破坏性地震应急通信需求与应用初探
2019-06-10杨璐遥宴金旭叶肇恒刘杨
杨璐遥 宴金旭 叶肇恒 刘杨
破坏性地震是指发生地震级别较大，一般震级大于5级，造成一定的人员伤亡和建筑物破坏或造成重大的人员伤亡和建筑物破坏的地震灾害。破坏性地震会对地面通信带来不同程度的影响，不同地震等级和烈度对应急通信的需求也存在较大差别。破坏性地震对通信的影响主要有通信设备遭到破坏、震后通信信道堵塞、地震产生的电磁波可能严重影响无线通信信号等。这些现象都会造成灾区通讯中断，严重影响救灾工作效率。因此，有针对性地应用现代通信技术是震后快速恢复灾区应急通信链路，及时响应应急救援、有效互通灾情信息，避免“信息孤岛”出现的重要前提。
1 破坏性地震中通信系统震害现象
在历次破坏性地震中，通信系统的震害现象主要有：
1.1 通信设备遭到破坏
破坏性地震发生后对光纤、电话线和移动通信基站的破坏，会导致无线和有线网络无法连接，实时通信出现硬件性的障碍。即使敷设临时光缆后抢通的通信服务，也相当脆弱，一次余震就可能造成光缆的再次中断。
1.2 .信道拥堵
破坏性地震发生后，话务量急剧增大，通信信息量猛增，常规的通信硬件难以满足震时的通信需求，核心通信系统承载量瞬间超过承载量，引发信道拥堵。通信负荷过大会造成信号不稳定、通话困难等，影响关键信息的传递，最终造成营救行动的延迟或阻碍。
1.3 .电磁干扰
破坏性地震发生时，地球磁场引发震动，地震本身及其余震可能会产生强大的电磁波，发出的波段和某些信号的波段相近，会导致电磁信号受到干扰，严重影响无线通信信号，通信所传递的信息将会出现缺失或不完整。
图1 通信设施破坏（芦山地震）
因此，当震后出现上述情况时，灾区与外界难以有效互通，灾情信息无法及时获取，容易出现“信息孤岛”，导致救援相对滞后、缺乏针对性等问题。此时，建立有效的应急通信渠道，以便保障救灾工作所急需的信息得以及时传递，最大限度地减轻地震灾害所造成的人员伤亡和经济损失。
2 不同破坏程度的受灾地区对应急通信的技术需求
地震发生后，因受灾程度不同，不同地区对应急通信的需求也有所不同。本文从以下两个层级分析破坏性地震对灾区应急通信的需求：
2.1 地震烈度Ⅶ度及以下的通信需求
在破坏性地震中，地震烈度Ⅶ度及以下地震主要是指地震烈度Ⅴ-Ⅶ度地区。在烈度Ⅴ度地区，通信设施一般都不会遭到破坏，语音通信处于较为正常的状态[1]，移动通信业务依然可以正常使用。但考虑到灾区人文地理环境的复杂性，在烈度为Ⅴ度的地区，也会因某些意外事件而出现局部的通信盲区[2] [3]。在烈度Ⅵ-Ⅶ度地区，破坏特征主要为房屋少数中等和/或轻微破坏，多数基本完好[4]。在通信方面，对地面通信设施会有一定程度的破坏。一般情况下，Ⅴ度地区的移动通信网络仍可以正常使用。但是在Ⅵ-Ⅶ度地区，部分地面基站出现不同程度受损，可能会影响该地区地面通信业务的正常运作；语音通信也受到影响，不能够正常使用[5]。通信量的暴增拥堵信号通道，也是该烈度区常见的通信故障。
综上所述，在地震烈度Ⅴ-Ⅶ度的地区，其应急通信的主要需求是利用当地现有的网络搭建现场办公环境，并结合移动通信车实现与后方应急指挥部的信道互通。
2.2 地震烈度Ⅷ度及以上地区的通信需求
地震烈度Ⅷ度地区房屋少数毁坏，少数严重破坏，多数中等和/或轻微破坏，Ⅸ及以上地区房屋多数严重破坏或/和毁坏[4]，人员伤亡多集中于此，是生命救援工作的重点地区。在通信方面，其破坏主要为对移动基站的破坏、对陆地基站有线网络的破坏、对交换设备的破坏、对数据中心的破坏、对供电系统的破坏等。通信设施的破坏程度巨大，且范围很广，会造成区域性的通信瘫痪，语音通信完全不能够进行[6]。
综上所述，在地震烈度Ⅷ度及以上的地区，其应急通信的主要需求是迅速构建全新的通信方式和渠道，满足抗震救灾工作的迫切需要。
3 破坏性地震现场应急通信解决方案
破坏性地震现场应急通信解决方案以四川省地震局现有系统进行介绍。四川省地震局根据多次地震现场实际应用与日常综合演练，结合四川境内特殊的地理、自然环境，建立了以卫星通信系统为主体的地震现场应急通信体系（见图2）。其地震现场卫星通信系统，主要包括：“静中通”VSAT卫星通信系统、“动中通”卫星通信系统、海事卫星BGAN便携终端、便携式卫星通信站、前方指挥子系统等。
该系统有主要有三种工作模式：一是省内发生破坏性地震后，“动中通”立即开赴地震现场，建立与国家抗震救灾指挥部.四川省抗震救灾指挥部三点之间的通信连接；二是省内发生重大地震后，“动中通”、“静中通”均开赴地震现场，同时建立与四川省抗震救灾指挥部、国家抗震救灾指挥部四点之间的通信连接；三是省边界发生地震，建立与邻省抗震救灾指挥部、国家抗震救灾指挥部等多点之间的通信连接，实现相互通信。
3.1 地震烈度Ⅶ度及以下的应急通信解决方案
图2 四川省地震局卫星通信系统链接示意图
图3地震烈度VII度及以下地区应急通信数据传输示意图
图5地震烈度VII度及以下地区应急通信视频会议模式
地震烈度Ⅴ度通信环境受损普遍较轻，Ⅵ-Ⅶ度地区通信环境受损具有区域性特征。总体而言，地震烈度Ⅷ度以下区域地面网络（互联网）的信道一般较宽，可以较好地满足震后突然暴增的通信需求。紧迫性不强的数据传输、语音业务和视频业务，可采取依托地面网络的办法来解决，卫星通信一般作为备用手段[7]。具体可采取如下几种应急通信方案：
3.1.1 数据传输业务
地震对地面网络或通信基站的破坏一般发生在高烈度区，地震烈度Ⅶ度及以下区域大部分地面网络、移动网络一般正常。应急通信应采用卫星传输信道、地面宽带网络(电信、网通等)、移动网络通信等。该方式稳定高效带宽较宽，传输速率较高可满足地震灾区海量信息的数据传输业务。
从汶川地震、芦山地震的经验表明，基于互联网（移动端）、地面宽带网络的通信方式能够较好地满足震后突然暴增的通信需求。业务流程参见图3。
3.1.2 语音通信业务
地震烈度Ⅴ度及以下地区蜂窝移动电话的地面基站基本正常，偶有中断现象，或发生通信量剧增导致通信成功率低的情况；Ⅵ-Ⅶ度区蜂窝移动通信基站受损具有区域性特征。汶川地震时在拓展信道方面的一种解决办法是：弃用用户量较大的移动公司的信道，而启用用户量较小的“小灵通”（当时使用）。因此，地震烈度Ⅶ度及以下区域主要以基于地面基站的蜂窝移动电话通信(通用手机)为主，海事卫星电话、VSAT卫星电话可在该区域作紧急备用，业务流程参见图4。
3.1.3 视频业务
地震烈度Ⅶ度及以下地区一般可依托地面宽带网络或移动网络作为信道开展视频会议业务，极端条件下使用VSAT卫星网络，业务流程参见图5。
3.2 地震烈度Ⅷ度及以上地区的应急通信解决方案
地震烈度Ⅷ度及以上地区是救灾任务最紧迫的地区。该区域通信设施通常都有较大的损坏。由于蜂窝移动电话连接带宽的缘故，其不能很好地适应震后突然暴增的通信需求，为保证救灾重要信息的传输，在地震烈度Ⅷ度及其以上区域应采取卫星通信方式全面支撑应急通信主体业务的开展卫星通信覆盖范围广、受地理环境制约小、通信距离远，是地面通信网络的重要补充。
具体可采取如下几种应急通信方案：
3.2.1 数据传输业务
图6 应急通信车动中通
图7 便携式卫星通信站
图8 地震烈度Ⅷ度及以上地区应急通信数据传输示意图
图9地震烈度Ⅷ度及以上地区应急通信视频会议模式
VSAT卫星网络作为数据传输主要手段，在Ⅷ度以下区域可使用地面宽带网络或移动网络通信技术，在Ⅷ度及其以上区域则需VSAT卫星通信提供支持，业务流程参见图8。汶川大地震中，“静中通”VSAT卫星应急指挥车第一时间赶赴地震现场，顺利完成了数据多媒体资料回传、视频实时传输、应急工作指挥调度等应急通信任务。其虽然在汶川地震应急救援中发挥了重要作用，但也暴露出了一些问题和不足，如机动性不足，对环境要求较高，因此通信系统亟待整合、改造和扩建。在汶川地震灾后恢复重建项目“接收处理中心和信息节点升级改造”中针对原有地震现场应急指挥技术系统，提出了地震现场信息节点升级改造方案。其中，“动中通”卫星通信系统（图6）和便携式卫星通信站（图7）作为原有地震应急卫星网络的补充和延伸，其功能更加强大，与原有应急卫星网络系统实现了互联互通，并在以后的芦山7.0级、康定6.3级、九寨沟7.0级地震中发挥了重要作用。
3.2.2 音视频业务
地震烈度Ⅷ度及其以上地区蜂窝移动基站大比例损坏，语音通信涵盖地震所有灾区，在该区域应以海事卫星电话、VSAT卫星电话为主；视频业务方式以VSAT卫星网络为主要，业务流程参见图9。
3.2.3 其他业务
破坏性地震发生后，地震烈度Ⅷ度及其以上的高烈度区会出现通信基站破坏严重，有线、无线通信全部中断的情况，此时，除通信卫星以外，还应重视北斗导航定位系统在地震现场应急通信中的应用。我国自主研发的北斗导航定位系统除了有导航、定位、授时功能，也兼具位置报告和短信服务功能。在汶川大地震应急救援中，北斗导航定位系统发挥了巨大的作用，即充分利用北斗特有短报文功能第一时间实现了地震灾区一线和指挥部信息互通，在指挥决策、搜救等方面发挥了至关重要的作用。
4 结语
综上所述，破坏性地震发生后，由于地理位置、地貌特征、人文环境等的不同，不同烈度区通信的破坏程度也不同，为保证震后灾区内部之间、灾区与外部之间实现有效互联互通，认真分析不同烈度区对现代应急通信技术的需求，有效结合地面网络系统、移动卫星系统、北斗卫星导航系统等技术的优势，有针对性地从数据传输、语音、视频、信息等方面进行具体应用，能有效提高地震现场应急通信工作效率。但目前，移动通信网、地面网、卫星网等缺乏同一平台互联，视频数据等尚未实现共享，因此，在今后的工作中，应考虑采用融合通信技术，融合地面通信、卫星通信、移动通信、北斗通信等多通信手段，实现多通信平台与独立平台相互融合，以保障破坏性地震发生后，能及时进行紧急通信，互通信息，准确研判灾情，实现高效应急救援。
