引言

破坏性地震发生后,地面基础通信设施往往会受到不同程度的破坏,因此需要建立地震现场应急通信平台来保障地震现场与指挥中心的通信畅通(付荣国等,2014;杨理臣等,2014;帅向华等,2009a)。“十五”期间在中国地震局统一规划下,各省局建立了地震现场通信系统(杨天青等,2010;帅向华等,2009b)。但在部分省局,该系统为集成箱式设备,不仅搬运时费时费力,而且在现场进行临时连线很容易造成错误,势必会延误应急响应时间。因此,为了进一步提升陕西省地震局在应急状态下的指挥能力,真正做到快速反应、全面感知、全程指挥,在原有应急现场箱式系统的基础上,建立了一套基于车载的地震应急通信指挥系统。应急通信指挥车的建成实现了地震应急状态下地震现场与指挥中心的可靠通信,确保了现场调度和各类信息的快速采集,为地震现场的应急指挥提供了更加灵活机动的技术保障和信息支持。

1 车辆改装
1.1 车体改造

陕西地震应急通信指挥车选用金旅-柯斯达底盘进行车辆的改装集成,在整车总体布局时充分考虑功能化分区和人性设计理念,将车内空间从前至后划分为驾驶区、操作区、会议区和装备区,各区功能相对独立,能做到互不干扰。图1为应急通信指挥车改装完成后的图片。

图 1 应急通信指挥车改装后图片 Fig. 1Emergency communication command vehicle after modify

驾驶区为驾驶员独立驾驶区域,安装有倒车后视监视屏等设备;会议区设有两长排沙发座椅、可变宽型会议桌等,可容纳6—8人进行临时会议;操作区分前后两部分,均安装有标准机柜及电视墙,各主要设备及其控制操作都集中在该区域进行,便于操作人员集中控制和观察;装备区安装有发电机、升降杆及器材架,器材架具有多个隔断空间,放置有应急照明灯及移动线盘等。

为了更好地实现应急通信,应急车对车辆顶部进行了改造,安装了各类通信天线及空调、摄像等设备。图2展示了车顶设备的分布情况。

图 2 车辆顶部设备分布图 Fig. 2Distribution of equipments and antena setup on the vehicle roof

办公桌椅、通信天线、悬梯机柜、仪器设备等各类设施和物品在整车设计时均考虑了安装和摆放的合理性、稳定性和可靠性,对容易松动的环节进行了加固处理。同时,在车辆改造时为避免出现前后倾斜的情况,对所有安装设备提前进行了重量计算,保证设备安装后车辆平稳无倾斜。

1.2 供电系统

系统供电具有市电、自备发电机和UPS三种供电方式,且三种方式可以进行切换,保障设备无间断运行。在供电设计上,采用市电优先的原则,即在有市电供电的情况下,将市电接入车内配电控制箱给设备直接供电。在无市电情况下,可由发电机为整车系统供电。这两种模式下均可同时向UPS提供电能补充。在既无市电又无发电机供电情况下,直流电源系统由UPS供电。这三种方式可在不同应用场景下灵活设置,最大限度保障应急车各业务系统的正常供电。

经计算,整车设备耗电总功率约为7500W(所有设备同时使用时的理论值),其中除车顶照明、空调等直接由发电机供电约4100W外,其它设备由UPS供电。所以UPS所带最大负荷约为P=7500W-4100W=3400W。选用熊猫静音发电机作为车载自备发电机,其额定功率为8KW,集成于车辆尾部。选用5kVA的UPS作为不间断电源,其有效输出功率为3500W,可满足车内系统的最大负载要求。

1.3 照明系统

应急通信指挥车的车内工作区、装备区均配有220V交流电照明,同时保留了原车直流电照明,可实现在无市电或发电机故障情况下使用电池直流供电,为车内提供短时应急照明。

车顶四周安装有4具150W泛光型金卤灯,泛光灯由光源处向四周均匀照射,可以提高整个应急车周边的整体亮度,实现应急车周边30m范围内的工作照明,并可为车顶摄像系统提供照明补光;在车顶电动升降杆全向云台处配置2具1000W强光探照灯,可随云台正负90°俯仰、360°旋转。探照灯强度高、距离远、光源集中的特点可满足应急车周边100m范围特定目标的定点照射。泛光灯与探照灯互为补充,保障远近不同工作场合的照明需求。

1.4 支撑系统

由于地震现场场地环境较为复杂,无法保证通信指挥车停放路面的平整,轮胎弹性较大也不利于保持稳定,车辆晃动容易对系统运行造成影响(何琴等,2010;季英凯,2014),而且车辆长期满载运行易造成底盘弹簧钢板变型及轮胎受损,降低车辆使用寿命。因此,通信指挥车设计了一组大力神电动支撑系统,以减轻车辆弹簧钢板及轮胎的负荷,并能将车辆调整成水平状态。平衡支撑系统收回后能紧贴在车体上,不改变车辆离去角及接近角,不影响车辆行驶性能。该支撑系统可实现单腿手动调平和一键式自动调平,操作简便快捷,为通信指挥车到达应急现场后的快速启动提供了保障。

2 系统集成
2.1 卫星系统集成

“十五”地震现场原有的卫星集成箱系统每次对星时需要进行连线,操作繁琐。此次车改新增一套Advantech PIONEER 120全自动天线,该天线具有体积小、重量轻、操作简单、展开与收藏快速、特别适用于野外工作环境等特点。LNB和BUC功放可以直接安装在车顶天线上,特别适用于通信指挥车改造。该天线系统可实现一键式全自动寻星定位,能建立起移动站与主站间的通信链路,实现地震现场与指挥中心之间数据、语音及视频通信。

为加强地震现场和省政府的应急通信能力,车辆改装集成重点设计了应急通信车和陕西省政府应急办之间卫星链路的互联互通。车改卫星系统室内部分保留原中国地震局箱式系统配置的SkyWAN IDU2500卫星调制解调器,只增加一台CDM570L卫星调制解调器,与中国地震局卫星系统共用一付车载天线和一套射频设备(RFT5000、FPS、LNB),实现陕西省政府和中国地震局两套卫星系统的集成。

图 3 卫星系统集成后连接示意图 Fig. 3Schematic diagram of satellite system integration

从图3可以看出,增加CDM570L后,并未改变原有中国地震局卫星的系统结构,只增加一个合路器,在路由器上做相应的路由配置即可选择不同卫星调制解调器通信。在原有设备的基础上进行卫星系统的改造集成,避免了重复投资,实现了一键式全自动寻星功能。陕西省政府和中国地震局卫星系统共用一套天线和射频装置,不仅精简了系统连线,而且节省了空间。

2.2 网络系统集成

网络集成充分利用“十五”项目原有资源,只更换了新的网络交换机和路由器,交换机和路由器也是整个网络的核心单元,实现了不改变原有现场设备局域网网络规划的前提下更为灵活多样的组网功能。WiMAX、IP语音网关、服务器、视频会议终端、硬盘录像机、WiFi路由器等多个设备与交换机相连,构成系统的局域网基本应用平台。路由器通过不同的路由配置切换后可与卫星IDU、通信运营商数据通信网络(电信、联通4G/3G)以及无线局域网等构成多路由的远程通信信道(文铎,2014;邹勇等,2012)。

应急通信指挥车到达现场后主要依靠VSAT卫星系统进行通信,VSAT卫星采用“点到多点”的双向星状网络(杨乐等,2012),带宽2—8M,可实现高清视频会议的建立。但多次地震现场应急工作的实践表明,当小于6.0级地震发生后,震区大部分通信运营商的固网和无线网受损普遍轻微(赵恒等,2012),因此可使用通信运营商4G/3G无线业务开展地震现场的通信,也可以使用无线网桥远距离建立与公共通信信道的连通(如ADSL或FTTH)。在此基础上建立基于公共互联网的VPN通信链路,可实现地震现场和指挥中心办公网络的互联互通,完成陕西省地震局办公服务的无缝对接,为野外应急通信和信息服务提供更好的支撑(刘鹏等,2015)。

应急通信指挥车除了完成车辆本身与远端指挥中心的通信外,还通常需要兼顾现场应急指挥部的网络环境搭建。当现场应急指挥部距离通信指挥车在300m以内时,一般可直接使用车上WiFi路由器搭建无线网络环境。通信指挥车将WiFi路由器天线集成于车顶,并改为增益为10dB的高增益天线;300—500m可以通过车载野战光缆盘迅速搭建高速光纤网络或通过无线AP设置WDS进行WiFi路由器的无线桥接组网。光纤传输速度可靠稳定,而无线桥接方式更为灵活。指挥车车外面板预留了光纤接口,方便进行光纤网络搭建,光纤两端使用光电转换网络设备与交换机互联;500m至5km范围内,可使用WiMAX和B14无线网桥进行组网。两款设备天线均通过倒伏支架集成安装于车顶,竖起后能实现360°旋转及0°—90°俯仰调节,方便调整至无线网桥接收设备所在方向;5—10km范围内,主要使用无线图传中心站和车载站的中继实现单兵背负站的视频传输。无线图传系统配一套玻璃钢天线,使用时可人工固定安装于车顶云台接口处,云台通过升降杆升高后能更好的实现无线图传的远距离传输。整个网络的拓扑结构如图4所示。

图 4 网络系统集成拓扑图 Fig. 4Topology diagram of network system integrated
2.3 音视频系统集成

音视频部分主要实现对地震灾害和应急救援现场图像、声音等各类信息的实时采集,可通过有线或无线方式实时传至车内的音视频系统中。图5对音视频输入输出设备做了示意性连接描述。

该系统由8×8的AV矩阵、8×8的VGA矩阵、8路调音台构成音视频信号的集中控制平台,可实现对音视频信号的集中控制和切换。其中,大屏幕监视器支持AV和VGA两种信号显示;车顶和车内均安装了高清分辨率摄像头进行视频采集;视频会议终端可通过网络实现地震现场和应急指挥大厅的音视频双向传输及双流显示;数字调音台为各路音频信号提供控制和切转、扩声,会议桌音频口及信号接口窗为计算机及其它音频输出设备提供音频接入;为了扩展应急通信车语音通信和拾音范围,为通信指挥车部署一套指向性动圈无线话筒,可满足车外百米范围的近场无线话音接收,以便能适应野外环境复杂、范围大、专业要求较高的拾音场合。

图 5 音视频系统集成连接图 Fig. 5Connection diagram of audio and video system integrated
2.4 短波和超短波通讯集成

卫星通信目前已经成为地震应急通信的主要手段,但卫星通信成本高,操作运维都较为复杂,尤其在山区等有遮挡地区进行卫星对星十分困难,因此通信指挥车使用短波和超短波电台作为卫星通信的补充手段,以保障在发生重大地震灾害时特殊地区的应急通讯。

陕西地震应急通信指挥车的短波系统由宝丽2050电台、宝丽2019车载鞭状天线、RH-2000异频转接器和icom车载超短波电台组成,图6显示了超短波电台和短波电台的连接方式。

图 6 短波和超短波系统连接示意图 Fig. 6Schematic diagram of shortwave and ultrashort wave system connection

使用短波电台建立应急通信网,可以通过指挥中心进行选呼、群呼等组网通信,通信范围覆盖面大,通信距离可达2000km左右,因此特别适合组件应急通信指挥车和省局指挥中心的通信。但由于短波设备体积笨重,在应急通信车周边范围使用超短波可以避免短波电台不方便携带的弊端,实现周边几公里范围的通信覆盖(莫思特,2012;刘振岭等,2014;吕后华,2015)。通过异频转接器建立短波与超短波的跨频对接,能在应急现场迅速组成小型机动通信网,使短波通讯网更具灵活性和延伸能力。

利用短波及超短波技术构建车载短波通信网,能改进现场卫星通信的单一模式,提高系统的便携性能和组合能力,以适应不同应急模式的需要,增强应急通信指挥车的通信能力。

3 实际应用和优势分析

陕西地震应急通信指挥车自2011年投入运行以来,经历多次应急演练和实际地震检验。例如:2012年9月陕西安康市举行的陕西重大突发灾害应急救援拉动演练中,通信指挥车充分发挥了机动能力强的优势,在规定时间内快速到达拉动演练目的地;2013年12月陕西渭南市地震应急抢险救援演练中通过卫星应急信道回传现场高清视频,全省32个市县地震机构和11个台站通过视频会议系统全程观摩了通信指挥车直播的现场演练实况;2014年6月四川广元青川县发生4.8级地震,陕西汉中宁强、略阳两县有明显震感,通信指挥车第一时间赶赴地震现场了解灾情,通过卫星系统将地震现场信息回传应急指挥中心。由于应急期间现场突降暴雨,卫星系统因Ku波段受雨衰影响而一度出现中断,通信指挥车便利用3G+VPN组建了现场通信环境,为现场灾情获取提供了网络支撑。通过实践检验,通信指挥车和原现场箱式系统对比,在以下几个方面具有明显优势:

(1)提高地震应急响应效率。原现场箱式系统搬运困难、组装费时;应急通信指挥车改造后将设备统一安装集成,震后可以搭载应急人员立即赶赴地震现场开展工作,节约震后应急响应时间。

(2)提升通信保障能力。原箱式系统对星缓慢、容易出错、通信手段单一;通信指挥车改造后实现卫星一键式对星入网,双卫星调制解调器设计可分别与省政府和中国地震局互联互通,新增短波、超短波、4G/3G等多种通信方式保障了各种情况下地震现场和指挥中心的及时通信。

(3)增强现场信息采集和交互的灵活性。原箱式系统音视频采集渠道有限,编解码器回传效果不理想;通信指挥车新增视频会议系统和音视频系统进行集成,实现车内外高清摄像和音频扩声,通过指挥中心MCU级联模式能实现地震现场和国家局、省市、区县各级视频会议联动。

(4)拓宽地震现场业务支撑范围。原箱式系统环境支撑能力不足,系统扩展能力较差;通信指挥车改造后不仅实现了对车内供电、照明和通讯的支撑,而且利用外接接口和无线网络进行扩展,能实现车外现场工作和指挥部办公环境的各业务支撑。

4 存在问题及对策

陕西地震应急通信指挥车在实际使用中也暴露出一些问题,并尝试了一些解决方法,总结如下:

(1)车辆长时间停放后无法正常点火启动。应急通信指挥车改造完成初期出现长期停放后原车电瓶亏电造成车辆无法正常点火启动的情况,经过分析主要为车改后原车底盘和原有供电系统经过改造,加装了支撑系统、直流供电照明系统等设备,容易造成车辆关闭后没能完全切断电源的情况。因此在原车电瓶控制线路中加装一路总开关,车辆长期停放时关闭开关可以完全切断原车电源,改装后此问题得以解决。

(2)使用单卡4G/3G信道进行视频会议质量较差。由于4G/3G网络为多人共享带宽,当多用户同时使用无线资源时,网络的延时和抖动都会增加,尤其在进行高清视频会议连接时带宽不足问题尤为明显,经常出现视频卡顿现象。为了解决该问题,应急通信指挥车引进一套TVU Networks 4G/3G多卡绑定视频传输系统作为现场视频会议系统的补充,该系统能实现多张4G/3G卡同时实时传输视频画面,大幅度提升了数据传输带宽,能流畅实现720P和1080P现场高清视频的实时回传,增强了地震现场信息采集传输能力。

(3)定向网桥设备使用繁琐。应急通信指挥车沿用了原有“十五”现场WiMAX和B14无线网桥设备,两套设备均为定向天线,使用时均需要在车顶将天线打开和固定,并需要针对方向进行调整,操作较为繁琐。为了解决该问题,现场工作人员尝试使用Doublecom DB6000ANL 5.8GHz 300M全向天线的无线网桥设备进行通信,并在3公里范围内进行了测试,取得了良好的效果,下一步将在应急通信车上集成这款全向无线网桥设备,进一步扩展应急通信车周边的通信能力。

5 结语

随着社会经济的高速发展和人民生活水平的不断提高,地震灾害对社会的影响也日益显著,如何能在震后提高地震现场信息采集和传输能力,更好地指导应急指挥工作已经成为当前地震应急的重点。应急通信指挥车的建成能快速建立地震现场和指挥中心的通信,突出了应急通信指挥车机动能力强、集成度高、通信方式多样、组网灵活的特点,为地震现场工作提供了有力的技术保障。随着通信技术的不断发展,应急通信指挥车也将不断完善,在新形势下为防震减灾事业做出更大的贡献。

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