賴俊彥

地震現場物聯(lián)協(xié)同網絡結構設計

賴俊彥

賴俊彥，中國地震應急搜救中心高級工程師，國家地震現場應急工作隊隊員，國家地震災害緊急救援隊隊員，聯(lián)合國災害評估與協(xié)調（UNDAC）隊隊員，2010-2011年作為訪問學者在日本京都大學防災研究所開展研究工作。近年來先后主持多項城市地震對策研究專題，先后承擔科技部多個課題的示范應用工作，包括國家科技支撐計劃“基于衛(wèi)星定位的野外應急救援終端和救援信息服務平臺研發(fā)”課題、國家863計劃“廢墟搜索與輔助救援機器人研制”課題、“高性能四足仿生機器人研發(fā)”課題、國家科技合作項目“中日地震減災及其應對技術合作研究”等，發(fā)表學術論文15篇。

引言

近年來地震災害頻發(fā)，汶川、玉樹、蘆山、岷縣、漳縣等大量地震應急救援實例表明，重大及特別重大地震災害的處置，實際上是動員組織全社會力量應對地震災害的戰(zhàn)斗。地震現場的應急救援工作通常表現出緊迫性、時限性和協(xié)同性，要求在地震發(fā)生后最短時間內響應、由多個部門協(xié)同、在有限的時間內完成，這種特殊性使信息共享成為地震現場協(xié)同的基礎，這就要求構建一套協(xié)同網絡，為全國各地趕赴災區(qū)參加抗震救災的隊伍提供快速互聯(lián)互通的手段，實現信息的高效共享、指令快速傳遞和資源合理調配。

目前，隨著通信技術的發(fā)展與應用，地震現場的指令傳遞和情況回傳已基本實現，但受通信工具、信道資源、網絡覆蓋的限制，現場的信息共享主要通過電話、短信和文件拷貝等方式，存在格式不統(tǒng)一、共享不及時、操作復雜等問題，協(xié)同效率不高。利用物聯(lián)技術在地震現場快速構建協(xié)同網絡，實現災區(qū)范圍內不同協(xié)同主體間的互聯(lián)互通互操作，能夠大大提高現場應急救援信息共享的效率，為地震現場應急指揮決策提供更有力支撐。

地震現場協(xié)同現狀

地震現場協(xié)同主要分為兩大領域，一是現場應急領域，包括在破壞性地震現場為提供搶險救災和恢復重建所需的技術性資料而緊急開展的一系列工作，這一領域的協(xié)同歷經了包括“九五”“十五”建設的多年發(fā)展，在標準和平臺方面取得了長足進展；二是現場救援領域，包括在地震現場為搶救生命財產、防止災害蔓延的一系列緊急行動。汶川地震后，救援行動的協(xié)同也逐漸引起重視。

1.地震現場應急協(xié)同現狀

地震現場應急工作主要包括震情趨勢判斷、地震監(jiān)測、地震烈度評估、災害損失調查等業(yè)務，這些工作具有時效性強、協(xié)調性強、專業(yè)性強、技術含量高和社會化要求高的特點，要求工作人員要在震后很短的時間、按照統(tǒng)一的技術程序、精細化分工、標準化作業(yè)、協(xié)同開展工作，全面、準確、科學、規(guī)范地完成各項工作任務。

為促進地震現場應急協(xié)同，中國地震局先后頒布了一系列現場工作標準（圖1），并建立了地震現場應急指揮系統(tǒng)，包含：現場災情獲取及傳輸子系統(tǒng)，現場調查、烈度評估和科學考察子系統(tǒng)，地震現場建筑物安全鑒定子系統(tǒng)，現場數據庫管理子系統(tǒng)、GIS地理信息處理子系統(tǒng)、后方指揮部現場動態(tài)跟蹤管理系統(tǒng)、應急衛(wèi)星網管中心等，已有研究者從專業(yè)系統(tǒng)角度圍繞地震現場應急系統(tǒng)平臺的設計與構建開展了深入論證。

在技術標準的規(guī)范下和各子系統(tǒng)的支持下，地震現場應急工作人員將采集的數據進行整理并通過GSM移動通信系統(tǒng)、海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無線局域網或PSTN、ISDN等有線通信系統(tǒng)上傳到地震現場應急指揮部，從而能夠實現對現場災害調查、烈度評估和科考數據的記錄，對現場各類數據的分類、統(tǒng)計分析和圖形顯示，并實現指令下達、人員調度、現場與后方的信息共享等功能。

2.地震現場救援協(xié)同現狀

近幾年，特別是汶川地震和玉樹地震后，我國地震專業(yè)救援隊伍不斷壯大，各行業(yè)建立了專業(yè)救援隊伍，各地也紛紛建立綜合救援隊伍和緊急救援志愿者隊伍。這些隊伍在隊伍能力、人員組成、裝備配置等方面存在差異。因此，在地震災害現場，需要在統(tǒng)一領導下協(xié)調一致地實施救援。根據我國現行的地震災害響應與處置以“屬地為主”的原則，救援隊伍在抵達災區(qū)后，其開展的救援行動接受災區(qū)地方抗震救災指揮部的領導和指揮，包括向地方指揮部領受任務并匯報進展。然而，汶川地震等幾次地震現場救援行動反映出現場救援協(xié)同缺乏必要的技術手段支持，隊伍之間、隊伍與地方抗震救災指揮部之間的溝通主要通過打電話、發(fā)短信等方式，信息共享范圍有限，協(xié)同效率比較低下。

圖2 基于現場通信系統(tǒng)的地震現場應急指揮系統(tǒng)

國際上，為促進不同救援隊伍之間的信息交流，聯(lián)合國駐日內瓦辦事處下屬的現場協(xié)調支持部（Field Coordination Support Section，簡稱FCSS）開設了基于B/S架構的網上現場行動協(xié)調中心（Virtual On-Site Operation Coordination Center，簡稱VO），每次國際救援行動開設一項專題，在專題下劃分災情與救災需求、響應與協(xié)調、通關與運輸、救災隊伍、救災物資、地圖與遙感影像、聯(lián)系方式、次生災害與環(huán)境影響評估等模塊，提供表單填寫、圖件上傳、文字評論、時效性顯示等功能。在我國，“十一五”國家地震社會服務工程制定了《救援隊伍聯(lián)動規(guī)范》，建設“國內救援隊伍聯(lián)動服務平臺”，在國內地震現場救援行動中提供類似的信息共享功能。

地震現場物聯(lián)協(xié)同網絡結構設計

近年來，隨著物聯(lián)網概念的提出，互聯(lián)網得以由人與人的溝通連接擴展到人與物、物與物之間的信息交互，一個全球的、開放的泛在網絡系統(tǒng)正在形成。在地震行業(yè)，Zigbee、RFID等物聯(lián)技術正在得到逐步應用并取得初步效果?；谖锫?lián)技術構建地震現場協(xié)同網絡，將推動地震現場應急指揮技術系統(tǒng)及各專業(yè)系統(tǒng)功能向下延伸，推動參與地震現場應急救援的組織、人員乃至設備開展深度協(xié)同，由基于通信網絡的人工協(xié)調轉向基于物聯(lián)網絡的自動協(xié)同。

地震現場物聯(lián)協(xié)同網絡可以分為震害與處置感知層、物聯(lián)網關、專有網絡層和專業(yè)應用層（圖3）。一般來講，協(xié)同網絡通過震害處置感知層中的各種傳感器和終端來進行信息采集，依托衛(wèi)星通信網絡等地震應急指揮的專有網絡層進行信息傳遞，最后由專業(yè)應用層對各類信息進行調用、分析和整合。然而，大震巨災的地震現場，隨著各類應急救援力量的不斷投入，傳感器和終端的種類將不斷增加，其數量也會根據不同的應用產生幾何式增長，如果將這些傳感器設備直接接入現有的專有網絡層，勢必會對網絡造成巨大的資源壓力。同時為了實現傳感設備的獨立接入增加的軟硬件也是對現有資源的浪費。因此，需要物聯(lián)網網關實現震害處置感知層的數據匯聚，并屏蔽震害處置感知層與專有網絡層之間的異構網絡通信的細節(jié)。

1.專業(yè)應用層

圖3 地震現場物聯(lián)協(xié)同網絡結構

專業(yè)應用層是地震物聯(lián)協(xié)同網絡集中產出信息成果的一層，應充分利用已建成的地震現場應急指揮技術系統(tǒng)、各專業(yè)子系統(tǒng)以及國內救援隊伍聯(lián)動平臺，提供支持地震現場應急救援指揮決策的專業(yè)功能，包括烈度評定、災害損失調查、震情趨勢判定、建筑物安全鑒定、救援隊伍聯(lián)動等。專業(yè)應用層從應用集成的角度，提出共享信息的標準化分類、編碼、交換格式、元數據、數據字典及數據質量等方面的要求，黃宏生等對上述問題進行了研究，將涉及地震現場應急協(xié)同的共享信息劃分為兩類：其一，日常工作中準備好并用于地震現場的信息，包括基礎地理信息、社會經濟統(tǒng)計、地震基礎數據、災害影響背景、救災資源及其通信聯(lián)絡、地震應急預案與法規(guī)等6類數據；其二，地震現場工作開展過程中產生的即時共享數據，包括現場流動觀測、震情分析、災情及災害損失評估及科學考察、建筑物安全鑒定、應急與救災行動、地震現場工作報告、地震現場音視頻和圖像、現場指揮記錄等8類數據。

2.專有網絡層

歷經“九五”“十五”建設，目前在地震現場應用的無線通信方式主要有以下八種：

1）戰(zhàn)術衛(wèi)星通信（烽火衛(wèi)星、海事衛(wèi)星）：不受地形限制，使用方便，適用于機動通信；傳輸速率較低，使用受衛(wèi)星資源限制。

2）VSAT衛(wèi)星通信：傳輸速率高, 不受地形限制；設備體積較大，不適用于分隊的機動通信，通常由應急通信指揮車搭載。

3）無線廣域網：我國目前的移動基站已基本覆蓋人口稠密地區(qū), 提供了方便、快捷通信方式。但汶川地震中，出現了移動通信基站大量退服、通話量擁塞等現象。

4）短波通信：傳輸距離遠, 不受地形限制, 使用方便；傳輸速率低，功耗大。

5）超短波通信：受地形限制小，使用方便，適用于機動通信；傳輸距離有限，傳輸速率較低。

6）微波通信：傳輸速率高，功耗低；受地形影響大，不適用于機動通信。

7）散射通信：傳輸距離遠，方向性強，抗干擾能力強；設備體積大，不適用區(qū)域移動通信。

8）無線對講系統(tǒng)：使用方便，特別適合小區(qū)域、無基站移動通信；但通信距離有限。

3.震害處置感知層

震害處置感知層主要功能是采集地震、災情、處置等信息，其設備可分為兩類，一類是監(jiān)測設備，按照設定時間間隔、通過傳感器網絡自動發(fā)送監(jiān)測數據，如基于ZigBee的新型前兆無線傳感網絡傳感器技術；第二類是搭載了網絡攝像頭、GPS等傳感設備的智能終端和智能裝備，如智能手機、災情偵察無人機等，搭載專業(yè)信息采集處理模塊，向協(xié)同網絡上傳符合專業(yè)應用要求的共享數據，如在2014年5月30日云南盈江地震現場，集成了網絡攝像頭、GPS等傳感設備的野外智能終端平臺在現場烈度評估和災害調查工作中得到成功應用。隨著物聯(lián)技術的不斷發(fā)展，未來地震現場的感知設備將出現幾何式增長。

4.物聯(lián)網關

物聯(lián)網網關主要功能包括以下幾個方面：首先是接入能力，在物聯(lián)網環(huán)境下，一端接入到傳感網中，另一端有選擇的以多種方式接入到互聯(lián)網等公共網絡中；其次是協(xié)議轉換，這是網關最基本的功能，將傳感器網絡的數據經過協(xié)議轉換，能夠有效快速的通過有線無線等方式傳送到公共網絡中；最后是一定的管理控制功能和安全性，作為物聯(lián)網信息獲取的入口，提供對傳感網的管理接口的同時對接入用戶進行有效控制。

1）網關硬件：綜合考慮多種接入方式的硬件模塊、體積、成本、特定應用設計。其中接入方式有短距離通信方式，ZigBee、RFID、藍牙、WiFi等，接入互聯(lián)網方式有以太網、3G、GPRS、衛(wèi)星通信網等，未來可根據需要擴展添加NFC、4G等。以上接入模塊可靈活選擇搭配，以減少網關體積。而針對應用需要，同時還能選擇性地添加觸摸屏等設備，方便演示、配置控制或其他用途。

2）網關軟件：網關應具有廣泛的接入能力，并提供對傳感器和終端的可管理性的支持，網關軟件提供傳感器網絡與其他網絡通信的接口，而且它需要為身份認證、實時消息查看、信息采集提供支持：

（1）消息通信，是整個系統(tǒng)通信的橋梁和樞紐。它要通過WiFi與ZigBee網絡的匯聚節(jié)點相連接，獲取傳感網中的應用數據和網絡信息，是身份認證、信息查看的基礎。

（2）身份認證，從硬件資源配置上看，網關優(yōu)于傳感節(jié)點而劣于平臺設備，因此選擇快速簡單的動態(tài)身份認證技術，實現平臺設備的快速接入。

（3）數據存儲，平臺設備通過WiFi、3G、衛(wèi)星通信等接入網絡采集信息，由于受到網關設備的分布、存儲能力和存儲信息量、網絡連接時延等因素影響，需要合理設定網關之間信息的協(xié)商和緩存策略，以實現高效便捷的信息采集和方便的實時查看。

圖4 基于移動智能終端的現場信息采集模式

（4）現場信息采集，在廣域網遭到地震摧毀或遭遇網絡堵塞情況下，智能移動終端通過WiFi直連技術發(fā)現網關設備和文件傳輸服務，以實現高效便捷的現場信息采集（圖4）。

結語

利用物聯(lián)技術在地震現場構建的協(xié)同網絡，具有快速、多主體互聯(lián)互通、數據共享標準化等特點。降低地震現場應急救援協(xié)同的復雜性，提高現場應急救援信息共享的效率，為地震現場應急指揮決策提供更有力支撐。

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提升和社會經濟的飛速發(fā)展，未來地震災害的規(guī)模和復雜程度將進一步升級。研究基于物聯(lián)技術的地震現場應急救援協(xié)同模型、程序，開發(fā)基于物聯(lián)技術的地震現場應急救援協(xié)同終端設備，將大大提高我國應對重特大地震災害的能力，有利于高效地調度和運用一切可能的應急救援力量，最大限度地減輕地震災害造成的傷亡和損失。

2018年《城市與減災》雜志征訂單

本文由地震科技星火計劃項目XH13030Y資助