基于5G的智慧应急指挥平台

雷霆 孙骞 王孟轩

2019年6月6日,工信部正式向四家运营商发放5G 商用牌照,宣告中国正式进入5G 商用元年.5G 是实现“人机物”互联的新型网络基础设施,是经济社会数字化转型的重要驱动力量.5G 正以全新的网络架构,开启万物泛在互联、人机深度交互、智能引领变革的全新征程,将对人类经济社会带来深远影响.

整体看,我国5G 商用尚处于初期阶段,未来三年5G 仍将处于“导入期”[1].5G 应用生态的繁荣离不开垂直行业的协同创新,当前5G 在智能智造[2]、远程医疗[3]、智能驾驶[4]、海岛旅游[5]、金融领域[6]等垂直行业有了较多的应用案例,但在关系到城市安全的应急管理领域,基于5G 应急的指挥系统建设并不多见.因此,本文将重点探讨5G 在智慧应急指挥中的设计与应用.

当前我国应急管理能力还存在较大的不足,发生重大突发公共事件时,往往存在预警不及时、现场不掌握、反应不灵敏、指挥不智能等一系列的问题.应急指挥是多部门、多层级、多维度的联合行动,需要连接、收集、掌握和分析的信息来源多,行动过程中信息及时流转和抉择实时互动是影响应急效果的重要因素.随着5G 网络的推广,基于5G 极低的网络延时和强大的“云边端”计算能力,打造万物互联的新一代智慧应急指挥平台[7],必将能全面提升城市灾害应急的综合管理能力,极大地提升应急指挥过程中的效率和科学性.

1 应急指挥平台的定义与发展演进

所谓应急指挥平台,是指综合受理来自多渠道的突发事件报警,向公众提供社会紧急救助服务的信息平台,实现跨层级、跨部门、跨区域之间的统一指挥、快速反应、联合行动,为城市的公共安全提供强有力的保障.

应急指挥平台既有行业属性,也有行政级别属性.不同的行业领域根据自身的业务需要,建有各自的应急指挥平台,如应急管理局、公安、消防、气象、地质、卫生、水利等行业应急指挥平台[8-9].应急指挥平台的行政级别属性可分为国家级、省级、地市级、县市级等.不同行业、不同层级的应急指挥平台相互之间可实现信息共享和联动指挥,建立“纵向到底、横向到边”的应急管理体系.

根据通信网络演进历程,我们可以将我国应急指挥平台的演进大致划分为以下4 个阶段:

1)模拟时代.1993年以前,部分行业建立了应急服务热线,如公安110、消防119、交通122 等,都是基于公网的模拟电话的接入和调度为核心的应急指挥系统,信息处理基本以手工记录为主.

2)网络时代.从1993年到2008年,这段时期有线程控交换、无线通信、计算机网络通信、视频监控等技术逐渐应用普及.1993年上海市公安局开创性地建立了电话排队调度、计算机接报受理软件、计算机局域网于一体的智能型110 指挥中心,并逐步推广到其他城市.随着计算机网络的逐步普及,到2008年全国各地多个行业均建立了数字化、网络化的应急指挥中心,大部分城市都实现了多级指挥中心的组网架构.

3)移动时代.2008年开始,中国移动3G 正式商用,宣告应急指挥也逐步进入移动时代,尤其是2013年的4G 推出和移动互联网的飞速发展,固定指挥与移动指挥深度融合,互联网报警、移动视频传输、移动执法、移动指挥调度等全新应用如雨后春笋一般层出不穷,扁平化指挥成为行业主流,极大地提升了应急指挥调度的效率.

4)智慧时代.2019年5G 的正式商用,标志着新一轮技术周期已经到来.5G 是物联网、人工智能、云计算、大数据等技术的“通用目的技术”,其价值在于把这些各自独立的“技术孤岛”连通,构建成一片“数字化技术大陆”[10].5G 将开启万物互联新时代,实现大数据、云计算和人工智能技术在应急指挥中的深度融合和随需应用,真正开启智慧应急新时代.

2 基于5G 的智慧应急指挥平台

2.1 基于5G 的智慧应急指挥平台系统架构

基于5G 的智慧应急指挥平台系统自下而上分为:感知层、通信层、数据层、应用层共4 个主要部分,系统架构如图1所示.

1)感知层.感知层是智慧应急实现其“智慧”的基本条件.感知层具有超强的环境感知能力,通过各类传感器实现对城市范围内基础设施、环境、建筑、安全等的监测和控制,为城市管理提供无处不在的、无所不能的信息服务和应用.

图1 智慧应急指挥系统整体架构图Fig.1 The overall architecture diagram of the smart emergency command system

2)通信层.通信层是智慧应急中的信息高速公路,是重要的基础设施.应急指挥的通信是公网和专网结合、固网与移动网结合,均不可偏颇.5G 移动通信网络是未来智慧应急重点发展的方向.借助5G 移动通信网络,可以为应急管理提供大容量、高带宽、低延时、高可靠、全域覆盖的无线移动宽带网络,为海量的高清视频、语音、图片、视频、文字、传感器数据等多种类型数据的通信提供坚实的基础.5G 网络与其他的应急指挥专网、卫星网络等是互为支撑和互为补充的关系.

3)数据层.数据是非常重要的战略性资源,因此,构建智慧应急管理的数据层是智慧城市运营管理中非常重要的一环.数据层通过数据接入、存储、共享、统计等手段,解决数据割裂、无法共享等问题,为后期的数据分析与挖掘提供基础.数据层包括应急业务数据库、城市基础数据库等,在这些数据的基础上,还可提供数据管理、预警模型、规则引擎、数据业务流引擎等底层数据管理和服务.

4)应用层.在感知层、通信层、数据层基础上建立的各种应用系统,城市管理者可以通过各种终端访问这些系统,主要包括城市应急管理、跨部门联动、大数据分析、一张图指挥调度、宏观决策分析、虚拟现实仿真等业务应用系统,达到既能有效、智能地感知,又要快速、可靠地响应.未来的发展目标是把应急指挥平台建设为城市应急指挥大脑.

2.2 基于5G 的智慧应急指挥平台的主要特点

2.2.1 智能可视,随时、随地、随身的多媒体通信能力

通信链路的畅通与否将直接关系到救援指挥的成败,通信链路的带宽、延时对应急指挥中心和现场指挥中心的业务直接构成影响.利用5G 技术高带宽、高速率、低时延的特性共享高质量的语音、视频、数据等资源,做到全业务全要素的互联互通,将大大提升应急指挥效能[9,11].

应急指挥的通信手段除了传统的有线、无线、卫星等手段外,对于视频应用的需求越来越强烈.当前视频应用中存在的问题:

一是视频带宽受限,无法全方位多视角了解灾情现场.以消防应急为例,目前如果发生一场较大火灾,超过4 个中队的4G 单兵设备同时向指挥中心回传高清视频,视频明显卡顿.

二是无法直接在第一时间获取灾害现场的视频来帮助指挥人员进行指挥决策.报警人也无法在拨打报警电话过程中将现场视频直接传回指挥中心,必须借助第三方APP(如微信)来回传现场视频.

5G 的大带宽和低时延特性,是解决视频传输问题的最佳手段.基于5G 网络,将帮助报警人或者现场人员无需安装任何第三方APP 直接在语音通话时,将现场第一手的视频信息回传到指挥中心.5G 将真正实现随时、随地、随身的应急多媒体通信能力.

图2 说明了在应急场景下基于5G 的视频分享应用能力.报警人在报警时,如果指挥人员认为需要了解现场的实际情况,报警人无需任何APP 直接在语音通话过程中将现场视频传回指挥中心,指挥中心在确认后可选择将现场视频直接通过5G 网络分享给相关的领导和专家,将大大提升指挥调度和决策的效率.此外,根据需要还可将5G 无人机、其他的道路监控视频等信息实现基于5G 网络的分发和共享.

图2 基于5G 的视频接入及分享Fig.2 The 5G-based video access and sharing

2.2.2 智能计算,云边端协同

5G 能满足“任何地点、任何时间、任何人、任何物” 之间的计算加连接需求,5G 特别设计的移动边缘计算技术,将为应急场景提供随时可获得的计算能力[12].

未来智慧城市海量物联设备大规模互联,基于云边端协同的智能计算,将解决大规模实时感知数据、多重异构行业数据的高效融合计算问题,云边端协同下的城市多灾种耦合智能监测预警[13],将会有效破解当前灾害应急指挥系统中普遍存在的“联而不融、通而不畅、被动响应”的低效模式.

图3 基于5G 的云边端协同架构Fig.3 The 5G-based cloud-side-end collaborative architecture

图3 为基于5G 的云边端协同架构,各类感知设备均部署在感知层,边缘计算能力为感知设备的大规模互联、资源/力量的自动计算提供了强有力的支撑,实现了算力的分布式架构,对中心端集中式计算能力形成良好的补充和支撑.

2.2.3 智能指挥,灾害现场综合态势展示与一张图指挥调度

智慧应急指挥中心的核心是要建立一个感知泛在、反应灵敏、处置智能、信息共享的分布式平台.

基于5G 技术,实现城市所有感知设备的数据实时接入指挥中心,灾害现场的各种装备(如指挥车、单兵数字装备等)实现信息互联,构建出万物(资源、人、装备)互联的数字孪生世界,实现从目前常见的事后应急管理向事前风险管控转变.

基于融合通信能力[14-15],建立一张图的指挥调度系统,实现多路5G 高清视频回传,后端指挥中心和现场指挥员可以利用视频全方位、多角度地掌握现场情况和实时态势;所有图上资源、力量的状态信息实时同步;实现大数据量的实时数据交换,为后端指挥中心、现场指挥中心、各级领导构建跨地域、跨网络、跨终端的指挥体系.

图4 为智能指挥的现场实时态势感知应用实例.图中显示了现场不同来源的视频信息、现场各种传感器的监控状态、各种可调度资源状态等.

图4 智能指挥的现场实时态势感知应用实例Fig.4 The application scenario of real-time situational awareness of intelligent command

2.2.4 智能切片,提升突发事故现场的网络可靠性

在应急指挥过程中,往往会出现普通群众和应急管理部门之间“争抢”网络带宽的现象.应急管理部门需要将现场高清视频、现场各类数据实时回传到指挥中心,同时附近围观的群众也会同时使用网络发视频/照片、上网、微信微博,这会导致应急管理部门的网络产生卡顿现象.

5G 的网络切片技术(Network Slicing)将为有效解决这一问题提供解决方案.将一个物理网络分成多个虚拟的逻辑网络,每一个虚拟网络对应不同的应用场景,就叫网络切片.在城市发生大规模的灾害应急处置过程中,往往周期较长,这种情况下可以协调运营商为应急处置划分一个虚拟专网,专门为应急指挥服务,提升应急指挥的效率.

3 结论

5G 既是一场技术革命,也是相关领域的产业革命,必将推动社会产生重大变革.

基于数字孪生城市,智慧应急指挥平台也将实现全场景态势感知、智能主动预警、三维仿真演练与联动、虚拟现实指挥调度等全新应用场景,推动政府应急管理模式创新,降低突发事件发生概率,切实提高城市风险防范和应急处置能力.

5G 的到来,将使得城市的每一个个体都永远在线,成为不断产生数据、不断消费数据的智能体,为感知建模、人工智能算法提供数据.5G 为城市智能体提供了随时随地的连接能力,数字孪生城市与物理城市无缝融合,推动城市把每个智能体融合一体,最终成为城市智慧指挥大脑.