基于北斗的沙尘暴应急指挥系统设计

苏宇通，曹三博

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083；2.北京航空航天大学，北京 100191)

0 引言

沙尘暴是由强风卷起大量沙尘，造成短时间内能见度较低的一种自然灾害，具有突发性和持续时间较短的特征。21世纪以来，随着国民经济的迅速增长，城镇化率急剧提升，致使人口密度在世界广大地区都有所增长，极端自然灾害对人类生产生活带来的破坏和经济损失是不可估量的。2017年世界银行与全球减灾和恢复基金报告称，自然灾害每年造成经济损失达5 200亿美元，而同年中国广东省的经济总量为8.99万亿人民币，自然灾害造成的损失将近广东省2017年GDP的40%，甚至超过了北京、上海全年的GDP。故而，在致力于灾后经济恢复与重建的同时，急需采取措施将自然灾害造成的人员伤亡和财产损失降到最低。通过对近年来国内外沙尘暴灾害的应急措施分析特点进行总结，可以看出，在很多灾害处理的过程中，都缺少一个信息获取及处理的中枢平台。

1 北斗卫星导航系统促使实现应急处理平台的搭建

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)具有完全中国自主知识产权，具有安全、稳定、保密性强的特点，其系统3大功能分别为快速定位、精密授时及双向通信。由于北斗自身具备导航通信一体化的功能，所以在地质工作、灾害应急处置等方面具有较大的应用潜力。BDS的研发与应用在技术上为实现应急处理平台的搭建提供了有力的技术支持与保障，快速定位功能可以快速确定受灾人员位置以及信息，并且具有非常高的系统精度；其通信功能可以保证在受灾后，常规通信手段失效时，仍然能精准、高效地将各个受灾点的受灾信息传达到应急指挥中心，应急处理措施也能通过卫星传达到每一个应急救灾点。

本文设计的整个系统的总体目标是通过对受灾区域灾前后遥感数据的采集、大气中沙粒动态监测数据汇总等，减少沙尘暴及其次生灾害的危害，建立一套完整的应对方案，减少由于信息传递效率低甚至无法传递带来的人员伤亡及经济财产损失[1-3]。

2 系统分析

2.1 系统简介

该系统包括北斗导航卫星与遥感卫星、地面应急指挥中心、临时应急救灾点及用户4个部分。

(1)北斗导航卫星与遥感卫星是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS，GLONASS之后的第3个成熟的卫星导航系统，和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO一起作为联合国卫星导航委员会已认定的供应商。BDS可在全球范围内全天候、全天时地为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。BDS是全球四大卫星导航核心供应商之一，目前在轨卫星已达39颗。

(2)地面应急指挥中心是控制管理的中枢，分别接受来自遥感卫星、北斗卫星和临时应急救灾点的信息，对实时灾情与受灾人员进行综合分析处理，形成现有资源下最佳的处理方案。

(3)临时应急救灾点负责现场实时调度，对现有救援人员、车辆等应急救灾资源进行现场最大化利用，避免由于信息不对称造成的资源浪费。

(4)用户介绍分为救援人员和受灾群众。救援人员接收来自临时应急救灾点分析处理后的信息，前往受灾地点对受灾群众进行即时救援；受灾群众可通过便携式终端向临时应急救灾点报告自己所处的位置以及受灾的具体状况，以便救援人员开展救援。

2.2 系统工作模式

整个沙尘暴应急指挥系统主要由3个层级和一个北斗卫星系统终端、一个遥感卫星构成，最高指挥中心是地面应急指挥中心，第二级为临时受灾点的临时应急救灾点，第三级是用户。系统架构和运行方式的设计构想如图1所示。

图1 系统架构和运行方式的设计构想

2.3 系统功能与应用

2.3.1 沙尘暴灾前预警

地面应急指挥中心所属的遥感部门利用国产遥感卫星监测沙尘暴多发地的空气质量动态变化，包括识别沙尘分布。在沙尘浓度动态变化的基础上，对其运动轨迹及影响面积建立一套自动评估机制，实现对基于以往的沙尘暴发生规律，针对不同地域特点和气象特征，对该地域设定某一动态变化阈值，当该地空气中沙粒的含量超过该阈值时，按不同的预警等级，地面应急指挥中心下辖的分析部门对可能发生的灾情基于交通网络畅通情况、医疗条件的保障能力、救灾物资的完备程度做出合理的预案，联络部门对沙尘暴可能波及的地区通知有关部门做好临时应急救灾点的相关准备，利用“北斗+”手机应用程序对可能受灾的人员做出预先通知。

2.3.2 沙尘暴灾时指挥

当沙尘暴发生时，现有互联网通信手段失去其功能，北斗卫星利用其特有的短报文双向通信功能服务于救灾系统。应急救灾点在得到受灾人员的受灾报告之后，通过“北斗+”应用程序发出就近救灾指令；在救援人员到达现场前，结合受灾地区建筑损坏程度，对该地区受灾程度做出判断，指挥就近救援人员对受灾人员进行现场救援，并根据受灾人员的受伤状况进行必要的急救处理。在救援过程中，救援人员如遇到超出其救援能力的现场状况，通过“北斗+”应用程序，及时反馈给应急救灾点，以调配其他救援人员及时支援。

2.3.3 沙尘暴灾后复盘

在“北斗+”应用程序建立对救援指令的“接收+报告”机制，每发出一条指令都要及时做出实际情况的报告，并生成记录。在沙尘暴救灾结束后，利用“北斗+”应用程序对整个救援过程进行复盘。对救援过程中存在的各种问题，诸如，未能及时接收救援指令、未能及时对救援指令进行执行，或在执行中的某个环节出现信息错误等。对“北斗+”应用程序可能存在的不足进行修复，完善相关功能，在以后的救援过程中再出现类似情况可以得到准确、有效的处理方法。如果有未对救援指令做出回复，要查明没有回复的原因和相关责任。

2.3.4 “北斗+”应用程序

“北斗+”是一款集定位、通信、分析于一体的应用程序，搭建起一个综合获取信息和发出指令的平台，并实现多线程同时接收和发出指令，让每一个救援单元和被救援单元基于现有救援能力和外界环境获取适用于自身的最佳救援方案。

2.4 系统特点

(1)整个系统架构完善、分工鲜明，层级合理，极大提高了各个部门的工作效率，有效减少了因职责界线划分不明确而造成的权责不统一的情况，防止由于信息不通畅造成的职权重叠和空白现象，使灾情在发生后第一时间得到有效救援，最大限度地保障了受灾群众和救援人员的生命财产安全。

(2)本系统采用“北斗+APP”的形式，设计一款适配于整个应急救灾体系，以手机代替传统手机终端的应用程序，实现普及应用。在灾后对整个应急处理流程进行复盘时，可以根据应用程序保存的记录，对救援过程中存在问题的环节及时处理，对明显不作为的个人进行追责。

(3)在维护国家秘密方面，BDS具有完全的中国自主知识产权，在沙尘暴灾害应急救援中的应用，从源头上防止了由于应用其他卫星系统，诸如，GPS等带来的地理、地质等核心自然环境数据以及国防设施精确地理坐标的泄密风险，极大地保障了国家安全。

(4)BDS在同类的卫星系统(GPS与GLONASS)中，技术上具有明显的优势，可以向用户提供不超过120字的双向短报文功能，使受灾人员不仅可以知道受灾位置，还可以将受灾位置实时传输出去，使救援人员对受灾人员的路径规划和救援方案能在现有条件下获得可操作的最优解，保障了信息及时上传下达。

3 可行性分析

(1)技术层面：BDS将于2020年达到全球覆盖，为灾害救援提供可靠的导航、定位、通信、授时服务，北斗的定位精度达到10 m，测速精度0.2 m/s，为我国及周边地区提供1 m的广域差分精度，在精度上满足救援工作的要求。BDS还可以保证长期、连续工作。

(2)管理层面：BDS是由我国多部门联合组建的，由中国卫星导航管理办公室负责，在建设之初就以高标准化、技术独立化定位，运行管理科学，水平一流。

4 结语

北斗卫星网络的搭建完成和应用，将对很多领域的传统工作模式产生颠覆式的影响。将北斗信息传输机制的优越性应用到对传统信息媒介产生很大干扰甚至完全破坏的沙尘暴领域，能最大化地弥补现有救援体系信息不通畅的不足，降低了救援成本、经济损失和人员伤亡，形成了科学、高效的沙尘暴应急救灾体系。与救援相匹配的应用程序的构想为北斗卫星网络在国民生产生活中的成果转换提出了一种平民化、通用化、便携化的新思路，为如何将北斗技术推广到更多的领域、服务于更广泛的民众提出了新方法。