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3G单兵构建现代化应急指挥系统

应急安全在线    2011-04-09 字体【
H3C 多媒体视讯
  一.前言

  基于有线和无线电技术的电话,对讲机和微波通信设备,长久以来,是现代作战和指挥系统的核心设备,许多技战术都是以此为核心发展起来的,并形成了固定的模式。但是这种依赖短距离数据,语音和视频信号传输的模式有其固有缺陷,后来出现的无线蜂窝电话,在一定程度上解决距离以及移动的限制问题。

  无线蜂窝技术大获成功之后并逐渐发展为现在的3G、4G.。3G无线通信技术发展到现在,已经逐渐成熟并在中国得到大规模应用。网络带宽和有限宽带网络的差距也在逐渐缩小,利用3G网络实时传输压缩编码后的音视频数据成为可能。与此同时,广播电视,会议电视以及安放监控领域的需求也催生了许多高效的音视频压缩算法和标准,比如MPEG2/4以及H264等,同时也出现了成熟的SOC解决方案。而军事以及民用领域的定位和导航需求,也使得GPS全球定位系统得到发展成熟并早已大规模商用。

  高效的音视频压缩算法,GPS定位以及3G宽带数据传输技术,是本文要讨论的现代化应急指挥系统的核心技术。本文将围绕这几个方面,讨论现代应急指挥系统的特点,构成要素,3G单兵的实现方案以及现代应急指挥系统的发展展望。


  二.关键词

  3G WCDMA EVDO TD-SCDMA GPS WIFI ARM DSP GPU

  H264 LINUX iOS Android Symbian WP7

  视频编解码 单兵 应急指挥 协同作战


  三.现代化应急指挥系统的特点

  现代化应急指挥系统,是为解决应对突发事件,群体事件,协同作战的远程指挥调度的需求而构建的,具备以下几个特点:

  1. 灵活机动,部署方便快速,成本低廉,循环使用。

  2. 现场音视频实时通信,各作战单位位置实时显示。

  3. 无障碍,全天候使用,通信稳定可靠安全。

  4. 宏观,微观全景呈现,协同作战,指挥调度游刃有余。

  四.基于3G网络的应急指挥系统的构成

  一个应急指挥系统,主要由两个要素组成,一个是在现场实施具体任务的单兵,一个是在控制中心实时指挥调度的控制台。为了实现二者之间数据的有效通信,必须架设一个中心平台,为二者之间建立通信的桥梁,下面简单描述各构成要素的基本功能:

  1. 3G单兵

  作为现代化应急指挥系统的核心要素之一,最小化作战单位(人员或者车辆)携带或者安装)的电子设备,我们称之为单兵,是各自现代化技术的集大成者,其功能特点直接决定了指挥系统的优劣。具备3G通信功能的单兵,我们称之为3G单兵

  3G单兵主要在现场秘密或者公开执行任务,将现场实时的语音和图像通过3G网络回传到控制中心,并根据控制中心的指令执行动作,也可以紧急呼叫控制中心,请求对讲。单兵也可以拍照或者录制现场高清晰度视频,以便返回时作为证据或者供分析处理。


  2. 中心平台

  中心平台是一套网络通信和数据处理服务器系统,用来实现单兵设备,控制台用户的管理,并转发二者之间的数据,同时实现音视频,GPS位置数据的转发以及存储,并支持录像数据,GPS数据的查询以及回放。

  一般来讲,中心平台需要部署到互联网,并能支持较多3G单兵的接入,同时实现多路实时视频的转发和存储,并能支持多级部署。通常需要采用电信级别的服务器,并采用可靠的LINUX服务器操作系统。

  3. 客户端(控制台)

  控制台是控制中心实现应急指挥调度的用户界面。

  可查看一路和或者同时查看多路单兵在线状态,当前位置,实时视频和现场声音,并可通过短信控制单兵上线和下线。

  可接收单兵的紧急呼叫并开启下达指令。

  可广播或短信发送控制指令。

  可查询,下载以及回放中心平台的录像和GPS轨迹数据。

  控制中心可以在总部基地,当然也可以移动,比如在移动指挥车上,只要能上网,比如通过3G或者WIFI,当然也可以多级指挥同时协调工作。

  中心平台以及客户端均为纯软件产品,并且都基于成熟的网络通信等技术,因此本文不做过多讨论。本文着重讨论基于3G网络的单兵设备所要完成的功能,使用的技术,可选的实现方案以及未来发展方向。

  五.3G单兵所需关键技术

  1. H264编解码技术

  3G单兵的核心是3G实时视频传输,要求用较低的带宽传递更高质量的图像以及音频数据。这就要求采用更高压缩比的视频压缩算法。H264是当前已经广泛使用的视频压缩算法中最佳选择,并且有成熟的解决方案。

  2. 3G网络传输技术

  无所不在的3G网络使得无障碍的应急指挥成为可能,作为数据通信的网络载体,3G网络技术在中国已经逐渐成熟,在3个3G牌照发放之后,各地的3G网络建设都发展迅速,目前联通的WCDMA,电信的EVDO以及移动的TD_SCDMA都发展了相当数量的终端用户,并真正进入实用化阶段。虽然各地情况不同以及网络技术标准的不同,但每个网络实现实时视频传输的带宽都基本够用,100kbps的带宽已经能够比较流畅的传输CIF分辨率的H264实时视频,部分地方经过测试,传输1000bps的D1视频流在部分时段也比较稳定。

  3. GPS定位技术

  GPS定位技术已经在车载定位导航方面得到多年的应用,并完全成熟,因此,完全可以在应急指挥系统中加以应用。

  六.实现方案

  笔者深入研究并比较了各种主流产品和技术,对于3G单兵给出了3种实现方案。

  1. 嵌入式专用设备

  此方案为根据用户需求,深度定制的产品,目前已经批量生产和供货,并在各地公检法系统中得到应用。

  可以实现视频预览,D1 + CIF双码流编码,录像,拍照,回放,3G视频传输,GPS定位,短信接收显示,紧急呼叫,对讲,广播等功能。

  此方案主要由主处理器(ARM + DSP双核),摄像头(配红外灯),外置喇叭,3G模块(WCDMA/EVDO可选),GPS模块,LCD屏,按键,TF卡,大容量电池等构成。

  此方案外壳采用防水设计,摄像头喇叭耳麦一体设计(类似对讲机一样装配和使用),和主机分离并通过线缆可靠连接,主机内置3G天线和GPS天线,体积小,方便单兵携带和装配。

  此方案稳定可靠,成本也较低,携带装配方便,定制的大容量电池可以保证长时间使用。
  当然此方案也存在一些缺点,比如开发难度较大,功能扩展比较困难,操作界面简单,无法和手机界面相提并论。


  2. 3G手机 + 软件实现

  目前3G手机已经比较成熟,通话,短信,高分辨率显示屏,摄像头拍照录像,SD/TF卡存储,WIFI, GPS定位,3G上网都成为标配和基本功能。而且随着技术的不断发展,手机处理器的运算速度以及处理能力也越来越强,而且不少手机的处理器已经是ARM (主处理器)+ GPU(图像处理单元) + DSP(数字信号处理器) + 基带(通话以及3G通信)多合一的,主频超过1G的,视频编码能力达到1080P(注:不确定是否是H264)的3G智能手机也已经问世。这样的智能手机已经完全能够胜任3G单兵的功能。

  要通过3G手机实现一款高性能的3G单兵,需要完成以下工作:

  (1) 选好手机平台。

  此项工作非常重要,直接决定产品性能。必须满足以下条件:

  硬件能力能满足需求。关键一点在于是否该型号手机是否能编码H264双流,一路高清晰本地存储,一路低码流适合网络传输。如果只能做低分辨率低码流的编码,产品性能会大打折扣。

  l 软件平台易于开发。在目前主流3G手机的软件平台中,iOS,Android,WP7,Symbian等是可选的方案,综合考虑,笔者推荐开放源码的Android平台,这个平台的手机价格更加容易接受,而且开发的起步要求比较低,只要一台普通PC即可开发。其他更详细的比较,已经超出本文范围,有兴趣的朋友可以仔细研究。

  (2) 开发应用软件

  此应用软件主要包含以下几个部分:

  l 操作界面

  l 音视频编码

  l 音视频解码回放

  l 平台接入和控制

  l 音视频传输(接入流媒体服务器)

  l 对讲,短信,通话等其他业务相关功能

  必须指出,基于3G手机的3G单兵,一样离不开中心平台以及客户端控制台的支持,只有这三者紧密配合,才能完成一个应急指挥系统的全部功能,当然中心平台和操作客户端是可以兼容多种3G单兵的接入的。

  此方案的优势在于:

  l 手机作为必须携带的设备,无需携带多余设备。

  l 可以重用手机原有的导航,WIFI数据传输功能。

  l 完全无需做硬件开发,纯软件开发,实现难度大为降低。

  l 基于手机平台的开发和调试更加容易。

  l 基于手机GUI系统可以实现更加灵活方便的操作界面和功能。

  当然此方案也存在以下问题需要解决:

  l 手机如何携带和装备?由于3G手机的摄像头基本都位于手机背面,因此必须时刻保证该位置对准拍摄的方向,这是一个很大的问题。

  l 手机电池能用多久?在3G,GPS以及视频编码传输同时工作的情况下,手机电池能用多久?按照现在的只能手机基本只能待机一天左右的情况来看,这是一个难以忽略的问题。

  l 可靠性和适用性问题。作为消费类产品的手机,在各种复杂环境下的可靠性和适用性也是一个问题。

  l 成本问题。基本上目前能满足要求的3G手机,价格都不菲,这也是一个需要考虑的问题。

  3. 3G手机 + WIFI视频采编模块

  结合1和2的方案,笔者给出了一个新的解决方案。

  此方案有一个带WIFI功能的音视频采集编码传输模块和一个低成本3G手机构成。当然此3G手机仍需具备通话,短信,SD/TF卡存储,WIFI,高分辨率显示屏,GPS定位,3G上网功能。摄像头拍照录像的功能可以降低要求,但必须能支持WIFI AP的功能。

  此方案中,WIFI视频采集编码模块实现音视频采集编码和传输功能,并通过3G手机接入中心平台。当然,对讲音频的解码和输出也可以在此模块上完成。

  此方案中,手机除了实现WIFI AP的功能之外,还需要实现视频预览,录像,录像回放以及其他业务相关功能,当然这些功能对手机处理能力的要求就不会要求那么高了。

  此方案的最大优点在于,WIFI视频采编模块是可以定制的,体积可以很小,并可以方便装配的,对3G手机的要求大为降低,但仍然可以利用手机的开发环境实现复杂的功能。

  作为两个独立的系统需要协同工作,必然存在一定的问题。

  首先是WIFI通信的可靠性问题。当然如果WIFI视频采编模块和3G手机一直佩戴在单兵身上,相信这个可靠性还是可以保证的。

  其次WIFI视频采编模块采用独立电池供电,需要在体积以及连续工作时间上做一个折中。

  七.发展展望

  基于3G单兵的应急指挥系统,目前尚处于起步阶段,只有少数几家设备厂商可以提供解决方案,而且只实现了基本的录像回放,GPS定位,实时视频传输,对讲等基本功能。但从应用需求的角度来看,以下功能是基于3G单兵构建的应急指挥系统未来发展的方向:


  1. 单兵集群通话

  作为协同工作的单兵小分队,如果大家能同时互相通话,实现对讲机类似功能,则可以更有效的实现协同作战的目标。

  2. 单兵可视对讲

  同上,如果协同工作的单兵小分队,如果大家不仅能互相通话,而且能彼此看到对方实时视频,实现类似移动视频会议的功能,则可以更有效提高协同作战能力。

  3. 高清

  高清(1080P以及以上)编解码技术上已经成熟,因此如能在3G单兵上得到应用,则又是一个质的飞跃。但必须要要解决高清视频的存储和传输问题,32G SD/TF卡已经无法满足长时间录像的需求了,但相信随着技术的发展,这些问题终将得到完美解决。

  4. 数据加密以及数据水印

  由于应用领域的特殊性,部分音视频或者照片可能涉及到国家机密,因此必须保证其安全,需要在数据源以及网络传输时进行加密,确保只有授权人员才能访问有效数据。比如采用一些难以破解的加密算法,利用VPN网络传输数据等。

  此外,如果录像以及拍照的数据需要作为法律证据的话,必须要在数据上叠加水印以确保数据未被修改。

  对于这些问题,有专门的研究和讨论,本文不在赘述。

  5. 数据智能分析和后处理

  视频数据传输到中心平台后,可进行智能化分析和后处理,比如进行人脸识别,车牌识别,再通过网络以及数据库技术,可以快速对人员以及车辆进行快速身份确认,在反恐以及打击犯罪方面能起到不可或缺的作用。

  6. 3G双网双待

  3G网络目前以及基本成熟,但下行带宽比较稳定,上行带宽受限且波动较大。基于3G网络上行传输实时视频数据,必然要面对网络差的情况下数据如何传输的问题,一个3G传输通道有时上行带宽无法满足大数据量实时实时视频的传输。如能同时配备2个3G传输通道,并实现自动分流传输,则能有效缓解视频上行传输带宽的限制问题。如果能做到两个不同制式3G网络同时支持比如WCDMA和EVDO,则可以有效避免不同地方网络建设发展不均衡的问题,实现无障碍的应急指挥。

  7. 3G + WIFI

  3G网络上行带宽始终受限,在一些WIFI热点发展较快的地方,如果3G单兵不需要大范围移动,则可以用WIFI作为视频传输通道,这样就可以提供更高质量的服务。而且3G单兵也可以用私有WIFI网络,自动传输单兵本地录像数据到数据中心,无需手动拷贝SD卡录像,管理更加方便快捷有效。


  8. 北斗导航和数据传输

  目前的GPS地位大都基于美国的民用GPS卫星定位系统。目前中国的北斗导航系统建设已经日趋成熟,相信不久的将来,即可实现民用,在3G单兵中使用北斗导航,也应该不是什么问题。而且借助北斗导航系统或者其他卫星数据传输的技术,可以实现通过卫星实现实时视频数据的传输,也不是没有可能。实现了这个功能,就可以真正实现跨境远程实时作战指挥等强大功能(比如美国最近在巴基斯坦实施的刺杀本拉登的行动)。


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关键词: 3G单兵
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