应急物流领域导航定位技术研究

李亚平,吴海涛,侯汉平

(1.中国科学院光电研究院,卫星导航总体室,北京100094; 2.北京交通大学,物流研究院,北京 100044)

应急物流领域导航定位技术研究

李亚平1,吴海涛1,侯汉平2

(1.中国科学院光电研究院,卫星导航总体室,北京100094; 2.北京交通大学,物流研究院,北京 100044)

本文针对应急情境下的物流业务特点和存在问题,给出了应急物流的概念、特征、流程,调研了卫星导航技术在国家级应急业务系统和物流行业级信息化系统中的应用现状、室内定位技术在物流配送中心和应急救援现场的应用情况,总结出应急物流业务中的导航技术面临的问题和挑战,结合未来导航定位授时系统(PNT)的发展,提出导航定位的安全可信技术、连续可用技术、终端设备的小型化低功耗技术将是未来应急物流应用的关键突破口,这些技术的进步将会促进应急物流领域对导航定位更广泛的需求和更深入的应用。

应急物流;卫星导航;室内定位;可信导航;PNT系统

0 引 言

应急物流是指为应对严重自然灾害、突发性公共卫生事件、公共安全事件及军事冲突等突发事件而对物资、人员、资金的需求进行紧急保障的一种特殊物流活动。应急物流是一般物流的一个特例[1],具有突发性、需求随机性、即时性、非常规性等特点,典型的应急物流系统主要有以下几个环节:物资需求端物资需求预测、应急物流协调指挥中心指挥调度、物资供给端的物资供应、物流中心的选址规划、物流运输工具的路径规划、灾害现场的物资精准投送,各个环节间通过信息传递,最终实现“将应急物资精准配送到灾区需求者”的目的,具体流程如图1所示。

图1 应急物流业务流程

近年来,应急物流领域学者研究的热点主要集中于应急物资需求预测、应急网络建设、应急配送中心的选址、物流配送路径规划算法等几个方面[1-4],其核心思想是应急发生时,灾情的精确定位、应急物资配送全过程的实时定位跟踪与科学调配,将应急救援物资调度的各个环节都纳入信息系统的管控下,实现物流运输、仓储管理、配送活动的精细化与高效性。导航定位授时(PNT)技术[5]作为空间位置获取的基础,为应急物流从运输、仓储到投送的全程精细化管理提供了手段,根据应急物流业务流程,应急物流领域导航定位技术的应用场景包含了在途运输时的卫星导航定位(GNSS)与仓储内、灾害现场GNSS失效情境下的导航定位,因此,本文从卫星导航和室内定位两个方面分别进行分析。

1 应急物流领域卫星导航定位技术应用现状

应急物流是应急发生时特殊场景下的物流活动,兼具应急和物流两种属性,在应急领域,国际上基于GPS系统建设了三大“灾害管理系统”,利用卫星导航技术进行灾情定位、救援物资精确投送等,我国北斗导航系统在国家应急减灾领域也发挥了重大作用[6]。在物流行业,我国交通运输部于2011年颁布的《道路运输车辆卫星定位终端技术要求》成为行业标准,指导我国运输车辆上安装卫星导航定位系统(GPS/BDS)。目前,在我国应急领域和物流行业,实现业务化运行的国家级和行业级大型系统中,卫星导航技术均占据重要地位和作用。

1.1应急领域业务系统的卫星导航

本文调研了国家级和行业级三大典型应急业务系统,重点对其中卫星导航技术的作用和意义进行归纳。

1) 国家突发公共事件应急平台[7]

该平台是以国务院为中心、省级和部门为节点的国家应急平台体系——通过对应急突发事件的监测监控、预测预警、信息上报、辅助决策和指挥调度等,实现协同处置、合理应对,提高国家、省、市等应急业务部门的应急处置效率。应急平台建设过程中为应急物资、救援人员配备具有BD/GPS的定位导航终端,实现对应急资源的实时位置监控与指挥调度。

2) 北斗系统国家综合减灾与应急平台[8]

该平台由民政部减灾中心牵头建设,是北斗示范应用成果之一,平台充分利用北斗系统的定位、导航和短报文通信技术,实现以下几类重要功能以满足应急救援的快速响应需求:灾害发生时应急物资配送的最佳路径规划、信息采集上报、位置实时监控、运输车辆的自主导航、物资在线查询、可视化展示及资源调度管理等。

3) 国家地震应急指挥技术系统[9-11]

该信息系统是由国务院抗震救灾指挥部建设,为国务院领导和有关部门进行抗震救灾指挥提供信息支撑,建设内容包括应急指挥数据库和地震应急快速响应系统,系统为各级指挥人员提供地震应急信息、现场灾情、救援路线、指挥行动等信息服务。

综上,卫星导航技术在应急业务系统中,其应用模式为“与GIS、RS技术集成,形成位置信息、灾情信息的采集展示和应急指挥、辅助决策的能力”,是应急业务系统重要组成部分。

1.2物流行业业务系统的卫星导航技术应用

通过调研物流行业国家级和行业级两个典型的信息化业务系统,对其中的卫星导航技术应用进行总结。

1) 国家交通运输物流公共信息服务平台[12],交通运输部和国家发改委联合建设的以车联网为基础的物流公共信息服务平台,为全国物流运输车辆提供导航定位、路径规划、指挥调度、车货匹配等功能。

2) 中石油中物智能物流信息服务平台[13-14],该平台为中石油公司建设的行业信息化服务平台,主要内容为通过以北斗为代表的卫星导航高精度定位技术实现货物运输全流程的可视化精准管理,打通原材料、货物自销售、运输、配送至售后服务于一体的供应链全过程管理服务。

综上,我国目前建设的国家应急平台以及物流行业信息化平台,均涉及到应急物资的调度以及人员和车辆的路径规划,根据应急物流的业务流程可知,卫星导航在应急物资的实时位置跟踪、指挥调度和物流精准配送等环节都具有重要地位和作用。

2 应急物流领域室内定位技术应用现状

由于卫星导航技术存在一定局限,近年来各类新的应用于室内的导航定位技术不断被挖掘,包括红外线、超声波、无线局域网(WIFI)、蓝牙、ZigBee、RFID、地磁等。各类定位技术因具有不同特点而适用于不同的应用场景,具体分析如下表1所示。

应急物流领域不同业务环节定位环境不同,对导航定位技术要求不同,下面分别对物流配送中心和应急救援现场两个场景进行分析。

2.1物流配送中心的室内定位技术应用

物流配送中心实质就是从供应方集货,并进行包装、加工、搬运和组织,并进行配送、供应服务的货物流通据点[15],对物流配送中心内部货物实现实时定位是进行后台管理调度的前提,也是提高各种物流作业效率的有效手段。而最适合于物流配送中心的复杂环境、定位精度及成本要求的室内定位技术是RFID 技术,因此,其在仓储物流管理等方面得到广泛应用。在军事应急物流领域[16],一些大型、特大型军需仓库中应用 RFID 室内定位技术,提高物资出入库效率,减少库管员的工作量。

表1 常见室内定位应用场景及典型系统

2.2应急救援现场的室内定位技术应用

在救援现场,指挥人员需要对救灾人员的位置进行实时监控、根据现场情况进行救援预案的制定、对救援人员及现场受灾人员进行指挥调度和对救灾物资的精准投送、去向追踪进行实时掌握。通常发生灾害时,现场电力设施、移动基站等基础设施损毁,当救援人员进入灾害现场时,没有精确定位的技术手段,不能准确有效的实施救援物资的投放、搜索救援。UWB定位技术具有定位精度高、部署快捷、兼顾通信的功能,适合于救援现场的应急定位[17]。

综上:室内定位技术在物流配送中心和救援现场作用突出,需求迫切,但相关的应用案例较少,没有得到更有效的普及和推广。

2.3应急物流中导航技术应用问题分析

虽然导航定位技术在应急物流领域发挥重要作用,但是依然存在一定难题,制约了应急物流精细化管理的效率,总结以下几点:

1) 救灾物资的精细化管理需要定位信息的全程连续可用

应急救援中的精准快速投送,要求对于应急物资的储藏、调配、分发过程进行详细的跟踪,但应急物资来源广泛、放置地点环境多样、分发过程快速高效,因此,对于导航技术的要求是定位信息全程连续可用,针对室内、室外、复杂环境等各类场景下，导航定位设备需要全程连续可用。

2) 救灾物资的在途运输需要导航定位信息的安全可靠

应急发生时,第一时间准确的将所需物资送达受灾群众手里,对于减轻突发事件的负面效应,保护群众的生命财产安全是至关重要的,而此时如果导航信息本身受到攻击,甚至是欺骗,将会产生致命的后果。因此,越是在紧急情况下,越需要所使用的导航信息的准确性和可靠性得到保障,导航信息需要安全可靠。

3) 灾害现场的应急指挥需要导航设备部署快速便捷、即到即定

灾害现场,需要导航定位技术具有很强的时效性而且信息能够快速回传,但实际灾害发生时地面的基础设施极易遭到破坏,且平时用以传输信息的基站易于损毁,此时,对于导航设备的要求是:能够快速适应复杂的环境条件、设备携带方便、部署灵活方便、节能环保,能够独立运行,快速定位、定位通信一体化。

3 应急物流领域导航技术应用新趋势

导航领域专家提出了可信导航技术[18]和综合导航、定位、授时(PNT)技术[19-20],未来能够影响应急物流领域的导航技术包括:1) 可信导航技术,为了解决应急物流中导航安全可靠,专家提出的可信导航和导航信息可追溯技术,认为利用卫星导航组合其他传感器,形成对导航信号全过程的安全认证,保证应急时的导航信息能够安全可用、信号可追溯。2) 随机信号导航[21]:随机信号大量存在,种类多,可以保证信号的可用性,应急物流领域,尤其是灾害发生现场,传统的导航信息遭到破坏,在现场搜索包括电台、临时基站等一切可以利用的信号,进行导航。3) 全源导航(ASPN)系统[22]:以惯性导航为基础,集成应用卫星导航、影像、磁场、重力等多类型传感器信息,实现导航定位功能。

综上,导航定位安全可信技术、连续可用技术、终端设备的小型化低功耗技术将是未来应急物流应用的关键突破口,随着这些新技术的发展,应急物流领域对导航定位的需求会更加广泛,应用会更加深入。

4 结束语

本文首先给出了应急物流的概念和内涵,通过充分调研应急领域、物流运输领域、仓储管理领域导航技术的应用现状,从卫星导航和室内定位两个方面分析了应急物流领域导航定位技术应用情况,给出目前应急物流领域的导航定位技术存在的挑战,通过分析未来导航定位技术的发展趋势,提出导航的安全可信、连续可靠、终端小型化等技术突破,能够扩大应急物流对导航技术的需求范围和应用领域,进一步促进应急物流管理的精细化和高效性。

[1] 黄金虎.应急物流系统若干关键技术的研究与实现[D]. 上海:上海交通大学, 2007.

[2] SHARIF M T, SALARI M. A GRASP algorithm for a humanitarian relief transportation problem[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2015(41):259-269.

[3] ALEM D, CLARK A, MORENO A. Stochastic network models for logistics planning in disaster relief[J]. European Journal of Operational Research, 2016, 255(1):187-206.

[4] 刘长石.震后应急物流系统中的定位-路径问题(LRP)模型与优化算法研究[D]. 成都：电子科技大学, 2016.

[5] 杨元喜.综合PNT体系及其关键技术[J].测绘学报,2016,45(5):505-510.

[6] 范一大,张宝军.中国北斗卫星导航系统减灾应用概述与展望[J].中国航天, 2010(2):7-9.

[7] 范维澄. 公共安全与应急管理技术[R].北京:清华大学公共安全研究中心,2015.

[8] 廖永丰.北斗系统在国家综合减灾业务中的应用[J]. 卫星应用, 2014(10):28-32.

[9] 曲国胜,赖俊彦,宁宝坤.卫星定位导航系统在地震应急救援中的应用[J].震灾防御技术, 2007,2(4):409-416.

[10] 帅向华,姜立新,刘钦,等.地震应急指挥技术系统设计与实现[J].测绘通报, 2009(7):38-41.

[11] 杨天青,帅向华.国家地震应急指挥技术系统建设中的关键技术及应用[J].震灾防御技术,2010(2):208-214.

[12] 官正旺. 国家交通运输物流公共信息平台互联及应用服务[EB/OL]. http://max.book118.com/html/2016/1121/64450957.shtm.

[13] 吴小军,周音彤. 智能物流借“智”北斗[EB/OL]. http://www.beidou.gov.cn/2016/07/15/20160715a63557b540c642bf89d17e127b05fbc5.html.

[14] 刘健,郑年波.物流运输智能感知与位置服务平台设计[J].卫星应用,2015(2):24-29.

[15] 阮陵,张翎,许越,等.室内定位:分类、方法与应用综述[J].地理信息世界, 2015(2):8-14.

[16] 罗艳平. 基于RFID技术的军事物流保障关键技术研究[D].重庆:重庆大学,2014

[17] 周千里.室内定位技术在公共安全领域的应用探讨和技术实践[J].中国人民公安大学学报(自然科学版),2010,16(2):76-82.

[18] LIU T, WU H T, LI D P.Traceability for PNT security service[C]//Proceedings of the 29th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+2016), Portland, Oregon, September 2016: 2236-2242.

[19] 张风国,欧明,刘钝,等.未来潜在PNT技术综述[J].全球定位系统,2015,40(6):27-34.

[20] 李冀.国外提升卫星信号在拒止环境下导航定位能力的新技术[J].导航定位学报, 2013,2(2):55-59.

[21] FISHER K A, RAQUET J F. Precision position, navigation, and timing without the global positioning system[J]. Air amp; Space Power Journal, 2011,25(2):24-33.

[22] 李冀.国外提升卫星信号在拒止环境下导航定位能力的新技术[J].导航定位学报, 2013,2(2):55-59.

NavigationandPositioningTechnologyinEmergencyLogistics

LIYaping1,WUHaitao1,HOUHanping2

(1.DepartmentofNavigationOverall,AcademyofOpto-electronicsChineseAcademyofSciencesDesign,Beijing100094,China; 2.AcademyofMaterialFlow(AMF)BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

According to the characteristics of the logistics business under emergency situation and the existing problems, The paper introduced the concept and characteristics of emergency logistics, business process, researched the application of satellite navigation technology in the field of China's national emergency and the logistics industry in large information systems and logistics distribution centers and the emergency rescue scene of the indoor positioning technology, analyzed the challenge of navigation technology in emergency logistics,Combined with the development of positioning, navigation and time (PNT), proposed that the key breakthrough in the future application of emergency logistics is the technology including navigation information’s security and trusted、continuously available and the terminal equipment miniaturization and low powered consumption. the progress of these technologies will promote the field of emergency logistics for navigation and positioning more extensive needs and more in-depth applications.

Emergency logistics; satellite navigation; indoor positioning; dependable navigation; PNT

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.016

TN965, U666

A

1008-9268(2017)05-0080-05

2017-07-06

国家重点研发计划(编号:B16B500010)

联系人: 李亚平 E-mail: lyp010@126.com

李亚平(1980-),女,高级工程师,主要从事导航应用研究工作。

吴海涛(1966-),男,研究员，博士生导师，主要从事高精度时间传递和卫星导航领域的研究与应用工作。

侯汉平(1962-)，男，教授，管理学博士，博士生导师，主要研究方向为综合物流工程理论和实践、应急物流资源整合与调度等。