劉 磊，劉 津，翟 永，邢緒超

(國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

國家應(yīng)急測繪保障能力建設(shè)項目(以下簡稱項目)按照國家關(guān)于突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)規(guī)劃要求[1]，以向黨中央、國務(wù)院、各應(yīng)急部門及應(yīng)急前線提供高效應(yīng)急測繪保障服務(wù)為目標(biāo)[2-9]，在統(tǒng)籌各部門現(xiàn)有應(yīng)急測繪資源的基礎(chǔ)上，重點加強建設(shè)能夠快速提升現(xiàn)場信息獲取、應(yīng)急前線保障、快速應(yīng)急服務(wù)、資源共享等方面能力的裝備，建設(shè)國家航空應(yīng)急測繪能力、國家應(yīng)急測繪保障分隊能力、國家應(yīng)急測繪中心能力和國家應(yīng)急測繪資源共享能力。為提升應(yīng)對各種突發(fā)事件的快速反應(yīng)能力、指揮調(diào)度能力[10-12]和防范處理能力，科學(xué)統(tǒng)籌使用上述四種裝備能力為代表的應(yīng)急測繪資源，提升應(yīng)急測繪效率，保障國家應(yīng)急測繪工作的有序開展[2]，避免“打亂仗”，項目將應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)作為國家應(yīng)急測繪中心能力建設(shè)的重要組成部分，按照軟件工程的要求進行了設(shè)計。

該系統(tǒng)設(shè)計遵循科學(xué)的應(yīng)急處理方法和現(xiàn)代化管理手段，充分利用現(xiàn)有資源，堅持平戰(zhàn)結(jié)合、共享共用的原則，依托廣域網(wǎng)絡(luò)，以空間地理信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用協(xié)同與共享模式，實現(xiàn)突發(fā)事件的信息采集、應(yīng)急值守、風(fēng)險隱患管理、指揮調(diào)度、數(shù)字化預(yù)案管理、應(yīng)急保障和信息發(fā)布等功能。系統(tǒng)主要部署在國家應(yīng)急測繪中心和5個遠程會商終端單位。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)應(yīng)急測繪工作實際需求，應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計采用7層體系架構(gòu)，包括基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、展示層、標(biāo)準規(guī)范體系和信息安全保障體系，如圖1所示。

基礎(chǔ)層主要包括支撐系統(tǒng)所需的應(yīng)急通信系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)，以及服務(wù)器、存儲備份等硬件設(shè)備；數(shù)據(jù)層主要包括基礎(chǔ)信息庫、事件信息庫、預(yù)案庫、知識庫、模型庫、案例庫和文檔庫等；應(yīng)用支撐層主要包括應(yīng)用中間件、地理信息系統(tǒng)、報表控件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、API接口服務(wù)、通信接口服務(wù)、數(shù)據(jù)交換服務(wù)和數(shù)據(jù)解析服務(wù)等；業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括應(yīng)急值守系統(tǒng)、風(fēng)險隱患管理系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)、應(yīng)急保障系統(tǒng)和數(shù)字化預(yù)案管理系統(tǒng)；展示層主要包括指揮調(diào)度與成果的可視化大屏展示、協(xié)同標(biāo)繪和值守客戶端。

標(biāo)準規(guī)范體系作為應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，具有指導(dǎo)和規(guī)范作用；信息安全保障體系在各層面為應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)提供機密性、完整性、可用性和可鑒別性等安全服務(wù)。

1.2 總體流程設(shè)計

系統(tǒng)按照應(yīng)急測繪調(diào)度機制設(shè)計總體業(yè)務(wù)流程。應(yīng)急事件初始信息錄入階段，在錄入事件名稱、事件類型、事件等級、事件經(jīng)緯度、影響范圍等的基礎(chǔ)上，根據(jù)錄入事件等級與歷史數(shù)據(jù)情況，系統(tǒng)進行智能化的預(yù)案匹配，供應(yīng)急測繪調(diào)度人員選擇最優(yōu)的預(yù)案并予以啟動。應(yīng)急測繪工作啟動后，根據(jù)預(yù)案執(zhí)行步驟，對應(yīng)急事件的相關(guān)任務(wù)進行調(diào)整，選擇任務(wù)所需要的裝備資源，形成最終可執(zhí)行的優(yōu)化方案。根據(jù)生成的優(yōu)化方案，對任務(wù)指令進行下達并進行跟蹤，對其返回的成果進行可視化展示與分析。在此基礎(chǔ)上，將可發(fā)布的成果數(shù)據(jù)推送給應(yīng)急測繪快速服務(wù)系統(tǒng)進行發(fā)布。應(yīng)急測繪任務(wù)完成后結(jié)束預(yù)案，完成本次調(diào)度。

1.3 接口設(shè)計

應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)與地理信息公眾服務(wù)平臺天地圖網(wǎng)站、快速處理、應(yīng)急數(shù)據(jù)資源共享服務(wù)、無人機航空應(yīng)急測繪[13-14]和應(yīng)急勘測多功能工作方艙等系統(tǒng)之間存在數(shù)據(jù)流和控制流接口。各系統(tǒng)接口之間的控制流主要包括應(yīng)急測繪調(diào)度指令、查詢指令、成果請求指令等。各系統(tǒng)接口之間的數(shù)據(jù)流主要包括其他系統(tǒng)發(fā)送給應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)的位置數(shù)據(jù)、災(zāi)害現(xiàn)場圖片數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及處理完成的成果數(shù)據(jù)等，如圖2所示。

1.4 系統(tǒng)功能設(shè)計

1.4.1 應(yīng)急值守

應(yīng)急值守子系統(tǒng)以應(yīng)急事件為核心，建立信息報告制度，實現(xiàn)值守事件的記錄、接收、管理，完成值守事件信息的加工合并、信息發(fā)送、事件歸檔、狀態(tài)監(jiān)控等功能。通過建立應(yīng)急信息收集渠道，滿足信息接收、記錄和上報要求，完成常態(tài)下的應(yīng)急管理相關(guān)工作和非常態(tài)下的事件信息報送。實現(xiàn)對值班加班、通信錄和材料的系統(tǒng)化管理，為應(yīng)急值班工作人員提供獲取、傳達突發(fā)事件相關(guān)信息和日常工作處理的渠道。

應(yīng)急值守系統(tǒng)主要由信息接收、值班管理、信息報送、信息加工、通信錄維護和材料管理等模塊組成。

1.4.2 風(fēng)險隱患管理

風(fēng)險隱患管理子系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)接入、隱患管理、風(fēng)險隱患分析等功能，實現(xiàn)國家應(yīng)急測繪中心、遠程終端的監(jiān)測信息與風(fēng)險分析結(jié)果匯集、信息抽取，以及其他合作部門應(yīng)急信息的收集整合，為事件處置提供依據(jù)，并據(jù)此進行風(fēng)險分析，對分析結(jié)果進行可視化展現(xiàn)。

風(fēng)險隱患管理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)接入、目標(biāo)管理等模塊組成。

1.4.3 指揮調(diào)度

指揮調(diào)度子系統(tǒng)輔助應(yīng)急調(diào)度人員有效部署應(yīng)急隊伍、應(yīng)急裝備等資源，及時將突發(fā)公共事件發(fā)生發(fā)展情況和應(yīng)急處置狀況傳遞給相關(guān)人員，實現(xiàn)協(xié)調(diào)指揮、有序調(diào)度和有效監(jiān)督，提高應(yīng)急效率。

指揮調(diào)度系統(tǒng)主要由傳真調(diào)度、短信通知、信息展示、預(yù)案啟動、事態(tài)標(biāo)繪、指揮協(xié)調(diào)、決策標(biāo)繪、應(yīng)急任務(wù)管理、救援物資調(diào)度、處置跟蹤和預(yù)案結(jié)束等模塊組成。

1.4.4 應(yīng)急保障

應(yīng)急保障子系統(tǒng)實現(xiàn)對測繪專業(yè)應(yīng)急單位、應(yīng)急隊伍、應(yīng)急專家、應(yīng)急裝備、交通運輸、通信保障等資源的動態(tài)管理，為應(yīng)急調(diào)度提供保障。

應(yīng)急保障系統(tǒng)主要由應(yīng)急單位(部門)信息管理、應(yīng)急隊伍信息管理、應(yīng)急專家信息管理、應(yīng)急物資保障、應(yīng)急搶救裝備保障、應(yīng)急物資信息查詢和應(yīng)急保障計劃等模塊組成。

1.4.5 數(shù)字化預(yù)案管理

將傳統(tǒng)基于文本的紙質(zhì)預(yù)案進行抽象，通過結(jié)合事件后果模擬分析、應(yīng)急資源管理等功能，解決傳統(tǒng)紙質(zhì)預(yù)案的存儲、管理、升級和使用不便等問題。根據(jù)文字應(yīng)急預(yù)案提取信息要素，包括預(yù)案4階段的任務(wù)(預(yù)防、準備、響應(yīng)、恢復(fù))及每項任務(wù)配備的資源，組成應(yīng)急指揮基本信息單元，將文本化的應(yīng)急預(yù)案轉(zhuǎn)變?yōu)槟K化、數(shù)字化的應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)。

數(shù)字化預(yù)案管理系統(tǒng)主要由預(yù)案編制、預(yù)案發(fā)布、預(yù)案修訂、預(yù)案查詢、預(yù)案分解、預(yù)案資源管理、預(yù)案關(guān)聯(lián)和預(yù)案演練等模塊組成。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于多通道多協(xié)議的數(shù)據(jù)通信與傳輸技術(shù)

為高效快捷將受災(zāi)點各類測繪裝備獲取的圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)，以及自身的位置數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息實時傳輸至國家應(yīng)急測繪中心，針對受災(zāi)點的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和通信環(huán)境，要求系統(tǒng)滿足中航時、短航時固定翼無人機，無人直升機及多功能方艙等不同種類的測繪裝備的使用特點，配備相適應(yīng)的一種或多種不同的通信方式。系統(tǒng)支持的通信方式主要包括衛(wèi)星多頻通信、北斗衛(wèi)星通信、4G無線與有線網(wǎng)絡(luò)通信等，要求傳輸層支持UDP/TCP協(xié)議，應(yīng)用層支持FTP協(xié)議。

系統(tǒng)設(shè)計針對應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性和緊急性的特點，設(shè)計了能夠自動適配衛(wèi)星多頻通信、北斗衛(wèi)星通信、4G無線與有線網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)框架，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時，不同的測繪裝備可以選擇不同的通信方式，即同一測繪裝備可以靈活選擇任何一種能夠支持且可及時獲取的通信方式。

下面以中航時固定翼無人機航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸為例進行說明：

(1) 中航時固定翼無人機可提供的數(shù)據(jù)主要包括位置數(shù)據(jù)、災(zāi)害現(xiàn)場圖片數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù), 其中位置數(shù)據(jù)包括無人機型號、經(jīng)緯度、高度及速度等信息。

(2) 中航時固定翼無人機的位置數(shù)據(jù)通過中星十號衛(wèi)星鏈路基于UDP協(xié)議進行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸格式為二進制，由應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)接收后在地圖上進行實時展示。

(3) 中航時固定翼無人機測繪完成后在地面站拼接生成災(zāi)害現(xiàn)場圖片數(shù)據(jù)(格式為JPG或TIFF)，通過4G或有線廣域網(wǎng)絡(luò)基于FTP協(xié)議發(fā)送到應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)，接收完成后在地圖上進行實時展示。

(4) 中航時固定翼無人機獲取的視頻數(shù)據(jù)通過中星十號衛(wèi)星鏈路基于UDP協(xié)議進行傳輸，視頻流遵從H.264標(biāo)準,由應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)進行視頻的接收和保存。

2.2 基于MPP架構(gòu)的分布式數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)

發(fā)生測繪應(yīng)急事件時，多架次無人機及多功能方艙會實時或準實時以秒級頻率傳輸應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)，當(dāng)災(zāi)害比較嚴重、覆蓋范圍較廣時，無人機、多功能方艙測繪的周期較長，因此會產(chǎn)生海量的應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)。為了便于對海量數(shù)據(jù)的長期保存和統(tǒng)計分析，并考慮未來5年應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)的存儲與分析節(jié)點擴展問題，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用了基于海量并行處理(massive parallel processing，MPP)架構(gòu)的分布式數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)[15]。

該數(shù)據(jù)庫在PostgreSQL基礎(chǔ)上擴展開發(fā)，主要由1個Master實例和2個或2個以上Segment實例組成。Master實例協(xié)調(diào)所有數(shù)據(jù)庫實例，管理分布式請求并且合并各Segment實例返回的結(jié)果?？蛻舳耸褂肞ostgreSQL規(guī)范與Master交互，每個Segment實例由數(shù)據(jù)庫服務(wù)端分配并管理相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲，采用獨立端口監(jiān)聽管理。

該數(shù)據(jù)庫可根據(jù)業(yè)務(wù)需要，在任何時間動態(tài)對節(jié)點進行擴展，并實時將數(shù)據(jù)Hash散列到不同的節(jié)點中，提高了存儲與分析效率。

2.3 基于UML模型化的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

隨著信息技術(shù)在測繪行業(yè)的廣泛應(yīng)用, 現(xiàn)代測繪呈現(xiàn)出測繪空間多維、指揮要素多元、數(shù)據(jù)信息多樣等顯著特點,導(dǎo)致指揮調(diào)度方案計劃制定的規(guī)模及復(fù)雜程度不斷提高。由于傳統(tǒng)的基于文本的指揮調(diào)度手段對各種測繪任務(wù)的描述不準確，易產(chǎn)生歧義，因此優(yōu)化創(chuàng)新指揮調(diào)度手段、切實提高指揮調(diào)度效率,成為本系統(tǒng)設(shè)計重點解決的問題。

本系統(tǒng)設(shè)計采用基于統(tǒng)一建模語言(unified modeling language，UML)模型化的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)[16]，在業(yè)務(wù)表達上包括任務(wù)分析、任務(wù)設(shè)計、任務(wù)執(zhí)行等環(huán)節(jié)，在技術(shù)表達上包括空間關(guān)系視圖、結(jié)構(gòu)視圖、時間關(guān)系視圖、活動視圖、數(shù)據(jù)實行視圖等。

空間關(guān)系視圖能夠描述測繪裝備活動要素的空間關(guān)系，如部署圖、決心圖、協(xié)同圖等。結(jié)構(gòu)視圖用于表達組成與分解關(guān)系。活動視圖用于描述測繪裝備活動要素的構(gòu)成、分解、流程、順序、依賴、同步、條件等關(guān)系，用于表達測繪裝備活動的內(nèi)在邏輯關(guān)系。時間關(guān)系視圖以圖示通過任務(wù)列表和時間刻度，表示不同階段任務(wù)的順序與持續(xù)時間。數(shù)據(jù)屬性視圖用于記錄測繪裝備活動要素的內(nèi)在的靜態(tài)、動態(tài)和評估等屬性。

3 結(jié) 語

本文通過分析應(yīng)急測繪調(diào)度的基本特點與實際需求，結(jié)合國家應(yīng)急規(guī)范和標(biāo)準體系建設(shè)指導(dǎo)意見，采用基于多通道多協(xié)議的數(shù)據(jù)通信與傳輸技術(shù)、基于MPP架構(gòu)的分布式數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和基于UML模型化的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，設(shè)計和開發(fā)了一套具有應(yīng)急調(diào)度方案制定、指令快速下達、測繪裝備動態(tài)調(diào)度與實時跟蹤、測繪任務(wù)進度監(jiān)控等功能的應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)，能夠滿足應(yīng)急測繪保障能力建設(shè)的需要。