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2.5 应急通信网络的组成和技术选型

2.5.1 应急通信网络的组成

在应急通信过程中,既会使用现有的固定有线网、蜂窝无线网、互联网等公众通信网络,也会使用到集群、卫星、短波等专用通信网络,广播、电视、报纸等公众传媒网络,以及传感网、Ad hoc网络等现场监控和救援网络;既可能利用先进的IP基础平台和IMS/P2P平台,也可能利用非IP和非IMS平台。应急指挥和通信调度既需借助专用的有线、无线平台,亦需公众平台的有效补充支持;既需要有效感知、认知与云计算等高技术支持的快速智能、智慧决策行动,亦需能随时随地紧急应对的卫星移动电话和单兵卫星联络对讲的简单有效设施的支持。也就是说,应急通信网络是一种涉及多种通信技术手段的异构网络,根据事发的时间、地点和基础设施网络的受损程度,其网络构成是不确定的、多样的和动态变化的。

因此,设计应急通信网络是一个极庞大而复杂的系统工程,需谨慎细致的规划设计,很难有一个统一、完美的体系架构,需要根据实际需求进行全盘考虑,选择合理的应急通信技术手段,并进行有效整合。一般情况下,首选应急突发事件后残存的基础设施网络,而后根据需要部署其他网络。固定有线通信网能够提供高速和稳定的通信信道,通话费用较低,适用于大数据量的实时传输,但是由于受到线缆的限制,并不是任何时间、任何地点都可以使用的。移动通信支持动中通,灵活方便,更合适应急通信的需求,但其覆盖范围和所能承载的业务有限。卫星网络通信距离远,且不受地面条件的限制,能够迅速实现地面传输手段无法满足的地点之间的通信,尤其是在面积大、地面通信线路不发达的地区。但是卫星通信网络建设投入大、传输速率相对较低、通话费用高,因此更适用于极端情况下的应急通信。数字集群系统可实现组呼、单呼、广播以及短消息和分组数据传输业务,适用于应急指挥调度。随着互联网的不断普及,其应急通信能力逐渐得到人们的认可,并开始在实际应用中发挥着重要的作用。互联网可以提供包括E-mail、即时通信、文件传输、流媒体在内的多种通信服务,具有网络覆盖范围广、信息传递量大、费用低廉的优点,但是存在突发情况下容易发生网络拥塞而不能快速响应的问题。无线自组网是移动通信技术和计算机网络技术融合的产物,具有网络自组织和协同合作特征,非常适合组建应急通信网络来协调各类人员展开救援行动和应对突发事件。无线自组网的典型实例包括Ad hoc网络、无线传感网和无线Mesh网络,它们具有鲜明的技术特色和不同的应用领域,在应急通信场合均能发挥重要作用。这些无线自组网技术的有机融合,必将大大加强应急突发场合下的通信保障能力。

2.5.2 应急通信保障中的技术选型

应急通信技术与其他技术领域不同,它并不是独立存在的新技术,而是很多技术在应急方面的特殊应用,即各类技术通过不同组合来满足应急通信的不同需求。目前,与应急通信相关的技术包括公众通信网、数字集群、无线传感器、Ad hoc网络、短波、超短波、微波、视频会议和视频监控、安全和加密、定位、卫星通信、地理信息系统等多个技术领域。每种类型的通信技术都有其特点,适用于特定的应用领域和对象,因此设计合理、有效整合上述各种技术的异质应急通信体系结构面临很大的技术挑战。在突发事件发生后,政府部门需要在充分利用运营商网络资源及各专网资源的基础上,协调其他已有的各项资源,针对应急事件的不同特点,选择相应的应急通信技术手段。

选择什么样的技术手段不仅与紧急突发事件的性质紧密相关,还要充分考虑通信中断的原因。具体而言,通信中断(或阻塞)的原因主要有以下4个:

(1)通信基础设施(如光缆、铜缆、无线基站、交换设备、机房)的损坏,原因为机房房屋倒塌以及水、电、火、气温等因素引起的通信设备及配套设备的损害,使事发地区的通信网络特别是与外界的主要通信干线被切断。

(2)供电中断,原因为供电系统出现故障或备用电源耗尽等,进而导致通信设施瘫痪。

(3)交通中断,使预先准备的应急通信设备和人员难以进入现场。

(4)事发地区人们的恐慌和其他地区人们的关注,即使当地通信网络没有受到损坏,也会由于出现远超当地通信网络设计负荷的呼叫和话务量而导致网络瘫痪,使得紧急信息难以有效传递。这种通信中断突出表现在两个方面,一是话务冲击破坏了网络负荷均衡,二是话务冲击下的雪崩效应。

从应急突发事件的实际情况来看,以上4种情况虽然破坏程度不同,但往往同时发生;从而不仅使得事发地区原有的通信网络瘫痪,而且使得采用应急通信手段紧急恢复通信也变得相当困难,其结果就是事发地区在相当长的时间内无法恢复正常通信从而与外界隔绝。根据上面的分析,在进行应急通信和灾害备份通信的设计或制定相关预案时,必须慎重考虑中继、电力、交通和超负荷业务量等4个因素的影响。

在长途中继方面,地面光缆和铜缆的优势是容量大、性价比高,但易遭地震、水灾等自然灾害的破坏。因此在灾害情况下,采用微波和卫星通信作为中继电路备份是比较好的选择,也可以考虑利用无线自组网技术进行多跳中继。

在电力方面,当灾害导致大规模停电发生时,根据国内外的实际经验来看,由于规模导致的成本问题,很难为所有的无线基站、微波中继塔提供备份供电;而卫星通信由于自成体系,对电力的要求最低,只需要事先为相关卫星终端配备一台小型便携发电机,就可以在灾难发生时为相关地区或单位提供基本的对外联络。无线自组网可以由多部电台临时构成,对电力供应的要求较低。

在解决交通阻断对通信的影响方面,一旦灾害发生,无论多么轻便灵活的应急通信手段(如卫星手持终端)也都需要在交通恢复后(包括采用非常规的运输手段,如地震灾害中动用直升机)才可以运进灾区。为了避免通信的恢复依赖交通恢复的尴尬局面,只有在灾难发生前未雨绸缪,建立灾害备份通信系统,才能在灾后确保通信不致中断。

表2.2描述了各种应急通信手段的优缺点与应用场景。

表2.2 应急通信手段比较

续表

应对灾后恐慌引起的网络阻塞对关键通信的影响,目前通常采用两种办法。第一种方法是建立政府部门或企业专门的应急指挥通信系统,不和民用网络有任何关联,目前多采用数字集群系统。第二种方法是建立政府或企业的卫星灾害备份通信系统,因为当卫星通信作为接入网时,由于和当地的接入网没有任何关联,电话或数据上星后直接到达设在异地或本地与长话局相连的卫星通信关口站,因此可以避免灾后恐慌引起的当地网络阻塞。无线自组网同样能够发挥传递关键通信的作用,而且组网快速、灵活,健壮性强。

2.5.3 面向不同用户对象的通信手段

1.面向待援用户群体的应急通信手段

突发事件发生时,需要通过专用的紧急信息通信系统向群众传递相关信息。在预测到灾害发生和灾害真正发生时,灾害信息要从救灾相关行政部门传送到当地政府,再由当地政府传达给群众。在这种情况下,广播电视、无线广播电台都是很好的通信工具。在日本,政府专门设有“同步防灾行政无线网”,可将灾难信息和基于信息做出的避难建议等警报信息迅速地通知给该地居民。该系统在平时也可用于对群众的宣传和一般的行政事务播报。从2002年起,日本开始引入数字同步无线电通信系统,数字系统可实现双向通话及传输受灾地区的图像,能够更好地满足灾害时的信息传输。与此同时,受灾群众也需要向救灾部门报告灾情,这时主要可借助固定电话和手机向警察、医疗等部门请求援助。

2.面向指挥救援用户群体的应急通信手段

灾难发生时,需要第一时间紧急召集相关救援机构的工作人员,常用的通信手段是移动电话和短信。在紧急情况下,可采用技术手段对应急部门的救援人员的通信进行优先接通,并可通过直接群发短信通知相关救援部门的工作人员。另外,救援人员需要借助应急通信网确定待援用户的确切位置。当前,很多应急救援部门都建有彼此互连的专用网络。应急通信网络一般按行政级别组织,包括国家、省、市和县/镇等层次。以日本为例,其灾难管理网分国家、都道府县和市镇村3层,全国的防灾无线网络的整体结构如图2.18所示。图中,最高层是以内阁府(防灾负责机构)为中心的中央防灾无线网,其与多个不同用途的防灾无线网直接相连;第二层是都道府县防灾行政无线网;第三层是市镇村防灾行政无线网。此外,还设有地区防灾无线网以连接地区防灾相关部门的网络。

图2.18 日本灾难应急响应的组织架构

在救灾现场,消防、警察、医疗等各种应急处置队伍往往需要通过集群系统指挥、调度现场的工作,集群系统所具有的群呼、组呼、优先级接入等功能是其他网络无法替代。 NFB0XPRfVvs2Ez95ZihrR5E+bw4zrV4jW7FUNPRh8ZTlS92DV0u9gybuZVlGY/4Y

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