海洋應急通信網絡智能監控與調度系統設計及實現

轉自：科創中國

面向單一平臺承載特定通信業務的海洋通信網絡狀態監控與平臺調度系統，難以滿足日益複雜的海上通信網絡的多主體協同、多手段融合與多業務一體化發展需求。本文提出了一種面向海上應急通信網絡的智能監控與調度系統的設計方案，針對海上通信應急場景業務需求，設計了基於實時監控信息研判的「天、空、岸、海、潛」的多主體協同調度系統，實現了適配海洋應急通信網絡靈活建網、快速補網特點的智能監控與協同調度，解決了海上平臺與通信載荷靈活組合導致的異構通信系統間數據獲取與傳輸問題，提升了海上通信網絡的保障能力。系統依託國家重大工程「智慧海洋」應急通信試驗網絡建設項目實現，在海洋應急典型應用場景下通過對實時信息感知、應急響應規劃、事件處置、視頻會商等業務的應用示範，對智能監控與調度系統進行了驗證，滿足了海洋通信網絡智能化發展需求。

海洋應急通信試驗網絡的架構設計描述了用户接入、匯聚傳輸、業務訪問、公網互聯的全網聯通性設計，在服務層實現了業務網絡的異構融合與外部聯通。打破傳統海上天基網絡服務到端模式，將海上常用天基網絡進一步詳細劃分，實現海上匯聚—接入—終端的3級網絡結構（圖2），天基網絡提供全天候、大覆蓋海上回傳鏈路，匯聚層提供海上局部網絡收斂匯聚功能，接入系統為海洋通信終端提供各類接入服務，進一步節省了天基網絡經濟成本，同時為后續低軌衞星矩陣的海洋應用提供基礎。面向近海應急通信自主可控發展需求，驗證基於微波視距通信鏈路，依託高抗毀、寬頻段、大容量的優勢，可形成離岸100km範圍內的經濟型近岸覆蓋能力，為「天、空、岸、海、潛」各類海上通信平臺提供接入服務。海洋應急通信試驗網絡的成功構建，打破了原有各類通信系統獨立隔離的情況，通信系統以通信平臺為單位化整為零，隨遇接入，大幅度提升了海洋通信網絡服務能力，驗證了海洋立體通信網絡可行，傳輸可通，服務可用。

1）通信系統異構接入。海洋應急通信網絡通過建設衞星應急通信系統、臨近空間長航時無人機應急通信系統、小型無人機應急通信系統、船載應急通信系統、燈塔應急通信系統、水下應急通信系統等多套接入系統實現了海上各類通信用户靈活接入。應急指揮中心實現與國家應急中心、運營商、電話局互聯互通。岸基通信站通過微波固定站、微波移動站、衞通固定站實現各類通信系統接入。接入系統是應急通信組網業務能力在海上的具體實現，根據部署需求，結合不同平臺（無人機、船舶、繫留氣球等），形成通信能力、覆蓋範圍各異的通信節點，最終實現一體化海洋應急通信業務能力覆蓋。海洋應急通信網絡作為公用基礎網絡平臺，支持各行業的用户應用系統。同時，可與電信運營商網絡系統以及現存應急通信網絡系統對接，實現業務互通。海洋應急通信系統連接見圖3。

2）聲光電多手段融合。海上通信網絡受自然條件限制以無線通信為主，不同的無線通信手段具備其各自的特點與適用條件，難以通過單一通信手段滿足各類海上通信需求。海洋應急通信網絡實現了聲、光、電等通信手段海上融合組網的首次驗證。在海上統籌利用高低軌衞星、LTE、微波、水聲等多種傳輸手段，通信平臺可為海上移動用户的機動接入提供服務，也可作為岸海互通的通信中繼節點，設計基於多通信平臺融合形成的上層業務網的傳輸架構（圖4），實現了廣域覆蓋、應急保障、機動抗毀的海洋立體化通信傳輸網絡。通過海洋應急通信網絡測試驗證，各類通信手段融合鏈路，可以有效實現沿海通信網絡向海上大範圍延展。各類通信手段取長補短，優勢疊加實現的融合網絡，彌補了單一通信手段的短板，可以實現業務範圍、服務能力的大規模提升。

3）多業務一體化運行。創新採取了私有LTE核心網與語音電話網核心節點頂層互聯的公網語音服務接入解決方案，打破原有海洋通信網絡語音業務與數據傳輸業務互相隔離的模式，依託數據傳輸網絡的實時傳輸特點，擴展語音通信業務，業務流程如圖5所示，實現了網絡可通即語音可達的效果，解決無公網信號或公網信號弱區域語音通信問題，極大地提升公網的海上語音通信覆蓋範圍，並藉此擴展公眾呼救範圍，增加呼救手段，進一步提升了應急場景下公眾基礎應對活動能力。針對海洋防災減災、救援救助、權益維護等海上突發應急事件決策調度等需求，建設現場通信鏈路等狀態的獲取、集成和綜合信息分析推演能力，強化任務與應急響應的規劃能力和數據、通信、感知設備等資源的調度能力，實現對海洋應急通信中的各類資源及任務進行有效規劃、統一管理和調度。

智能監控與調度系統的總體框架主體部分採用應用層、服務層與數據庫3層分離的設計架構，總體框架見圖7，極大提升了系統整體性能。針對系統首次海上應用，松耦合設計可縮短開發、測試、完善周期，同時可降低因系統局部修改造成的不穩定性。系統可實現各類海上通信系統實時狀態信息、AIS、SOS、網絡信息的接入，併爲用户區的系統調度人員、機構用户、系統管理人員提供服務。

1）平臺調度設計。平臺作為通信載荷的載體是整個調度系統的基礎，主要包括無人機、船載、繫留無人機、繫留氣球、燈塔、大浮臺、鑽井平臺、浮標、潛標等。平臺調度設計為調度業務區、調度管理區與調度規劃區，由調度業務區根據應急場景區域的距離、通信服務時長、現場環境等條件配備平臺機動性能、覆蓋範圍、服務時長等要素，按照天基、空基、岸基、海基、水下進行任務分解。平臺任務調度區對平臺調度進行計劃生成，與平臺資源（空域、海域）管理平臺進行協調，並調整調度計劃，平臺指控接收調度計劃，完成平臺指控，平臺調度設計見圖8。

2）通信調度設計。通信調度設計分為通信調度業務區、通信業務區與通信載荷區，通信調度業務區通過判斷通信需求將通信業務分為移動網際互聯協議（Internet protocol，IP）數據業務、窄帶物聯數據業務、水下數據傳輸業務、AIS數據業務、SOS數據業務、光通信數據傳輸業務、水下定位業務、海上本地通信業務、水下語音通信業務、公網LTE通信業務、衞星移動通信業務等11項分類，通過應急場景區域用户通信需求確定通信業務，並搭載業務終端，通信載荷實時反饋通信調度情況，通信調度設計見圖9。

3）協同交互設計。面向海洋防災減災、海上溢油、海上搜救、海洋權利維護等應急突發事件，提取應急場景分析與通信要素，匹配通信資源、平臺資源、現場資源進行任務分解，協同預案知識庫、調度規則集等輔助決策信息生成調度規劃，通過平臺、通信資源管理協商完成調度規劃，調整生成指令集，完成通信平臺搭載通信載荷集的協同調度，形成移動IP數據服務、LTE語音通信服務、AIS數據服務、SOS數據服務等服務能力，實現了按照應急場景通信需求組網的多主體協同智能調度，見圖10。

指揮調度分為指揮調度中心、指揮調度基地2級。系統主要分為調度信息、數據信息及狀態信息3類。調度信息由平臺系統指控人員通過電子工單的形式進行反饋。AIS、SOS數據由雲服務平臺進行匯聚入庫。系統狀態實時監控模塊負責採集設備狀態信息、設備工作參數信息、告警信息等運維信息，信息交互設計見圖11。

4 關鍵技術

4.1 基於多主體的協同調度技術

開展海上通信多主體的協同調度技術研究，將通信設備與通信平臺進行拆分設計，極大地提升了通信主體按需求可塑性，可按需構建圍繞特定海洋應急場景的海上通信網絡。基於地理信息系統（geographic information system，GIS）平臺，在電子地圖上分佈展示應急通信主體的分佈情況，包括超高空無人機、中低空無人機、船載、燈塔、浮標、潛標等應急通信設備當前在海上位置信息和應急通信儲備點物資信息等。應急通信調度系統根據應急場景態勢進行研判，確定海上通信主體的組合方式，通過接口實現對應急通信主體資源的調度，並通過接口將調度指令進行下達，由通信主體反饋是否執行、何時執行、以何種方式執行。

面向海上通信多異構主體的特點，本系統採用簡單網絡管理協議（simple network management protocol，SNMP）對異構海上通信系統進行監控信息採集與管理，可以實現海上通信系統設備、網絡、告警信息的全面採集，同時基於SNMP協議的通用性，可以極大地降低因設備異構導致的監控信息採集不全的問題。通過在管理信息庫（management information base，MIB）節點（對象標識符為1.3.6.1.4.1.201809.1）下建立系統私有MIB數據庫，MIB數據庫設計見圖12，包括公共管理信息庫、接入平臺管理信息庫2部分，實現系統監控信息的全面採集，同時可以高度適應海上應急通信系統的隨遇接入帶來的變化，極大提升海上通信系統的智能管理程度。

在應急響應預案已制定的條件下，因預案承載內容複雜，單純的圖文的顯示缺乏多維表現力。應急響應預案數字化設計，通過預案的結構化，提取預案中關鍵信息，包括指導思想、目的等，以及應急通信資源、應急決策信息支撐等內容。將結構化的數字化預案與現有的應急資源進行匹配，提供可交互的應急資源檢索和不同應急響應與應急資源的匹配情況展示。根據應急響應的演化過程分析，將文本預案進行流程化分解，分析每個關鍵點，將事件上報、SOS信息接收、預案啟動、級別判斷、隊伍召集、職責分配、資源分析等關鍵環節按照預案的流程串聯，能夠智能分析執行預案流程，並可實現具體的應急通信響應。

應急預案規劃算法從運維分系統中獲取到平臺和設備的相關數據信息后，存儲在內存中，然后根據應急資源申請單中的數據信息，處理生成相應的應急任務。在需要的數據獲取完成后，開始應急預案規劃算法的預處理部分，包括統一應急通信任務的格式，更新當前可用的平臺及設備列表。在預處理完成后，開始算法求解部分，採用貪心策略，對每一個任務儘可能匹配最為合適的平臺及設備，達到更快、更準確覆蓋範圍最大的應急通信建網的要求。匹配每一個可用的平臺及設備，符合約束條件立即使其進行響應，最終對每個應急任務形成相應的應急預案，寫入數據庫中，算法設計流程，見圖13。

海上平臺作為海上核心節點，在海上通信網絡中，是承上啟下的關鍵中間環節，海上平臺從物理應用的角度可分為採集區、接入區、用户區，以及通信傳輸信道等重要部分，以船載系統為主體開展區域多業務安全共享技術應用，通信業務與數據業務以船載系統為海上主節點開展區域共享應用，通信業務實現區域內高併發通話，不依賴外部通信網絡，抗毀性與靈活性得到極大的提升。

以海上平臺為主體開展數據安全防護一體化技術研究，海上平臺數據安全防護一體化設計模型，見圖14，數據業務在船載通信系統中進行分用户確權，實現了數據的安全共享，數據傳輸在通信信道中採用虛擬分區，解決海上平臺使用單一信道造成數據混淆問題。多通信系統用户鑑權使用數據，單一業務數據使用虛擬通道，實現了數據安全共享的一體化防護功能。預留的國產商密應用接口，可為下一步國產商密海上應用提供驗證平臺。

5 典型場景應用

5.1 場景描述

通過對浙江舟山、海南三沙等地涉海科研單位、海洋職能單位、漁船等典型海上通信用户進行的海洋應急通信網絡需求調研，按照海洋應急通信網絡的應用場景分為海上搜救與救援、海洋安全生產管理、危化品監管及事故應急救援、水下設施應急維護、海洋權益維護、防災減災應急保障等幾大類典型應用場景（圖15）。

海上搜救與救援場景通信需求：一是海面救援，即船隻發生撞擊事故，漁民通過衞通終端發出求救信號，搜救中心接收求救信號，出動無人機通信系統快速抵達出事海域，接收SOS呼救信號，並提供通信保障，若是大規模救助場景，同時派出船載應急通信系統對事故現場提供應急通信保障及協同指揮保障；二是水下搜救，如在海底沉船等水下救助，出動水下應急通信系統，精確定位沉船海底位置，並在現場勘察階段實時定位跟蹤水下打撈設備及人員的位置，以便指揮中心做出決策，並制定打撈方案，保障打撈工作的順利開展。同時，上述2種場景的救援行動都需要衞星應急通信系統協助進行話音通信、數據回傳等業務。

應急指揮中心負責響應應急通信需求，跟蹤救援態勢，並進行協調、指揮、調度。漁業局等涉海管理部門提供應急通信保障服務，包括為其提供通信保障服務的申請、狀態反饋、服務評價等業務。搜救船、無人機、遇險船、海上平臺等在海上搜救與救援場景下，搭載各類應急通信載荷，提供語音、視頻、圖片、數據通信、AIS、SOS、水下通信、水下定位、水下導航等服務，服務對象與業務需求見表2。

智能監控與調度系統針對環境事件、維權事件等突發應急事件決策調度等需求，配備業務接入網、骨干網，具備與運營商網絡和外部業務網絡的網絡交換能力，以及規劃能力和資源的調度能力，能夠實現對海上應急通信中的各類資源及任務進行有效規劃和統一調度。同時，智能監控與調度系統結合涉海部門對通信服務的實際需要，提供定製的通信鏈路資源，形成以用户為中心的資源服務和管理能力。智能監控與調度系統分為雲服務平臺分系統、調度分系統、綜合運維分系統、網絡分系統和信息安全分系統，如圖16所示。

雲服務平臺分系統為用户提供應急資源使用申請、資源審覈、AIS數據、SOS數據、用户管理等多用服務統一的服務門户。

調度分系統針對應急資源使用申請、或其他渠道獲得的突發應急事件通信保障需求進行智能規劃，形成應急通信保障預案，可為各級指揮調度中心建立統一的管理平臺、交互平臺，保障應急預案全程受控、有效實施。

綜合運維分系統實現海洋應急通信網絡監測數據、設備監測數據、業務流量監測數據的交互與處理，實現全網資源的運維管理與故障診斷。

網絡分系統實現接入網、骨干網動態展示，通信策略控制與虛擬資源規劃。信息安全分系統實現全網安全防護。

海上搜救與救援場景下的業務流程主要包括服務申請、服務響應、服務開通、服務態勢、服務結束等5部分。

1）服務申請。當海上船隻撞擊事故發生后，生成搜救任務，漁業局、海事局、搜救指揮調度中心等海上管理部門依據其自身業務流程制定海上搜救行動計劃，並向應急通信調度系統提交應急通信保障服務申請。系統接收該申請，通過雲平臺按照任務能力與任務需求進行匹配，形成應急通信任務規劃，向平臺指控系統下達調度指令，根據平臺能力初步判斷能否滿足需求，並反饋申請確認信息。

2）服務響應。雲平臺接收申請后，根據海上搜救與救應急響應預案，從漁業局、海事局、搜救指揮中心等搜救任務申請部門獲取事故發生的海域、時間、待救援船隻及待搜救人員數量等信息，結合無人機應急通信系統、船載應急通信系統、水下應急通信系統、衞星應急通信系統的實際狀態，開展任務規劃。期間通過視頻會商、態勢推演等手段，形成任務方案，並分解為任務指令下發給平臺指控系統。

3）服務開通。無人機到達任務空域，開通LTE、AIS/SOS通信載荷業務，為覆蓋區域提供應急通信能力。通信保障船攜帶通信方艙、繫留無人機方艙和繫留氣球方艙到達任務海域，放飛繫留無人機或繫留氣球，開通LTE通信業務，實現應急海域無線通信覆蓋、數據採集、信息服務、回岸寬帶鏈路、求救信號搜索、應急任務多媒體集羣調度、水下應急通信系統通過浮潛標實現水下話音、定位數據回傳等服務，形成海上機動應急通信網絡。

4）服務態勢。各系統通過與智能監控與調度系統間的接口，將無人機、保障船、各型方艙、浮潛標的狀態信息回傳，並集中在綜合運維平臺中展示（圖17）。海上救援人員將各應急通信平臺的接入狀態、網絡狀態、實時性能等信息集中在指揮調度平臺中展示。綜合上述2個方面，形成完整的現場服務態勢，提供給平臺指控調度人員，並提供給應急通信保障服務申請的涉海部門。

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