基于北斗的沙塵暴應(yīng)急指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇宇通，曹三博

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

0 引言

沙塵暴是由強(qiáng)風(fēng)卷起大量沙塵，造成短時(shí)間內(nèi)能見度較低的一種自然災(zāi)害，具有突發(fā)性和持續(xù)時(shí)間較短的特征。21世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)化率急劇提升，致使人口密度在世界廣大地區(qū)都有所增長(zhǎng)，極端自然災(zāi)害對(duì)人類生產(chǎn)生活帶來(lái)的破壞和經(jīng)濟(jì)損失是不可估量的。2017年世界銀行與全球減災(zāi)和恢復(fù)基金報(bào)告稱，自然災(zāi)害每年造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5 200億美元，而同年中國(guó)廣東省的經(jīng)濟(jì)總量為8.99萬(wàn)億人民幣，自然災(zāi)害造成的損失將近廣東省2017年GDP的40%，甚至超過(guò)了北京、上海全年的GDP。故而，在致力于災(zāi)后經(jīng)濟(jì)恢復(fù)與重建的同時(shí)，急需采取措施將自然災(zāi)害造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失降到最低。通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外沙塵暴災(zāi)害的應(yīng)急措施分析特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，可以看出，在很多災(zāi)害處理的過(guò)程中，都缺少一個(gè)信息獲取及處理的中樞平臺(tái)。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)促使實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處理平臺(tái)的搭建

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)具有完全中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有安全、穩(wěn)定、保密性強(qiáng)的特點(diǎn)，其系統(tǒng)3大功能分別為快速定位、精密授時(shí)及雙向通信。由于北斗自身具備導(dǎo)航通信一體化的功能，所以在地質(zhì)工作、災(zāi)害應(yīng)急處置等方面具有較大的應(yīng)用潛力。BDS的研發(fā)與應(yīng)用在技術(shù)上為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處理平臺(tái)的搭建提供了有力的技術(shù)支持與保障，快速定位功能可以快速確定受災(zāi)人員位置以及信息，并且具有非常高的系統(tǒng)精度；其通信功能可以保證在受災(zāi)后，常規(guī)通信手段失效時(shí)，仍然能精準(zhǔn)、高效地將各個(gè)受災(zāi)點(diǎn)的受災(zāi)信息傳達(dá)到應(yīng)急指揮中心，應(yīng)急處理措施也能通過(guò)衛(wèi)星傳達(dá)到每一個(gè)應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)的總體目標(biāo)是通過(guò)對(duì)受災(zāi)區(qū)域?yàn)?zāi)前后遙感數(shù)據(jù)的采集、大氣中沙粒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總等，減少沙塵暴及其次生災(zāi)害的危害，建立一套完整的應(yīng)對(duì)方案，減少由于信息傳遞效率低甚至無(wú)法傳遞帶來(lái)的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[1-3]。

2 系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)包括北斗導(dǎo)航衛(wèi)星與遙感衛(wèi)星、地面應(yīng)急指揮中心、臨時(shí)應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)及用戶4個(gè)部分。

(1)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星與遙感衛(wèi)星是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼GPS，GLONASS之后的第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，和美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO一起作為聯(lián)合國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)已認(rèn)定的供應(yīng)商。BDS可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)地為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力。BDS是全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航核心供應(yīng)商之一，目前在軌衛(wèi)星已達(dá)39顆。

(2)地面應(yīng)急指揮中心是控制管理的中樞，分別接受來(lái)自遙感衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星和臨時(shí)應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)的信息，對(duì)實(shí)時(shí)災(zāi)情與受災(zāi)人員進(jìn)行綜合分析處理，形成現(xiàn)有資源下最佳的處理方案。

(3)臨時(shí)應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度，對(duì)現(xiàn)有救援人員、車輛等應(yīng)急救災(zāi)資源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)最大化利用，避免由于信息不對(duì)稱造成的資源浪費(fèi)。

(4)用戶介紹分為救援人員和受災(zāi)群眾。救援人員接收來(lái)自臨時(shí)應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)分析處理后的信息，前往受災(zāi)地點(diǎn)對(duì)受災(zāi)群眾進(jìn)行即時(shí)救援；受災(zāi)群眾可通過(guò)便攜式終端向臨時(shí)應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)報(bào)告自己所處的位置以及受災(zāi)的具體狀況，以便救援人員開展救援。

2.2 系統(tǒng)工作模式

整個(gè)沙塵暴應(yīng)急指揮系統(tǒng)主要由3個(gè)層級(jí)和一個(gè)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)終端、一個(gè)遙感衛(wèi)星構(gòu)成，最高指揮中心是地面應(yīng)急指揮中心，第二級(jí)為臨時(shí)受災(zāi)點(diǎn)的臨時(shí)應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)，第三級(jí)是用戶。系統(tǒng)架構(gòu)和運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)構(gòu)想如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)和運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)構(gòu)想

2.3 系統(tǒng)功能與應(yīng)用

2.3.1 沙塵暴災(zāi)前預(yù)警

地面應(yīng)急指揮中心所屬的遙感部門利用國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)沙塵暴多發(fā)地的空氣質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化，包括識(shí)別沙塵分布。在沙塵濃度動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡及影響面積建立一套自動(dòng)評(píng)估機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于以往的沙塵暴發(fā)生規(guī)律，針對(duì)不同地域特點(diǎn)和氣象特征，對(duì)該地域設(shè)定某一動(dòng)態(tài)變化閾值，當(dāng)該地空氣中沙粒的含量超過(guò)該閾值時(shí)，按不同的預(yù)警等級(jí)，地面應(yīng)急指揮中心下轄的分析部門對(duì)可能發(fā)生的災(zāi)情基于交通網(wǎng)絡(luò)暢通情況、醫(yī)療條件的保障能力、救災(zāi)物資的完備程度做出合理的預(yù)案，聯(lián)絡(luò)部門對(duì)沙塵暴可能波及的地區(qū)通知有關(guān)部門做好臨時(shí)應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)的相關(guān)準(zhǔn)備，利用“北斗+”手機(jī)應(yīng)用程序?qū)赡苁転?zāi)的人員做出預(yù)先通知。

2.3.2 沙塵暴災(zāi)時(shí)指揮

當(dāng)沙塵暴發(fā)生時(shí)，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)通信手段失去其功能，北斗衛(wèi)星利用其特有的短報(bào)文雙向通信功能服務(wù)于救災(zāi)系統(tǒng)。應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)在得到受災(zāi)人員的受災(zāi)報(bào)告之后，通過(guò)“北斗+”應(yīng)用程序發(fā)出就近救災(zāi)指令；在救援人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)前，結(jié)合受災(zāi)地區(qū)建筑損壞程度，對(duì)該地區(qū)受災(zāi)程度做出判斷，指揮就近救援人員對(duì)受災(zāi)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)救援，并根據(jù)受災(zāi)人員的受傷狀況進(jìn)行必要的急救處理。在救援過(guò)程中，救援人員如遇到超出其救援能力的現(xiàn)場(chǎng)狀況，通過(guò)“北斗+”應(yīng)用程序，及時(shí)反饋給應(yīng)急救災(zāi)點(diǎn)，以調(diào)配其他救援人員及時(shí)支援。

2.3.3 沙塵暴災(zāi)后復(fù)盤

在“北斗+”應(yīng)用程序建立對(duì)救援指令的“接收+報(bào)告”機(jī)制，每發(fā)出一條指令都要及時(shí)做出實(shí)際情況的報(bào)告，并生成記錄。在沙塵暴救災(zāi)結(jié)束后，利用“北斗+”應(yīng)用程序?qū)φ麄€(gè)救援過(guò)程進(jìn)行復(fù)盤。對(duì)救援過(guò)程中存在的各種問題，諸如，未能及時(shí)接收救援指令、未能及時(shí)對(duì)救援指令進(jìn)行執(zhí)行，或在執(zhí)行中的某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)信息錯(cuò)誤等。對(duì)“北斗+”應(yīng)用程序可能存在的不足進(jìn)行修復(fù)，完善相關(guān)功能，在以后的救援過(guò)程中再出現(xiàn)類似情況可以得到準(zhǔn)確、有效的處理方法。如果有未對(duì)救援指令做出回復(fù)，要查明沒有回復(fù)的原因和相關(guān)責(zé)任。

2.3.4 “北斗+”應(yīng)用程序

“北斗+”是一款集定位、通信、分析于一體的應(yīng)用程序，搭建起一個(gè)綜合獲取信息和發(fā)出指令的平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)多線程同時(shí)接收和發(fā)出指令，讓每一個(gè)救援單元和被救援單元基于現(xiàn)有救援能力和外界環(huán)境獲取適用于自身的最佳救援方案。

2.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)完善、分工鮮明，層級(jí)合理，極大提高了各個(gè)部門的工作效率，有效減少了因職責(zé)界線劃分不明確而造成的權(quán)責(zé)不統(tǒng)一的情況，防止由于信息不通暢造成的職權(quán)重疊和空白現(xiàn)象，使災(zāi)情在發(fā)生后第一時(shí)間得到有效救援，最大限度地保障了受災(zāi)群眾和救援人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

(2)本系統(tǒng)采用“北斗+APP”的形式，設(shè)計(jì)一款適配于整個(gè)應(yīng)急救災(zāi)體系，以手機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)手機(jī)終端的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用。在災(zāi)后對(duì)整個(gè)應(yīng)急處理流程進(jìn)行復(fù)盤時(shí)，可以根據(jù)應(yīng)用程序保存的記錄，對(duì)救援過(guò)程中存在問題的環(huán)節(jié)及時(shí)處理，對(duì)明顯不作為的個(gè)人進(jìn)行追責(zé)。

(3)在維護(hù)國(guó)家秘密方面，BDS具有完全的中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在沙塵暴災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用，從源頭上防止了由于應(yīng)用其他衛(wèi)星系統(tǒng)，諸如，GPS等帶來(lái)的地理、地質(zhì)等核心自然環(huán)境數(shù)據(jù)以及國(guó)防設(shè)施精確地理坐標(biāo)的泄密風(fēng)險(xiǎn)，極大地保障了國(guó)家安全。

(4)BDS在同類的衛(wèi)星系統(tǒng)(GPS與GLONASS)中，技術(shù)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以向用戶提供不超過(guò)120字的雙向短報(bào)文功能，使受災(zāi)人員不僅可以知道受災(zāi)位置，還可以將受災(zāi)位置實(shí)時(shí)傳輸出去，使救援人員對(duì)受災(zāi)人員的路徑規(guī)劃和救援方案能在現(xiàn)有條件下獲得可操作的最優(yōu)解，保障了信息及時(shí)上傳下達(dá)。

3 可行性分析

(1)技術(shù)層面：BDS將于2020年達(dá)到全球覆蓋，為災(zāi)害救援提供可靠的導(dǎo)航、定位、通信、授時(shí)服務(wù)，北斗的定位精度達(dá)到10 m，測(cè)速精度0.2 m/s，為我國(guó)及周邊地區(qū)提供1 m的廣域差分精度，在精度上滿足救援工作的要求。BDS還可以保證長(zhǎng)期、連續(xù)工作。

(2)管理層面：BDS是由我國(guó)多部門聯(lián)合組建的，由中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航管理辦公室負(fù)責(zé)，在建設(shè)之初就以高標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)獨(dú)立化定位，運(yùn)行管理科學(xué)，水平一流。

4 結(jié)語(yǔ)

北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的搭建完成和應(yīng)用，將對(duì)很多領(lǐng)域的傳統(tǒng)工作模式產(chǎn)生顛覆式的影響。將北斗信息傳輸機(jī)制的優(yōu)越性應(yīng)用到對(duì)傳統(tǒng)信息媒介產(chǎn)生很大干擾甚至完全破壞的沙塵暴領(lǐng)域，能最大化地彌補(bǔ)現(xiàn)有救援體系信息不通暢的不足，降低了救援成本、經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，形成了科學(xué)、高效的沙塵暴應(yīng)急救災(zāi)體系。與救援相匹配的應(yīng)用程序的構(gòu)想為北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在國(guó)民生產(chǎn)生活中的成果轉(zhuǎn)換提出了一種平民化、通用化、便攜化的新思路，為如何將北斗技術(shù)推廣到更多的領(lǐng)域、服務(wù)于更廣泛的民眾提出了新方法。