基于時空智能服務的災害監測平臺

吳 雨，李 雪，陳 曦，李 勇

（四川九洲北斗導航與位置服務有限公司，四川 綿陽 621000）

災害監測平臺是實現監測預警智能化、應急管理智慧化的重要手段，聯合國減少地震災害風險辦公室（簡稱聯合國減災署，United Nations Office for Disaster Risk Reduction）在2009 年發布的減輕災害術語中建議早期預警系統應要具備能夠及時制取和準確傳遞各類有特殊警示價值信息數據的能力，以保證受到災害威脅的人員和機構能夠及時作出反應，從而減少災害導致的危險和損失。2019 年，聯合國全球減災署文件進一步地明確了災害自動預警監測系統的主要構成，建議其應包含災害預警、風險評估和應急預案等功能[1]。在實際建設中，普遍認為災害監測平臺的減少應貫穿災害發生事前、事中與事后全過程，而不應局限于監測本身[2]。由于災害發生具有空間尺度上相對聚集、時間維度上彼此伴隨發展的特點[2]，為保證監測預警可靠性和應急響應時效性，災害監測預警系統建設時必須圍繞承災載體、致災因子、孕災環境和社會化應急資源等獲取包括基礎時空數據、公共數據、物聯網實時感知數據、互聯網數據和業務專題數據等在內的時空大數據，進而能夠實現對各承災載體的實時多角度監測、數據實時匯聚、多方智能聯動響應、信息智能識別整合與綜合分析和災害數據管理等[3]。

本文在研究國內外災害監測預警系統、時空大數據平臺建設發展現狀和特點的基礎上，針對地質災害、橋梁及礦山等領域災害防治重點和業務能力需求，提出了基于時空智能服務的災害監測平臺系統架構，通過基于天空地井立體感知網絡、多網融合的通信網絡和基于北斗系統的時空智能服務引擎為各類災害的監測預警、應急響應應用提供支撐，旨在為我國災害綜合監測平臺建設提供借鑒。

1 國內外災害監測預警系統建設現狀

以美國、日本為代表的西方發達國家針對各類自然災害，結合自身國情建設了多元化、完善的監測預警系統。美國地質調查局打造了覆蓋全國范圍的“美國國家地震監測臺網系統（ANSS）”，該系統由密集城市臺網、區域臺網和骨干站點組成，通過建設超過7000 個地震傳感子系統，實現對全美易受地震影響區域的全覆蓋[4]；美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）通過建設天氣有線服務系統、家庭氣象服務系統和應急管理氣象信息網絡服務系統等平臺，利用衛星監測數據實現全天候不間斷實時氣候監測分析，及時提供有可能引發氣象災害的邊界氣象條件，及時預警龍卷風、颶風等極端氣候，并能針對森林火災、海洋溫度變化等災害提供變化監測[5]。日本由于其國家地理特性，特別突出注重突發自然災害的日常監測及預警預報工作，建立了比較完善高效的重大災害日常監測平臺和應急信息快速發布系統，提供針對破壞性地震、海嘯襲擊等重要自然災害的監測、預警功能[5]，日本氣象廳（JMA）設計了地震災害評估信息系統（DIS），用于地震災害的震前、震后評估并提供救援計劃和修復重建計劃制定功能[6]，該系統建設方結合實際系統實際運行情況不斷迭代優化子系統功能，以提高準確性、實用性，并通過提供網絡信息共享服務，面向普通民眾提供實時分析數據[7]；在氣象災害監測方面，日本建設部署了包括120 余個氣象觀測站，1300 個雨量觀測站的“氣象服務計算機系統”（COSMETS），用于數據采集和傳輸，該系統基于超算系統實現數據的融合處理分析，并提供天氣預報功能。

為逐步加強、優化和統籌國家應急能力，我國于2018 年組建了應急管理部，旨在推動建立中國特色應急管理體制，科技部于2016 年啟動“重大自然災害監測預警與防范”重點專項，旨在通過專項建設，重點圍繞各類重大自然災害的監測預警、風險防控和綜合應對處置，構建應急組織機制，建設信息化共享平臺[8]；成都理工大學基于3D WebGIS 技術開發了地質災害監測預警與決策支持系統，構建一套綜合管理平臺，綜合管理各類空間地理數據與屬性信息，集成海量地質災害數據，基于Virtual Earth 二次開發三維展示平臺，實現真實三維漫游等，“丹江口滑坡監測預警系統”同樣基于3D WebGIS 技術進行研發，實現了對滑坡的管理、監測數據集成、滑坡預報等功能[9]；河北省第一測繪院基于河北省地質情況、人類工程活動等因素，建設了河北省地質災害監測預警系統，基于人工智能、3S 等技術，實現了河北省地質災害可視化動態監測預警，有效提升了該省的地質災害預警能力[10]。

2 基于時空智能服務的災害監測平臺建設模式

2.1 業務需求分析

根據我國防災減災的新形勢、新要求，借鑒國內外災害監測預警平臺、時空大數據平臺的建設經驗，本文分析了對各類災害進行有效調查、監測、分析、預警和處置等關鍵要素，并結合具體業務需求進行系統設計，提出了基于北斗時空智能服務與智慧應急業務深度融合的災害監測平臺建設模式。圍繞地質災害、邊坡、礦山、橋梁和大壩等領域的災害類型，構建災害風險綜合感知體系、網絡融合通信體系、北斗時空數據智能服務體系和多災種綜合應用體系，旨在實現跨行業、跨領域的災害綜合監測、時空數據共享、智能分析預警和應急通信與指揮，提高應對各類災害的監測、分析、預警、發布和處置能力。

1）全域感知能力。全面、及時采集獲取承災載體關鍵演變數據，是對災害進行有效分析預警的基礎和前提，充分利用北斗、遙感、無人機與視頻監控等技術手段，通過衛星感知、航空感知和物聯網感知等途徑，構建天空地井全域覆蓋的立體感知網絡，實現對災害目標的實時的動態監測，為綜合分析災害風險提供數據源。

2）風險分析能力。分析評估承載體隱患的危險程度，是災害監測預警平臺最為核心和關鍵的功能，基于全域感知網絡獲取的多源監測數據，結合承載體本身的脆弱性、易損性等特性，基于大數據理論和人工智能算法，全面分析災害演變趨勢，評估災害發生的可能性，研究確定重點防范區域，合理設定預警閾值，全面提升風險分析能力。

3）應急通信能力。建設應急通信網絡，實現北斗二號/三號短報文通信、4G/有線互聯網、衛星通信網、IP電話網及無線圖傳專網等各類通信網絡間的互聯互通、融合通信，提高突發事件時數據傳輸的成功率和可靠性，為關鍵監測數據的傳輸和應急指揮調度提供“全天候、全地域、全過程”的通信網絡支撐。

4）服務共享能力。通過構建整合多源時空大數據的數據資源池和服務資源池，在切實確保用戶數據安全和數據資產產權歸屬清晰的前提下，推動實現跨區域、跨部門、跨行業及跨系統的數據、服務資源共享，避免重復投資和重復建設。

5）支撐保障能力。通過支撐保障體系建設和信息化安全保障工程建設，實現身份與密碼的統一管理，并提供資源權限同步服務，進一步提升網絡安全保障、數據和應用安全防護等級，為系統提供全方位保障，充分保障長期穩定運行。

6）綜合應用能力。建設“1 個統一北斗時空智能服務系統”和“N 個行業個性化應用系統”的智慧應急綜合應用架構，提供全方位安全管理應用服務、決策支持服務、專業應用研究服務和社會公眾信息服務，通過數據共享交換系統接入并整合自然資源、住建、林業、消防、地震、交通運輸、水利和氣象等部門數據，并與上下級平臺實現數據交換。

2.2 系統架構設計

基于時空智能服務的災害監測平臺所針對的主要監測對象包括各類承災載體、孕災的環境因素和其他致災因子，通過感知網絡采集獲取底層監測數據，通過通信網絡進行監測數據傳輸和應急通信指揮，通過北斗時空智能服務系統提供基于北斗時空大數據的各類基礎服務，通過安全監測應用系統針對特定行業、特定領域和特定監測對象提供定制化、個性化功能服務。系統采用分層架構進行設計，包括天空地井一體化的融合感知層、多網合一的融合通信層、北斗時空智能服務層和綜合應用層，同時通過相關標準規范體系和安全保障體系建設，保障系統平穩、可靠、穩定、高效且安全的運行（圖1）。

圖1 系統總體架構圖

融合感知層。智能化應用的數據來源，包括天基的遙感衛星、導航衛星和通信衛星等；空基的航空遙感、機載雷達和無人機遙感等；地基的定位終端、物聯感知終端和視頻圖像終端等；以及特別針對煤礦的井下專用感知設備，融合通信層。智能化應用涉及到5 類網絡，包括政務外網、衛星通信網、電信網、廣播電視網及互聯網。此外，針對部分應急數據傳輸和應急通信需求，提供基于北斗短報文的通信網絡支持。北斗時空智能服務層。綜合應用層。基于融合感知層提供的多源數據、融合通信層提供的網絡基礎設施和北斗時空智能服務層提供的智能服務引擎，針對特定應用需求，定制化建設監測應用系統，提供個性化應用服務。標準規范體系和運行保障體系。通過建立統一的技術流程和標準規范、統一數據格式和信息流程，提高各類數據資源的利用效率，通過建立規范、高效的業務運行保障機制和信息安全保障機制，實現災害監測平臺業務應用系統的安全、高效運轉。

2.3 北斗時空智能服務系統設計

北斗時空智能服務系統是基于時空智能服務的災害監測平臺建設的核心內容，旨在挖掘災害監測預警應用系統基礎需求的最大公約數，依托云中心，建設服務資源池、數據資源池和能力中臺，為上層應用系統提供基于北斗時空大數據的統一數據服務、接口服務、功能服務和知識服務，系統功能設計部分參考自然資源部智慧城市時空大數據平臺建設技術大綱[11]。本文重點闡述能力中臺設計思路。算法中臺基于云中心提供的計算、存儲及網絡等基礎資源和數據中臺提供的標準數據，通過沉淀專家經驗并引入人工智能算法，提供面向行業業務情景的模型設計、編排、調試、運行發布與可視化管理等能力。算法中臺實現智能調度、智能數據、規則引擎及算法中心等功能模塊。數據中臺對數據進行統一的采集、計算、存儲和加工，形成垂直數據中心、全域數據中心及萃取數據中心等大數據資產，并提供構建數據模型、數據資產管理、數據調用、數據監控、數據分析與數據可視化展現等多種服務內容，有助于數字化轉型企業托管數據，并為使用九洲云算力中心提供數據基礎，促進中小微企業數字化轉型進程。數據中臺功能包括數據接入、數據處理、數據資源池、數據管控、數據服務和數據共享交換等。業務中臺。業務中臺通過提煉地質災害、邊坡、橋梁、礦山及大壩等領域安全監測預警業務的共性需求，沉淀相對穩定的可共享的業務服務能力，支持快速多變的前臺業務需求的能力平臺，并提供可復用的業務服務。業務中臺主要提供能力包括專題應用分析引擎、預警分析引擎、救援指揮引擎、應急資源引擎、應急預案引擎、綜合研判引擎和安全監管引擎等。媒體中臺提供傳統的視頻監控服務，同時整合視頻會議、電話語音、即時通信（語音、文字和圖片）、集群通信、北斗短報文通信和衛星通信等多種通信接發方式的媒體資源，實現統一的媒體管理和媒體處理。

3 結束語

提升防災減災救災能力事關人民群眾生命財產安全和國家安全，面對嚴峻復雜的自然災害和安全生產形勢，綜合運用北斗系統、遙感、無人機、大數據、物聯網和人工智能等新一代信息技術，建設系統化、智能化和個性化的災害監測平臺，有助于全面提升我國綜合防災減災水平。

時空大數據具有位置、時間、屬性、尺度、多源異構及多維動態可視化等特性，是建設災害監測平臺的基礎和核心。基于時空智能服務的災害監測平臺的建設方案是對災害監測信息化的探索和實踐，針對災害發生伴隨著空間上聚集、時間上伴隨的特點，分析不同類型災害監測應用系統在基礎數據、基礎服務和業務流程上的共性需求，通過以北斗時空智能服務系統為核心的分層架構設計，為解決跨區域、跨部門、跨行業和跨系統的全域一體化大安全、大應急體系建設提供借鑒。

基于時空智能服務的災害監測平臺建設是一項跨學科、跨領域的綜合性系統工程，目前尚處于探索階段，需要繼續深入研究，將地理信息技術、互聯網技術、物聯網技術、融合通信技術與智慧應急等不同領域的實際需求相結合，全面提升智慧應急建設的有效性和科學性。