張 瑩 尹文剛 郭紅梅

1.四川省地震局 減災(zāi)救助研究所 四川 成都 610000;2.武警警官學(xué)院 信息通信息 四川 成都 610000

1 地震應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的特征

根據(jù)地震應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地震應(yīng)急救援通信系統(tǒng),系統(tǒng)體系架構(gòu)的設(shè)計將決定地震應(yīng)急救援通信系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)、應(yīng)用模式和發(fā)展趨勢。在地震救援背景下的應(yīng)急通信指揮體系,遵循“可視化、物聯(lián)化、一體化”的技術(shù)原則。

1.1 可視化 地震應(yīng)急救援的現(xiàn)場情況應(yīng)以視頻監(jiān)控等可視化監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)現(xiàn)場全景實時可視化展示,且在應(yīng)急指揮場所能夠?qū)崿F(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維立體GIS平臺展示?？梢陨鷦诱故镜乩硇畔?河流、森林、地形、房屋結(jié)構(gòu)等)、設(shè)備信息(基站、輸電線路、鐵塔等)、人員信息(救援人員、指揮人員等)。結(jié)合國家電網(wǎng)內(nèi)部調(diào)度自動化信息和變電站視頻監(jiān)控統(tǒng)一平臺,虛擬現(xiàn)實技術(shù)將地震后的內(nèi)外環(huán)境結(jié)合在一起,給指揮者直觀視覺感受,從而大大提高了指揮應(yīng)急救援的效率和速度。

1.2 物聯(lián)化 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是發(fā)展地震應(yīng)急救援的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)技術(shù)對地震的監(jiān)控和預(yù)警僅僅基于基站、北斗和EQI M 地震速報系統(tǒng),無法對地震系統(tǒng)全過程進行實時監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過布設(shè)各種傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻識別(RFID,Radio Fre-quency IDentificaiton)芯片傳感網(wǎng)絡(luò),可以實現(xiàn)地震后內(nèi)外部環(huán)境、人員、物資的聯(lián)網(wǎng)。通過進行狀態(tài)讀取,定位等信息綜合手段及移動終端計算技術(shù),結(jié)合可視化監(jiān)控平臺,利用同一IP平臺實現(xiàn)應(yīng)急救援現(xiàn)場的綜合信息全面覆蓋。目前的地震應(yīng)急通信系統(tǒng)對災(zāi)害現(xiàn)場信息獲取能力相對較弱,還無法完全獲得綜合環(huán)境信息、圖像信息,更重要的是無法獲得現(xiàn)場指揮和救援人員、物資的實時信息?；谖锫?lián)網(wǎng)的地震應(yīng)急災(zāi)害現(xiàn)場指揮系統(tǒng)可以將現(xiàn)場的外部環(huán)境(溫度、濕度、風(fēng)速、地形等)、救援人員信息(姓名、職務(wù)、現(xiàn)楊任務(wù)、實時行動信息、實時定位信息等)、物資信息(類型、數(shù)量、物流信息、實時狀態(tài)、實時定位信息等)全面信息納入統(tǒng)一監(jiān)控平臺,并經(jīng)數(shù)據(jù)分析平臺實現(xiàn)資源的最優(yōu)化調(diào)度,且可確保命令下達(dá)的準(zhǔn)確及時,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

一個典型的傳感器節(jié)點可被看作是一個微型計算機,由3部分組成：低功耗微型處理器(信息和路由處理器)、信息傳感器(溫濕度傳感器或RFID芯片等)、通信模塊(超短波、微波等)。該節(jié)點可以被看作具有信息傳感和路由的雙重功能。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心在于其Adhoc的自組織路由協(xié)議,即每個節(jié)點可以根據(jù)信道情況自動發(fā)現(xiàn)和生成路由,以確保最佳的傳輸質(zhì)量。在某節(jié)點失效時,與其建立路由的節(jié)點可以自動尋找其他替代節(jié)點進行路由,確保了網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力。由此可見,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合用在地震災(zāi)害現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)和信息的采集,并通過骨干節(jié)點回傳至現(xiàn)場指揮中心,再通過衛(wèi)星或光纖與應(yīng)急指揮中心相連。

2.2 RFD技術(shù) 除了配置在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上固有的傳感器外,在傳感網(wǎng)絡(luò)激蓋范圍的其他信息的獲取則需要RFID來實現(xiàn)。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識別工作無須人工干預(yù),可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽,操作快捷方便。在地震救援現(xiàn)場,通過人員或物資隨身攜帶的RFID芯片與無線傳感網(wǎng)進行交互,則可以對人員和物資的信息(如位置信息、狀態(tài)信息等)進行收集。

2.3 云計算 云計算(Cloud Co mputing)指的是無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式,無論何時何地只要需要就可以通過某種設(shè)備訪問到所需的信息,云計算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖2所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 云計算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

1.3 一體化 通過可視化、物聯(lián)化可以獲得海量數(shù)據(jù),但從數(shù)據(jù)到信息還需要較長的過程。采用數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)技術(shù)進行信息綜合整理分析,和現(xiàn)有應(yīng)急指揮系統(tǒng)平臺的信息互通融合才能更有效地發(fā)揮應(yīng)急指揮的效率和作用。在結(jié)合地震應(yīng)急救援的內(nèi)部信息與外部信息(救援現(xiàn)場的環(huán)境、人員、物資信息等)后,利用數(shù)據(jù)挖掘功能進行地震現(xiàn)場的脆弱性分析,進行最優(yōu)化應(yīng)急救援指揮調(diào)度。同時,一體化的應(yīng)急通信平臺還可以保證信息的及時性、同步性、完整性?，F(xiàn)場移動計算終端、現(xiàn)場指揮部、后方應(yīng)急指揮中心實現(xiàn)“三位一體”的分級訪問控制的信息共享系統(tǒng),確保信息及時、可靠、安全。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能是將一系列在空間上分散的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡(luò)進行連接,從而將各自采集的數(shù)據(jù)進行傳輸匯總,以實現(xiàn)對空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控,并根據(jù)這些信息進行相應(yīng)的分析和處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器,可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象,能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息,并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點,以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤,具有快速展開、抗毀性強等特點,有著廣闊的應(yīng)用前景。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展,移動計算終端已經(jīng)可以做到很小,結(jié)合“最后一公里”的無線通信回程接入(如802.11n Wifi Mesh、802.16 Wi Max等),采用便攜移動計算終端可以很方便的在接入點附近進行數(shù)據(jù)的傳輸。如果搭配相應(yīng)的終端處理軟件,并從接入點的服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)和資源,則可以在任何時間和地點形成一個“移動終端站”甚至“移動中心站”。在地震救援現(xiàn)場的應(yīng)急指揮部建立數(shù)據(jù)服務(wù)器,甚至應(yīng)急指揮中心的服務(wù)器通過衛(wèi)星、光纖等寬帶連接到現(xiàn)場的無線回程接入點,都可以作為云計算的無線回程接入。現(xiàn)場救援人員通過便攜移動計算終端訪問無線接入點,則可以獲得權(quán)限范圍內(nèi)應(yīng)急指揮中心的所有資料數(shù)據(jù),更加有利于現(xiàn)場的救援指揮。

2.4 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù) 一體化信息綜合技術(shù)(數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)挖掘、專家輔助支持決策系統(tǒng))要將通過傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得的海量信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢怨Q策參考的知識,必須做數(shù)據(jù)的獲取和挖掘工作。視頻信號、傳感器信號、RFID信號的獲取和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建模是進行數(shù)據(jù)挖掘工作的基礎(chǔ)。同時,應(yīng)急指揮中心系統(tǒng)服務(wù)平臺的各項數(shù)據(jù)如地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、監(jiān)控信息、氣候信息、社會信息等,也是數(shù)據(jù)挖掘的信息基礎(chǔ),利用這些內(nèi)外部環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)挖據(jù)技術(shù)則可以最優(yōu)化地決策應(yīng)急救援指揮,大大提高應(yīng)急救援的專業(yè)化和效率。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地震應(yīng)急救援通信系統(tǒng)能夠在第一時間快速展開、密集布設(shè),為決策層提供密布現(xiàn)場每一個角落的第一手信息資料,為現(xiàn)場工作人員提供強有力的信息服務(wù)支撐,為上級的資源調(diào)配指令提供暢通無阻的通信通道。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)急救援指揮調(diào)度系統(tǒng)中能夠填補現(xiàn)有通信系統(tǒng)的空缺,提升指揮調(diào)度系統(tǒng)布設(shè)速度,增加應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)續(xù)航能力,增加感知范圍,同時節(jié)省投資、降低成本?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的地震應(yīng)急救援通信系統(tǒng)硬件架構(gòu)如下圖3所示。

圖3 地震應(yīng)急救援通信系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)可以同時顯示地理信息、環(huán)境信息、現(xiàn)場影像信息以及設(shè)備、人員、物資等各種要素信息,還可以進行分類展示和管理。系統(tǒng)可以搭載影像圖和矢量圖等多種GIS要素,獲得更充分的地理信息供決策參考,系統(tǒng)可以對人員、設(shè)備、物資等各種要素進行分類識別、追蹤、查詢、統(tǒng)計等操作。該應(yīng)急救援指揮調(diào)度系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)部分采用分級管理架構(gòu)設(shè)計,共分為應(yīng)急中心、現(xiàn)場指揮部、應(yīng)急行動小組3層。

1、應(yīng)急中心可對地震現(xiàn)場所采集上傳信息進行實時匯總、智能處理,對各項任務(wù)執(zhí)行情況物資輸送情況進行了解,并發(fā)出相應(yīng)指揮調(diào)度方案。

2、現(xiàn)場指揮中心是現(xiàn)場指揮調(diào)度的核心機構(gòu),根據(jù)傳感節(jié)點上傳數(shù)據(jù)以及應(yīng)急中心所下達(dá)的應(yīng)急方案進行現(xiàn)場指揮,并將雙向信息進行交互。

3、應(yīng)急行動小組作為地震應(yīng)急教援的實施力量,通過移動終端與前端信息中心的互聯(lián),可實時得到應(yīng)急中心的最新指示,并將現(xiàn)場任務(wù)實施情況向應(yīng)急中心進行上報。

系統(tǒng)底層為地震現(xiàn)場密集布設(shè)的感知節(jié)點,根據(jù)不同節(jié)點所處環(huán)境需求的不同,可搭配各種信息采集模塊,比如：環(huán)境信息傳感器、RFID讀卡器、攝像頭、GPS模塊等。通過上述多種感知設(shè)備,系統(tǒng)可以全面感知地震現(xiàn)場的人、財物等各類實時狀況,并將信息傳遞至匯聚節(jié)點,從而由移動終端、前端信息中心、移動指揮車3方面進行信息的接收、處理及上傳,最終傳送至應(yīng)急指揮中心。地震應(yīng)急指揮中心根據(jù)所上傳信息及處理平臺所給出的意見進行決策,將指令傳輸至各級系統(tǒng)。

和已有的地震應(yīng)急救援系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

(1)使應(yīng)急救援現(xiàn)場的各類環(huán)境信息、物資及人員的標(biāo)識及位置信息、圖像信息等可以得到密集、實時的采集,并安全、有效地提供給中央指揮控制系統(tǒng)供領(lǐng)導(dǎo)層決策部署。

(2)使指揮部門可通過該系統(tǒng)實時進行高效的復(fù)雜指令傳達(dá)與人員物資的動態(tài)調(diào)配。

(3)使現(xiàn)場工作各單元可以利用該系統(tǒng)上傳第一手的災(zāi)情及工作信息,同時獲取中控系統(tǒng)的智能云服務(wù),有效支持現(xiàn)場作業(yè)。

(4)中央指揮控制系統(tǒng)根據(jù)各類信息構(gòu)筑傳感資源云,從而提高應(yīng)急救援決策指揮的效率和水平,將地震應(yīng)急救援工作進一步推動到物聯(lián)化、智能化時代。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地震應(yīng)急救援通信系統(tǒng)將大大提高地震系統(tǒng)現(xiàn)有應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的信息化水平,使地震應(yīng)急救援現(xiàn)場以更加直現(xiàn)、清晰的方式展示,提高應(yīng)急救援決策指揮的效率和水平,將地震應(yīng)急救援工作進一步推動到智能化時代。應(yīng)急的處置和救援是地震發(fā)生時最重要的一個環(huán)節(jié),其中應(yīng)急通信及指揮系統(tǒng)的建設(shè)又是應(yīng)急處置的根本保障,做好應(yīng)急通信系統(tǒng)的信息化、智能化建設(shè),將大大提高地震救援的效率,降低受災(zāi)成本,產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益;同時地震行業(yè)應(yīng)急通信系統(tǒng)的信息可與政府、社會信息共享,成為黨和政府應(yīng)急救援體系中的重要環(huán)節(jié),為維護社會穩(wěn)定、促進社會發(fā)展做出地震行業(yè)的貢獻(xiàn)。