震后应急救援移动模型与应急通信系统

我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃。根据国家统计局官方数字，2005—2019年的15年间，我国共发生地震灾害193次，死亡7万余人，直接经济损失达1万多亿元人民币。
一般性地震发生后，地震观测设备集群及其支撑的技术系统能够快速评估灾情，提供辅助决策报告，为地震应急救援提供初步判断依据。救援人员能够依赖地震观测设备集群获取初步的灾情信息，为重点区域救援、救援资源分配提供参考。

破坏性地震发生后，
受灾严重区域的基础设施，尤其是通信基础设施（如通信基站等）会完全损坏，导致通信中断，
灾区与外界通信受阻，因此在一段时间内，外部无法及时获取灾情信息或者只能获取有限的灾情信息。受灾地区成为信息孤岛，给救灾组织、指挥调度、人员搜救、次生灾害预防等工作造成重大困难。
而受灾相对较轻的区域，由于灾区范围内受灾人员急于与外界取得联系，同时，时间赶往现场的救灾人员急需将灾情信息传送至后方指挥部，这必将导致通信链路的拥堵甚至中断，严重影响救灾进程，大大增加了救灾的持续时间，严重威胁了受灾人员的生命及财产安全。
因此，震后应急通信是灾后救援的重要环节，它能够迅速搭建起灾区内外沟通的桥梁。政府和人民群众在震后对通信的依赖程度显著高于平时。快速部署稳定可靠的震后应急通信系统成为减少灾害损失的一个不可或缺的因素。

例如，2008年5月12日的四川汶川地震以及2010年4月14日的青海玉树地震，震中通信基础设施完全被破坏，相当长的一段时间内外界无法获取震中灾害区域的信息。2011年3月11日，日本当地时间14时46分，日本东北部海域发生里氏9.0级地震并引发海啸，造成重大人员伤亡和财产损失。地震造成日本福岛核电站1~4号机组发生核泄漏事故。地震发生之后，通信需求飙升至平时的9倍，150万条电话线路中断，385座通信机房倒塌，90条通信主干线被破坏，日本电报电话局（The Nippon Telegraph and Telephone，NTT）调派6500人参与线路抢修，历时90天基本完成了主要线路的修复，尽管速度已经很快，但在地震发生时，灾区对通信网络恢复的期望时间要求更短。地震灾害发生后，地震现场的通信畅通是拯救受灾人员生命的希望。地震应急救援的首要任务是为先遣救援人员建立相对稳定的通信链路，争取在震后黄金救援的72小时内建立可靠的通信链路。

随着人口基数不断增多，人口密度不断增大，人类受到地震等自然灾害的影响日益严重，作为联系现场与后方
的桥梁，地震灾害现场无线自组网技术越来越受到国内外关注。该技术能够及时、有效地为后方指挥部提供现场灾情信息，从而为应急指挥做出快速、准确的决策提供支持。随着自组网系统的发展，无线传感器网络的普遍应用，震后应急通信网络的部署应用成为防震减灾的关键。由于无线固定通信节点的成本较高，覆盖范围有限，并且地震现场供电设施损坏，在不影响救援效率的前提下，我们要程度降低救援人员携带的移动通信设备的能耗，并且尽量减少无线固定通信节点的部署。

目前关于灾害现场无线自组网技术的研究和应用很多，但大多过于笼统，尤其针对地震应急现场无线自组网系统的研究过于简单，通过堆积成本来实现一些基本应用，这离实际需求仍有很大差距，远未达到人们所期望的理想水平。国内外对于灾害场景内救援人员移动模型有着广泛的研究，这些研究大多仅仅基于移动模型，未与路由协议联系起来。因此，将地震现场无线自组网技术、移动模型、路由协议3个方面有机结合在一起进行研究具有非常重要的现实意义。

本书正是在上述背景需求下酝酿编著的。作者长期从事无线自组网、无人机通信、地震应急等方面的研究工作，在应急通信网络体系结构、无线传感器网络部署及管理、网络协议开发和性能分析、地震现场无线自组网等领域积累了大量经验。全书研究内容概要如下： 

，广泛部署的用于地震观测的通信设备集群，承担着持续更新、上传观测到的地震信息的任务，集群内链路的状态是数据传输的关键，本书利用误差比分析方法定义合理的故障告警阈值，从而为集群监控平台提供准确的链路状态判断依据。

第二，地震发生后，灾区群众亟须得到救援，由于各区域受灾程度不同，救援所需的人力、物力也不相同。地震观测设备集群及其支撑的应急技术系统能够快速估算灾区的受灾程度。基于估算结果，本书提出一种救援人员四象限移动模型。仿真结果表明，在灾区数量、受灾程度相同的情况下，该模型能够缩短救援时间，限度减少人员伤亡。

第三，考虑到破坏性地震现场通信基础设施严重损坏，现场灾情信息无法及时传送回后方指挥部，因此震后应急通信网络成为信息传输的关键。震后应急通信网络中移动节点部署、路由协议、网络带宽等许多因素都与通信资源的分配息息相关。在灾害场景下，移动节点能耗大大受限，下一跳路由节点的选择也因此与一般情况下的路由选择不同。本书设计了一种多属性决策算法，根据该算法选择的下一跳节点，能够达到减少能耗，提高数据包接收率的目的。

第四，随着无线通信技术的发展，用于应急通信的现场无线自组网技术已经非常成熟，但由于无线固定通信节点的成本较高，覆盖范围有限，并且地震现场供电设施损坏，在不影响救援效率的前提下，我们要程度降低救援人员携带的移动通信设备的能耗，并且尽量减少无线固定通信节点的部署。震后应急通信网络中的节点具有能量受限、通信高能耗、数据计算低能耗等特点，并且救援人员位置不断发生改变，综合考虑以上因素，本书结合救援人员四象限移动模型和下一跳节点选择算法设计了一种新的路由协议，提高了震后应急通信网络数据传输成功率，降低了端到端延迟。
第五，
考虑到破坏性地震发生后，震后应急通信网络成为灾区内外沟通的渠道，其网络性能将对灾区的人员疏散、应急救援起到关键作用。震后由于灾区内外大量的通信需求，势必导致应急通信网络的拥塞，在这种情况下，如果有通信节点无意或恶意
地占用应急通信网络带宽资源，将会导致网络拥塞的加剧甚至造成网络瘫痪，从而影响灾区群众的生命安全。作为应急通信网络中机动性较强的通信节点，无人机同样易受到其他非法通信的干扰。为了保障震后应急网络的通信安全，本书提出一种多径衰减信道中低功耗无人机侦听及干扰算法，目的是在各类常见衰减信道中，使合法无人机能够以低功耗的代价
限度地获取侦听数据包数量。

本书在编写过程中，得到了作者的导师李德敏教授的精心指导，也得到了张光林教授、郭畅博士、张晓露博士的支持和帮助。上海市地震局信息中心信息应急室的各位同事也为本书的编写提供了许多支持和帮助。清华大学出版社相关编辑为本书的出版付出了辛勤的劳动。本书的部分研究成果得到了上海市科委项目（编号： 18DZ1200500）、上海佘山地球科学国家野外科学观测研究站重点项目（编号： 2020Z04）、中国地震局地震科技星火计划攻关项目（编号： XH21009）的支持。本书的部分
内容借鉴了应急通信和信息网络领域相关学者的研究成果。在此，向所有为本书的出版做出贡献的人们表示真诚的感谢！

震后应急通信技术涉及多个学科知识领域，新的技术和方法不断涌现，新的思想和应用层出不穷。除此之外，
与震后应急通信及震后应急救援相关的政策法规仍在不断发展和完善之中。由于时间仓促，作者水平有限，书中不足或错误在所难免，敬请读者批评指正。

作者2021年9月

本书以地震应急救援为例，震情发生后，为了**程度减轻灾害损失，保障人民群众生命财产安全，应急救援人员需要按照一定的模型对灾情现场进行救援。本书能够给出应急救援人员的移动救援模型，在该模型下，提出一种新的应急通信路由协议，用于地震现场应急通信。同时，对于救援中应急通信网络的安全性进行了研究，主要针对应急救援中的无人机通信的侦听和干扰问题进行了详细阐述。 本书可供应急通信行业和地震行业从业人员以及高校通信和信息专业的师生参考使用。

王小明，男，汉族，毕业于东华大学，信息与通信智能系统专业，工学博士，上海市地震局高级工程师。从事地震应急、无人机通信等方面的研究。负责多项省部级项目，发表国内国际论文20余篇，获得国家发明专利2项，软件著作权7项。获得上海市地震局防震减灾科技成果一、二、三等奖、 “全国防震减灾先进个人”、“上海市科技系统先进工作者”等称号，入选中国地震局青年人才库，赴澳大利亚新南威尔士大学访学一年。

第1章概述

1.1应急的相关概念

1.1.1突发事件

1.1.2应急准备

1.1.3应急监控

1.1.4应急处置

1.1.5事后恢复与重建

1.2地震应急及信息与通信系统

1.2.1地震应急

1.2.2地震信息系统

1.2.3地震通信系统

1.3地震应急救援移动模型

1.3.1单个节点移动模型

1.3.2组移动模型

1.4国内外发展现状

1.4.1地震应急的国内外发展现状

1.4.2地震信息系统的国内外发展现状

1.4.3地震通信系统的国内外发展现状

1.4.4地震应急救援移动模型的国内外发展现状

1.5本书结构

参考文献

第2章地震观测设备监控平台开发设计

2.1引言

2.2系统描述

2.2.1地震观测设备

2.2.2地震观测设备通信链路

2.2.3链路性能指标

2.3算法设计

2.4监控平台实验

2.4.1实验平台介绍

2.4.2实验结果

2.5地震数据

2.6小结

参考文献

第3章基于受灾程度的救援人员四象限移动模型研究

3.1引言

3.2系统模型

3.2.1场景描述

3.2.2救援人员四象限移动模型

3.3算法设计

3.4仿真实验

3.4.1重灾区数量

3.4.2灾区数量

3.4.3CI值

3.5小结

参考文献

第4章震后应急通信

4.1震后应急通信概述

4.1.1震后应急通信的特点

4.1.2震后应急通信的需求分析

4.1.3震后应急通信关键技术

4.2震后应急通信系统

4.2.1震后应急通信系统的体系结构

4.2.2震后应急通信系统的功能

4.2.3震后应急通信系统中的技术手段

4.3小结

参考文献

第5章震后应急通信中下一跳节点选择算法

5.1引言

5.2系统模型

5.2.1场景及网络架构

5.2.2链路属性

5.3算法设计

5.3.1属性权重

5.3.2加权多属性决策矩阵

5.3.3下一跳节点选择

5.3.4MCDMECP算法设计

5.4仿真实验

5.5小结

参考文献

第6章震后应急通信网络路由协议

6.1引言

6.2系统模型

6.2.1场景描述

6.2.2通信节点介绍

6.3协议设计 

6.3.1路由的发现与建立

6.3.2移动救援节点通信机制

6.3.3基于四象限移动模型的路由协议

6.4仿真实验

6.4.1仿真环境配置

6.4.2仿真结果分析

6.5小结

参考文献

第7章无人机侦听与干扰技术研究

7.1引言

7.2无人机中继

7.3系统模型

7.4算法设计

7.4.1假设

7.4.2无人机距离计算

7.4.3侦听和干扰

7.4.4模型建立

7.4.5模型分析

7.4.6侦听及干扰选择算法

7.4.7算法复杂度分析

7.5仿真实验

7.5.1仿真环境配置

7.5.2功耗及侦听到的数据包数量

7.5.3多径衰减信道对算法的影响

7.6小结

参考文献

附录

附录1

附录2

附录3

附录4

附录5

附录6

附录7

附录8

附录9

附录10

附录11

附录12

本书对于应急行业、高校通信和计算机行业从业人员及学生具有很好的指导作用，符合应急通信发展的社会前景。