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摘要:针对震害后灾区通信中断，救援人员无法及时获取灾区信息的情况，文中提出了利用智能手机中的蓝牙和Wi-Fi作为无线网络收发工具，构建灾区mesh网，将灾情信息以分布式的方式存储于网络各节点中，进行信息共享，并在此基础上利用无人搜寻、收集各mesh网络上的信息，携带灾区信息的无人机能够迅速将大量灾区信息传送回应急响应中心。文中构建的灾区信息收集系统是集成了受灾人员的自救行为以及救援人员的搜救行为为一体，以内、外域结合的应急响应思想构建的信息收集、获取系统，获得的灾情信息能够快速传回应急指挥中心，供指挥员制定相应应急方案。
关键词:高空基站;突发公共事件;无人机;应急通信
0引言
突发事件在近年来有愈发频繁的趋势，地震、雪灾、泥石流、暴雨、恐怖袭击等自然灾害或人为事件的发生，给受灾群体带来巨大损失，同时给普通人的生活也带来心理压力。及时、有效的突发事件应对，可以减少突发事件带来的损失。获取准确的突发事件信息，又是突发事件应对的基础。然而，突发事件发生后，通信设备受损造成的信息沟通不畅，准确的灾情信息很难传送回应急指挥中心［1］，决策者通过不完整的信息做出的决策可能会出现不完善的情况，救援效率也会大打折扣。通信中断的现象在地震后的灾区特别明显［2］。地震发生后，无线通信基站、有线通信网络被毁，灾区与外界隔绝形成了“孤岛”，震害信息难以快速传达至应急中心，有悖于应急救援的及时性。如何在极短时间内将灾区的有效信息传达至应急救援中心供决策者使用是本文研究的主要问题。本文以震害为例，拟解决短时间内将震害信息传达至应急救援中心的问题。首先，本文对突发事件信息收集的方法进行综述，分析了极短时间内震害信息收集存在的问题;其次，本文以系统工程的思想构建了智能手机于无人机相结合的快速震害灾情信息收集系统;最后，本文提出了以智能手机构建的mesh网络中，数据的分布式存储的方法能够有效提高信息收集效率。
1研究现状
注突发事件信息收集系统作为突发事件应急响应的子系统受到了研究者们的广泛关注，较为先进的信息收集系统主要分为5类。
1．1传感器收集类型
利用固定或者移动的传感器收集信息并通过网络将信息传输至应急中心分析，传感器一般被安置于灾害可能发生的区域，对灾害的发生、发展进行检测。以固定传感器的方法进行信息收集的洪涝灾害检测［3］，以可移动移动传感器收集信息的方法搭载传感器的无人设备、如无人机［4－5］、无人车等，搭载传感器的可移动设备对突发事件现场数据进行收集，收集的结果传送回指控中心做进一步分析。该方法的优点是利用无人设备进行信息收集，确保了信息收集过程中人员的安全性，缺点是现阶段得到的信息还不够完整，大量的数据处理工作效率还不够高，识别度有待提高。
1．2大数据收集类型
以大数据进行信息收集的方法，该方法主要对观察到突发事件的人群在网络上发表的图片及文字进行识别，定位突发事件一些基本信息，该方法可以快速定位突发事件是何时、何地、发生了什么事以及其变化情况［6］。具体的方法是利用公开的社交媒体，结合突发事件的特征，实时检测突发事件的发生，该方法能够快速获取突发事件中的重要信息［7－8］。该方法是利用众包(Crowdsourcing)的思想，以每一个遇见突发事件并愿意发声的人作为传感器，通过先进的数据挖掘技术，在突发事件发生发展的整个过程进行实时监控，优点是不需要耗费大量的人力物力去进行信息收集，只需要通过网络爬虫检测网上的内容即可，缺点也显而易见，群众对突发事件的观察主观化严重，可能无法反应突发事件真实情况，还需要相关人员进行进一步确认。
1．3智能手机收集类型
利用智能手机和使用智能手机的人作为收集信息的“传感器”，利用无线网络向智能手机发送问卷，快速地调查地震烈度分布，绘制震后烈度图［9］。又可以通过智能网来提高紧急呼叫系统的成功率［10］。手机之间组件无线网络，亦可提高灾区内部的应急通信能力［2］。该方法的有点是成本较低，缺点是需要良好的手机通信网络，并且受到手机使用者的主观影响较大。
1．4通信网络完善类型
利用各种信号增强的方法来解决突发事件后带来的信号中断问题，使得灾区信息可以通过原有的设备发送灾区之外。常用的方法是安置临时卫星信号接收器［11］，利用卫星通信的稳定性来保障灾区通信。谷歌ProjectLoon中利用的高空气球提供应急网络的方法［12］。车载通信及天基基站的应急通信方法［1］。
1．5多源信息融合类型
该类型将上述一种或者几种信息收集类型相结合，例如将传感器、大数据和观察者获得的数据进行融合分析，提供相应数据供决策者参考。该方法能调动尽可能多的信息收集方法，是一种相互补充相互协作的信息收集类型。
2现状分析
现阶段主要的研究方法是在突发事件发生之后，优先修复受损的通信设备，建立灾区与外界的物理连接(无线网络)。然后利用不同的设备及不同的人员对该地灾情信息进行收集，最后收集到的信息由无线网络传输至应急指挥中心。通过综述可知，若通信设备能够正常工作，突发事件相关数据即可传达至应急中心，之后的处理及分析已经处于较为完善的水平，构建完善的应急通信网络是信息收集系统的硬件基础保障。通过总结震后各通信设备的作用范围和作用时间，可以绘制设备作用时间－作用范围图(如图1所示)，容易观察到在一天的时间之内，灾区的信号中断，很难将灾情信息传输出来。直升机与无人机假设的通信网络一般用于应急指挥通信，是为了保障应急救援通讯的专用网络，作用于基站修复之前，在震后一天左右的时间内构建完成。卫星遥感的通信方式是通过空投的方式，将卫星电话空投至重灾区内部，由灾区内部应急管理者联系外界使用;卫星通信作为长期稳定的通讯方式被广泛应用于各种行业，但是现阶段卫星电话的成本高，难以覆盖到各基层组织。由谷歌创建的“潜鸟”工程(ProjectLoon)能够为灾区提供长期有效廉价的无线网络，但是无线网络需要长时间的构建，并不能作为灾区初期的应急通信手段。手机作为灾区内部仅有的常见的通讯手段，在通信基站被摧毁的情况下，无法联络灾区外部，灾情信息也很难传送出去，手机信号的基站一般需要一周或者一周以上才能完全恢复正常，亦无法使用常规手机连接模式进行通信。加之灾区的电力缺失，手机电量无法维持较长的时间，获得灾民提供的信息不得不控制在较短的时间内。观察图1容易看出:灾区一天以内的通信与一天之后的通讯处于隔断状态，本项目的研究目的是利用灾区手机的近场通讯功能以及无人机的灵活性特点来构建震后短时间内的灾区与外部的非实时通讯网络。
3框架构建
为了快速获取较为准确的灾情信息，本文提出了一种智能手机和无人机相结合的突发事件信息获取系统，以救援者和受灾者结合的方式，快速获取地震灾区的灾情信息的方法。该信息收集系统主要由智能手机和无人机两部分组成。地面通信网络是多用户链接(MultipeerConnectivity)网络，是一个使附近的设备能够通过基础设施Wi-Fi网络、对等Wi-Fi和蓝牙个人区域网络进行通信的框架［14］。智能手机的持有者可以将灾情和自身的基本情况通过该网络与周围的人进行共享，求救或者给予帮助，组网方式可以参考文献［2］给出的多个智能手机组网方法。如图2所示，构建成功的灾区内部应急通信网络。该文献给出的信息通过有信号链接的手机传递至灾区外部的方式，但是在面对严重的地震灾害是时，依然存在所有灾区所有手机都无法链接网络的情况，为了应对此情此景，本文提出利用无人机进行地毯式搜索，从而获取该网络中人员的基本情况及环境损毁情况。以收集信息为目标的网络构建特点:由于地震灾区环境较为恶劣，没有稳定的电力供应，智能手机网络随着时间的推移会呈现出不稳定、多变、节点消失或通信中断等情况，为了能够保证信息的完整性，本文提出两个改进的地方。第一是引入分布式存储技术，将每一个智能手机节点均作为灾情存储的设备，此时，当某一节点被破坏时，不会影响网络存储的信息总量，但是会造成每一部智能手机的存储压力，手机存储能力较弱时则无法存储所有灾情的信息。第二是灾情信息简化技术，原始的应急系统使用的前提是有网络的情况，无论是图片数据还是文字数据均可由网络传输至监控中心，当网络异常的情况出现时，及时文字数据都难以收发更别提图片了;本文拟利用文字描述的方法代替图片对灾情信息进行收集，以简短的文字描述来判断受灾的严重程度。利用上述两种技术，各网络只需一个节点即可传输所有灾情信息，保证了该网络信息传输的完整性。当完整性得以保证后，需将信息传输至外部应急指挥中心，本文利用无人机的方法对该地区信息进行收集，并将收集到的灾情信息传输至应急响应中心。如表1所示，现阶段手机常用的Wi-Fi标准如下所示，该参数为理想状态下测量，在实际应用中存在较大偏差，特别是有墙壁阻隔时，传输距离或大大降低;在灾区面积较大的情况下，可能会出现不止一个网络的情况。为了尽量将所有网络的灾情信息收集回来，无人机需进行地毯式的搜索，并在搜索到信号时悬停进行数据传输数据，传输完成后继续搜索，直至搜索任务完成或燃料即将耗尽的情况。常见的无人机类型有三种，三种无人机类型进行比较，系留式无人机受到有线的影响，无法进行远距离搜寻，更适合作为信号收发装置长时间悬空使用，而固定翼无人机无法低空悬停进行信息收集，综上所述，结合各无人机特点，本文的信息收集系统中的无人机采用旋转翼无人机，它既具备灵活飞行的特点，又能在空中悬停进行数据传输和信息收集，并且该机具有较长的滞空时间，能够保障一定的搜寻范围，对提高灾情搜集的效率有一定帮助。震后受灾群体通过手机Wi-Fi已经构建了三个灾区内部通信网，通过信息的共享，已经完成了部分自救和互救的行动，但是任有部分被困人员急需外部专业救援人员进行救助，另外，生活必需品以及受伤、失踪情况已经过编辑，共享于内部通信网络，急需将灾情信息发送至灾区外部。由于进入震区的道路被毁，救援人员无法驱车直接前往该地区，在道路损毁的边缘地带通过无人机的方法对灾情信息进行收集，搜索灾区内部构建的无线通信网络，并将该网络上存储的灾情信息传回应急指挥中心进行进一步分析。无人机的搜索范围是以无人机为球心，半径为70米(选取表1中802．11n设备搜寻室内信号)的球形内部，假设飞行高度垂直于地面10米，那么，该机映射到地面的搜索半径约为69．3米。当检测到内部网路信号时，在该处悬停，并搜集网络上的共享灾情信息，并将灾情信息传输至应急指挥中心，搜集完之后继续按照原计划路线搜寻，直至灾区所有地带搜索完毕。
4结束语
信息获取是突发事件应对的基础，快速获取准确的信息能够提高应急效率。本文综述了现阶段应急通信的诸多方法，总结了其作用时间和作用范围，发现了震后初期通信的断层期。本文指出现阶段信息获取过程中存在的不足，提出了智能手机和无人机相结合的信息收集方法，该方法是一种被救者与救援者相互协作的应急信息收集方法，是一种解决高效稳定的通信方法建立之前的快速信息收集方法。该方法弥补了震后通信时间与空间的断层，能够快速将受灾者收集的灾情信息传输至应急指挥中心，为决策者提供数据支持，在一定程度上提高了应急效率。
作者:梁魏 黄炎焱 王建宇 单位:南京理工大学