地震现场物联协同网络结构设计
作者：暂无
来源：《城市与减灾》 2017年第6期
引言
近年来地震灾害频发，汶川、玉树、芦山、岷县、漳县等大量地震应急救援实例表明，重大及特别重大地震灾害的处置，实际上是动员组织全社会力量应对地震灾害的战斗。地震现场的应急救援工作通常表现出紧迫性、时限性和协同性，要求在地震发生后最短时间内响应、由多个部门协同、在有限的时间内完成，这种特殊性使信息共享成为地震现场协同的基础，这就要求构建一套协同网络，为全国各地赶赴灾区参加抗震救灾的队伍提供快速互联互通的手段，实现信息的高效共享、指令快速传递和资源合理调配。
目前，随着通信技术的发展与应用，地震现场的指令传递和情况回传已基本实现，但受通信工具、信道资源、网络覆盖的限制，现场的信息共享主要通过电话、短信和文件拷贝等方式，存在格式不统一、共享不及时、操作复杂等问题，协同效率不高。利用物联技术在地震现场快速构建协同网络，实现灾区范围内不同协同主体间的互联互通互操作，能够大大提高现场应急救援信息共享的效率，为地震现场应急指挥决策提供更有力支撑。
地震现场协同现状
地震现场协同主要分为两大领域，一是现场应急领域，包括在破坏性地震现场为提供抢险救灾和恢复重建所需的技术性资料而紧急开展的一系列工作，这一领域的协同历经了包括“九五”“十五”建设的多年发展，在标准和平台方面取得了长足进展；二是现场救援领域，包括在地震现场为抢救生命财产、防止灾害蔓延的一系列紧急行动。汶川地震后，救援行动的协同也逐渐引起重视。
1.地震现场应急协同现状
地震现场应急工作主要包括震情趋势判断、地震监测、地震烈度评估、灾害损失调查等业务，这些工作具有时效性强、协调性强、专业性强、技术含量高和社会化要求高的特点，要求工作人员要在震后很短的时间、按照统一的技术程序、精细化分工、标准化作业、协同开展工作，全面、准确、科学、规范地完成各项工作任务。
为促进地震现场应急协同，中国地震局先后颁布了一系列现场工作标准（图1），并建立了地震现场应急指挥系统，包含：现场灾情获取及传输子系统，现场调查、烈度评估和科学考察子系统，地震现场建筑物安全鉴定子系统，现场数据库管理子系统、GIS地理信息处理子系统、后方指挥部现场动态跟踪管理系统、应急卫星网管中心等，已有研究者从专业系统角度围绕地震现场应急系统平台的设计与构建开展了深入论证。
在技术标准的规范下和各子系统的支持下，地震现场应急工作人员将采集的数据进行整理并通过GSM移动通信系统、海事卫星通信系统、无线局域网或PSTN、ISDN等有线通信系统上传到地震现场应急指挥部，从而能够实现对现场灾害调查、烈度评估和科考数据的记录，对现场各类数据的分类、统计分析和图形显示，并实现指令下达、人员调度、现场与后方的信息共享等功能。
2.地震现场救援协同现状
近几年，特别是汶川地震和玉树地震后，我国地震专业救援队伍不断壮大，各行业建立了专业救援队伍，各地也纷纷建立综合救援队伍和紧急救援志愿者队伍。这些队伍在队伍能力、人员组成、装备配置等方面存在差异。因此，在地震灾害现场，需要在统一领导下协调一致地实施救援。根据我国现行的地震灾害响应与处置以“属地为主”的原则，救援队伍在抵达灾区后，其开展的救援行动接受灾区地方抗震救灾指挥部的领导和指挥，包括向地方指挥部领受任务并汇报进展。然而，汶川地震等几次地震现场救援行动反映出现场救援协同缺乏必要的技术手段支持，队伍之间、队伍与地方抗震救灾指挥部之间的沟通主要通过打电话、发短信等方式，信息共享范围有限，协同效率比较低下。
国际上，为促进不同救援队伍之间的信息交流，联合国驻日内瓦办事处下属的现场协调支持部（FieldCoordinationSupportSection，简称FCSS）开设了基于B/S架构的网上现场行动协调中心（VirtualOn-SiteOperationCoordinationCenter，简称VO），每次国际救援行动开设一项专题，在专题下划分灾情与救灾需求、响应与协调、通关与运输、救灾队伍、救灾物资、地图与遥感影像、联系方式、次生灾害与环境影响评估等模块，提供表单填写、图件上传、文字评论、时效性显示等功能。在我国，“十一五”国家地震社会服务工程制定了《救援队伍联动规范》，建设“国内救援队伍联动服务平台”，在国内地震现场救援行动中提供类似的信息共享功能。
地震现场物联协同网络结构设计
近年来，随着物联网概念的提出，互联网得以由人与人的沟通连接扩展到人与物、物与物之间的信息交互，一个全球的、开放的泛在网络系统正在形成。在地震行业，Zigbee、RFID等物联技术正在得到逐步应用并取得初步效果。基于物联技术构建地震现场协同网络，将推动地震现场应急指挥技术系统及各专业系统功能向下延伸，推动参与地震现场应急救援的组织、人员乃至设备开展深度协同，由基于通信网络的人工协调转向基于物联网络的自动协同。
地震现场物联协同网络可以分为震害与处置感知层、物联网关、专有网络层和专业应用层（图3）。一般来讲，协同网络通过震害处置感知层中的各种传感器和终端来进行信息采集，依托卫星通信网络等地震应急指挥的专有网络层进行信息传递，最后由专业应用层对各类信息进行调用、分析和整合。然而，大震巨灾的地震现场，随着各类应急救援力量的不断投入，传感器和终端的种类将不断增加，其数量也会根据不同的应用产生几何式增长，如果将这些传感器设备直接接入现有的专有网络层，势必会对网络造成巨大的资源压力。同时为了实现传感设备的独立接入增加的软硬件也是对现有资源的浪费。因此，需要物联网网关实现震害处置感知层的数据汇聚，并屏蔽震害处置感知层与专有网络层之间的异构网络通信的细节。
1.专业应用层
专业应用层是地震物联协同网络集中产出信息成果的一层，应充分利用已建成的地震现场应急指挥技术系统、各专业子系统以及国内救援队伍联动平台，提供支持地震现场应急救援指挥决策的专业功能，包括烈度评定、灾害损失调查、震情趋势判定、建筑物安全鉴定、救援队伍联动等。专业应用层从应用集成的角度，提出共享信息的标准化分类、编码、交换格式、元数据、数据字典及数据质量等方面的要求，黄宏生等对上述问题进行了研究，将涉及地震现场应急协同的共享信息划分为两类：其一，日常工作中准备好并用于地震现场的信息，包括基础地理信息、社会经济统计、地震基础数据、灾害影响背景、救灾资源及其通信联络、地震应急预案与法规等6类数据；其二，地震现场工作开展过程中产生的即时共享数据，包括现场流动观测、震情分析、灾情及灾害损失评估及科学考察、建筑物安全鉴定、应急与救灾行动、地震现场工作报告、地震现场音视频和图像、现场指挥记录等8类数据。
2.专有网络层
历经“九五”“十五”建设，目前在地震现场应用的无线通信方式主要有以下八种：
1）战术卫星通信（烽火卫星、海事卫星）：不受地形限制，使用方便，适用于机动通信；传输速率较低，使用受卫星资源限制。
2）VSAT卫星通信：传输速率高,不受地形限制；设备体积较大，不适用于分队的机动通信，通常由应急通信指挥车搭载。
3）无线广域网：我国目前的移动基站已基本覆盖人口稠密地区,提供了方便、快捷通信方式。但汶川地震中，出现了移动通信基站大量退服、通话量拥塞等现象。
4）短波通信：传输距离远,不受地形限制,使用方便；传输速率低，功耗大。
5）超短波通信：受地形限制小，使用方便，适用于机动通信；传输距离有限，传输速率较低。
6）微波通信：传输速率高，功耗低；受地形影响大，不适用于机动通信。
7）散射通信：传输距离远，方向性强，抗干扰能力强；设备体积大，不适用区域移动通信。
8）无线对讲系统：使用方便，特别适合小区域、无基站移动通信；但通信距离有限。
3.震害处置感知层
震害处置感知层主要功能是采集地震、灾情、处置等信息，其设备可分为两类，一类是监测设备，按照设定时间间隔、通过传感器网络自动发送监测数据，如基于ZigBee的新型前兆无线传感网络传感器技术；第二类是搭载了网络摄像头、GPS等传感设备的智能终端和智能装备，如智能手机、灾情侦察无人机等，搭载专业信息采集处理模块，向协同网络上传符合专业应用要求的共享数据，如在2014年5月30日云南盈江地震现场，集成了网络摄像头、GPS等传感设备的野外智能终端平台在现场烈度评估和灾害调查工作中得到成功应用。随着物联技术的不断发展，未来地震现场的感知设备将出现几何式增长。
4.物联网关
物联网网关主要功能包括以下几个方面：首先是接入能力，在物联网环境下，一端接入到传感网中，另一端有选择的以多种方式接入到互联网等公共网络中；其次是协议转换，这是网关最基本的功能，将传感器网络的数据经过协议转换，能够有效快速的通过有线无线等方式传送到公共网络中；最后是一定的管理控制功能和安全性，作为物联网信息获取的入口，提供对传感网的管理接口的同时对接入用户进行有效控制。
1）网关硬件：综合考虑多种接入方式的硬件模块、体积、成本、特定应用设计。其中接入方式有短距离通信方式，ZigBee、RFID、蓝牙、WiFi等，接入互联网方式有以太网、3G、GPRS、卫星通信网等，未来可根据需要扩展添加NFC、4G等。以上接入模块可灵活选择搭配，以减少网关体积。而针对应用需要，同时还能选择性地添加触摸屏等设备，方便演示、配置控制或其他用途。
2）网关软件：网关应具有广泛的接入能力，并提供对传感器和终端的可管理性的支持，网关软件提供传感器网络与其他网络通信的接口，而且它需要为身份认证、实时消息查看、信息采集提供支持：
地震现场物联协同网络结构设计
