自然災害綜合監測預警系統建設研究*

王 文，張 志，張 巖，王 濤，許文浩

(1.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083；2. 應急管理部大數據中心，北京 100013)

災害監測預警系統是防災減災的重要工具。預警系統(Early Warning System，簡稱EWS)在1994年第一次被提出，但是并沒有引起太大的關注[1]。直到2004年發生印度洋海嘯后，國際社會才開始重視預警系統的建設[2]。EWS在2004年聯合國國際減災戰略中第一次被正式定義，并且強調要將目標人群放在第一位[1]。在綜合了1998年、2003年和2006年三次國際預警會議的結果后，2009年聯合國將預警系統定義為：“一組用于及時制取和傳遞有價值警示信息的能力，以使受到致災因子威脅的個人、社區和機構做好準備并采取恰當的行動，在足夠的時間內減少可能的危害或損失[3]。”聯合國國際減災戰略多次提及災害綜合風險防范問題[4-6]。2016年，聯合國減災戰略對2009年制定的預警系統定義進行了更新，將其定義為一個包含災害監測預警、風險評估和應急準備活動的綜合系統，使面臨危險的社區和個人能夠在災害發生前做好充分準備，減少生命和財產的損失[7]。國際上對預警系統的定義不僅僅局限于單一的監測預警技術，而是貫穿了從災前預防到應急響應全過程的綜合系統。

新時期我國災害防治形勢也在從單災種向綜合減災轉變，從注重災后救助向災前預防轉變，從減少災害損失向減輕災害風險轉變，并開始重視多災種與災害鏈綜合監測[8-12]。面對我國自然災害綜合防治的迫切需求，綜合減災的研究還多集中于政策研究方面，而技術研究和應用實踐較少[8]。災害綜合監測預警系統作為實現綜合減災的關鍵手段，能最大限度地減少災害帶來的財產和經濟損失，減少脆弱性，增強國家和社會的防災能力[13-15]。因此，本文在順應國際前沿和國內災害防治形勢下，總結了國內外自然災害監測預警系統建設現狀和特點，為我國自然災害綜合監測預警系統建設提供借鑒；結合新時期自然災害防治重點以及我國現狀，提出了實現有效綜合監測預警的關鍵要素，針對當前存在的問題和業務能力需求，設計了基于信息技術和應急業務深度融合的自然災害監測預警系統架構，貫穿災前預防的風險監測、預警發布、應急處置全過程，全面提升防范化解重大風險能力。

1 國內外災害監測預警系統建設進展

1.1 國際發展現狀

美國、歐洲、日本等發達國家在應對自然災害上具有相對完善的法律框架和政策文件，指導政府組織、非政府組織和私營部門無縫銜接實施多災種綜合監測預警[16-19]。部署嚴密的監測網絡和完善的通信系統，全面覆蓋隱患點并且全天候24 h監測[20-22]。覆蓋全國的警報系統結合多元化的預警信息發布渠道確保每個人都能及時收到災害預警信息[16]。他們不僅把關注點放在災害本身，更加注重社區和人群的脆弱性，制定多種災害應對計劃并定期進行演習。積極發揮風險評估的作用，制作各類災害風險地圖向公眾發放，通過社區培訓、學校教育、新聞發布會、咨詢委員會、研討會、宣傳手冊和海報開展公眾災害意識教育，提高公眾風險意識[16-18,23]。美國擁有先進的基礎設施，利用多元化的評估模型和監測指數提供災害實時信息產品，還實現了儀器、數據、軟件和操作流程等的標準化，通過應急管理人員天氣信息網絡、NOAA氣象專線、自動呼叫系統、電子留言板、訂閱信息、國家氣象局自動預警系統發布預警信息[16,24]；法國將所有風險防范措施文件匯聚到一個能公開訪問的數據庫中，并對學校、老年和殘疾人機構、醫院、監獄和旅游設施等脆弱性較大的地方制定具有針對性的災害應急措施[17]；德國災害保險覆蓋全面，幾乎所有的住宅建筑都有暴風和冰雹保險，其中有46%的房主還購買了暴雨和洪水等其他自然災害保險[25]；日本重視應急通信系統建設，在固定通信、衛星通信、移動通信等網絡基礎上，構建中央、地方和部門之間的無線網，以及各類專項通信網，保障應急通信暢通，此外還建有自動處理發布實時氣象數據裝置和自動觸發地震警報裝置[21,26-27]。

1.2 我國自然災害綜合監測預警系統建設現狀

2018年，我國組建了應急管理部，積極構建部門協同、機構協作、專家合作與企業參與的應急組織機制，建設跨學科、跨部門、多災種復雜災情識別、演化預測的科技共享平臺[28]。目前我國自然災害監測預警、風險識別和評估體系日趨完善[29-30]，在自然災害理論研究、防災減災關鍵技術、綜合防災減災科技創新能力方面都有了大幅提升，風險相關數據庫已經初步形成[28,31]。但我國在災害防范方面還存在災害管理統籌協調不足，資源力量較為分散，管理機構不盡健全；“重救災，輕防災”思想比較普遍；重單一災害管理，輕綜合災害管理；重災后減少損失，輕災前防范化解風險；信息共享和資源統籌機制有待加強；預防和救援能力不足，監測預警能力較弱；防災減災宣傳教育普及不足等問題[12,29,31-32]。災害綜合監測預警系統建設還面臨以下問題：

(1)部門協調問題。綜合監測預警涉及到水文、氣象、地質、林業、農業、海洋等多個領域，每個領域都有自己的技術語言，如何在他們之間建立有效溝通是一個關鍵[33]。目前不同災害的預警技術發展并不均衡，各學科、各部門之間溝通少，缺乏標準操作程序，增加了將多種災害系統連接在一起的難度[34]。

(2)不同災種時空尺度的差異性和級聯效應。不同的災害具有不同的時間尺度特征，比如發生最快的地震和最慢的干旱是最難預測的。現在災害帶來的級聯效應也越來越明顯[35]，風險本身就是一個不斷變化的過程，氣候變化、環境改變、快速城市化、人口流動性導致災害風險處于高度動態、復雜的狀態，這是一個不斷演變的持續過程，因此開展有效風險評估的任務同樣艱巨[14,34]。

(3)預警信息傳遞和響應能力。預警信息的傳遞面臨著延遲和失真的風險，向某些偏遠地區傳播就很困難，還需融合技術和非技術性手段，這是對通信系統的一項巨大挑戰。預警信息什么時候發布也是一個問題，對災害風險設置臨界閾值決定了預警信息的有效性，一旦預警信息發生誤報，便會造成公共資源的浪費，并且會降低公眾對后續預警信息的關注度，這些都對預警系統的建設提出了重大挑戰[33,36]。在響應能力上，如果缺乏災前準備，就算公眾接收到了預警信息，但是沒有可行的逃生路線或避難所，或者無法應對資源短缺，也不能發揮預警系統的真正作用[14]。

2 基于信息技術和應急業務深度融合的自然災害綜合預警系統建設模式

2.1 系統建設的關鍵要素

(1)以人為本的指導思想。傳統的預警系統是以危險為中心，是一種由專家驅動向公眾自上而下的線性模型，幾乎沒有受威脅目標人群的參與[37-38]。聯合國國際減災戰略強調，監測預警系統要想有效，就必須以人為中心。管理者應當了解目標人群對風險的感知水平，評估公眾的防范水平以及應對能力，考慮到人們的需求、當地知識和能力，根據公眾的需求和問題制定防范措施和策略[38]。

(2)有效的協調機制。監測預警系統并不是一個單純的技術系統，它整合了眾多減少災害風險的機構組織，如果沒有健全的協調機制，就無法建立有效的傳播網絡[37]。一個有效的預警系統應當包括負責災害管理的機構、交通運輸部門、公共安全部門、衛生健康部門、水利部門、農業農村部門、自然資源部門、住建部、生態環境部門等，然而當前部門管理者和研究者各自獨立工作，彼此沒有聯系，導致研究者和決策者在交流技術和警報信息之間往往存在脫節，導致在必要時不能發出警告[36,38-39]。在面臨跨學科的挑戰下，完善的協調機制能夠共享不同領域的相關知識，彌補科學和決策之間的差距，相互合作，確保發出準確一致的預警信息[15,40]。

(3)先進的監測和預警技術。監測預警技術作為系統的核心，需要可靠的科學技術的支撐。完善的監測預警技術需要協調不同災害的監測技術和預警服務，各部門互聯互通、數據共享、通信網絡實現互聯，才能開展有效監測預警[39]。先進的監測預警系統需要大量的技術支持，包含眾多監測傳感器、數據處理、分析、預測模型、風險評估、通信傳輸技術[41]。將技術和科學知識相整合，準確識別風險發布警告，避免不必要的公共資源浪費，傳統知識同樣不可忽略，它可以為技術和科學研究提供附加價值[36,40]。

(4)有效的信息傳播和溝通策略。科學研究成果不應該僅限于學術研究中，更應該與實踐相結合，要將研究結果轉變為通俗易懂的語言，及時、清晰、可靠地傳達給真正面臨風險的人，以采取必要的行動[40-41]。2005年卡特麗娜颶風就是一個很好的例子，在60 h之前颶風就已經被預測到了，但由于當局與受災民眾之間沒有建立有效溝通，造成巨大的災難損失[38]。在信息傳播過程中，一些弱勢群體很難通過互聯網或手機等傳播技術接收信息。因此需要制定多種傳播方式，保證所有受威脅人群都能成功接收信息[41]。同時還要考慮到自然災害作為一種物理情況，預警具有高度的不確定性，因此需要專家和決策者在整個過程中盡可能誠實和透明，建立公眾對預警信息的信任[36,38,41]。

(5)公眾的風險意識。缺乏必要的風險知識儲備，會導致目標人群難以理解專業警告的含義并低估風險，無法做出適當的應對措施，增加人群脆弱性[38]。公眾應當了解不同災害產生的威脅、它們的潛在影響、警告產生的危險級別以及需要采取的防范措施，才能在災害發生時迅速做出反應，選擇合適的逃生路線和自救措施，盡可能減少生命和財產的損失[40]。管理機構應當建立風險評估機制，在進行大量處理和分析數據的基礎上，考慮到城市化、農村土地使用變化、環境退化和氣候變化等過程，將社會、環境、經濟等因素納入考慮范圍，定期制作風險地圖并發布，指導防災減災工作[39]。

(6)快速響應能力。監測預警系統不僅是技術上的準確預警，其成功主要基于對風險的響應、接收信息并采取相應行動的能力，實施減輕災害風險的行動，有效備災是減少災害損失的關鍵[14]。目前大多數國家都有應急計劃，但這些計劃主要側重于災后響應和恢復，大多數防備措施都是臨時的、雜碎的，缺乏系統的組織和協調[42]。管理者需要根據公眾的意識和準備情況做好應對措施，制定有效的防災策略，確定應急場所、應急設施是否充足及其安全性、如何有效地轉移受影響人群、如何在疏散期間維持秩序和安全、及時提供足夠的資源、確保資源有效調度等，并定期舉行應急演習，增強社區和人群的應急響應能力[36]。

2.2 業務能力需求分析

根據我國自然災害防治的新形勢，借鑒國外自然災害防治研究的經驗，本文分析實施自然災害有效監測預警的關鍵要素，結合業務能力需求進行系統初步架構設計，提出基于信息技術和應急業務深度融合的綜合預警系統建設模式。圍繞氣象災害、水旱、地震、地質災害、森林草原火災、農業自然災害、海洋災害等自然災害，形成天空地人網一體化監測采集體系(圖1)。構建重大風險隱患全覆蓋的多層級自然災害監測預警體系，實現跨系統、跨層級、跨地域的自然災害監測和實時預報預警，提高風險早期識別、多災種綜合監測、預警預報和應急處置能力。

(1)風險分析能力。科學認識災害風險是自然災害防范的重要基礎。綜合運用空天地一體化的監測網絡，全方位跟蹤各種異常現象的發展過程和變化趨勢，充分利用現代科學模型和計算方法，對災害演變態勢進行全面、多維度分析。建立災害風險隱患數據庫，結合承災體的暴露性、脆弱性和易損性，定期開展風險評估與隱患排查，繪制風險區劃圖，研究確定重點防范區域，做好隱患地區的風險評估與防范。根據災害的成災機理和致災特征、孕災環境復雜性和承災體脆弱性，以人為本，科學制定風險防控措施和應急預案，合理規劃救援力量、救災物資和避難場所，全面提升風險分析能力。

(2)綜合決策能力。綜合決策是化解災害風險的關鍵環節，利用現代計算方法從各類災害實時監測數據中提取有用信息，充分發掘數據資源價值。深入研究風險分析模型和推演系統，協同研判災害演變態勢，科學制定應急決策。在有效的協調機制下不同部門機構和系統之間共享災害事故情報，實現各類災害風險隱患、預警信息、災害演變態勢以及應急處置等信息共享和協同作業，提升綜合研判會商和高效決策能力，有效開展應急工作。

(3)預警信息發布能力。預警發布是開展綜合監測預警的最終目的，完善應急通信網絡建設和信息發布手段，強化災害風險預警服務，充分利用各級突發事件預警信息發布系統，把災害預警信息快速及時發送到戶到人。提高預警信息發布的準確性、時效性和覆蓋范圍，消除預警發布盲區，建設多元化信息發布機制，切實解決預警發布“最后一公里”的問題。

(4)指揮調度能力。結合綜合風險分析、趨勢研判、歷史案例、應急力量分布、應急物資儲備等資源，制定風險防控方案，提高人員物資調配效率和資源利用水平。對災害趨勢及防控方案進行仿真模擬和推演，建立跨區域、跨部門、跨行業、跨系統的應急聯動機制，確保上下級聯系渠道暢通，實現指揮指令及時下達并實踐，提升指揮調度支撐能力。

(5)應急反應處置能力。快速應急的目的是在突發事件發生時能夠快速做出應急響應，由及時預警、迅速響應和高效處置等模塊組成，快速的應急反應能力是減輕災害損失、防范化解風險的關鍵步驟。完善應急通信網絡基礎設施建設，建立信息快速匯集傳輸機制，確保決策者與現場高效及時溝通，快速處置突發事件。同時還要通過宣傳培訓、學校教育、新聞媒體等手段提高公眾風險防范意識和自救互救能力，提高全社會應急反應能力。

2.3 系統架構設計

自然災害綜合監測預警系統的監測對象主要包括各類災害致災因子、孕災環境和承災載體，通過對三類數據的監測提供底層數據基礎，為災害風險識別、分析研判和預警、應急處置提供重要支撐。總體設計采用分層架構，自下而上分別是空天地一體化的感知網絡層、基礎設施層、數據服務層、業務支撐層、綜合應用層共5層架構體系，同時在建設過程中形成相關標準規范體系和保障體系，保障系統高效運行(圖2)。

(1)感知網絡層。通過衛星監測、傳感器網絡、航空遙感、地面監測站、視頻感知等手段，形成空天地人網一體化的綜合監測預警感知網絡，做到災害隱患點全方位無死角全覆蓋監測，為綜合監測預警系統業務應用實施提供基礎數據支撐。

(2)基礎設施層。基礎設施層作為平臺的支撐體系，通過通信設施、網絡傳輸、系統軟件、服務器、計算平臺、存儲設備為系統高效運作提供基礎支撐環境。

(3)數據服務層。建立自然災害統一數據庫，統一數據標準接口和規范，將各部門基礎數據、實時監測數據、承災體數據、歷史災害數據以及應急資源數據庫整合至一個平臺，統一進行數據存儲、治理和計算，實現數據統一匯聚和管理，通過數據服務層與各部門、各層級、各平臺實現數據交換與共享，充分挖掘數據價值。

圖1 一體化監測采集體系

圖2 系統總體架構圖

(4)業務支撐層。業務支撐層通過完善工程基礎設施，建立知識圖譜，研究應用基礎算法、應用模型、場景建模與可視化等現代信息技術，實現災害態勢情景推演，輔助決策，建立應急預案庫，為災害綜合監測預警業務提供技術支撐，保障各類業務應用活動的高效運轉。

(5)綜合應用層。綜合應用層是系統運行的核心部分，貫穿自然災害監測至應急響應全過程，涵蓋風險監測、預警發布、應急處置三類業務應用。通過空天地一體化的監測網絡實現對致災因子和隱患點的全方位實時監測，包含災害鏈和多災種的監測，實現災害風險點的快速空間定位，進行風險評估并展開災害趨勢預測；在風險評估結果的基礎上，開展災害態勢分析，會商研判，確定警報閾值，將預警信息報送至相關部門，充分利用各類發布渠道，實現預警信息精準全面發布，并實施相應的風險防控方案；管理人員依據預警信息等級快速啟動應急響應，實現分級響應，快速調度應急資源，充分實現各部門應急聯動，及時防范化解重大災害風險。

(6)標準規范和運行保障。建立統一的技術標準和業務規范，有效利用各類數據資源，統一數據格式和操作規范，規范預警流程，建立規范化的業務運行保障制度和合作機制。構建自然災害監測預警運行保障體系，實現災害監測預警綜合業務應用體系的安全防護和運維管理，指導自然災害綜合監測預警體系高效運轉。

3 系統建設面臨挑戰

自然災害綜合監測預警系統建設是提高自然災害防治能力的重要舉措，面對復雜的災害形勢，我國目前的災害綜合監測預警工作正處在發展階段，還面臨著很多挑戰。

(1)災害的復雜性。由于災害的復雜性，災害群和災害鏈群發效應愈發明顯，多災種的風險研究也是重中之重，目前對多災種和災害鏈的研究基礎還較為薄弱，需要對成災機理以及多災種之間的耦合關系開展深入研究。

(2)數據統一匯聚和管理。近年來，隨著衛星遙感、紅外感應、視頻監測、傳感器等監測感知手段的多元化，數據格式和數據接口存在多樣性，將多部門數據統一匯聚具有一定挑戰性。因此需要多部門各行業共同參與，制定行業標準，統一數據規范格式以及數據接口，便于數據能夠及時傳輸處理。同時還應打破各行業之間的壁壘，加強跨行業交流，實現不同行業之間數據互聯互通。與此同時，龐大的數據量也對數據的安全保障提出了挑戰。

(3)預警的時效性。由于某些災害的突發性、難預測的特點，預警的時效性同樣面臨挑戰，需要做到快速準確評估風險并第一時間發送到人。預警的時效性需要監測設備、傳輸網絡、通信鏈路、系統軟件、管理部門積極配合。完善應急通信網，建設應急通信專網，確保通信鏈路暢通，明確任務范疇，積極運用各類傳播手段，擴展發布渠道，擴大預警信息覆蓋面，建立統一預警標準，保障在短時間內將預警信息及時準確傳播。

4 結語

目前，自然災害的突發性、異常性和復雜性有所增加，我國面臨的自然災害形勢仍然復雜嚴峻。強化災害風險防范、完善信息共享機制、提高科技支撐水平，綜合運用各類資源和多種手段，推動自然災害綜合監測預警系統建設，有助于全面提升我國綜合防災減災水平。自然災害綜合監測預警系統的建立是對自然災害監測預警信息化工程建設的探索和實踐，通過分層架構設計，為解決多部門協作、數據共享、多災種綜合監測等難題提供基礎支撐，將信息化手段與風險監測、預警發布、應急處置三個階段相結合實現有效預防災害風險，補齊全過程災前預防體系建設短板，提高防范化解重大災害風險的能力，有效降低救災成本，推動綜合防災減災工程的建設。本文在當前“大安全”“大應急”的背景下結合自然災害防治新體系展開綜合監測預警系統架構研究，結合災害發生伴隨著空間上聚集、時間上伴隨的特點，同時災害預防貫穿風險識別、預警、應急響應等環節，因此聯合多部門、多行業積極協同參與必不可少。系統旨在面向應急管理人員、決策者、管理者等用戶層面，將現代信息技術和監測預警業務有機結合，做好風險識別、風險評價以及風險治理等工作，完善預警信息傳播和應急響應機制，減少潛在危險和災害損失。自然災害綜合監測預警系統建設是一項將技術、業務與管理深度融合的工程，目前處于剛起步的階段，還面臨著很多難點，還需要開展更深入研究，將災害風險科學、監測預警技術和應急管理實踐相結合，全面提升綜合防災減災工程建設的效率和科學性。