基于北斗的交通路網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

程云歡

（北京華錄高誠科技有限公司，北京 100043）

0 引 言

在自然環(huán)境、氣候因素等變化的影響作用下，不同類型的自然災(zāi)害頻發(fā)、破壞程度上升，導(dǎo)致大規(guī)模的交通路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施損毀，極大程度上對交通路網(wǎng)通信效率造成嚴重影響，還制約了災(zāi)害救援的速度和難度。因此，交通部門在對突發(fā)事件進行處理時，一般借助地面無線通信設(shè)備或者打電話的方式，取得和事故現(xiàn)場的人員進行聯(lián)系，并實施救援。但在重特大自然災(zāi)害發(fā)生時，現(xiàn)場電力以及網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)備均遭到嚴重的破壞，導(dǎo)致地面通信鏈路終端無法借助固定的通信方式來取得和后方救援指揮中心之間的聯(lián)系。由于外部環(huán)境的影響，還缺乏有效的通信手段，應(yīng)急通信能力差，無法充分滿足救援現(xiàn)場的實時通信和信息回傳。因此，在當(dāng)前自然災(zāi)害的應(yīng)急通信體系背景下，現(xiàn)有的應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)并不通暢，時空數(shù)據(jù)交互、動態(tài)交通狀態(tài)信息推送以及災(zāi)害現(xiàn)場的情況實時數(shù)據(jù)回傳處理的時效性不強，以及空、天、路等三路監(jiān)測平臺之間的數(shù)據(jù)信息交互、協(xié)同指揮困難等，進一步使得應(yīng)急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)的發(fā)展受到限制，同時也會對現(xiàn)有交通路網(wǎng)以及通信能力、災(zāi)害評估等方面造成極大的影響。

近幾年，相關(guān)研究人員對北斗技術(shù)在自然災(zāi)害的應(yīng)急救援展開了全面分析。楊明等人設(shè)計了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)急通信系統(tǒng)，為搶險救災(zāi)提供了一種穩(wěn)定的通信技術(shù)保障手段[1]。陳曉琳等人結(jié)合地震應(yīng)用場景對北斗的應(yīng)急指揮系統(tǒng)研究展開了相關(guān)研討[2]。高旭東等人基于北斗衛(wèi)星設(shè)計了一種新的BGAN 應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用范圍較廣，并且在噪聲干擾影響的情況下依然能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行[3]。從其研究成果上來看，高效、實時、快速響應(yīng)的應(yīng)急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)是推動國內(nèi)災(zāi)情應(yīng)急響應(yīng)實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。

1 應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計

重特大災(zāi)害的發(fā)生，會導(dǎo)致地面的通信鏈路出現(xiàn)嚴重的損壞。因此，在對應(yīng)急指揮系統(tǒng)進行設(shè)計時，需要分析該應(yīng)急系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中對高帶寬、低延時、高效率的傳輸需求。接著，選擇利用多衛(wèi)星技術(shù)融合以及功能互補的方式，實現(xiàn)Ku 頻段便攜式終端以及靜中通車載式終端等設(shè)備作為中星A6 寬帶衛(wèi)星的接入方式；而窄帶衛(wèi)星的接入方式，主要借助天通手持機設(shè)備與北斗終端群設(shè)備等實現(xiàn)了通信連接，并由此構(gòu)建一個能夠?qū)崿F(xiàn)空天地一體化的應(yīng)急通信平臺，能夠充分滿足重特大災(zāi)害發(fā)生后，現(xiàn)場應(yīng)急通信方面的需求。針對交通路網(wǎng)的應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃，能夠有效解決災(zāi)害發(fā)生之后，在無公網(wǎng)狀態(tài)下，實現(xiàn)圖像、音視頻以及短信數(shù)據(jù)等信息的實時采集傳輸和交互，從而構(gòu)建了一種前方點位、移動應(yīng)急以及后方固定等通信的指揮平臺，為災(zāi)害現(xiàn)場的救援奠定了基礎(chǔ)[4]。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

從系統(tǒng)的總體架構(gòu)上來看，基于北斗技術(shù)所提出的一體化應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)的總體設(shè)計，主要由用戶層、應(yīng)用層、終端層和網(wǎng)絡(luò)層等4 個部分組成，具體如圖1 所示。同時，本系統(tǒng)的設(shè)計還包括了不同類型用戶、遠程指揮、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)急指揮云平臺以及空天地一體應(yīng)急衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。其中，終端層設(shè)計通過不同類型終端設(shè)備實現(xiàn)了對災(zāi)害現(xiàn)場的前端數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)确?wù)；網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計通過對交通行業(yè)專網(wǎng)以及地面公網(wǎng)的融合，為應(yīng)急通信傳輸提供了穩(wěn)定的傳輸線路，還實現(xiàn)了前、后方間應(yīng)急指揮中信息的實時互通。應(yīng)用層的設(shè)計主要針對交通路網(wǎng)對應(yīng)急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)的設(shè)計需求，提供了災(zāi)害點位的實時數(shù)據(jù)采集、應(yīng)急指揮調(diào)度、實時定位、次生災(zāi)害的預(yù)警以及現(xiàn)場信息的實時回傳等功能和服務(wù)。

圖1 交通路網(wǎng)的應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)設(shè)計示意

2.1 應(yīng)急移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1.1 空天地一體應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

該應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要通過將北斗衛(wèi)星、天通衛(wèi)星、寬帶衛(wèi)星、地面通信等技術(shù)進行融合，打破了應(yīng)急通信大容量、高速率以及低延時的傳輸要求，使得多網(wǎng)資源的融合帶寬達到了1 MHz 以上，實現(xiàn)了應(yīng)急通信。同時，還利用地面?zhèn)鞲懈兄O(shè)備、通信傳輸技術(shù)、北斗短報文通信技術(shù)等，實現(xiàn)了空天地一體衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)，使得三方面之間進行有機結(jié)合，充分滿足了災(zāi)害范圍區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場應(yīng)急通信無縫覆蓋、無縫銜接以及通信不間斷的傳輸需求[5]。

2.1.2 應(yīng)急移動通信終端群

應(yīng)急移動通信終端群的設(shè)計主要配置在應(yīng)急通信車和應(yīng)急指揮車上，且該終端群主要包括北斗指揮型接收設(shè)備、天通手持設(shè)備、北斗手持終端、Ku 頻段便攜式終端、北斗RD 車載定位終端以及靜中通車載終端等設(shè)備。其中，北斗手持終端設(shè)備的設(shè)計實現(xiàn)了對災(zāi)害現(xiàn)場不同區(qū)域中人員情況的動態(tài)精準定位，然后選擇利用DMR 制式技術(shù)，實現(xiàn)雙方短距離的短信以及語音交互。同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)自動尋優(yōu)通信鏈路功能設(shè)計、一鍵求救報警預(yù)警功能、預(yù)警廣播功能。天通手持設(shè)備的設(shè)計利用三大運營商進行互通。北斗指揮型接收設(shè)備提高了發(fā)生指令的頻度和終端用戶數(shù)量的擴容，還為用戶提供了精準度衛(wèi)星授時服務(wù)。基于北斗技術(shù)，設(shè)計的北斗車載定位終端主要包含了基于北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)（Radio Determination Satellite System，RDSS）和RNSS 定位導(dǎo)航系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了應(yīng)急通信車與指揮車之間的短報文通信功能設(shè)計，以及實時導(dǎo)航、精準位置服務(wù)、定位信息上報等重要功能的應(yīng)用，為不同車輛平臺的指揮調(diào)度和安全方面提供了保障。Ku 頻段便攜式終端設(shè)備的設(shè)計實現(xiàn)了快速、精準的衛(wèi)星通信鏈路建設(shè)，為前方應(yīng)急救援一線人員提供短時間中的對星服務(wù)，以及和應(yīng)急指揮車之間的點對點衛(wèi)星站點通信服務(wù)[6]。并且，以上設(shè)備的設(shè)計均充分滿足了重特大災(zāi)害環(huán)境下的應(yīng)急通信需求。

2.1.3 集群式通信及自動切換通信技術(shù)

系統(tǒng)通過結(jié)合多衛(wèi)星功能、信息技術(shù)進行交替互補，然后結(jié)合多鏈路資源融合尋優(yōu)技術(shù)實現(xiàn)了對應(yīng)急通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，同時還實現(xiàn)了結(jié)合北斗短報文集群式通信技術(shù)的應(yīng)用。針對不同災(zāi)害數(shù)據(jù)位置、文件傳輸?shù)葦?shù)據(jù)傳輸方面的帶寬需求與外部環(huán)境對通信成功率的影響，需要進一步解決北斗用戶SIM 卡的短報文容量限制和環(huán)境對應(yīng)急通信的成功率影響問題。本文選擇利用多卡集群式通信和智能數(shù)據(jù)分包技術(shù)，從物理層上將單卡每分鐘78byte 通信容量擴容到了2 080byte 之上，以此實現(xiàn)了帶寬的高效率應(yīng)用，使其利用率得到23.2%的提升。而北斗終端通信鏈路自動切換技術(shù)的應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了地面公網(wǎng)與北斗通信之間的應(yīng)急通信無縫集成，還有效解決了應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)存在的盲區(qū)問題，使得其應(yīng)急通信能力得到進一步提高。此外，針對指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計，本文選擇利用開源代碼MySQL 數(shù)據(jù)庫為主，它不僅能夠為多種類型編程語言提供應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）， 還 擁有良好的可移植性。同時，MySQL 數(shù)據(jù)庫為了進一步方便用戶的使用，還為應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)提供Java數(shù)據(jù)庫連接（Java Database Connectivity，JDBC）、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）以及開放數(shù)據(jù)庫連接（Open Database Connectivity，ODBC）等3 種數(shù)據(jù)庫連接方法，并結(jié)合結(jié)構(gòu)化查詢語言（Structured Query Language，SQL）數(shù)據(jù)語言方法，為用戶對數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)以及用戶實施管理和擴展提供支持，支持能夠處理超過千萬條數(shù)據(jù)信息記錄的大型數(shù)據(jù)庫。基于北斗技術(shù)提出并設(shè)計的應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表設(shè)計主要包含了設(shè)備、用戶、故障記錄、系統(tǒng)日志、操作記錄以及北斗信息記錄等信息表。

2.2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計

本文所提出的基于北斗衛(wèi)星的交通路網(wǎng)應(yīng)急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)的主要功能模塊由災(zāi)情統(tǒng)計分析模塊、應(yīng)急業(yè)務(wù)調(diào)度功能模塊、應(yīng)急中心及界面顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、應(yīng)急預(yù)警傳播功能模塊以及人員位置定位功能模塊等6 個部分組成。

2.2.1 災(zāi)情統(tǒng)計分析功能

此功能的設(shè)計主要對不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集、處理以及分析之后，形成直觀的災(zāi)情分析結(jié)果，并將其呈現(xiàn)給用戶。針對災(zāi)情的數(shù)據(jù)，主要來源于對多媒體設(shè)備中數(shù)據(jù)（如圖片、音視頻等）的接收和查看，以及對監(jiān)控設(shè)備采集的現(xiàn)場視頻與回傳實時視頻進行接收。同時，從資源管理模塊、業(yè)務(wù)調(diào)度模塊以及衛(wèi)星資等方面均可以實現(xiàn)對災(zāi)情數(shù)據(jù)的采集。最后，通過圖表、報表以及文字等結(jié)合的方式，生成災(zāi)情分析報告。

2.2.2 應(yīng)急業(yè)務(wù)調(diào)度功能

當(dāng)應(yīng)急指揮人員和救援人員到達災(zāi)害、災(zāi)后現(xiàn)場后，通過應(yīng)急指揮車上的協(xié)同指揮云平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對一線救援人員的調(diào)度指揮，并為救援人員提供最優(yōu)的行進路線和實時定位、聯(lián)系人以及活動區(qū)域等信息，從而保證三方之間的信息交互通暢，并為應(yīng)急通信業(yè)務(wù)保障提供支撐。

2.2.3 應(yīng)急中心及界面顯示功能

此功能主要實現(xiàn)了遠程安全保障和監(jiān)控、遠程指揮、遠程預(yù)警驅(qū)動及發(fā)布等作用，能夠?qū)⒅贫ê玫木仍媱澮孕畔⒌姆绞桨l(fā)送給前方人員，并保持與救援人員的定位和行進路線服務(wù)。當(dāng)遇到突發(fā)應(yīng)急事件時，可以隨時接入公網(wǎng)，進行應(yīng)急預(yù)警發(fā)布。當(dāng)一線救援人員達到災(zāi)害現(xiàn)場后，面對突發(fā)情況，可以利用終端設(shè)備向指揮中心一鍵求救，并進行報警，當(dāng)平臺接收到信息后，會及時為用戶提供對應(yīng)的基本信息，并將相關(guān)信息及時發(fā)送給就近的單位、駐地應(yīng)急指揮中心。最后，通過界面顯示功能將現(xiàn)場情況以數(shù)據(jù)的方式展示出來。

2.2.4 數(shù)據(jù)存儲及處理功能

通過將串口通信數(shù)據(jù)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)以及北斗用戶地址等相關(guān)參數(shù)存儲到對應(yīng)的配置文件當(dāng)中，然后利用串口通信，將其存放在數(shù)據(jù)庫中。而數(shù)據(jù)處理功能的設(shè)計，主要實現(xiàn)了對串口數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)兩者之間的格式轉(zhuǎn)化處理。

2.2.5 應(yīng)急預(yù)警傳播功能

針對災(zāi)害現(xiàn)場所發(fā)生的次生災(zāi)害，利用該模塊的預(yù)警信息群發(fā)功能，能夠向四周攜帶應(yīng)急通信終端設(shè)備的人員進行預(yù)警信息群發(fā)，并向其通知對應(yīng)的應(yīng)急處置信息和聯(lián)系方式。

2.2.6 人員位置實時定位功能

該模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了對在重特大災(zāi)害救援現(xiàn)場中一線人員的通信以及定位，還能夠精準地將現(xiàn)場的實際情況、救援人員的數(shù)量、位置情況進行采集定位，并對其信息進行實時動態(tài)跟蹤，從而為一線人員的救援安全和求救人員的安全提供位置服務(wù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障[7]。同時，該模塊還能夠?qū)崟r對災(zāi)害一線人員的車輛流動線路、活動軌跡等情況進行回放和定位。

3 實驗分析

為了進一步驗證本文所提出的應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)的可行性，在沒有主站中繼情況下進行數(shù)據(jù)傳輸，選擇以信號質(zhì)量極差、無公網(wǎng)覆蓋的偏遠新疆地區(qū)為例，進行驗證。在該地區(qū)中，應(yīng)急指揮車的選擇，主要考慮大型方艙車位底盤，并在指揮車上配備了1.8 m 的靜中衛(wèi)星天線[8]。接著，通過鏈路計算發(fā)現(xiàn)，所發(fā)射的1.8 m 口徑天線能夠與1.8 m 的應(yīng)急指揮車的天線之間保持正常的通信。同時，在雨衰余量的狀態(tài)下，還能夠有效滿足1 MHz 的通信帶寬雙向通信要求。

經(jīng)過實驗測試證明，寬帶能夠?qū)崿F(xiàn)1 路720p 視頻的傳輸。并且，在天通衛(wèi)星的正常覆蓋范圍中，能夠?qū)崿F(xiàn)多個天通手持機設(shè)備之間的正常通信服務(wù)。而基于北斗衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)1 min/50 路的短報文信息的收發(fā)與定位。地面公網(wǎng)所能夠正常覆蓋的范圍上，能夠?qū)崿F(xiàn)移動通信的自動切換、5G 制式信號的通信。新疆地區(qū)測試結(jié)果如表1 所示。

表1 新疆地區(qū)的測試結(jié)果顯示

從表1 中可以發(fā)現(xiàn),本文所提出的基于北斗技術(shù)的交通路網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計，借助寬帶衛(wèi)星為數(shù)據(jù)傳輸手段，搭配相應(yīng)的設(shè)備、應(yīng)急指揮車等，能夠?qū)崿F(xiàn)在應(yīng)急指揮車和應(yīng)急通信車之間展開不小于1 Mb/s的音視頻以及數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié) 論

基于北斗定位技術(shù)、北斗短報文通信技術(shù)、寬帶衛(wèi)星融合技術(shù)以及天通衛(wèi)星通信技術(shù)等設(shè)計的應(yīng)急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)，是一種不受設(shè)備、系統(tǒng)、地面公網(wǎng)限制的應(yīng)急救援手段。在實際應(yīng)用過程中可以實現(xiàn)實時、動態(tài)、無任何盲區(qū)的自然災(zāi)害現(xiàn)場的應(yīng)急通信，同時該系統(tǒng)的設(shè)計還擁有獨立組網(wǎng)能力，非常適合在覆蓋面積廣的重特大災(zāi)害現(xiàn)場應(yīng)急傳輸通道以及數(shù)據(jù)采集等方面的應(yīng)用，能夠幫助后方指揮中心實時掌握災(zāi)害現(xiàn)場的每個點位情況，為輔助災(zāi)害現(xiàn)場的交通路網(wǎng)應(yīng)急救援、資源調(diào)度運輸?shù)确矫鎯?yōu)化配置提供支持，也為國內(nèi)搶險救災(zāi)過程中的應(yīng)急通信協(xié)同指揮方面提供了一種先進技術(shù)保障措施。并且，該系統(tǒng)的設(shè)計在偏遠區(qū)域、通信不暢的山區(qū)等地方應(yīng)用同樣存在明顯優(yōu)勢。