基于北斗卫星导航系统的野外地质调查应急救援系统的设计与实现*

农肖肖

(新疆地矿测绘院，新疆 乌鲁木齐 830017)

基于北斗卫星导航系统的野外地质调查应急救援系统的设计与实现*

农肖肖

(新疆地矿测绘院，新疆 乌鲁木齐 830017)

中国西部地域广大，野外地质调查环境恶劣，极容易发生人员迷失、车辆故障等险情，基于北斗卫星通信导航技术、地理信息技术开发新疆地矿局应急救援管理系统，并建立一级应急指挥中心及二级应急指挥中心，根据野外地质调查的特点，结合野外项目范围，实现野外地质调查人员实时跟踪定位，从无法通讯到实时交流的质变，加强野外地质调查工作应急处理能力，提高中国在野外应急救援当中的保障水平，最大化地保障地质人员的人身安全。

北斗卫星导航；地理信息系统；野外应急救援系统

0 引言

我国西部地区是我国自然资源富集地区，尤其是矿产及油气资源在我国名列前茅，其产出为支持我国经济发展和提高人民生活水平作出了重要贡献。随着国家资源勘探快速发展，野外地质调查人员的工作区域往往要深入高山、峡谷，密林、广袤的沙漠，险象丛生的沼泽，工作环境十分艰险。但是由于西部多数地区人烟稀少，交通不便，通讯联络困难，一旦调查人员遇险，救援人员往往难以准确掌握调查人员遇险的地点，造成救援工作不够及时，使地质调查人员遭受很大伤害。地质调查行业传统的监管模式已不适应日益艰巨的安全生产任务需要[1]。近年随着计算机技术和信息网络技术的发展，特别是北斗卫星导航系统的建设，利用其集定位、授时、短报文通信及用户监测于一体的显著特点[2]，结合GIS技术，为建立基于卫星系统的艰险地区地质调查应急救援系统研发和部署提供了必要条件。

1 关键技术

1.1 北斗卫星导航技术

北斗卫星导航系统为中国具有自主知识产权的导航系统，安全性高，具有高强度加密设计。既有导航定位功能，又有简报文通信功能，并且具有中心控制有源定位和开放式无源定位相结合的定位方式功能，不需再建通信链路，不需租用卫星信道[3]。个人、车辆、船舶等用户配备北斗卫星导航系统终端后，采用单收双发或双收单发两种工作方式，可实时确定自己的位置、实现路径规划、获取系统标准时间，较适合国民经济各部门、各领域应用，特别是中国广大西部地区、沙漠、草原、山区和海域等常规通信信号没有覆盖地区的报文通信和数据监测服务。北斗卫星导航系统覆盖范围广，可以覆盖中国本土及周边国家和地区，作为独立自主的卫星导航系统，已在中国国防建设、森林防火、抗震救灾、海洋渔业等行业发挥了重要作用。

1.2 组件式GIS开发技术

GIS即是综合性的技术方法，也是研究城市安全运行的实体与工具，它能够充分采集分析各种数据属性，可以在安全管理过程中提供重要的空间分析与辅助决策服务[4]。系统指挥中心监控平台的GIS功能开发采用组件式GIS开发技术。GIS组件嵌入在通用的开发环境中，嵌入组件式对象模型实现GIS功能，利用开发语言直接编程或是插入其它专业性控件实现专业应用功能，使得不同部分在同一环境下实现无缝、高效的集成[5]。系统开发采用ESRI公司的ArcGIS Engine开发组件，支持跨平台和多种编程语言的开发，在Windows下支持C++，Java，VB，Delphi和.NET等，在UNIX和LINUX下支持C++，Java，可以选择多种开发方式[6]。

2 系统设计

系统的目的是设计一个基于北斗卫星的野外应急救援管理系统，并部署在新疆地矿局及其下属野外地质调查队伍，服务于野外地质调查人员的安全保障工作。建立现代化野外地质工作管理与服务模式，实现对地质调查野外一线人员、野外驻地、区域地调中心和野外工作站等多级野外地质调查管理服务和安全保障服务，通过网络和3S先进的技术体系框架，建立适合地质调查作业的多级静动态北斗组网技术，并研发多模野外地质调查实用的北斗通讯定位终端与数字地质调查系统平台绑定；通过卫星通信技术，将野外地质调查信息传输到监控中心，实现实时调度和遥控指挥。系统设计实现一级中心和二级区域中心分级控制功能。各二级中心独立运行；一级中心集中实现对所有二级中心的任务分配和调度管理，转发及处理野外地调人员的报告信息，并向相应人员发出控制和告警信息，管理中心信息服务器和地调相关业务信息，按照不同人员授权提供相应级别信息查询服务。

2.1 系统体系结构

2.1.1 系统网络拓扑

系统充分联合北斗导航定位系统、GSM/CDMA/3G移动通信网，及现有硬件设备，是北斗导航定位系统在指挥调度和应急救援管理方面又一大型应用，硬件网络拓扑图，如图1所示。

图1 系统网络拓扑图Fig.1 Network topological graphs of system

系统采用一级中心集中控制和二级中心分级控制相结合的结构：一级中心完成所有控制及信息处理功能，负责系统所有业务数据和通信数据的管理维护，作为定位信息和短信服务的接入服务平台，能够指挥所有北斗信息指挥终端，在一级中心配置负责管理全局数据的地图服务器与业务服务器及通信服务器；二级中心与一级中心控制权限不同，负责地矿局下属地质调查单位的业务数据与野外终端通信数据的管理维护，在二级中心同样配置地图数据服务器与业务服务器及通信服务器。一级中心通过北斗指挥机与北斗卫星建立通信链路，北斗卫星将通信信息及定位信息转发给二级中心进行通信，不需要建立另外的通信链路；野外地质调查人员通过卫星网络与一级中心进行数据交互，同时与二级中心实现数据交互。同时，监控中心将预警信息发送至相关人员的手机上，需要通过GSM/CDMA/3G网络进行通信。野外北斗终端与手机进行通信，是先通过北斗卫星网络，将通信信息传送至监控中心，再由监控中心通过GSM/CDMA/3G网络发送至手机。

2.1.2 系统硬件架构

系统硬件主要由通信网络、一级中心服务器、二级中心服务器、指挥中心北斗监控设备、多模北斗用户终端、手机组成。系统硬件架构图，如图2所示。通信网络由无线卫星通信网及GSM/CDMA移动通信网组成，负责信息的传输。服务器由地图服务器、业务数据库服务器、北斗信息数据库服务器、WEB服务器组成，负责信息的存储、交换、处理、发布。指挥中心北斗监控设备由北斗指挥机、北斗天线、监控PC机组成，负责接收与转发所有终端的定位信息与通信信息。用户终端集成GPS、“北斗二号”定位和短报文通信，是系统中重要的信息节点，既是信息源又是信息接收点。

图2 系统硬件架构图Fig.2 Hardware architecture of system

2.1.3 系统软件架构

系统以地理信息系统和新疆区域行政区划图、导航地图、遥感地图为支撑平台，对北斗定位信息、野外项目信息等建立动态关联，提供给用户多种信息表现形式，如实时交互的路线、位置坐标、预警信息、情况通报短信等；通过地理信息和定位信息结合能直观、更清晰地反映地质调查人员当前情况，便于中心及时掌握野外调查人员动态。系统逻辑架构，如图3所示。

图3 系统逻辑架构图Fig.3 Logic structure of system

数据库由基础地理信息数据库和业务信息数据库组成，采用了支持空间数据和非空间数据(属性数据)的Oracle 11g。空间地理信息数据库是在ArcGIS系列软件基础上进行基础地理信息数据库的建设，包括地理实体数据库、地名地址数据库、遥感影像数据库。其中，地理实体数据库包括境界类实体、政区类实体、道路实体、铁路实体、河流实体等。地名地址数据库包括政治、经济、文化中心的名称，道路、铁路、山脉等实体名称，门(楼)牌名称、标志物名称、自然地物名称等。遥感数据库包括新疆范围内15 m ETM遥感影像。平台用一个强大的地图界面，集矢量地图数据、卫星影像和业务数据层于一体，创造了现实世界的可视化，为野外应急救援提供了科学有力的地理判读依据。在业务数据库中包含北斗定位信息、北斗通信信息、GSM手机短信信息、野外项目信息(人员信息、装备信息、负责人信息、任务情况、出队收队时间)、告警信息、用户信息、终端信息等。

在应用中，系统具有指挥调度、空间数据维护、GSM短信收发、授权管理、业务信息维护、实时监控等应用。平台将野外地质调查人员的位置信息在影像地图及矢量地图上展现出来，使控制中心管理人员能非常直观的了解地质调查人员所处位置，当野外人员遇到险情时，及时报告监控中心，监控中心将查找离遇险终端最近的其它相邻终端，通知营救，同时通过GSM短信收发将情况汇报给相关负责人。系统应用将空间数据与业务数据相结合，当野外地质调查人员的位置在项目区域范围之外时，监控中心给予提醒，最大程度上避免发生野外迷路等险情，使野外地质调查人员提前做好防范工作。

系统最终用户包括一级总中心(地矿局安全生产管理处)用户、二级分中心(地矿局下属各地质调查单位安全生产管理科)用户、野外作业用户(野外地质调查人员)、系统维护人员(平台监控值班人员)。

系统软硬件体系中，服务器是整个系统的核心和基础。从系统的易用性、可维护性以及未来发展方向等方面考虑，在系统实现时采用了支持.NET技术的Windows server 2008。系统开发平台采用VisualStudio2010，GIS开发组件采用ArcGIS Engine，地理信息数据处理采用ArcGIS Desktop软件与ERDAS软件，数据库管理软件采用了Oracle 11g。在地理信息数据处理与建库时，按照国家地理实体与地名地址库相关规范进行建库，在系统平台建成后，也制定了相关平台使用规范，使得平台在制作与使用上质量得到了保证。

2.2 系统平台软件主要功能

系统的主要功能有实时监控功能、信息转发功能、历史回放功能、定位查询功能、野外项目管理功能、系统管理功能、用户管理功能。

2.2.1 实时监控功能

野外地质调查人员在进行地质调查过程中，通过多模手持终端与车载终端进行定位和通信，将信息通过“北斗二号”卫星发送到一级中心服务端，一级中心收集地矿局所有终端的定位信息和通信信息，在地矿局安全生产管理处监控中心系统平台地图上显示出终端相应位置和通信信息。二级中心数据则收集局下属地质单位野外终端的定位信息和通信信息，在本单位安全生产管理科监控平台上显示本单位野外终端的位置与信息。北斗手持终端显示当前最后一次定位的位置信息，车载终端显示当前运行的轨迹路线，车载以用户自定义时间间隔内自动定位。

2.2.2 一键报警功能

野外地质调查用户在遇到紧急情况时，按动手持终端上的一键报警按钮，终端按照规定协议通过北斗短报文系统发送求救信息，系统监控到用户告警讯息时，监控中心发出报警信号，系统检索导航信息数据库，获取用户最后一次定位信息，将用户位置信息及告警信息显示在地图上；监控中心通过GSM/CDMA/3G移动网络将告警信息发送到相关值班人员及负责人的手机上，值班人员搜索离遇险人员最近的其它终端的位置，通知终端持有人去遇险位置进行紧急救援。

2.2.3 历史回放和查询功能

历史回放功能部分根据用户给出目标名称及查询时间段，检索数据库，获取目标在时间段内所有点位信息，画出目标行进轨迹，同时调用地理信息系统，在其地图上显示出野外调查人员历史轨迹信息。监控中心业务信息数据库建立多种表，用于对实时定位数据和短报文信息、历史数据、调查人员属性信息进行分类存储。查询功能部分根据管理员给出的查询条件，检索数据库，获取相应信息返回。图表与地图建立联动机制，对于查询结果，任意选择结果行，可在地图上定位查询出终端在相应位置。

2.2.4 野外项目管理功能

野外项目管理功能将地矿局下属各单位的出队项目信息进行登记，包括项目编号、项目单位、项目名称、项目地点、出队时间、收队时间、负责人姓名、联系方式、人员数、车辆数、通信工具数、其中北斗终端数、安全保障措施、项目作业范围等信息，系统根据登记的项目作业范围信息将项目区域标绘在地图上，可定位查询野外项目的位置与详细信息，当野外终端位置超出项目作业范围时，值班人员会给终端发出警告，提醒野外作业人员注意可能发生的险情，注意避险。当发生险情时，可根据野外项目的信息，结合当前终端位置与项目配备的应急资源，综合判读，对野外作业人员的营救提供辅助决策。

2.2.5 用户管理功能

用户管理模块对所有用户信息进行整合、管理，建立终端用户、手机用户、平台监控人员及负责人的资料库，对各用户进行注册及编辑、查询等管理。同时对用户访问数据进行统计、优化，使用户能够高效的访问相应信息。按照制定的终端使用制度，各野外终端每天按规定时间对监控平台进行情况汇报，平台可对野外终端持有人的安全情况进行监督。同时平台对各野外终端使用情况进行统计，使局安管处决策者对各地质调查队的终端使用情况能够有宏观掌握，对各野外队的安全保障情况做全面了解。

2.3 系统多模手持终端

地质调查多模手持终端是新疆地矿局应急救援管理平台的关键设备，是野外地质调查人员与一级中心、二级中心连接的信息终端，既是信息的接收端，又是信息的发送端，配备于每一个野外地质调查人员。地质调查多模手持终端是一种集导航定位、卫星通信、移动通信、信息查询、信息处理等功能为一体的多功能手持设备。为野外地质调查人员获取实时位置信息、接收控制中心指令、发射求救信号获取帮助等提供数据终端。

地质调查多模手持终端的主要任务是接收视场内主要导航系统(包括GPS，北斗二号、北斗一号)卫星导航定位信号，通过北斗卫星导航系统短报文通讯功能向一级中心实时发送自己的位置信息，遇有紧急情况可按照规定协议使用卫星网络发送迷路、断水、断粮、遭遇泥石流、车祸、人员受伤等信息，为中心及时组织救援赢得时间。

2.3.1 多模手持终端功能

1)导航系统定位。使用我国北斗卫星导航系统，同时兼容GPS定位，保障定位可靠性。通过北斗卫星将定位信息传送到指挥中心监控台，由监控台接收显示。

2)短报文通讯。具有北斗卫星短报文通讯功能，在野外不具备地面电信网络通讯的地区使用北斗卫星与指挥中心建立通讯联系。

3)地图导航。具有在卫星遥感影像地图基础上的导航功能，并且具有基础地图功能，方便野外地质调查人员精确确定周围地形地貌，确定最佳行进路线。

2.3.2 多模手持终端技术指标

多模手持移动终端指标有：整机具备一定的防雨水、积雪、高低温和防腐蚀能力。集成北斗一代性能指标，开机捕获时间最少2 s；失锁重捕时间最少300 m；开机定位时间 小于1 min(热启动)；压力范围在300 mbar～1 100 mbar之间；平均功耗小于2.8 W；发射峰值功耗小于35 W：符合国军标GJB 151A—97 相关标准。环境指标：工作温度为-20℃～+55℃；存储温度为-40℃～+80℃；湿热温度为+45℃，相对湿度为95%；冲击为6 G/S。振动为0.1 G/(20～100) Hz；重量0.66 kg；屏幕为4寸；电池待机时最少为8 h(正常接收卫星信号而不进行入站申请的情况下)，且可更换；可在强光下工作。

3 系统功能实现

新疆地矿局应急救援管理平台自建成以来，为新疆地矿局的安全生产及应急救援提供了强有力的保障，分别成功实施了3次紧急救援活动，分别是由车辆陷入河中、人员受伤、汽车水箱破损致车辆故障等原因造成的，最大程度了减少了人员与财产的损失。系统整体界面如图4所示。系统以新疆区域遥感影像图与各地理实体要素矢量图为底图，地图上分布显示着野外项目的作业范围位置，当前正在出队作业的野外北斗车载终端位置，当前正在作业的野外北斗终端位置。为方便用户识别，终端旁边标有终端号码与终端所属单位的名称，选择图上任意终端，可显示终端的详细信息，如终端的持有人，终端所属单位，终端号码等信息。界面中信息栏显示当前所有终端所发送的信息、终端的定位信息、终端的历史定位记录等信息。为方便用户定位查询，信息记录表与地图联动，选择随意记录可定位到图上相应终端位置。左侧信息栏显示各野外项目的详细信息，包括有项目的人员配备、作业范围、项目的出队时间、项目任务等详细信息。当发生紧急情况时，值班人员根据所有信息进行综合分析，先在地图上定位到遇险人员的具体位置，然后查找附近正在作业的野外地质调查人员，通过系统平台联系到周围正在作业的地质调查人员，通知前去遇险人员位置进行救援，同时通过平台将信息逐级通知相关单位安全负责人与局安全负责人。

图4 平台系统运行界面Fig.4 Running interface of system

4 结论

项目基于中国2012年底建成并将正式投入运行的北斗二号卫星导航系统，该系统具有导航定位与通信一体化特点，相比国外卫星导航定位系统具有明显优势。尤其适合在不具备常规通信手段的地区，不需要额外租用卫星通信信道费用支出，且其是中国具有完全自主知识产权的系统，其可靠性和高保密性非常适合国民经济重要部门科学调查使用。项目建成后，可作为中国艰险地区尤其是广袤的西部地区地质调查的重要保障系统，将确立北斗系统在无常规通讯手段的艰险地区地质调查工作的应用模式，促进基于北斗技术的数字地质调查系统的改进和完善，实现野外地质调查人员无法通讯到实时交流的质变，加强野外地质调查工作应急处理能力，最大化地保障了地质人员的人身安全，大大提高野外地质调查实时管理与服务的能力，真正迈出北斗系统野外地质调查工作应用一大步。系统也可为旅游野外救援、交通事故救援、气象灾害救援等领域提供借鉴，提高相关部门应急救援水平，为中国北斗卫星的发展与城市安全体系的建设作贡献。

[1] 李小杰，叶成明，单建新，等.中国地质调查局安全生产管理平台方案探讨[J].中国安全生产科学技术，2009，5(3)：112-115.

[2] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献和挑战[J].测绘学报，2010，39(1)：1-6.

[3] 杨军，曹冲.我国北斗卫星导航系统应用需求及效益分析[J].武汉大学学报：信息科学版，2004，29(9)：775-778.

[4] 闫伟，秦小红，张玉军，等.浅析基于GIS的安全保障型城市建设[J].科技情报开发与经济，2013，23(8)：155-157.

[5] 诸云强，宫辉力，赵文吉，等.基于组件技术的地理信息系统二次开发——以地下水资源空间分析系统为例[J].地理与地理信息科学，2003，19(1)：16-19.

[6] 李红，沈冬，韩惠军.基于ArcEngine与Activex DLL技术开发空间数据管理系统[J].测绘与空间地理信息，2009，32(3)：60-62.

Application of BeiDou Satellite Navigation System in Emergency Rescue System of Field Geological Survey

NONG Xiao-xiao

(XinjiangInstituteofSurveyingandMappingofGeologyandMineralResources，UrumqiXinjiang830017，China)

The western regions in China cover a vast expanse of land，with a poor environment of field geological survey，so it is extremely easy to cause many accidents，such as working staff’s lost，vehicle breakdowns and other dangerous situations.This paper developed emergency rescue management system of Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources based on BeiDou Satellite Navigation System and GIS technology，and established primary and sencondary emergency command center.In the meanwhile，according to the characteristics of field geological survey and the field project range，we accomplished the real-time tracking of field geological survey staff as well as strengthened the emergency handling capacity of field geological survey work.Finally，we have achieved the transformation from no correspondences to real-time communication，and futher improved the level of protection in the field emergency rescue of our country to realize the maximum personal safety of geological staff.

BeiDou Satellite Navigation System；GIS；field emergency rescue system

2015-10-10

P 224.8； TP 183

A

1007-9394(2015)04-0007-04

农肖肖(1979～)，女，新疆乌鲁木齐人，硕士，工程师，现主要从事地理信息系统应用研究方面的工作。