核电厂火灾应急融合通讯系统的设计与实现

2021-11-01迟勇睿丁春龙陈军勇

科技与创新 2021年20期

迟勇睿，罗鹏，丁春龙，安宁，陈军勇，杨岚

（1.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004；2.陕西秦洲核与辐射安全技术有限公司，陕西西安 710054）

1 概述

近年来，基于突发灾情的应急指挥系统不断迭代升级，其已广泛应用于火灾、电力、地震等应急工作中。张景强等[1]设计了一套集多项功能于一体的火灾应急指挥平台，可实现智能调度。陈琛等[2]提出一种电力应急综合指挥系统，该系统由指挥通信、车载通信、视频会议、卫星定位等部分组成。邓创[3]优化设计了一套基于无线自组网的电力应急现场指挥通信系统。徐年等[4]提出以卫星通信和3G 网络为主的应急指挥车通信技术系统的设计方案。贾宁等[5]对应急通信指挥车改造和系统集成提出可行方案。杨鸿昌等[6]提出了一种基于物联网技术的电力应急救援智能通信系统的设计思路。冯海亮等[7]提出基于TD-LTE 数字集群的宽带无线专网架构及其融入应急通讯指挥的可能性。

目前核电厂火灾现场的通信主要采用对讲机和固定电话方式实现。由于受烟雾、火、高温、毒、辐射等多种恶劣因素的影响，核电厂火灾现场的情况复杂多变，目前在火灾与消防指挥车以及核电厂决策部门之间仍没有完善的、具备多网融合的通信措施，核电厂现有通信手段和措施不能满足火灾应急指挥需求。

本文为核电厂设计和建立一套火灾通信系统，该系统在消防指挥车上设置了一套通信平台，火灾发生时可快速建立火灾单兵与消防指挥车之间的音频和视频通信，该平台也为火灾决策指引、火灾应急指挥提供通信措施和保障，强化火灾通信及响应能力。

2 核电厂火灾应急指挥通信需求

核电厂火灾应急现场处置是综合性的业务，包括现场灾情侦察、信息数据上报、指挥命令下达、现场环境监控等一系列内容。为处理核电厂突发事件中的应急指挥事件，统一指挥消防工作，联合行动，融合通信平台，将现场应急通信的需求归纳如下：①完善的接入能力。可接入电话系统、监控系统、会议音频系统、视频会议系统、无线对讲系统、移动单兵终端等通讯子系统。②完善的级联能力。系统各级可以接入不同的通讯自系统，将系统进行统一调度，并可以按照上下级权限灵活分配资源。③丰富的互通能力。各级拥有本级范围内的综合调度能力，配备调度台，可同时处理多路通话，对接入的其他通信子系统可进行灵活调度互通。调度台与单兵终端进行紧密高效的工作汇报及任务下达。可灵活调度已接入的音视频终端，可将音视频传输推送至其他系统。④灵活的网络适应能力。系统可基于不同的网络形式和架构，实现稳定及时的通讯调度，包括有线网络、无线网络、无线专网、自组网、卫星网等，适应不同的网络环境。⑤完善的安全配备及备份记录能力。后台自动录音录像与调度终端手动录音录像结合保证录制数据完整性，全面留存系统所有成员的登录登出记录、通话记录、短信记录等，并提供磁盘报警功能，最大限度保证数据安全性。⑥足够的性能指标。最大可提供100 终端注册能力及最大50 通话并发能力，完全满足日常及消防调度应用。⑦开放的对外接口能力。支持多平台SDK 二次开发及webservice 基础数据接口，拥有与第三方系统灵活对接融合的能力。

3 系统架构

3.1 整体架构

在标准智能融合通信系统的基础上，结合核电消防行业的特点和业务需求，以综合接入各种通信系统和设备为技术手段，以横向集成多种相对独立的通信系统、交叉贯通异种通信系统之间的通信为目的，构建一个集综合化的集音频电话、视频会议、无线对讲、视频监控等系统于一体的智能融合通信指挥平台。该平台可实现多层级、多维度、多数据之间的信息流转、实时采集、工作数据收发，实时传送及发布指令、图像语音、消息，从而高效传送各应急单位之间的信息。应急指挥通信系统整体架构如图1 所示。

图1 应急指挥通信系统整体架构示意图

3.2 网络架构设计

网络设计涉及自组网、4G 传输和两种网络互补结合的方式，在突发情况下，可以将消防现场的音视频情况稳定传输回消防指挥车和后台指挥中心，按核电消防系统特有的需求和网络架构体系设计如下。

3.2.1 自组网

火灾应急现场使用的无线自组网采用无线Mesh 组网方式。无线Mesh 网络是MANET 网络的一种典型实现方式，Mesh 网络一般分为骨干层和接入层，骨干节点数量相对较少、位置相对静止、功耗约束较少，以无线多跳连接支持稳定高效的宽带通信；接入层节点数量较多、单点数据少、功耗受限、移动性强，节点通过接入附近的骨干节点来感知和传输海量数据。应急救灾现场有大量的人员、物资等信息，是典型的少数骨干节点相对静止、大量客户端移动性较强的场合，因此采用该结构的Mesh 网络可为用户提供稳定、高效、灵活的宽带接入服务。Mesh 网络系统架构如图2 所示。

图2 Mesh 网络系统架构示意图

3.2.2 4G 传输

4G 传输包括联通公网传输和4G 专网传输两种方式。公网传输使用公用联通4G 基站，中国联通采用“FDD+TDD”混合组网形式，实现4G 语音、视频和数据传输。该传输网络由于故障不可控、干扰不可控，因此在火灾应急指挥中为辅助通讯网络。

4G 专网传输指在核电厂区建立专用4G 网络基站，使用TD-LTE 标准的4G 网络，该网络系统下行采用OFDMA 技术、上行采用单载波频分多址接入（SCFDMA）。该系统在时、频、空三维资源上采用灵活的基于子信道化的分组调度技术，通过业务优先级、公平性、吞吐量、干扰协调、信道质量等信息对业务进行调度传输。通过设置用户优先级以保证不同用户的资源分配差异，优先保证高优先级用户的通信。该系统采用扁平化、全IP 化网络架构，基站直接与核心网相连，没有无线网络控制器，无线侧的集群控制功能集成在基站，更有利于弱化基站故障。4G 系统网络架构如图3所示。

图3 4G 网络系统架构示意图

3.2.3 自组网、4G 专网传输互补

自组网络和4G 专用网络系统配备互通链接模块，通过移动集群系统和融合通信系统，使用WAN、LAN、WLAN等多种方式将自组网络和4G 专用网络进行链接，确保核电厂区火灾应急通讯互通。

4 系统功能设计与实现

系统设计分别部署在消防指挥中心、消防通讯指挥车和消防应急现场，有效连接各硬件节点实现核电厂区火灾应急通讯功能，各硬件部署及连接方式如图4 所示。各硬件部署如下：①核电消防指挥中心部署智能融合通信系统主机、媒体会议服务器设备；②消防通讯指挥车部署单屏便携箱、音频广播网关和工业4G 路由器等系统设备，用于快速部署现场指挥部，回传无人机图像和联通指挥中心等功能；③消防现场部署自组网系统、单兵终端、卫星电话、4G 布控球、移动无线集群网关、无人机等设备，多种手段回传现场音视频信息，同时通过对讲机和卫星电话保障消防人员应急通讯。

图4 硬件部署架构图

4.1 应急指挥中心

应急指挥中心是火灾应急的总调度部门，该区域功能的实现需设置智能融合通信系统主机、媒体会议服务器。

智能融合通信系统作为融合通信平台的核心服务器对接不同通信系统，支持包括RFC 系列、SIPv2、TCP/UDP/IP、RTP/RTCP、HTTP、ARP 等多项传输协议，实现多套系统间资源共享，通讯互通，包括语音调度、视频会议、视频监控、GIS 调度、黑名单/白名单等多项功能。媒体会议服务器作为处理视频信号的引擎服务器，是多媒体调度交换系统的核心组件，对多媒体调度业务中的视频数据进行转发、转码等交换处理，满足多媒体调度系统大量视频数据集中管理和不同种类视频终端融合通信的需要。采用标准的H.323/SIP 协议与视频服务器对接使用。

以上主机及服务器后面板的网络接口连接机房内网交换机，按照网络要求配置IP 地址，和内网内部其他设备网络互通。

4.2 消防通讯指挥车

消防通讯指挥车是火灾应急现场的移动指挥中枢，车内设置单屏便携箱、音频广播网关和工业4G 路由器。

便携指挥箱为现场快速部署指挥部核心设备，自带无线集群模块连接现场对讲系统，用于接入和延伸对讲范围。同时安装调度台软件，作为现场指挥调度的用户交互终端。实现VOIP 通信、语音调度、视频调度、GIS 调度、集群对讲功能。设备有线网络连接指挥车网络交换机，自组网中继设备和现场其他设备网络互通。配备移动指挥平板，网络与便携箱通过无线连接。音频广播网关用于连接指挥车内的音频系统与融合通信系统，实现互通。采用SIP 音频传输协议，并支持G726 系列语音编码，网络接口使用RJ45 网线与车内网络交换机连接，实现远程点播、点对点广播、点对多点广播。工业4G 路由器用于传输应急期间的大流量数据。全线兼容4G/3.5G/3G/2.5G 网路，旗舰级配置、VPN 链接、工业级防护、宽温设计，可轻松组建高速、稳定的无线传输网络，利用公用LTE 网络为用户提供无线长距离数据。采用高性能的工业级32 位通信处理器和工业级无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，同时提供RS232（或RS485/RS422）、以太网LAN，以太网 WAN 以及 Wi-Fi 接口，可同时连接串口设备、以太网设备和Wi-Fi 设备，实现数据透明传输和路由功能。

4.3 消防现场

消防现场设置自组网系统、单兵终端、卫星电话、4G布控球、移动无线集群网关、无人机、消防员状态监测系统。自组网通讯系统包括自组网中继基站和单兵背负自组网设备，用于架设现场局部网络。该系统为MIMO 高性能自组网，内建4 W 高线性功放，IP66 以上防护等级，采用无中心多跳组网方式，支持4G LTE 公网接入和2.4G/5.8G 双频Wi-Fi。现场消防员配备手持单兵终端，通过Wi-Fi 方式连接单兵背负自组网设备，网络与便携箱设备联通，实现音视频通讯。卫星电话是特殊情况下采用的应急通讯工具。通过海事卫星终端，前方指挥部和后方指挥部可进行语音会商，无需外网支持可进行语音通信并及时向上级单位汇报火情。4G布控球将现场图像通过4G/有线网/卫星链路方式传回消防指挥车，并通过便携箱将视频融合，并进行调度，或将视频画面传回指挥中心，该设备内置GPS/BD 天线具有定位功能。移动集群网关为对讲延伸设备，基于ROIP 技术和SIP协议将直接无线无法互通的对讲系统通过有线的方式进行延伸，将各种无线电台通信系统接入应急指挥融合通信平台中，与传统的模拟/数字对讲系统实现互联互通，且可以在没有融合通信平台的情况下单独使用。现场无人机为空中视频回传工具，将拍摄到的现场视频回传到指挥车，并通过现场指挥车中部署的流媒体服务器将视频回传到便携箱。无人机与地面基站通过无线连接，地面基站通过HDMI 专用线缆连接流媒体服务器。指挥车内的流媒体服务器使用有线网络连接车内内网交换机。消防员状态监测系统使用生命体征手环实时监测消防人员生命系统信息，包括体温、心率、血压、血氧饱和度等信息，支持生命体征实时显示、异常报警、历史数据查询等功能，采用BT4.0 蓝牙技术传输至单兵手持终端。