陳利明 邵平 程竹亮 陳文

0 引言

我國(guó)是森林大國(guó)，近年來(lái)森林面積穩(wěn)步上升。1949年至2008年，我國(guó)森林火災(zāi)頻發(fā)，次數(shù)高達(dá)14144次；2009年至今，雖然我國(guó)森林防火情況轉(zhuǎn)好，火災(zāi)次數(shù)和受災(zāi)面積持續(xù)下降，但基數(shù)仍然較大，森林防火形勢(shì)依然嚴(yán)峻[1]。森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)地形復(fù)雜，公網(wǎng)難以覆蓋、供電遭到毀壞導(dǎo)致公網(wǎng)中斷的情況時(shí)有發(fā)生，致使撲救隊(duì)伍隊(duì)形分散，指揮員不能及時(shí)掌握撲救人員位置及火情，因此在森林滅火作戰(zhàn)中，攜帶方便、展開迅速、實(shí)時(shí)暢通、精準(zhǔn)定位、協(xié)同標(biāo)繪的應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)至關(guān)重要。

基于GIS的可視化指揮調(diào)度系統(tǒng)，集成衛(wèi)星通信、自組網(wǎng)設(shè)備、多模終端、370兆基站和微慣導(dǎo)定位等技術(shù)構(gòu)建的森林滅火應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)，具備部署快捷、組網(wǎng)靈活、應(yīng)用場(chǎng)景多樣等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一線撲救人員與火場(chǎng)前線指揮部、后方指揮中心的互聯(lián)互通。該系統(tǒng)可以對(duì)撲救人員進(jìn)行精準(zhǔn)定位，快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確收集現(xiàn)場(chǎng)信息，幫助各級(jí)指揮員實(shí)時(shí)了解一線火情，通過(guò)視頻、會(huì)議、協(xié)同作業(yè)等形式，對(duì)撲救人員實(shí)現(xiàn)可視化指揮調(diào)度。

1 森林滅火通信指揮面臨的困境

森林資源大多位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，并且具有集中性強(qiáng)和單位面積廣袤的特點(diǎn)，很多林區(qū)內(nèi)部的通信設(shè)施幾乎空白，不僅沒有地面的有線通信系統(tǒng)，同時(shí)也沒有可供利用的無(wú)線通信系統(tǒng)。由于森林的覆蓋，衛(wèi)星通信和定位信號(hào)有時(shí)也難以傳達(dá)到地面，應(yīng)急通信指揮車難以到達(dá)核心災(zāi)害地點(diǎn)，無(wú)人機(jī)等機(jī)載平臺(tái)難以升空，這將導(dǎo)致一旦發(fā)生災(zāi)害性事故，無(wú)法在第一時(shí)間排查危險(xiǎn)源并對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行定位和展開救援；同時(shí)在滅火救援的過(guò)程中，人員定位、火情研判、指揮調(diào)度等行動(dòng)都存在巨大困難。

1.1 公網(wǎng)覆蓋范圍小

由于林區(qū)位置偏遠(yuǎn)、市電接入少、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施匱乏、施工難度大，導(dǎo)致移動(dòng)基站無(wú)法覆蓋整個(gè)林區(qū)。森林火災(zāi)發(fā)生后，會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)的公網(wǎng)出現(xiàn)無(wú)信號(hào)、弱覆蓋、網(wǎng)絡(luò)擁塞等情況，甚至?xí)纳謨?nèi)部的部分移動(dòng)基站，使現(xiàn)代化、信息化的通信裝備無(wú)用武之地。而防火瞭望塔、管護(hù)站、林區(qū)內(nèi)部受通信覆蓋限制，一旦發(fā)生火情，無(wú)法遠(yuǎn)程、及時(shí)、直觀了解現(xiàn)場(chǎng)情況，無(wú)法第一時(shí)間獲取現(xiàn)場(chǎng)信息。

1.2 地理環(huán)境復(fù)雜，通信手段少

對(duì)于森林滅火行動(dòng)，通信手段是關(guān)鍵。目前，由于林區(qū)特殊的地理環(huán)境，350兆、370兆和400兆基站數(shù)量少，通信距離有限，森林滅火通信業(yè)務(wù)單一，裝備建設(shè)落后。以短波、超短波電臺(tái)、對(duì)講機(jī)為主要代表的話音通信，雖然可以解決聯(lián)通問題，但是這些通信設(shè)備帶寬有限，只能進(jìn)行語(yǔ)音通信，而無(wú)法回傳現(xiàn)場(chǎng)視頻，導(dǎo)致指揮員不能準(zhǔn)確直觀了解現(xiàn)場(chǎng)火情，并及時(shí)調(diào)整相應(yīng)的作戰(zhàn)方案和力量部署，救援效率低下，耽誤了寶貴的救援時(shí)間。

1.3 參與滅火單位眾多，通信制式不統(tǒng)一，指揮調(diào)度困難

林區(qū)一旦發(fā)生火災(zāi)，應(yīng)急、公安、交管、宣傳、衛(wèi)健、園林等部門和屬地政府，以及消防救援、森林消防等隊(duì)伍都參與到救援行動(dòng)中，攜帶通信設(shè)備型號(hào)不盡相同，所屬單位又不一樣，如何將各個(gè)單位人員協(xié)調(diào)起來(lái)，統(tǒng)一進(jìn)行指揮調(diào)度面臨著很多困難。

1.4 火場(chǎng)前線指揮部與各級(jí)指揮中心之間寬帶傳輸困難

滅火作戰(zhàn)已進(jìn)入視頻指揮時(shí)代。受林地地形復(fù)雜、通聯(lián)環(huán)境多變、網(wǎng)絡(luò)擁擠、信息延遲等因素影響，發(fā)生森林火災(zāi)后，如果沒有穩(wěn)定可靠的寬帶通信傳輸系統(tǒng)，就不能建立有效的火場(chǎng)偵察信息、氣象信息（大風(fēng)降溫、寒潮等）、作戰(zhàn)效果等火場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知網(wǎng)絡(luò)，并將火場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)展示出來(lái)?；饒?chǎng)前線指揮部與各級(jí)指揮中心就不能夠?qū)饒?chǎng)的地理情況、火情發(fā)展、氣象水文、隊(duì)伍調(diào)配、滅火作戰(zhàn)方案等滅火救援動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行視頻會(huì)商、協(xié)同標(biāo)繪，無(wú)法高效、順暢、安全掌控滅火行動(dòng)進(jìn)程。

2 森林滅火應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)關(guān)鍵裝備

森林滅火應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)有便攜式融合衛(wèi)星通信終端、無(wú)線寬帶自組網(wǎng)設(shè)備、微慣導(dǎo)定位系統(tǒng)、多模終端、可視化指揮系統(tǒng)等關(guān)鍵裝備，可實(shí)現(xiàn)森林滅火作戰(zhàn)行動(dòng)中圖像、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、定位和視頻會(huì)商、可視化指揮調(diào)度、協(xié)同標(biāo)繪等功能。

2.1 便攜式融合衛(wèi)星通信終端

便攜式融合衛(wèi)星通信終端主要由自動(dòng)便攜衛(wèi)星天線和衛(wèi)星通信終端組成。該終端可在大多數(shù)地形上迅速展開[2]，3分鐘內(nèi)即可建立衛(wèi)星通信鏈路，實(shí)現(xiàn)圖像、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音的雙向傳輸。為保障突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急指揮調(diào)度，該終端可實(shí)現(xiàn)火場(chǎng)前線指揮部與各級(jí)指揮中心之間的雙向視頻會(huì)議、數(shù)據(jù)、圖像等信息傳輸，使各級(jí)指揮中心的指揮員及時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)視頻、圖像信息，提高決策的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

2.2 無(wú)線寬帶自組網(wǎng)設(shè)備

無(wú)線寬帶Mesh自組網(wǎng)設(shè)備內(nèi)置北斗/GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）模塊，采用COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，編碼正交頻分復(fù)用）技術(shù)，結(jié)合Mesh多跳自組網(wǎng)協(xié)議，按照軟件無(wú)線電架構(gòu)設(shè)計(jì)而成。能有效對(duì)抗復(fù)雜環(huán)境下的多徑干擾，具有配置簡(jiǎn)單、即開即用等特點(diǎn)，可提供穩(wěn)定可靠、高速、遠(yuǎn)距離和抗遮擋的無(wú)線通信解決方案，在消防救災(zāi)、公安刑偵、反恐維穩(wěn)、電力搶修、森林防護(hù)、軌道交通、海上平臺(tái)和邊海防監(jiān)控等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

2.3 微慣導(dǎo)定位系統(tǒng)

微慣導(dǎo)系統(tǒng)是以低成本的通用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）器件為基礎(chǔ)，根據(jù)應(yīng)用、誤差修正、誤差補(bǔ)償?shù)男枰Y(jié)合使用上述傳感器，充分利用每種傳感器的特長(zhǎng)，通過(guò)載體運(yùn)動(dòng)模式學(xué)習(xí)、濾波算法設(shè)計(jì)、硬件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，達(dá)到高精度自主定位的目標(biāo)[3]。不依賴于導(dǎo)航衛(wèi)星、無(wú)線基站、電子標(biāo)簽等任何輔助設(shè)備或先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，僅通過(guò)載體自身配置的小型微型慣性傳感器，可完成多場(chǎng)景下人員、車輛、機(jī)器人等的準(zhǔn)確定位。

2.4 多模終端

多模終端是集4G公網(wǎng)、天通衛(wèi)星電話、自組網(wǎng)三種通信模式于一體，內(nèi)置北斗/GPS模塊的移動(dòng)終端設(shè)備。設(shè)備采用軟件無(wú)線電體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，支持融入更多通信制式，具備優(yōu)異的擴(kuò)展性和很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可滿足任何時(shí)間和各種場(chǎng)景的通信需求。同時(shí)，該設(shè)備支持高清視頻傳輸、語(yǔ)音和短報(bào)文通信，功能豐富，全球通用（衛(wèi)星覆蓋），可保障視頻、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的順暢、穩(wěn)定傳輸。

2.5 可視化指揮系統(tǒng)

該系統(tǒng)是融合無(wú)線寬帶自組網(wǎng)、LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)專網(wǎng)）以及4G公網(wǎng)的新一代多網(wǎng)融合調(diào)度通信系統(tǒng)[4]。具有對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行高度密集部署、遠(yuǎn)程雙向音視頻互通、移動(dòng)前端群組交互、同步指揮調(diào)度、視頻會(huì)議和視頻傳輸儲(chǔ)存等功能。集語(yǔ)音、視頻、位置信息、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為一體；能夠支持包括語(yǔ)音調(diào)度、視頻調(diào)度、GIS調(diào)度、數(shù)據(jù)上傳、文本消息等多種多媒體信息的互聯(lián)互通以及分布式應(yīng)用。

3 森林滅火應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)應(yīng)用——以北京市為例

3.1 森林滅火應(yīng)急通信體系建設(shè)

目前，北京市完成了全市應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)升級(jí)改造、可視化指揮調(diào)度VDC（Visualized dispatching center）級(jí)聯(lián)和應(yīng)急單兵系統(tǒng)建設(shè)。必要時(shí)，市應(yīng)急指揮中心通過(guò)應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)可直接指揮調(diào)度街道（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）。同時(shí)，市、區(qū)兩級(jí)應(yīng)急指揮中心完成了與應(yīng)急管理部的視頻會(huì)議系統(tǒng)聯(lián)通工作。依托北京市1.4G政務(wù)物聯(lián)數(shù)據(jù)專網(wǎng)和800兆無(wú)線政務(wù)通信網(wǎng)資源，建成具有首都特色的370兆應(yīng)急指揮窄帶無(wú)線通信網(wǎng)，并加入了國(guó)家應(yīng)急指揮無(wú)線通信網(wǎng)。正在開展全市森林滅火指揮調(diào)度通信和信息化系統(tǒng)、應(yīng)急指揮車建設(shè)，實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議系統(tǒng)、多模終端、衛(wèi)星電話、移動(dòng)指揮車、應(yīng)急單兵系統(tǒng)等多種通信終端融合聯(lián)通；逐步建立全市救援現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)。

3.2 森林滅火應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)的實(shí)踐

如圖1所示，前突救援隊(duì)伍指揮員配備了多模終端和窄帶終端（370兆手臺(tái)等），前突救援隊(duì)伍利用多模終端、370兆手臺(tái)與火場(chǎng)前線指揮部互聯(lián)互通，火場(chǎng)前線指揮部利用衛(wèi)星、公網(wǎng)4G與應(yīng)急管理部、市、區(qū)三級(jí)應(yīng)急指揮中心（以下簡(jiǎn)稱后方指揮中心）互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)了火場(chǎng)前線指揮部與前突救援隊(duì)伍和后方指揮中心之間互聯(lián)互通。

圖1 森林滅火應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)示意圖

3.2.1 事發(fā)初期通聯(lián)保障

當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，事發(fā)地通過(guò)應(yīng)急單兵系統(tǒng)、電話等向?qū)俚貐^(qū)報(bào)告。屬地區(qū)應(yīng)急指揮中心指揮調(diào)度屬地森林滅火隊(duì)伍進(jìn)行先期處置。隊(duì)伍在行進(jìn)過(guò)程中，可通過(guò)應(yīng)急單兵系統(tǒng)、車載窄帶臺(tái)，與區(qū)應(yīng)急指揮中心保持通信聯(lián)絡(luò)。同時(shí)，區(qū)應(yīng)急指揮中心與市應(yīng)急指揮中心建立應(yīng)急視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控圖像、800兆和370兆無(wú)線通信聯(lián)絡(luò)。

市應(yīng)急指揮中心接報(bào)森林火災(zāi)時(shí)，建立與區(qū)應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急管理部視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控圖像、800兆和370兆無(wú)線通信聯(lián)絡(luò)；并調(diào)動(dòng)市森林消防隊(duì)伍參與救援；同時(shí)，公安、交管、宣傳、衛(wèi)健等部門趕赴火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，使用800兆手臺(tái)和應(yīng)急單兵系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。市森林消防隊(duì)伍通信分隊(duì)，負(fù)責(zé)市級(jí)專業(yè)處置指揮所開設(shè)，具備寬窄帶、衛(wèi)星、公網(wǎng)通信保障能力。

3.2.2 市級(jí)前線指揮部通信保障

在市級(jí)應(yīng)急通信指揮車到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，建立市級(jí)前線指揮部。市級(jí)專業(yè)處置指揮部配屬市級(jí)前線指揮部，由市級(jí)前線指揮部統(tǒng)一指揮。應(yīng)急通信指揮車內(nèi)置便攜指揮箱，指揮箱裝有可視化指揮調(diào)度系統(tǒng)，具備地理信息圖文一體化、可視化指揮與調(diào)度、大數(shù)據(jù)分析與決策等功能，指揮員通過(guò)可視化指揮調(diào)度系統(tǒng)對(duì)一線撲救人員進(jìn)行通信和可視化指揮調(diào)度，確保各類指揮信息與指揮命令暢通，作戰(zhàn)位置與協(xié)同標(biāo)繪及時(shí)共享。應(yīng)急通信指揮車裝有370兆車載基站，實(shí)現(xiàn)滅火作戰(zhàn)地域370兆無(wú)線信號(hào)覆蓋，并通過(guò)衛(wèi)星通信接入應(yīng)急管理部370兆應(yīng)急指揮窄帶通信網(wǎng)。應(yīng)急通信指揮車攜帶有微慣導(dǎo)基站，一線撲救人員攜帶微慣導(dǎo)裝置，火災(zāi)前線指揮部能夠?qū)崟r(shí)了解一線撲救人員位置及所在位置火情，掌握分隊(duì)的作戰(zhàn)行動(dòng)，便于進(jìn)行有效的指揮調(diào)度。

一線撲救人員之間、一線撲救人員與指揮員之間可以通過(guò)多模終端、窄帶臺(tái)進(jìn)行音視頻或語(yǔ)音通話。在一些特殊場(chǎng)合和極端情況下，一線撲救人員可通過(guò)多模終端拔打天通衛(wèi)星電話與火災(zāi)前線指揮部指揮員進(jìn)行聯(lián)系。也可以與LTE基站配套使用，同時(shí)也可以將LTE基站接入本系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的指揮調(diào)度。

3.2.3 通信中繼和無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)模式

在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，火場(chǎng)前線指揮部下屬通信保障組，攜帶背負(fù)無(wú)線寬帶自組網(wǎng)設(shè)備、370兆便攜基站深入滅火一線，實(shí)現(xiàn)寬窄帶信號(hào)的接力覆蓋，擴(kuò)大通信范圍。通信保障組和一線撲救人員，也可以通過(guò)多模終端將前方火情回傳到火場(chǎng)前線指揮部。無(wú)人機(jī)搭載機(jī)載無(wú)線寬帶自組網(wǎng)設(shè)備/370兆基站通信中繼，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域無(wú)線信號(hào)覆蓋延伸指揮調(diào)度網(wǎng)絡(luò)和救援范圍，打通救援最后一公里，與應(yīng)急通信指揮車車載無(wú)線寬帶自組網(wǎng)設(shè)備、370兆基站組網(wǎng)。同時(shí)，無(wú)人機(jī)還擔(dān)負(fù)火場(chǎng)偵察、傾斜攝影、三維建模、災(zāi)情評(píng)估等任務(wù)，將采集的視頻圖像、地理信息、氣象水文等數(shù)據(jù)接入火場(chǎng)前線指揮部和后方指揮中心。

3.2.4 協(xié)同通信保障

通信保障組具備跨區(qū)增援作戰(zhàn)能力。在火勢(shì)較大、火情危急的形勢(shì)下，增派國(guó)家森林消防機(jī)動(dòng)力量、其他區(qū)森林消防力量投入滅火作戰(zhàn)時(shí)，通信保障組根據(jù)火場(chǎng)前線指揮部命令，攜帶基站前出接力覆蓋，為國(guó)家森林消防機(jī)動(dòng)力量、其他區(qū)提供隨遇接入組網(wǎng)條件，實(shí)現(xiàn)火場(chǎng)前線指揮部、后方指揮中心對(duì)國(guó)家森林消防機(jī)動(dòng)力量、市區(qū)森防隊(duì)伍的統(tǒng)一指揮調(diào)度。

當(dāng)供電系統(tǒng)、地面通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到不可抗力破壞，導(dǎo)致移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓、無(wú)信號(hào)覆蓋時(shí)，森林滅火應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)采用“公專結(jié)合、寬窄融合”的多維組網(wǎng)形態(tài)，通過(guò)便攜式融合衛(wèi)星通信終端、無(wú)人機(jī)中繼通信、多模終端、370兆基站，必要時(shí)，申請(qǐng)應(yīng)急管理部大型長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，未來(lái)還可利用浮空通信中繼平臺(tái)[5]，快速構(gòu)建“空、天、地”立體化的森林滅火作戰(zhàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，為應(yīng)急救援隊(duì)伍、聯(lián)動(dòng)部門、社會(huì)公眾等提供應(yīng)急通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)一線撲救人員與火場(chǎng)前線指揮部、后方指揮中心之間的一張圖指揮調(diào)度、一張網(wǎng)信息交互，一體化應(yīng)急響應(yīng)。具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、通信容量大、組網(wǎng)靈活、部署便捷的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于衛(wèi)星通信網(wǎng)與天通通信網(wǎng)等多種通信終端融合聯(lián)通，結(jié)合無(wú)人機(jī)、浮空通信中繼平臺(tái)，既實(shí)現(xiàn)了森林滅火現(xiàn)場(chǎng)的高速通信又可實(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)景下的保底通信。未來(lái)，適應(yīng)地震、洪澇等各類自然災(zāi)害，偏遠(yuǎn)地區(qū)災(zāi)害應(yīng)急處置數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知與展示、指揮通信保障等應(yīng)用場(chǎng)景，建設(shè)衛(wèi)星通信、散射通信、自組網(wǎng)通信等多種通信手段，搭載車載通信平臺(tái)、無(wú)人機(jī)通信中繼等多種平臺(tái)，構(gòu)建空天地配合、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、彈性擴(kuò)展的應(yīng)急戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，支撐前后方指揮部之間的融合會(huì)商、現(xiàn)場(chǎng)感知、指揮決策與資源調(diào)度，將實(shí)現(xiàn)斷路、斷網(wǎng)、斷電等極端條件下的通信暢通，滿足全域覆蓋、全時(shí)通信的要求。