陳利明 邵平 程竹亮 陳文

0 引言

我國是森林大國，近年來森林面積穩(wěn)步上升。1949年至2008年，我國森林火災頻發(fā)，次數(shù)高達14144次；2009年至今，雖然我國森林防火情況轉(zhuǎn)好，火災次數(shù)和受災面積持續(xù)下降，但基數(shù)仍然較大，森林防火形勢依然嚴峻[1]。森林火災現(xiàn)場地形復雜，公網(wǎng)難以覆蓋、供電遭到毀壞導致公網(wǎng)中斷的情況時有發(fā)生，致使撲救隊伍隊形分散，指揮員不能及時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、實時暢通、精準定位、協(xié)同標繪的應急指揮通信系統(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)設備、多模終端、370兆基站和微慣導定位等技術(shù)構(gòu)建的森林滅火應急指揮通信系統(tǒng)，具備部署快捷、組網(wǎng)靈活、應用場景多樣等特點，實現(xiàn)一線撲救人員與火場前線指揮部、后方指揮中心的互聯(lián)互通。該系統(tǒng)可以對撲救人員進行精準定位，快速、實時、準確收集現(xiàn)場信息，幫助各級指揮員實時了解一線火情，通過視頻、會議、協(xié)同作業(yè)等形式，對撲救人員實現(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山區(qū)，并且具有集中性強和單位面積廣袤的特點，很多林區(qū)內(nèi)部的通信設施幾乎空白，不僅沒有地面的有線通信系統(tǒng)，同時也沒有可供利用的無線通信系統(tǒng)。由于森林的覆蓋，衛(wèi)星通信和定位信號有時也難以傳達到地面，應急通信指揮車難以到達核心災害地點，無人機等機載平臺難以升空，這將導致一旦發(fā)生災害性事故，無法在第一時間排查危險源并對危險區(qū)域進行定位和展開救援；同時在滅火救援的過程中，人員定位、火情研判、指揮調(diào)度等行動都存在巨大困難。

1.1 公網(wǎng)覆蓋范圍小

由于林區(qū)位置偏遠、市電接入少、網(wǎng)絡基礎設施匱乏、施工難度大，導致移動基站無法覆蓋整個林區(qū)。森林火災發(fā)生后，會導致現(xiàn)場的公網(wǎng)出現(xiàn)無信號、弱覆蓋、網(wǎng)絡擁塞等情況，甚至會毀壞森林內(nèi)部的部分移動基站，使現(xiàn)代化、信息化的通信裝備無用武之地。而防火瞭望塔、管護站、林區(qū)內(nèi)部受通信覆蓋限制，一旦發(fā)生火情，無法遠程、及時、直觀了解現(xiàn)場情況，無法第一時間獲取現(xiàn)場信息。

1.2 地理環(huán)境復雜，通信手段少

對于森林滅火行動，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)務單一，裝備建設落后。以短波、超短波電臺、對講機為主要代表的話音通信，雖然可以解決聯(lián)通問題，但是這些通信設備帶寬有限，只能進行語音通信，而無法回傳現(xiàn)場視頻，導致指揮員不能準確直觀了解現(xiàn)場火情，并及時調(diào)整相應的作戰(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，應急、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、森林消防等隊伍都參與到救援行動中，攜帶通信設備型號不盡相同，所屬單位又不一樣，如何將各個單位人員協(xié)調(diào)起來，統(tǒng)一進行指揮調(diào)度面臨著很多困難。

1.4 火場前線指揮部與各級指揮中心之間寬帶傳輸困難

滅火作戰(zhàn)已進入視頻指揮時代。受林地地形復雜、通聯(lián)環(huán)境多變、網(wǎng)絡擁擠、信息延遲等因素影響，發(fā)生森林火災后，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偵察信息、氣象信息（大風降溫、寒潮等）、作戰(zhàn)效果等火場態(tài)勢感知網(wǎng)絡，并將火場態(tài)勢實時展示出來?；饒銮熬€指揮部與各級指揮中心就不能夠?qū)饒龅牡乩砬闆r、火情發(fā)展、氣象水文、隊伍調(diào)配、滅火作戰(zhàn)方案等滅火救援動態(tài)信息進行視頻會商、協(xié)同標繪，無法高效、順暢、安全掌控滅火行動進程。

2 森林滅火應急指揮通信系統(tǒng)關(guān)鍵裝備

森林滅火應急指揮通信系統(tǒng)有便攜式融合衛(wèi)星通信終端、無線寬帶自組網(wǎng)設備、微慣導定位系統(tǒng)、多模終端、可視化指揮系統(tǒng)等關(guān)鍵裝備，可實現(xiàn)森林滅火作戰(zhàn)行動中圖像、數(shù)據(jù)、語音、定位和視頻會商、可視化指揮調(diào)度、協(xié)同標繪等功能。

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，實現(xiàn)圖像、數(shù)據(jù)、語音的雙向傳輸。為保障突發(fā)事件現(xiàn)場的應急指揮調(diào)度，該終端可實現(xiàn)火場前線指揮部與各級指揮中心之間的雙向視頻會議、數(shù)據(jù)、圖像等信息傳輸，使各級指揮中心的指揮員及時獲得現(xiàn)場視頻、圖像信息，提高決策的準確性和及時性。

2.2 無線寬帶自組網(wǎng)設備

無線寬帶Mesh自組網(wǎng)設備內(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 ，編碼正交頻分復用）技術(shù)，結(jié)合Mesh多跳自組網(wǎng)協(xié)議，按照軟件無線電架構(gòu)設計而成。能有效對抗復雜環(huán)境下的多徑干擾，具有配置簡單、即開即用等特點，可提供穩(wěn)定可靠、高速、遠距離和抗遮擋的無線通信解決方案，在消防救災、公安刑偵、反恐維穩(wěn)、電力搶修、森林防護、軌道交通、海上平臺和邊海防監(jiān)控等領域有廣泛應用前景。

2.3 微慣導定位系統(tǒng)

微慣導系統(tǒng)是以低成本的通用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng)）器件為基礎，根據(jù)應用、誤差修正、誤差補償?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，通過載體運動模式學習、濾波算法設計、硬件和結(jié)構(gòu)設計等，達到高精度自主定位的目標[3]。不依賴于導航衛(wèi)星、無線基站、電子標簽等任何輔助設備或先驗數(shù)據(jù)庫，僅通過載體自身配置的小型微型慣性傳感器，可完成多場景下人員、車輛、機器人等的準確定位。

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模塊的移動終端設備。設備采用軟件無線電體系架構(gòu)實現(xiàn)，支持融入更多通信制式，具備優(yōu)異的擴展性和很強的環(huán)境適應能力，可滿足任何時間和各種場景的通信需求。同時，該設備支持高清視頻傳輸、語音和短報文通信，功能豐富，全球通用（衛(wèi)星覆蓋），可保障視頻、語音和數(shù)據(jù)等業(yè)務的順暢、穩(wěn)定傳輸。

2.5 可視化指揮系統(tǒng)

該系統(tǒng)是融合無線寬帶自組網(wǎng)、LTE（Long Term Evolution，長期演進專網(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]。具有對重點區(qū)域進行高度密集部署、遠程雙向音視頻互通、移動前端群組交互、同步指揮調(diào)度、視頻會議和視頻傳輸儲存等功能。集語音、視頻、位置信息、數(shù)據(jù)業(yè)務為一體；能夠支持包括語音調(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)互通以及分布式應用。

3 森林滅火應急指揮通信系統(tǒng)應用——以北京市為例

3.1 森林滅火應急通信體系建設

目前，北京市完成了全市應急視頻會議系統(tǒng)升級改造、可視化指揮調(diào)度VDC（Visualized dispatching center）級聯(lián)和應急單兵系統(tǒng)建設。必要時，市應急指揮中心通過應急視頻會議系統(tǒng)可直接指揮調(diào)度街道（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）。同時，市、區(qū)兩級應急指揮中心完成了與應急管理部的視頻會議系統(tǒng)聯(lián)通工作。依托北京市1.4G政務物聯(lián)數(shù)據(jù)專網(wǎng)和800兆無線政務通信網(wǎng)資源，建成具有首都特色的370兆應急指揮窄帶無線通信網(wǎng)，并加入了國家應急指揮無線通信網(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)、應急指揮車建設，實現(xiàn)視頻會議系統(tǒng)、多模終端、衛(wèi)星電話、移動指揮車、應急單兵系統(tǒng)等多種通信終端融合聯(lián)通；逐步建立全市救援現(xiàn)場應急戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)。

3.2 森林滅火應急指揮通信系統(tǒng)的實踐

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

圖1 森林滅火應急指揮通信系統(tǒng)示意圖

3.2.1 事發(fā)初期通聯(lián)保障

當發(fā)生森林火災時，事發(fā)地通過應急單兵系統(tǒng)、電話等向?qū)俚貐^(qū)報告。屬地區(qū)應急指揮中心指揮調(diào)度屬地森林滅火隊伍進行先期處置。隊伍在行進過程中，可通過應急單兵系統(tǒng)、車載窄帶臺，與區(qū)應急指揮中心保持通信聯(lián)絡。同時，區(qū)應急指揮中心與市應急指揮中心建立應急視頻會議、視頻監(jiān)控圖像、800兆和370兆無線通信聯(lián)絡。

市應急指揮中心接報森林火災時，建立與區(qū)應急指揮中心、應急管理部視頻會議、視頻監(jiān)控圖像、800兆和370兆無線通信聯(lián)絡；并調(diào)動市森林消防隊伍參與救援；同時，公安、交管、宣傳、衛(wèi)健等部門趕赴火災現(xiàn)場，使用800兆手臺和應急單兵系統(tǒng)進行聯(lián)絡。市森林消防隊伍通信分隊，負責市級專業(yè)處置指揮所開設，具備寬窄帶、衛(wèi)星、公網(wǎng)通信保障能力。

3.2.2 市級前線指揮部通信保障

在市級應急通信指揮車到達現(xiàn)場后，建立市級前線指揮部。市級專業(yè)處置指揮部配屬市級前線指揮部，由市級前線指揮部統(tǒng)一指揮。應急通信指揮車內(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，指揮員通過可視化指揮調(diào)度系統(tǒng)對一線撲救人員進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)同標繪及時共享。應急通信指揮車裝有370兆車載基站，實現(xiàn)滅火作戰(zhàn)地域370兆無線信號覆蓋，并通過衛(wèi)星通信接入應急管理部370兆應急指揮窄帶通信網(wǎng)。應急通信指揮車攜帶有微慣導基站，一線撲救人員攜帶微慣導裝置，火災前線指揮部能夠?qū)崟r了解一線撲救人員位置及所在位置火情，掌握分隊的作戰(zhàn)行動，便于進行有效的指揮調(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多模終端、窄帶臺進行音視頻或語音通話。在一些特殊場合和極端情況下，一線撲救人員可通過多模終端拔打天通衛(wèi)星電話與火災前線指揮部指揮員進行聯(lián)系。也可以與LTE基站配套使用，同時也可以將LTE基站接入本系統(tǒng)進行統(tǒng)一的指揮調(diào)度。

3.2.3 通信中繼和無人機作戰(zhàn)模式

在火災現(xiàn)場，火場前線指揮部下屬通信保障組，攜帶背負無線寬帶自組網(wǎng)設備、370兆便攜基站深入滅火一線，實現(xiàn)寬窄帶信號的接力覆蓋，擴大通信范圍。通信保障組和一線撲救人員，也可以通過多模終端將前方火情回傳到火場前線指揮部。無人機搭載機載無線寬帶自組網(wǎng)設備/370兆基站通信中繼，對火災現(xiàn)場進行區(qū)域無線信號覆蓋延伸指揮調(diào)度網(wǎng)絡和救援范圍，打通救援最后一公里，與應急通信指揮車車載無線寬帶自組網(wǎng)設備、370兆基站組網(wǎng)。同時，無人機還擔負火場偵察、傾斜攝影、三維建模、災情評估等任務，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。在火勢較大、火情危急的形勢下，增派國家森林消防機動力量、其他區(qū)森林消防力量投入滅火作戰(zhàn)時，通信保障組根據(jù)火場前線指揮部命令，攜帶基站前出接力覆蓋，為國家森林消防機動力量、其他區(qū)提供隨遇接入組網(wǎng)條件，實現(xiàn)火場前線指揮部、后方指揮中心對國家森林消防機動力量、市區(qū)森防隊伍的統(tǒng)一指揮調(diào)度。

當供電系統(tǒng)、地面通信基礎設施遭到不可抗力破壞，導致移動通信網(wǎng)絡癱瘓、無信號覆蓋時，森林滅火應急指揮通信系統(tǒng)采用“公專結(jié)合、寬窄融合”的多維組網(wǎng)形態(tài)，通過便攜式融合衛(wèi)星通信終端、無人機中繼通信、多模終端、370兆基站，必要時，申請應急管理部大型長航時無人機，未來還可利用浮空通信中繼平臺[5]，快速構(gòu)建“空、天、地”立體化的森林滅火作戰(zhàn)現(xiàn)場應急戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，為應急救援隊伍、聯(lián)動部門、社會公眾等提供應急通信服務，實現(xiàn)一線撲救人員與火場前線指揮部、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，一體化應急響應。具有機動性強、通信容量大、組網(wǎng)靈活、部署便捷的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

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)合無人機、浮空通信中繼平臺，既實現(xiàn)了森林滅火現(xiàn)場的高速通信又可實現(xiàn)特殊場景下的保底通信。未來，適應地震、洪澇等各類自然災害，偏遠地區(qū)災害應急處置數(shù)字化戰(zhàn)場態(tài)勢感知與展示、指揮通信保障等應用場景，建設衛(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、無人機通信中繼等多種平臺，構(gòu)建空天地配合、異構(gòu)網(wǎng)絡融合、彈性擴展的應急戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，支撐前后方指揮部之間的融合會商、現(xiàn)場感知、指揮決策與資源調(diào)度，將實現(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、全時通信的要求。