基于物联网技术的地震应急救援通信系统

张 莹 尹文刚 郭红梅

1.四川省地震局 减灾救助研究所 四川 成都 610000;2.武警警官学院 信息通信息 四川 成都 610000

1 地震应急救援通信系统的特征

根据地震应急救援通信系统的应用需求,结合物联网技术的特点设计基于物联网技术的地震应急救援通信系统,系统体系架构的设计将决定地震应急救援通信系统实现的技术细节、应用模式和发展趋势。在地震救援背景下的应急通信指挥体系,遵循“可视化、物联化、一体化”的技术原则。

1.1 可视化 地震应急救援的现场情况应以视频监控等可视化监控设备实现现场全景实时可视化展示,且在应急指挥场所能够实现基于虚拟现实技术的三维立体GIS平台展示。可以生动展示地理信息(河流、森林、地形、房屋结构等)、设备信息(基站、输电线路、铁塔等)、人员信息(救援人员、指挥人员等)。结合国家电网内部调度自动化信息和变电站视频监控统一平台,虚拟现实技术将地震后的内外环境结合在一起,给指挥者直观视觉感受,从而大大提高了指挥应急救援的效率和速度。

1.2 物联化 物联网技术是发展地震应急救援的关键技术。传统技术对地震的监控和预警仅仅基于基站、北斗和EQI M 地震速报系统,无法对地震系统全过程进行实时监控。物联网技术通过布设各种传感器网络及射频识别(RFID,Radio Fre-quency IDentificaiton)芯片传感网络,可以实现地震后内外部环境、人员、物资的联网。通过进行状态读取,定位等信息综合手段及移动终端计算技术,结合可视化监控平台,利用同一IP平台实现应急救援现场的综合信息全面覆盖。目前的地震应急通信系统对灾害现场信息获取能力相对较弱,还无法完全获得综合环境信息、图像信息,更重要的是无法获得现场指挥和救援人员、物资的实时信息。基于物联网的地震应急灾害现场指挥系统可以将现场的外部环境(温度、湿度、风速、地形等)、救援人员信息(姓名、职务、现杨任务、实时行动信息、实时定位信息等)、物资信息(类型、数量、物流信息、实时状态、实时定位信息等)全面信息纳入统一监控平台,并经数据分析平台实现资源的最优化调度,且可确保命令下达的准确及时,其系统结构如下图1所示。

一个典型的传感器节点可被看作是一个微型计算机,由3部分组成：低功耗微型处理器(信息和路由处理器)、信息传感器(温湿度传感器或RFID芯片等)、通信模块(超短波、微波等)。该节点可以被看作具有信息传感和路由的双重功能。无线传感网络的核心在于其Adhoc的自组织路由协议,即每个节点可以根据信道情况自动发现和生成路由,以确保最佳的传输质量。在某节点失效时,与其建立路由的节点可以自动寻找其他替代节点进行路由,确保了网络的抗毁能力。由此可见,无线传感器网络非常适合用在地震灾害现场进行数据和信息的采集,并通过骨干节点回传至现场指挥中心,再通过卫星或光纤与应急指挥中心相连。

2.2 RFD技术 除了配置在无线传感网络节点上固有的传感器外,在传感网络激盖范围的其他信息的获取则需要RFID来实现。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。在地震救援现场,通过人员或物资随身携带的RFID芯片与无线传感网进行交互,则可以对人员和物资的信息(如位置信息、状态信息等)进行收集。

2.3 云计算 云计算(Cloud Co mputing)指的是无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式,无论何时何地只要需要就可以通过某种设备访问到所需的信息,云计算网络架构如下图2所示。

图1 物联网系统结构

图2 云计算网络架构图

1.3 一体化 通过可视化、物联化可以获得海量数据,但从数据到信息还需要较长的过程。采用数据挖掘和大数据技术进行信息综合整理分析,和现有应急指挥系统平台的信息互通融合才能更有效地发挥应急指挥的效率和作用。在结合地震应急救援的内部信息与外部信息(救援现场的环境、人员、物资信息等)后,利用数据挖掘功能进行地震现场的脆弱性分析,进行最优化应急救援指挥调度。同时,一体化的应急通信平台还可以保证信息的及时性、同步性、完整性。现场移动计算终端、现场指挥部、后方应急指挥中心实现“三位一体”的分级访问控制的信息共享系统,确保信息及时、可靠、安全。

2 关键技术

2.1 无线传感器网络 无线传感器网络的基本功能是将一系列在空间上分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接,从而将各自采集的数据进行传输汇总,以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控,并根据这些信息进行相应的分析和处理。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象,能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息,并将这些信息发送到网关节点,以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪,具有快速展开、抗毁性强等特点,有着广阔的应用前景。

随着半导体技术和现代电子技术的飞速发展,移动计算终端已经可以做到很小,结合“最后一公里”的无线通信回程接入(如802.11n Wifi Mesh、802.16 Wi Max等),采用便携移动计算终端可以很方便的在接入点附近进行数据的传输。如果搭配相应的终端处理软件,并从接入点的服务器获取数据和资源,则可以在任何时间和地点形成一个“移动终端站”甚至“移动中心站”。在地震救援现场的应急指挥部建立数据服务器,甚至应急指挥中心的服务器通过卫星、光纤等宽带连接到现场的无线回程接入点,都可以作为云计算的无线回程接入。现场救援人员通过便携移动计算终端访问无线接入点,则可以获得权限范围内应急指挥中心的所有资料数据,更加有利于现场的救援指挥。

2.4 数据挖掘技术 一体化信息综合技术(数据获取、数据挖掘、专家辅助支持决策系统)要将通过传感器网络获得的海量信息转变为可以供决策参考的知识,必须做数据的获取和挖掘工作。视频信号、传感器信号、RFID信号的获取和数据结构的建模是进行数据挖掘工作的基础。同时,应急指挥中心系统服务平台的各项数据如地震应急基础数据库系统、监控信息、气候信息、社会信息等,也是数据挖掘的信息基础,利用这些内外部环境的基础数据,采用数据挖据技术则可以最优化地决策应急救援指挥,大大提高应急救援的专业化和效率。

3 系统架构设计

基于物联网技术的地震应急救援通信系统能够在第一时间快速展开、密集布设,为决策层提供密布现场每一个角落的第一手信息资料,为现场工作人员提供强有力的信息服务支撑,为上级的资源调配指令提供畅通无阻的通信通道。物联网技术在应急救援指挥调度系统中能够填补现有通信系统的空缺,提升指挥调度系统布设速度,增加应急指挥调度系统续航能力,增加感知范围,同时节省投资、降低成本。基于物联网技术的地震应急救援通信系统硬件架构如下图3所示。

图3 地震应急救援通信系统硬件架构

系统可以同时显示地理信息、环境信息、现场影像信息以及设备、人员、物资等各种要素信息,还可以进行分类展示和管理。系统可以搭载影像图和矢量图等多种GIS要素,获得更充分的地理信息供决策参考,系统可以对人员、设备、物资等各种要素进行分类识别、追踪、查询、统计等操作。该应急救援指挥调度系统的无线传感网部分采用分级管理架构设计,共分为应急中心、现场指挥部、应急行动小组3层。

1、应急中心可对地震现场所采集上传信息进行实时汇总、智能处理,对各项任务执行情况物资输送情况进行了解,并发出相应指挥调度方案。

2、现场指挥中心是现场指挥调度的核心机构,根据传感节点上传数据以及应急中心所下达的应急方案进行现场指挥,并将双向信息进行交互。

3、应急行动小组作为地震应急教援的实施力量,通过移动终端与前端信息中心的互联,可实时得到应急中心的最新指示,并将现场任务实施情况向应急中心进行上报。

系统底层为地震现场密集布设的感知节点,根据不同节点所处环境需求的不同,可搭配各种信息采集模块,比如：环境信息传感器、RFID读卡器、摄像头、GPS模块等。通过上述多种感知设备,系统可以全面感知地震现场的人、财物等各类实时状况,并将信息传递至汇聚节点,从而由移动终端、前端信息中心、移动指挥车3方面进行信息的接收、处理及上传,最终传送至应急指挥中心。地震应急指挥中心根据所上传信息及处理平台所给出的意见进行决策,将指令传输至各级系统。

和已有的地震应急救援系统相比,该系统有如下优点：

(1)使应急救援现场的各类环境信息、物资及人员的标识及位置信息、图像信息等可以得到密集、实时的采集,并安全、有效地提供给中央指挥控制系统供领导层决策部署。

(2)使指挥部门可通过该系统实时进行高效的复杂指令传达与人员物资的动态调配。

(3)使现场工作各单元可以利用该系统上传第一手的灾情及工作信息,同时获取中控系统的智能云服务,有效支持现场作业。

(4)中央指挥控制系统根据各类信息构筑传感资源云,从而提高应急救援决策指挥的效率和水平,将地震应急救援工作进一步推动到物联化、智能化时代。

4 结论

本文构建的基于物联网技术的地震应急救援通信系统将大大提高地震系统现有应急救援通信系统的信息化水平,使地震应急救援现场以更加直现、清晰的方式展示,提高应急救援决策指挥的效率和水平,将地震应急救援工作进一步推动到智能化时代。应急的处置和救援是地震发生时最重要的一个环节,其中应急通信及指挥系统的建设又是应急处置的根本保障,做好应急通信系统的信息化、智能化建设,将大大提高地震救援的效率,降低受灾成本,产生极大的经济效益;同时地震行业应急通信系统的信息可与政府、社会信息共享,成为党和政府应急救援体系中的重要环节,为维护社会稳定、促进社会发展做出地震行业的贡献。