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吴 雨，李 雪，陈 曦，李 勇
（四川九洲北斗导航与位置服务有限公司，四川 绵阳 621000）
灾害监测平台是实现监测预警智能化、应急管理智慧化的重要手段，联合国减少地震灾害风险办公室（简称联合国减灾署，United Nations Office for Disaster Risk Reduction）在2009 年发布的减轻灾害术语中建议早期预警系统应要具备能够及时制取和准确传递各类有特殊警示价值信息数据的能力，以保证受到灾害威胁的人员和机构能够及时作出反应，从而减少灾害导致的危险和损失。2019 年，联合国全球减灾署文件进一步地明确了灾害自动预警监测系统的主要构成，建议其应包含灾害预警、风险评估和应急预案等功能[1]。在实际建设中，普遍认为灾害监测平台的减少应贯穿灾害发生事前、事中与事后全过程，而不应局限于监测本身[2]。由于灾害发生具有空间尺度上相对聚集、时间维度上彼此伴随发展的特点[2]，为保证监测预警可靠性和应急响应时效性，灾害监测预警系统建设时必须围绕承灾载体、致灾因子、孕灾环境和社会化应急资源等获取包括基础时空数据、公共数据、物联网实时感知数据、互联网数据和业务专题数据等在内的时空大数据，进而能够实现对各承灾载体的实时多角度监测、数据实时汇聚、多方智能联动响应、信息智能识别整合与综合分析和灾害数据管理等[3]。
本文在研究国内外灾害监测预警系统、时空大数据平台建设发展现状和特点的基础上，针对地质灾害、桥梁及矿山等领域灾害防治重点和业务能力需求，提出了基于时空智能服务的灾害监测平台系统架构，通过基于天空地井立体感知网络、多网融合的通信网络和基于北斗系统的时空智能服务引擎为各类灾害的监测预警、应急响应应用提供支撑，旨在为我国灾害综合监测平台建设提供借鉴。
以美国、日本为代表的西方发达国家针对各类自然灾害，结合自身国情建设了多元化、完善的监测预警系统。美国地质调查局打造了覆盖全国范围的“美国国家地震监测台网系统（ANSS）”，该系统由密集城市台网、区域台网和骨干站点组成，通过建设超过7000 个地震传感子系统，实现对全美易受地震影响区域的全覆盖[4]；
美国国家海洋和大气管理局（NOAA）通过建设天气有线服务系统、家庭气象服务系统和应急管理气象信息网络服务系统等平台，利用卫星监测数据实现全天候不间断实时气候监测分析，及时提供有可能引发气象灾害的边界气象条件，及时预警龙卷风、飓风等极端气候，并能针对森林火灾、海洋温度变化等灾害提供变化监测[5]。日本由于其国家地理特性，特别突出注重突发自然灾害的日常监测及预警预报工作，建立了比较完善高效的重大灾害日常监测平台和应急信息快速发布系统，提供针对破坏性地震、海啸袭击等重要自然灾害的监测、预警功能[5]，日本气象厅（JMA）设计了地震灾害评估信息系统（DIS），用于地震灾害的震前、震后评估并提供救援计划和修复重建计划制定功能[6]，该系统建设方结合实际系统实际运行情况不断迭代优化子系统功能，以提高准确性、实用性，并通过提供网络信息共享服务，面向普通民众提供实时分析数据[7]；
在气象灾害监测方面，日本建设部署了包括120 余个气象观测站，1300 个雨量观测站的“气象服务计算机系统”（COSMETS），用于数据采集和传输，该系统基于超算系统实现数据的融合处理分析，并提供天气预报功能。
为逐步加强、优化和统筹国家应急能力，我国于2018 年组建了应急管理部，旨在推动建立中国特色应急管理体制，科技部于2016 年启动“重大自然灾害监测预警与防范”重点专项，旨在通过专项建设，重点围绕各类重大自然灾害的监测预警、风险防控和综合应对处置，构建应急组织机制，建设信息化共享平台[8]；
成都理工大学基于3D WebGIS 技术开发了地质灾害监测预警与决策支持系统，构建一套综合管理平台，综合管理各类空间地理数据与属性信息，集成海量地质灾害数据，基于Virtual Earth 二次开发三维展示平台，实现真实三维漫游等，“丹江口滑坡监测预警系统”同样基于3D WebGIS 技术进行研发，实现了对滑坡的管理、监测数据集成、滑坡预报等功能[9]；
河北省第一测绘院基于河北省地质情况、人类工程活动等因素，建设了河北省地质灾害监测预警系统，基于人工智能、3S 等技术，实现了河北省地质灾害可视化动态监测预警，有效提升了该省的地质灾害预警能力[10]。
2.1 业务需求分析
根据我国防灾减灾的新形势、新要求，借鉴国内外灾害监测预警平台、时空大数据平台的建设经验，本文分析了对各类灾害进行有效调查、监测、分析、预警和处置等关键要素，并结合具体业务需求进行系统设计，提出了基于北斗时空智能服务与智慧应急业务深度融合的灾害监测平台建设模式。围绕地质灾害、边坡、矿山、桥梁和大坝等领域的灾害类型，构建灾害风险综合感知体系、网络融合通信体系、北斗时空数据智能服务体系和多灾种综合应用体系，旨在实现跨行业、跨领域的灾害综合监测、时空数据共享、智能分析预警和应急通信与指挥，提高应对各类灾害的监测、分析、预警、发布和处置能力。
1）全域感知能力。全面、及时采集获取承灾载体关键演变数据，是对灾害进行有效分析预警的基础和前提，充分利用北斗、遥感、无人机与视频监控等技术手段，通过卫星感知、航空感知和物联网感知等途径，构建天空地井全域覆盖的立体感知网络，实现对灾害目标的实时的动态监测，为综合分析灾害风险提供数据源。
2）风险分析能力。分析评估承载体隐患的危险程度，是灾害监测预警平台最为核心和关键的功能，基于全域感知网络获取的多源监测数据，结合承载体本身的脆弱性、易损性等特性，基于大数据理论和人工智能算法，全面分析灾害演变趋势，评估灾害发生的可能性，研究确定重点防范区域，合理设定预警阈值，全面提升风险分析能力。
3）应急通信能力。建设应急通信网络，实现北斗二号/三号短报文通信、4G/有线互联网、卫星通信网、IP电话网及无线图传专网等各类通信网络间的互联互通、融合通信，提高突发事件时数据传输的成功率和可靠性，为关键监测数据的传输和应急指挥调度提供“全天候、全地域、全过程”的通信网络支撑。
4）服务共享能力。通过构建整合多源时空大数据的数据资源池和服务资源池，在切实确保用户数据安全和数据资产产权归属清晰的前提下，推动实现跨区域、跨部门、跨行业及跨系统的数据、服务资源共享，避免重复投资和重复建设。
5）支撑保障能力。通过支撑保障体系建设和信息化安全保障工程建设，实现身份与密码的统一管理，并提供资源权限同步服务，进一步提升网络安全保障、数据和应用安全防护等级，为系统提供全方位保障，充分保障长期稳定运行。
6）综合应用能力。建设“1 个统一北斗时空智能服务系统”和“N 个行业个性化应用系统”的智慧应急综合应用架构，提供全方位安全管理应用服务、决策支持服务、专业应用研究服务和社会公众信息服务，通过数据共享交换系统接入并整合自然资源、住建、林业、消防、地震、交通运输、水利和气象等部门数据，并与上下级平台实现数据交换。
2.2 系统架构设计
基于时空智能服务的灾害监测平台所针对的主要监测对象包括各类承灾载体、孕灾的环境因素和其他致灾因子，通过感知网络采集获取底层监测数据，通过通信网络进行监测数据传输和应急通信指挥，通过北斗时空智能服务系统提供基于北斗时空大数据的各类基础服务，通过安全监测应用系统针对特定行业、特定领域和特定监测对象提供定制化、个性化功能服务。系统采用分层架构进行设计，包括天空地井一体化的融合感知层、多网合一的融合通信层、北斗时空智能服务层和综合应用层，同时通过相关标准规范体系和安全保障体系建设，保障系统平稳、可靠、稳定、高效且安全的运行（图1）。
图1 系统总体架构图
融合感知层。智能化应用的数据来源，包括天基的遥感卫星、导航卫星和通信卫星等；
空基的航空遥感、机载雷达和无人机遥感等；
地基的定位终端、物联感知终端和视频图像终端等；
以及特别针对煤矿的井下专用感知设备，融合通信层。智能化应用涉及到5 类网络，包括政务外网、卫星通信网、电信网、广播电视网及互联网。此外，针对部分应急数据传输和应急通信需求，提供基于北斗短报文的通信网络支持。北斗时空智能服务层。综合应用层。基于融合感知层提供的多源数据、融合通信层提供的网络基础设施和北斗时空智能服务层提供的智能服务引擎，针对特定应用需求，定制化建设监测应用系统，提供个性化应用服务。标准规范体系和运行保障体系。通过建立统一的技术流程和标准规范、统一数据格式和信息流程，提高各类数据资源的利用效率，通过建立规范、高效的业务运行保障机制和信息安全保障机制，实现灾害监测平台业务应用系统的安全、高效运转。
2.3 北斗时空智能服务系统设计
北斗时空智能服务系统是基于时空智能服务的灾害监测平台建设的核心内容，旨在挖掘灾害监测预警应用系统基础需求的最大公约数，依托云中心，建设服务资源池、数据资源池和能力中台，为上层应用系统提供基于北斗时空大数据的统一数据服务、接口服务、功能服务和知识服务，系统功能设计部分参考自然资源部智慧城市时空大数据平台建设技术大纲[11]。本文重点阐述能力中台设计思路。算法中台基于云中心提供的计算、存储及网络等基础资源和数据中台提供的标准数据，通过沉淀专家经验并引入人工智能算法，提供面向行业业务情景的模型设计、编排、调试、运行发布与可视化管理等能力。算法中台实现智能调度、智能数据、规则引擎及算法中心等功能模块。数据中台对数据进行统一的采集、计算、存储和加工，形成垂直数据中心、全域数据中心及萃取数据中心等大数据资产，并提供构建数据模型、数据资产管理、数据调用、数据监控、数据分析与数据可视化展现等多种服务内容，有助于数字化转型企业托管数据，并为使用九洲云算力中心提供数据基础，促进中小微企业数字化转型进程。数据中台功能包括数据接入、数据处理、数据资源池、数据管控、数据服务和数据共享交换等。业务中台。业务中台通过提炼地质灾害、边坡、桥梁、矿山及大坝等领域安全监测预警业务的共性需求，沉淀相对稳定的可共享的业务服务能力，支持快速多变的前台业务需求的能力平台，并提供可复用的业务服务。业务中台主要提供能力包括专题应用分析引擎、预警分析引擎、救援指挥引擎、应急资源引擎、应急预案引擎、综合研判引擎和安全监管引擎等。媒体中台提供传统的视频监控服务，同时整合视频会议、电话语音、即时通信（语音、文字和图片）、集群通信、北斗短报文通信和卫星通信等多种通信接发方式的媒体资源，实现统一的媒体管理和媒体处理。
提升防灾减灾救灾能力事关人民群众生命财产安全和国家安全，面对严峻复杂的自然灾害和安全生产形势，综合运用北斗系统、遥感、无人机、大数据、物联网和人工智能等新一代信息技术，建设系统化、智能化和个性化的灾害监测平台，有助于全面提升我国综合防灾减灾水平。
时空大数据具有位置、时间、属性、尺度、多源异构及多维动态可视化等特性，是建设灾害监测平台的基础和核心。基于时空智能服务的灾害监测平台的建设方案是对灾害监测信息化的探索和实践，针对灾害发生伴随着空间上聚集、时间上伴随的特点，分析不同类型灾害监测应用系统在基础数据、基础服务和业务流程上的共性需求，通过以北斗时空智能服务系统为核心的分层架构设计，为解决跨区域、跨部门、跨行业和跨系统的全域一体化大安全、大应急体系建设提供借鉴。
基于时空智能服务的灾害监测平台建设是一项跨学科、跨领域的综合性系统工程，目前尚处于探索阶段，需要继续深入研究，将地理信息技术、互联网技术、物联网技术、融合通信技术与智慧应急等不同领域的实际需求相结合，全面提升智慧应急建设的有效性和科学性。
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