基于北斗的沙塵暴應急指揮系統設計

蘇宇通，曹三博

(1.中國地質大學(北京)，北京 100083；2.北京航空航天大學，北京 100191)

0 引言

沙塵暴是由強風卷起大量沙塵，造成短時間內能見度較低的一種自然災害，具有突發性和持續時間較短的特征。21世紀以來，隨著國民經濟的迅速增長，城鎮化率急劇提升，致使人口密度在世界廣大地區都有所增長，極端自然災害對人類生產生活帶來的破壞和經濟損失是不可估量的。2017年世界銀行與全球減災和恢復基金報告稱，自然災害每年造成經濟損失達5 200億美元，而同年中國廣東省的經濟總量為8.99萬億人民幣，自然災害造成的損失將近廣東省2017年GDP的40%，甚至超過了北京、上海全年的GDP。故而，在致力于災后經濟恢復與重建的同時，急需采取措施將自然災害造成的人員傷亡和財產損失降到最低。通過對近年來國內外沙塵暴災害的應急措施分析特點進行總結，可以看出，在很多災害處理的過程中，都缺少一個信息獲取及處理的中樞平臺。

1 北斗衛星導航系統促使實現應急處理平臺的搭建

北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)具有完全中國自主知識產權，具有安全、穩定、保密性強的特點，其系統3大功能分別為快速定位、精密授時及雙向通信。由于北斗自身具備導航通信一體化的功能，所以在地質工作、災害應急處置等方面具有較大的應用潛力。BDS的研發與應用在技術上為實現應急處理平臺的搭建提供了有力的技術支持與保障，快速定位功能可以快速確定受災人員位置以及信息，并且具有非常高的系統精度；其通信功能可以保證在受災后，常規通信手段失效時，仍然能精準、高效地將各個受災點的受災信息傳達到應急指揮中心，應急處理措施也能通過衛星傳達到每一個應急救災點。

本文設計的整個系統的總體目標是通過對受災區域災前后遙感數據的采集、大氣中沙粒動態監測數據匯總等，減少沙塵暴及其次生災害的危害，建立一套完整的應對方案，減少由于信息傳遞效率低甚至無法傳遞帶來的人員傷亡及經濟財產損失[1-3]。

2 系統分析

2.1 系統簡介

該系統包括北斗導航衛星與遙感衛星、地面應急指揮中心、臨時應急救災點及用戶4個部分。

(1)北斗導航衛星與遙感衛星是中國自行研制的全球衛星導航系統，也是繼GPS，GLONASS之后的第3個成熟的衛星導航系統，和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO一起作為聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。BDS可在全球范圍內全天候、全天時地為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經初步具備區域導航、定位和授時能力。BDS是全球四大衛星導航核心供應商之一，目前在軌衛星已達39顆。

(2)地面應急指揮中心是控制管理的中樞，分別接受來自遙感衛星、北斗衛星和臨時應急救災點的信息，對實時災情與受災人員進行綜合分析處理，形成現有資源下最佳的處理方案。

(3)臨時應急救災點負責現場實時調度，對現有救援人員、車輛等應急救災資源進行現場最大化利用，避免由于信息不對稱造成的資源浪費。

(4)用戶介紹分為救援人員和受災群眾。救援人員接收來自臨時應急救災點分析處理后的信息，前往受災地點對受災群眾進行即時救援；受災群眾可通過便攜式終端向臨時應急救災點報告自己所處的位置以及受災的具體狀況，以便救援人員開展救援。

2.2 系統工作模式

整個沙塵暴應急指揮系統主要由3個層級和一個北斗衛星系統終端、一個遙感衛星構成，最高指揮中心是地面應急指揮中心，第二級為臨時受災點的臨時應急救災點，第三級是用戶。系統架構和運行方式的設計構想如圖1所示。

圖1 系統架構和運行方式的設計構想

2.3 系統功能與應用

2.3.1 沙塵暴災前預警

地面應急指揮中心所屬的遙感部門利用國產遙感衛星監測沙塵暴多發地的空氣質量動態變化，包括識別沙塵分布。在沙塵濃度動態變化的基礎上，對其運動軌跡及影響面積建立一套自動評估機制，實現對基于以往的沙塵暴發生規律，針對不同地域特點和氣象特征，對該地域設定某一動態變化閾值，當該地空氣中沙粒的含量超過該閾值時，按不同的預警等級，地面應急指揮中心下轄的分析部門對可能發生的災情基于交通網絡暢通情況、醫療條件的保障能力、救災物資的完備程度做出合理的預案，聯絡部門對沙塵暴可能波及的地區通知有關部門做好臨時應急救災點的相關準備，利用“北斗+”手機應用程序對可能受災的人員做出預先通知。

2.3.2 沙塵暴災時指揮

當沙塵暴發生時，現有互聯網通信手段失去其功能，北斗衛星利用其特有的短報文雙向通信功能服務于救災系統。應急救災點在得到受災人員的受災報告之后，通過“北斗+”應用程序發出就近救災指令；在救援人員到達現場前，結合受災地區建筑損壞程度，對該地區受災程度做出判斷，指揮就近救援人員對受災人員進行現場救援，并根據受災人員的受傷狀況進行必要的急救處理。在救援過程中，救援人員如遇到超出其救援能力的現場狀況，通過“北斗+”應用程序，及時反饋給應急救災點，以調配其他救援人員及時支援。

2.3.3 沙塵暴災后復盤

在“北斗+”應用程序建立對救援指令的“接收+報告”機制，每發出一條指令都要及時做出實際情況的報告，并生成記錄。在沙塵暴救災結束后，利用“北斗+”應用程序對整個救援過程進行復盤。對救援過程中存在的各種問題，諸如，未能及時接收救援指令、未能及時對救援指令進行執行，或在執行中的某個環節出現信息錯誤等。對“北斗+”應用程序可能存在的不足進行修復，完善相關功能，在以后的救援過程中再出現類似情況可以得到準確、有效的處理方法。如果有未對救援指令做出回復，要查明沒有回復的原因和相關責任。

2.3.4 “北斗+”應用程序

“北斗+”是一款集定位、通信、分析于一體的應用程序，搭建起一個綜合獲取信息和發出指令的平臺，并實現多線程同時接收和發出指令，讓每一個救援單元和被救援單元基于現有救援能力和外界環境獲取適用于自身的最佳救援方案。

2.4 系統特點

(1)整個系統架構完善、分工鮮明，層級合理，極大提高了各個部門的工作效率，有效減少了因職責界線劃分不明確而造成的權責不統一的情況，防止由于信息不通暢造成的職權重疊和空白現象，使災情在發生后第一時間得到有效救援，最大限度地保障了受災群眾和救援人員的生命財產安全。

(2)本系統采用“北斗+APP”的形式，設計一款適配于整個應急救災體系，以手機代替傳統手機終端的應用程序，實現普及應用。在災后對整個應急處理流程進行復盤時，可以根據應用程序保存的記錄，對救援過程中存在問題的環節及時處理，對明顯不作為的個人進行追責。

(3)在維護國家秘密方面，BDS具有完全的中國自主知識產權，在沙塵暴災害應急救援中的應用，從源頭上防止了由于應用其他衛星系統，諸如，GPS等帶來的地理、地質等核心自然環境數據以及國防設施精確地理坐標的泄密風險，極大地保障了國家安全。

(4)BDS在同類的衛星系統(GPS與GLONASS)中，技術上具有明顯的優勢，可以向用戶提供不超過120字的雙向短報文功能，使受災人員不僅可以知道受災位置，還可以將受災位置實時傳輸出去，使救援人員對受災人員的路徑規劃和救援方案能在現有條件下獲得可操作的最優解，保障了信息及時上傳下達。

3 可行性分析

(1)技術層面：BDS將于2020年達到全球覆蓋，為災害救援提供可靠的導航、定位、通信、授時服務，北斗的定位精度達到10 m，測速精度0.2 m/s，為我國及周邊地區提供1 m的廣域差分精度，在精度上滿足救援工作的要求。BDS還可以保證長期、連續工作。

(2)管理層面：BDS是由我國多部門聯合組建的，由中國衛星導航管理辦公室負責，在建設之初就以高標準化、技術獨立化定位，運行管理科學，水平一流。

4 結語

北斗衛星網絡的搭建完成和應用，將對很多領域的傳統工作模式產生顛覆式的影響。將北斗信息傳輸機制的優越性應用到對傳統信息媒介產生很大干擾甚至完全破壞的沙塵暴領域，能最大化地彌補現有救援體系信息不通暢的不足，降低了救援成本、經濟損失和人員傷亡，形成了科學、高效的沙塵暴應急救災體系。與救援相匹配的應用程序的構想為北斗衛星網絡在國民生產生活中的成果轉換提出了一種平民化、通用化、便攜化的新思路，為如何將北斗技術推廣到更多的領域、服務于更廣泛的民眾提出了新方法。