原則有以下幾個(gè)方面：

（1）無線與有線相結(jié)合，現(xiàn)場以無線網(wǎng)為主：有線通信能夠提供更高的帶寬，更可靠的通信服務(wù)，但是臨時(shí)部署的快速性不高，在一些比較混亂危險(xiǎn)的場合甚至無法部署。現(xiàn)場的通信以無線方式就能熊宗炬等：突發(fā)事件應(yīng)急通信系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)很快的展開，成本上也很經(jīng)濟(jì)。（2）模塊化設(shè)計(jì)原則：模塊化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，是為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，保持系統(tǒng)整體的先進(jìn)性和兼容性，同時(shí)也為將來的擴(kuò)充和升級換代留下足夠的余地。另一方面，不同用戶有不同的需求和預(yù)算，模塊化能夠讓用戶根據(jù)具體的情況進(jìn)行選擇和定制功能。（3）可機(jī)載以方便快速部署：在模塊化的基礎(chǔ)上，可機(jī)載是指用汽車或者飛機(jī)裝載，這樣對于快速部署到現(xiàn)場能夠提供更高的機(jī)動(dòng)性。一旦這些運(yùn)輸機(jī)具機(jī)動(dòng)到現(xiàn)場，就能夠立即展開一個(gè)應(yīng)急通信節(jié)點(diǎn)。（4）適用、夠用、經(jīng)濟(jì)的原則：新產(chǎn)品新技術(shù)不斷推陳出新，如果一味追求先進(jìn)性會(huì)額外的增加整個(gè)系統(tǒng)的成本，而且盲目嘗試某些新技術(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，所以在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)要盡可能考慮成熟穩(wěn)定經(jīng)過時(shí)間和市場考驗(yàn)的產(chǎn)品。（5）設(shè)計(jì)上分開話音、數(shù)據(jù)（短信）和視頻：不同的場合有不同的通信需求，將不同帶寬和可靠性要求的上述三者分開來設(shè)計(jì)分別滿足能夠根據(jù)具體的要求提供不同的服務(wù)，而不是不分輕重緩急的全部上視頻通話。分開設(shè)計(jì)的另外一個(gè)好處就是能夠用多種工程實(shí)現(xiàn)手段以提供冗余性來實(shí)現(xiàn)可靠性要求。

2 應(yīng)急機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖所示把整體應(yīng)急機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)分成幾個(gè)子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)并不是絕對分割，只是為了方便描述而進(jìn)行的邏輯劃分，實(shí)際上不同子系統(tǒng)之間是有各種各樣的聯(lián)接關(guān)系的。此外，為了便于運(yùn)輸和管理，不同子系統(tǒng)的線纜需要單獨(dú)放入各自的保管箱中，具體細(xì)節(jié)就不再贅述。由于采用機(jī)動(dòng)載具，對于載具本身有一定的要求，比如都需要有足夠的裝載空間、續(xù)航半徑、通過能力和運(yùn)輸能力，最好能夠集成多套導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國的GPS和國產(chǎn)的北斗系統(tǒng)。這樣能夠適應(yīng)一定的惡劣天氣環(huán)境和特殊需求。下面分各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行逐一介紹，介紹的時(shí)候會(huì)比較全面，但結(jié)合前面考慮的模塊化和經(jīng)濟(jì)原則，在具體的工程實(shí)現(xiàn)時(shí)是可以根據(jù)用戶和現(xiàn)場的實(shí)際情況選擇部分功能模塊的。

2.1 整體支持保障子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是對應(yīng)急通信系統(tǒng)提供整體支持保障的，包括供電模塊、防雷接地模塊和照明廣播模塊。

供電模塊可以包括市電引入單元，車載油機(jī)發(fā)電機(jī)組，開關(guān)電源，充電機(jī)，整流器，穩(wěn)壓單元，蓄電池組，長距離電纜線及轉(zhuǎn)接分接單元等設(shè)備模塊。這樣設(shè)計(jì)是考慮了在有市電保障的地方通過線纜盤向該系統(tǒng)供電，在沒有市電時(shí)通過發(fā)電機(jī)組輸出電力，再經(jīng)過相關(guān)的整流穩(wěn)壓單元實(shí)現(xiàn)供電的可靠性。

防雷接地模塊需要考慮類似雷擊等比較惡劣極端的情況，所以要考慮綜合防雷措施，包括直擊雷防護(hù)、感應(yīng)雷防護(hù)、聯(lián)合接地、等電位連接、電磁屏蔽、雷電分流、浪涌防護(hù)和雷電過電保護(hù)。充分接地也是電磁兼容設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。機(jī)動(dòng)應(yīng)急通信系統(tǒng)需要配置接地準(zhǔn)備部件如接地銅排、接地鋼釬、接地線等。需要注意的是強(qiáng)弱電的地線要分開設(shè)置，即電源地和信號(hào)地不能簡單的合二為一，否則會(huì)對通信產(chǎn)生干擾。有條件的場所最好將數(shù)字地和模擬地分開，高頻部分地和低頻部分地分開。在實(shí)際操作中，如果現(xiàn)場有現(xiàn)成的地網(wǎng)，盡量利用現(xiàn)有的地網(wǎng)以提示接地效果。防雷接地網(wǎng)敷設(shè)完成后，需要確保設(shè)備接地點(diǎn)與接地接線柱之間的電阻不大于0.02歐姆，接地電阻小于5歐姆。

廣播照明模塊，配置一臺(tái)可垂直升降式照明裝置，能夠解決機(jī)動(dòng)應(yīng)急通信點(diǎn)所需的現(xiàn)場照明，通過調(diào)音臺(tái)、功放和高功率音響組成現(xiàn)場廣播，能夠?qū)⑦h(yuǎn)方的音頻源如電話、現(xiàn)場喊話等，實(shí)時(shí)廣播出去。

2.2 有線局端子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是指采用有線方式工作的各個(gè)子系統(tǒng)，包含的子模塊比較多，包括傳輸交換系統(tǒng)，協(xié)議轉(zhuǎn)換接口，安全保密系統(tǒng)，語音視頻網(wǎng)關(guān)，存儲(chǔ)服務(wù)器和顯示系統(tǒng)。

傳輸交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)傳輸與交換服務(wù)。包含了常用的多功能光端機(jī)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，路由器，程控交換機(jī)等實(shí)現(xiàn)常用傳輸和交換功能的模塊，這些模塊包括附屬的野戰(zhàn)光纜和被復(fù)線等有較強(qiáng)抗毀能力的線纜。

協(xié)議轉(zhuǎn)換接口并不是一套獨(dú)立的系統(tǒng)，這其實(shí)是和傳輸交換系統(tǒng)緊密連接密切相關(guān)的實(shí)現(xiàn)各種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換的物理接口，主要實(shí)現(xiàn)對邏輯音視頻圖像信號(hào)的編碼和調(diào)制，再按照各系統(tǒng)能識(shí)別的信號(hào)電平和協(xié)議格式進(jìn)入各傳輸交換環(huán)節(jié)。

安全保密系統(tǒng)也是一個(gè)重要模塊，根據(jù)需要可以有防火墻，入侵檢測，病毒防護(hù)，隔離網(wǎng)閘，路由密碼機(jī)，信號(hào)加密機(jī)，保密機(jī)等設(shè)備用于確保通信的安全可靠傳輸。

語音視頻網(wǎng)關(guān)包括音視頻調(diào)度臺(tái)，音視頻采集模塊，MCU，音視頻切換矩陣等實(shí)現(xiàn)音視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換和分發(fā)。

存儲(chǔ)服務(wù)器包括音視頻硬盤錄像機(jī)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)陣列，應(yīng)用服務(wù)器等設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)對音視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、記錄等，同時(shí)能夠結(jié)合應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)態(tài)勢的整合，輔助決策等功能。考慮機(jī)動(dòng)環(huán)境的因素，這些服務(wù)器都需要特別的加固處理，盡可能采用電子部件而不采用容易造成損壞的機(jī)械部件，如硬盤就考慮采用SSD產(chǎn)品以增加堅(jiān)固性。

顯示系統(tǒng)包括便攜式投影，液晶顯示屏，監(jiān)視器，觸摸屏，筆記本電腦，KVM等能夠顯示現(xiàn)場或者遠(yuǎn)方圖像的各種顯示設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜來源的圖像及態(tài)勢的監(jiān)視和顯示，在其他設(shè)備的配合下可以進(jìn)行視頻會(huì)議。

2.3 無線局端子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是指采用無線方式工作用于局端的子系統(tǒng)。它和無線終端子系統(tǒng)一起構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)。所謂局端是指系統(tǒng)體積較為龐大，功能較為復(fù)雜，而終端是指系統(tǒng)體積較小，功能相對簡單，但能夠方便單人攜帶。無線局端子系統(tǒng)包括，無線局域網(wǎng)設(shè)備，短波電臺(tái)，移動(dòng)通信基站，衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的落地和中樞。

無線局域網(wǎng)

利用大功率的無線局域網(wǎng)設(shè)備，可以迅速搭建起以設(shè)備為中心的802.11a/b/n/g的現(xiàn)場無線局域網(wǎng)，以支持各種無線局域網(wǎng)的終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入。目前大功率的無線局域網(wǎng)設(shè)備可以在開闊地區(qū)覆蓋半徑達(dá)0-3公里。如果加上信號(hào)中繼設(shè)備，還可以進(jìn)一步延長覆蓋范圍。利用無線局域網(wǎng)，不僅僅能夠傳圖片和視頻，還能結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)電話服務(wù)器實(shí)現(xiàn)基于IP的網(wǎng)絡(luò)電話，這對于簡化用戶操作起到很好的作用。

短波電臺(tái)和超短波電臺(tái)

短波電臺(tái)不需要建立中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，因而建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用低，建設(shè)周期短；而且設(shè)備簡單，可以根據(jù)使用要求固定設(shè)置，進(jìn)行定點(diǎn)固定通信，也可以背負(fù)或進(jìn)行移動(dòng)通信；臨時(shí)組網(wǎng)方便、迅速，具有很大的使用靈活性加之通信設(shè)備體積小能夠快速方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離點(diǎn)對點(diǎn)半雙工語音、數(shù)據(jù)等通信業(yè)務(wù)。超短波電臺(tái)雖然通信距離較近，但是價(jià)格低廉，加之體積小、重量輕，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)；與短波電臺(tái)相比，具有通信頻帶寬、容量大、信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)備選型的時(shí)候可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求選擇不同功率的產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)不同距離的覆蓋。

移動(dòng)通信基站

利用機(jī)動(dòng)式移動(dòng)微基站設(shè)備，其覆蓋范圍可以達(dá)到幾個(gè)平方公里，能夠同時(shí)為30部手機(jī)同時(shí)提供通話和短信服務(wù)，特別適用于無線終端不夠或者沒有移動(dòng)通信信號(hào)的環(huán)境，能夠讓人手一部的手機(jī)臨時(shí)發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)話音和短信服務(wù)。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有不受地面環(huán)境影響，可以快速建立連接的優(yōu)點(diǎn)，通信范圍較廣。其缺點(diǎn)是成本較高而且?guī)捿^窄，延時(shí)較大。衛(wèi)星通信包括高功放，變頻，放大器，調(diào)制解調(diào)等設(shè)備組成，根據(jù)不同的應(yīng)用需求可以與亞星，北斗，中星等衛(wèi)星相連，考慮天線尺寸和干擾等因素，機(jī)動(dòng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般使用Ku頻段進(jìn)行工作。

天饋線系統(tǒng)包括升降桿，固定桿，基站天線，微波天線，饋線及隨動(dòng)電纜盤，全向天線，定向天線，信號(hào)中繼天線，天線調(diào)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)，避雷針和警示燈等設(shè)備模塊。由于不同信號(hào)制式的系統(tǒng)使用的天線不一樣，需要在使用時(shí)注意配套。

2.4 無線終端子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要包括各類支持音視頻的便攜式通信模塊例如頭戴或手持式設(shè)備，通信用無人機(jī)，運(yùn)輸用無人機(jī)等設(shè)備。這些設(shè)備的統(tǒng)一特征就是利用無線方式和無線局端進(jìn)行通信，同時(shí)利用其他功能模塊完成音視頻采集，環(huán)境參數(shù)收集等特定的功能。

無人機(jī)在本系統(tǒng)中的作用可以有很多種，配備變焦攝像頭可以作為現(xiàn)場航拍圖像或者視頻用，配備音頻采集和播放設(shè)備可以作為一個(gè)可移動(dòng)式通信終端用，配備溫濕度探頭或者特殊氣體如煙霧或者危險(xiǎn)氣體感應(yīng)探頭可以作為環(huán)境參數(shù)收集用，也可以作為從后方給前方快速運(yùn)輸一些小設(shè)備用，還可以作為通信接力模塊用。

為了便于無人機(jī)和現(xiàn)場特定人員的互動(dòng)，可以考慮給現(xiàn)場人員配備特別的信標(biāo)，例如RFID卡或者特殊頻率電子信號(hào)或光信號(hào)模塊，這樣無人機(jī)通過識(shí)別這些信標(biāo)就能夠接近這些人員實(shí)現(xiàn)物品的交接或者音視頻的采集。

考慮到現(xiàn)有無人機(jī)的續(xù)航能力較為有限，可以熊宗炬等：突發(fā)事件應(yīng)急通信系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)在預(yù)設(shè)的區(qū)域事先安裝能夠無線充電的充電設(shè)施。或者在系統(tǒng)配備的時(shí)候多備幾臺(tái)進(jìn)行輪流替換使用。

3 應(yīng)急機(jī)動(dòng)通信原型實(shí)現(xiàn)需要考慮的因素

3.1 注意模塊化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)的好處是能夠提高子系統(tǒng)間的兼容性，便于擴(kuò)展和升級；同時(shí)規(guī)范統(tǒng)一各系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)適配，便于系統(tǒng)的集成和互聯(lián)互通。經(jīng)濟(jì)上能夠讓用戶能夠根據(jù)具體的需求進(jìn)行選擇和定制功能，節(jié)約成本。在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，用戶根據(jù)其現(xiàn)實(shí)需求，選用符合標(biāo)準(zhǔn)和要求的產(chǎn)品設(shè)備，像搭積木一樣能夠快速成型一套應(yīng)急通信系統(tǒng)，備品備件也能夠及時(shí)得到補(bǔ)充和替換。

3.2 注意電磁兼容，防止中頻干擾

電磁兼容設(shè)計(jì)的目的是解決電路之間的相互干擾，防止電子設(shè)備產(chǎn)生過強(qiáng)的電磁發(fā)射和防止電子設(shè)備對外界干擾過度敏感。在機(jī)動(dòng)應(yīng)急通信系統(tǒng)中干擾來源于幾個(gè)方面：機(jī)動(dòng)載具本身的干擾，機(jī)載通信設(shè)備，天線間的耦合和外界的雜波干擾。這里面的分析和解決較為復(fù)雜，具體而言包括設(shè)備的選擇、接地設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)和濾波設(shè)計(jì)等方面。在具體工程實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，特別是在設(shè)備選型上，需要重點(diǎn)關(guān)注的就是中頻信號(hào)干擾。

中頻信號(hào)是高頻信號(hào)經(jīng)過變頻而獲得的一種信號(hào)，為了使放大器能夠穩(wěn)定的工作和減小干擾，一般的接收機(jī)都要將高頻信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào)。中頻干擾是接收機(jī)干擾的一種，接收機(jī)為了保持通道的一致性，所有信號(hào)經(jīng)與本振差頻后得到中頻，如果存在與原始信號(hào)頻段接近的信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生中頻干擾。一般接收機(jī)有中頻抑制這一參數(shù)，原則上是越大越好，但是具體環(huán)境中也要考慮對其他系統(tǒng)的影響。

3.3 注意短波通信的盲區(qū)問題

短波主要靠天波和地波兩種方式傳播。地波傳播較穩(wěn)定，但由于地表面對短波能量的吸收較大，其傳播距離一般在幾十千米之內(nèi)。中遠(yuǎn)距離的通信，則依靠電離層對電波的一次或多次反射的天波傳播，天波傳播時(shí)衰減較小，傳輸距離可達(dá)數(shù)千千米甚至上萬千米，因此天波與地波傳輸距離的差異就形成了短波通信的“盲區(qū)”。如果機(jī)動(dòng)應(yīng)急通信系統(tǒng)與前方或者后方的距離和位置剛好位于該盲區(qū)內(nèi)，就必須考慮用其他的手段來進(jìn)行通信。

4 總結(jié)

在突發(fā)的各類事件發(fā)生后，機(jī)動(dòng)應(yīng)急通信系統(tǒng)能夠迅速到達(dá)事件現(xiàn)場并展開，利用有線和無線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的全覆蓋式的數(shù)據(jù)、圖像傳輸，為現(xiàn)場指揮部和應(yīng)急工作隊(duì)伍提供可移動(dòng)指揮的臨時(shí)辦公和現(xiàn)場應(yīng)急指揮通信保障，實(shí)現(xiàn)前方和后方的指揮協(xié)同，及時(shí)準(zhǔn)確安全可靠的將信息傳遞到需要的人和地方，為后續(xù)的現(xiàn)場勘察，人員配備，物資調(diào)撥等應(yīng)急資源和力量的分配提供有力可靠的技術(shù)支持，提高應(yīng)急處突的工作效率。

機(jī)動(dòng)應(yīng)急通信系統(tǒng)中，整體支撐保障子系統(tǒng)是為整個(gè)應(yīng)急通信系統(tǒng)提供整體支持保障；有線局端子系統(tǒng)是指采用有線方式工作的各個(gè)子系統(tǒng)，能夠?yàn)楝F(xiàn)場的指揮和決策提供支持；無線局端子系統(tǒng)和無線終端子系統(tǒng)是指采用無線方式工作用的子系統(tǒng)，主要是采用無線方式工作的各類支持音視頻的通信模塊。