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1、下一代综合防灾应急通信体系研究汤立波张雪丽工业和信息化部电信研究院通信标准研究所高级工程师，博士工业和信息化部电信研究院通信标准研究所副总工程师摘要 在总结分析国内外防灾应急通信发展现状和趋势基础上，从宏观层面研究了下一代综合防灾应急通信体系架构，并对架构模型下各种通信技术能力进行了分析。 该体系架构可在灾 害和突发事件情况下综合利用多种通信技术形成能力互补，为监测预警、指挥调度、紧急救助和重 要通信畅通提供必要的技术手段和方法。关键词 下一代 应急通信 防灾 体系架构引言卫星系统组成的全国性公共预警系统， 并在 2006 年启动了商用手机预警系统（CMAS） 建设工作， 推动灾 害短信预警系
2、统的全国覆盖。 为保证紧急情况下重要 用户的通信能力，美国政府还推出了政府应急电信服 务 （GETS） 计 划 和无线优先服务 （WPS） 计 划 ， 可 在 灾 害和突发事件中为授权用户提供应急优先通信服务。 另外， 美国也开展了基于飞艇 、 气球等空中飞行器的 防灾应急通信平台研究，并在一些灾害演练中开展了 相关实验，增强了灾害现场的区域组网能力。日本的防灾应急通信体系以地面通信网络为主， 空中应急通信平台为辅。 日本建设了“中央防灾无线 网”、“消防防灾无线网”、“防灾行政无线网”、“防灾相 互通信网”等具有世界先进水平的地面专用防灾应急 通信网络，并利用无线传感器网络建设了地震早期预
3、警（EEW）系统。 由于日本卫星防灾应急通信还主要依 赖于欧美卫星系统， 为弥补自身卫星通信的不足，日 本大力发展基于直升机等 飞 行 器 的 空 中 防 灾 应 急 通 信平台，利用直升机飞行速度快、航行距离远，且不受 地形、 地貌环境限制等 特点 ， 可以快速抵达航距范围 内的任何地点提供防灾应急通信保障。 另外，日本还 非常注 重新技术和新应用的推广 ， 例如： 强 制 要 求 所 有出售手机内置 GPS 功能、 推广手机内嵌式收音机， 并推动在手机中内置无线射频识别标签；开发紧急情 况用户邮件收集和分析系统 ， 开 设“ 灾害专用留言电 1近年来，全球自然灾害频发，突发事件不断，现实生
4、活中的经验教训提醒人们，灾害和突发事件监测预 警、指挥调度、抢险救援、安抚公众等工作离不开可靠 的防灾应急通信保障。 由于灾害和破坏性突发事件中 通信设施经常遭到冲击和破坏，如何建设科学合理的 防灾应急通信体系架构，提高紧急情况下的通信保障 能力已经成为国内外学者的研究热点。国内外防灾应急通信现状及趋势2当前，发达国家普遍加大了防灾应急通信的建设力度，尤其是针对起步较晚的灾前监测和预警等技术 给予了越来越多的关注，逐步形成了各具特色的防灾 应急通信技术体系架 构 ， 其中以美国 、 日 本 的 防 灾 应 急通信体系最具代表性。美国防灾应急通信体系正逐步向卫星、地面相结 合的“ 天、 地” 一
5、体化方向发展 ， 其突出特点和 优势 是 具备世界上最先进、最庞大的卫星通信网络。 目前美 国在天空中服役的卫星数量占全球总数的一半以上， 在紧急情况下可提供监测预警、指挥调度、定位导航、 灾害成像等能力。 在地面防灾应急通信网络方面，美国于 1994 年建立了由广播电台、有线电视系统以及26专 家 视 点图 1 下一代“天、空、地”三维防灾应急通信体系架构示意图专 家 视 点电信网技术2012 年 7 月第 7 期话”；开发摩托车载移动式无线应急基站；推动家庭网络与灾害报警系统关联机制，紧急情况下通过互联网 自动关闭水、火、电等危险源等。从美国、 日本等国家的发展经验和相关规划看， 发达国家
6、正致力于建设多空间层面、多技术手段互补 的多维防灾应急通信体系 ， 卫星、 空 中和 地 面 通 信 系 统相结合的天 、 空、 地一体化 防灾应急通 信 体 系 架 构 已成为今后发展的 趋势 ， 同时， 防灾应急 通 信 的 重 心 也逐步由事后响应向事前预防转变。由于我国在防灾应急通信方面起步较晚，系统建 设方面相对薄弱 ， 尤其是在监测 、 预警方 面 与 国 际 发 达国家还有较大差距。 同时，我国防灾应急通信主要 以地面应急通信网络建设为主，技术系统建设还比较 分散，没有形成多空间维度互补的综合防灾应急通信 体系架构，与我国目前的经济发展水平和社会需求还 存在一定差距。成为下一代综
7、合防灾应急通信体系需要考 虑 的重要 因素。 本文借鉴国内外研究成果和自然灾害不同类型 特点， 综合考虑“ 天、 空、 地” 三个空间维度和事前 、 事 中、事后三个时间维度的需求，研究了下一代“天、空、 地”三维防灾应急通信总体架构。 该体系架构涵盖多 种技术手段和应急通信系统，充分发挥各种通信系统 的特点和优势 ， 形成优 势互补 ， 并服务于灾害和突发 事件生命周期的全过程，可以在绝大多数应急场景下 为政府、 公众、 救援机构等提供基本的通信保障， 图 1 为该体系架构示意图。天层防灾应急通信系统是指处于大气层外 的 通 信设施，主要指卫星通信系统。 从防灾应急通信角度 看，“天”层涉及
8、的卫星系统主要包括卫星移动通信系 统、广播卫星、导航定位卫星、遥感成像卫星等。 这些 卫星系统具有不同的功能和用途，在灾害发生的不同 时间阶段和不同应急场景下可发挥预警、监测、指挥、 调 度 、 导 航 定 位 、 灾 情 信 息 发 布 、 应急通信中继等作 用。 图 2 按照时间顺序分析了这 4 类卫星通信系统在 灾害和突发事件的事前、事中和事后不同生命周期阶 段的典型应用及业务类型。 这里，事前阶段指在灾害 或突发事件发生之前的时间阶段， 主要发挥监测、预 警、 告警功能； 事中阶段指灾害或突发事件已经发生 或正在发生 ， 需 要应急响应的时间阶段 ， 主 要 发 挥 指下一代综合防灾应
9、急通信体系架构研究3随着全球自然灾害和突发事件的发生频率增高，对未来防灾应急通信在灾前监测预警、灾中指挥调度 和安抚通告、灾后恢复重建和慰问等工作方面提出了 更高的要求，多样化技术手段和广泛适应的应用能力27图 2 卫星系统在灾害和突发事件中的典型应用分析TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.7 EXPERT VIEWPOINT挥、 调度、 救援、 安抚等作用 ； 事后阶段指灾害或突 发事件发生以后，进入恢复和重建的阶段，在这一时期，通信系统主要为灾害恢复、慰问、重建提供通信保障。空中防灾应急通信平台是指处于大气层内 至 地 面之间的防灾应急通信设施
10、， 主要指搭载于飞艇、热 气球、 直升飞机等飞行平台上的通 信系统 ， 这 些 系 统 在紧急情况下可满足预警、指挥、调度等通信需求，并 可实现空中通信中继以及重点区域监测等能力 。 当 前，“空”层防灾应急通信平台在各国都引起重视并得 到大 力发展， 考虑到技术成熟度问题 ， 本体 系 架 构 中 的“空”中防灾应急通信平台主要指“近地”飞行平台， 即距离地面较近且技术比较成熟的飞行器，而平流层 等距地很远且目前还不太成熟的飞行平台暂不考虑 络、 公共预警系统 、 短波通信、 无线宽带接入等 ， 这 些防灾应急通信系统可成为紧急情况下 最 有效的防灾 应急通信保障手段。 图 4 分析了这 6
11、 类应急通信系统 在灾害和突发事件的事前、事中和事后三个阶段的典 型应用及业务类型。下一代综合防灾应急通信体系应用能力分析4下一代综合防灾应急通信体系架构涉及天、 空、地三个空间维度，可在灾难或突发事件的事前、事中、 事后三个时间阶段分别发挥作用。 天、空、地三个空间 层面的防灾应急通信系统既可以独立工作，也可以协 同配合实现综合应用。 同时，由于不同灾害和突发事 件可能面临不同的困难，某些情况下可能只有部分空 间层面的防灾应急通信设施具有可用性，因此为进一 步清晰防灾应急通信应用场景，本文以天、空、地三个 空间层面通信设施可用性为基础，结合灾害和突发事 件类型， 对典型的应用情景进行划分 ，
12、 分 析 下 一 代 三 维防灾应急通信体系架构的综合应用能力。从表 1 分析结果看，除情景 8 介绍的极端特殊情在内。图 3 分析了在灾害和突发事件生命周期事前、事中和事后 3 个不同阶段，动力飞艇、直升机、系留气球防灾应急通信平台的典型应用及业务类型。地面防灾应急通信网络是指处于地面的通 信 设 施， 是目前应用规模最广 、 用户最多， 也是政 府、 救援 机构和广大公众最易获得的防灾应急通信方式。 地面 防灾应急通信网络涵盖的技术手段和设施多种多样， 如公众通信网、互联网、数字集群通信、无线传感器网28图 3 空中防灾应急通信平台在灾害和突发事件中的典型应用分析图 4 地面防灾应急通信系
13、统在灾害和突发事件中的典型应用分析专家视点电信网技术2012 年 7 月第 7 期况外，大多数情景中都能够具有至少一个空间层面以上的应急通信设施可用 ， 本文构建的 下一代 “ 天、 空、地”三维防灾应急通信体系架构可以较好的满足大多数灾害和突发事件对通信保障的需求，并形成能力互29表 1 下一代综合防灾应急通信体系架构应用组合和情景分析TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.7 EXPERT VIEWPOINT补。 另外，在本文介绍的体系架构下，情景 5情景 7只有一个空间层面的通信系统可用，此时防灾应急通 信能力主要取决于该空间层面通信系统的自身能
14、力。 而情景 1情景 4 涉及多个空间层次的防灾应急通信 系统，不同空间层面的防灾应急通信系统之间还可通 过互通或组合应用方式提高应急通信保障能力 。 其 中，主要包括“天 + 空”、“天 + 地”、 “ 空 + 地”3 种典型 应用方式。(1) “天 + 空”防灾应急通信系统组合应用如果灾区地面通信设施遭到破坏，需要依靠卫星 通信和空中防灾应急通信平台提供通信保障。 此时， “天”、“空”两个空间层面的防灾应急通信系统除发挥 各自能力外，还可以通过互通和组合应用方式进一步 增强防灾应急通 信 保 障 能 力 ， 互通方式主要包括两 种：一种方式是空中防灾应急通信平台与卫星系统互 通，通过卫星
15、中继实现与空中平台覆盖范围以外的受 灾用户和灾区外用户通信。 这种方式下，空中防灾应 急通信平台功能独立， 基本不受地面环境的影响， 但 其缺点是空中飞行平台上需装载卫星通信设备，对系统的载重负荷和系统整体设计有较高要求；另一种方式是空中防灾应急通信平台通过 地 面卫星通信车或 卫星地面站作为中继与卫星系统互通，进而实现与空 中平台覆盖范围以外的其他受灾用户和灾区外用户 通信。 此种方式下，空中防灾应急通信平台减少了空 中平台的载重负荷 ， 空中系统建设 相 对 容 易 ， 但 其 缺 点是依赖于地面卫星通信车或卫星地面站配合，否则 无法实现空中平台与卫星系统的互通。(2) “天 + 地”防灾应急通信系统组合应用在空中防灾应急通信平台无法使用情况下，需要 利用卫星和地面防
