面向應急的星空地協(xié)同數據采集機制及實現

申順發(fā)，楊樹文，賈 鑫，張萌生

（蘭州交通大學 測繪與地理信息學院/地理國情監(jiān)測技術應用國家地方聯(lián)合工程研究中心/甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室，蘭州 730070）

0 引言

隨著對地觀測技術的發(fā)展，對于重大災害的監(jiān)測已從單一平臺監(jiān)測發(fā)展到星空地平臺聯(lián)合觀測網共同監(jiān)測的新時代[1-3]。目前，觀測任務對速度、準確性及高效性等方面提出了更高要求，但星空地平臺各具特色，由于不同類型傳感器自身功能特性與機理的差異，平臺間缺乏關聯(lián)，協(xié)同調度配合難度大[4]。因此，如何高效聯(lián)合星空地平臺進行對地協(xié)同觀測，并在重大自然災害監(jiān)測發(fā)揮重大作用仍然是1 個難題。

應用中，根據不同的觀測任務與需求，不同的觀測調度系統(tǒng)會有不同的服務模式，主要包括3 種模式[4]：基于查詢處理的觀測服務，代表系統(tǒng)有庫加爾（COUGAR）[5]和蒂尼·德布（Tiny DB）[6]；基于定時器驅動的觀測服務，代表系統(tǒng)有蒂尼·林梅（Tiny Linme）[7]和蒂尼·庫布（斯Tiny Cubus）[8]；基于事件驅動的觀測服務，代表系統(tǒng)有德斯韋爾（DSWare）[9]。

在星空地協(xié)同立體觀測方面，研究人員做了大量卓有成效的工作。為了有效利用對地觀測資源，避免資源的浪費，文獻[10-12]提出了空天對地觀測協(xié)同規(guī)劃的框架并從平臺規(guī)劃中心的角度，利用線性規(guī)劃技術對問題進行求解。目前，該任務規(guī)劃框架得到了較多的認可，很多學者基于此框架，進行空天觀測資源任務規(guī)劃。文獻[13]對空天資源分配做了綜合分析，研究了基于市場模型的異構多智能體系統(tǒng)（multi-agent system，MAS）協(xié)同任務規(guī)劃方法；文獻[14]提出1 種基于分而治之框架的2 階段迭代優(yōu)化方法，設計任務分配的啟發(fā)式準則，將任務合理分配給各子規(guī)劃中心，來解決空天觀測資源協(xié)同任務規(guī)劃問題；文獻[15]設計了多類異構器協(xié)同任務框架，根據不同異構器資源的觀測能力，將目標區(qū)域進行分解，并提出基于任務沖突啟發(fā)式的任務分配方法；文獻[16]構建了面向海上移動目標的空天協(xié)同連續(xù)觀測模型，文獻[17]提出了基于武器裝備體系統(tǒng)一建模平臺（unified platform of defense model, UPDM）的空天協(xié)同觀測體系模型構建，對海上移動目標進行協(xié)同觀測，用以解決海上移動目標的觀測問題。

為了滿足應急事件響應速度需求，高效利用空天異構傳感器進行任務規(guī)劃，文獻[18]提出了多源異構傳感器調度多目標優(yōu)化模型，來解決觀測時間碎片化等問題；文獻[19]提出了1 種基于合同網協(xié)議的對地觀測資源動態(tài)協(xié)同規(guī)劃框架，以解決應急規(guī)劃中多類資源協(xié)同規(guī)劃問題；文獻[20-21]以開放地理空間信息聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium, OGC）傳感網、傳感器建模語言（sensor model language, Sensor ML）信息模型標準化為基礎，提出了應急對地觀測傳感器集成管理方法，對傳感器資源進行高效管理；文獻[22]提出星空地平臺在應急場景下的無線資源分配算法；文獻[23]提出1 種基于多智能體系統(tǒng)（multi-agent system，MAS）的分層協(xié)同規(guī)框架，在任務分配算法中，設計了最大權重任務優(yōu)先分配算法和模擬退火算法來整合平臺調度；文獻[24]提出了1 種基于遺傳算法的星空地平臺資源部署方法，將多平臺部署問題看作1 個組合優(yōu)化問題，以達到最大觀測覆蓋率。文獻[25]基于事件驅動的對地觀測任務協(xié)同規(guī)劃模型，將地基平臺納入規(guī)劃范圍，對觀測平臺資源進行編號，基于觀測時間、觀測空間以及觀測需求出發(fā)構建數學模型，實現了星空地平臺協(xié)同求解。然而，該方法未能將應急事件區(qū)域的自然條件等實際要素納入考慮范圍。

本文根據星-空-地各平臺自身特性，綜合考慮氣象、交通等條件對各平臺執(zhí)行任務的限制，提出1 種星-空-地應急響應協(xié)同數據采集機制，并構建相應的應急調度模型。開發(fā)星空地平臺任務調度系統(tǒng)，旨在更貼合應急調度需要，使決策者更為直觀地了解目標區(qū)域的實際情況，獲得更直觀的任務調度參考。

1 星-空-地應急響應協(xié)同數據采集機制

隨著對地觀測技術的不斷發(fā)展，以及災害事件的評估和救援響應的不斷提高，單一的傳感器平臺各具優(yōu)勢，但往往難以滿足觀測任務需求，需要各平臺之間相互協(xié)助，優(yōu)勢互補。

根據文獻及實驗總結，不同平臺在滿足對地觀測需求時存在的優(yōu)勢與不足，如表1 所示。

星空地應急響應協(xié)同旨在發(fā)揮各平臺特性的基礎上，平臺之間工作相互增強，形成一體化的規(guī)劃格局。每個傳感器都具有獨立的事件感知和觀測能力，但由于各平臺傳感器在應用目的和應用范圍等方面存在很大的不同，單一傳感器無法滿足協(xié)同觀測任務需求。因此，需要構造事件、傳感器、決策調度模型相互聯(lián)系的觀測體系，使協(xié)同觀測系統(tǒng)相互關聯(lián)，提供星空地平臺設備的合理布局，有效地解決目前觀測系統(tǒng)及時性不夠、工作被動、資源“既多又少”等瓶頸問題，實現高效的、動態(tài)適應的觀測系統(tǒng)，滿足陸表監(jiān)測的綜合性需求、實現快速應急響應。常規(guī)的空天調度模型，以充分利用、合理調度為準則，通過模型與算法，使現有資源調度最優(yōu)化，但少有研究將地面平臺納入協(xié)同規(guī)劃范圍。因此，與一般的空天調度模型不同的是，本文將地基設備納入考慮范圍，并將事件位置自然條件做為平臺調度的影響因子，使應急調度方案更加貼合實際，滿足合理的應急協(xié)同需求。

表1 星空地平臺觀測資源優(yōu)劣勢

根據各平臺的功能特性以及服務范圍，本文設計了具體的星-空-地應急響應協(xié)同數據采集機制，如圖1 所示。在應急事件發(fā)生后，各平臺同時響應事件啟動應急方案，在根據事件發(fā)生位置獲取到事件信息后，星-空-地平臺根據自身資源的功能特性以及服務范圍對天氣、地形及交通等因素進行影響評估，判斷現有資源在當前條件下是否滿足應急響應條件，從而篩選出符合任務條件的觀測平臺執(zhí)行應急觀測，制定觀測計劃，由此達到快速救援和災害評估的效果。

圖1 星空地數據協(xié)同獲取局勢實施流程

2 星空地數據協(xié)同獲取模型

2.1 模型構建

數據協(xié)同獲取的根本目的是針對事件位置的自然條件等約束，快速獲取事件位置災害信息，以滿足應急救援以及災害評估的需要。由此，對協(xié)同調度模型要素做如下定義：

1）任務觀測平臺集合表示為Xi（i=1, 2, 3, 4），其中，X1為星基平臺，空基平臺包含無人機X2以及航測飛機X3，X4為地基平臺；

2）事件位置經緯度坐標信息表示為（lng,lat）；

3）事件發(fā)生時間定義為T0，Ti表示平臺Xi的觀測時間窗滿足應急響應需求；

4）事件位置自然條件集合定義為Nj=[N1，N2，N3，…，Nk]，可為風力等級、天氣狀況、能見度、溫度等，可得

式中：Xi（i=1, 2, 3, 4）為相應的觀測平臺；XiNj為觀測平臺執(zhí)行任務時的單項自然限制條件，若任務觀測滿足單項自然限制條件，則XiNj取1，反之，若任務觀測不滿足單項自然限制條件，則XiNj取0。

式中：當Pi為1 時，表示當前觀測平臺在事件位置當前自然條件下滿足任務條件，可以進行任務調度；反之，當Pi=0 時，則表示當前觀測平臺不滿足執(zhí)行應急觀測任務的條件。另外，地面平臺幾乎不受自然條件影響，一般情況下，P4取1。

由于無人機平臺與地面設備平臺的特殊性，受道路通暢性影響程度大，衛(wèi)星平臺與航拍飛機不受交通條件限制，則

式中Gi表示事件位置的道路通暢度，若在當前交通條件下平臺Xi能夠到達事件區(qū)域，Gi為1，反之，則為0。

2.2 協(xié)同求解

由于各平臺均能獲得事件區(qū)域的觀測信息，但平臺相互之間關聯(lián)不緊密，要實現對地表的協(xié)同觀測，是在已有平臺資源條件下，以各平臺任務的可調度性為準則，實現對事件區(qū)域觀測的應急響應，由此，本文構建的協(xié)同求解過程為

式中：當Ti、Gi、Pi為1 時，表示當前觀測平臺滿足執(zhí)行應急觀測任務的條件，可以進行任務調度；反之，當Ti、Gi、Pi為0 時，則表示當前觀測平臺不滿足執(zhí)行應急觀測任務的條件。

由此，星空地協(xié)同任務調度流程可以描述為：

第1 步，當應急事件發(fā)生后，獲取當地經緯度坐標；

第2 步，將所獲取的經緯度坐標作為參數進行輸入，進而獲取相應事件信息集合；

第3 步，根據平臺自身功能特性以及當時的自然因素、交通狀況等條件，從平臺集合X 中選取能夠執(zhí)行應急觀測任務的平臺，實現應急任務調度。

調度過程如圖2 所示。

圖2 協(xié)同調度算法流程

3 星空地平臺任務調度系統(tǒng)設計與仿真實驗

3.1 平臺系統(tǒng)設計

根據本文構建的星-空-地應急響應協(xié)同數據采集機制和算法模型，本文采用C++語言，依托Microsoft Visual Studio 2012 軟件、高德地圖api，設計并實現了星空地平臺任務調度系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為3 個部分：參數輸入、綜合判斷、結果顯示。系統(tǒng)功能結構如圖3 所示。

應用中，查詢者將獲取的事件位置經緯度坐標、救援車輛起始位置作為參數輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)根據參數信息可以獲取到事件位置的影像定位以及位置的實時信息（氣象、交通信息）。通過系統(tǒng)解算與判斷以及各平臺的不同應用范圍與特征，得到各平臺進行任務的可執(zhí)行性。此外，若車載平臺滿足應急任務條件，系統(tǒng)根據路況信息，為車輛進行不同方案的路徑規(guī)劃，滿足任務的多種需求。通過對解算結果（影像定位、氣象信息、路徑規(guī)劃等）的可視化顯示，查詢根據結果信息進行快速的應急任務調度，以滿足任務的快速應急響應需求。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

3.2 仿真實驗

為了驗證所提出的模型與算法的有效性和可行性，本文構建2 個仿真實驗，分析在不同自然條件下各平臺觀測資源的可調度情況。

3.2.1 地震仿真實驗

2019-06-17 ， 在四川省宜賓市長寧縣（28.34°N，104.90°E）發(fā)生6.0 級大地震，以此為例驗證本文構建模型及算法的可行性。地震發(fā)生時刻為T0，但由于地震發(fā)生時間在夜間，各平臺數據獲取受限，為了盡快了解災區(qū)情況與相應信息，做出快速準確的判斷以及應急救援安排，先行派遣人員進行任務出動，待天亮采取應急任務調度。本文以重慶市長寧縣公安消防大隊為車輛出發(fā)起始點，輸入災害區(qū)域的坐標信息，如圖4所示。

由此，應急目標區(qū)域為：經度為104.90°E，緯度為28.34°N，車輛起始點：宜賓市長寧縣消防宋家壩支隊，模擬飛行計劃已通過審批，應急中間調度過程如圖5 所示。

應急調度計算結果如圖6 所示，計算時間為540 ms。從結果界面可知N=[dy,wd,fl,njd]，其中：dy 為多云天氣；wd 為溫度，wd=27 ℃，fl 為當地風力等級，fl=1 級；njd 為當地能見度距離，njd=17 km。通過網絡api 服務，獲知此時有衛(wèi)星經過長寧縣上空，且從車輛起始位置至事件區(qū)域有通暢線路。

圖4 長寧縣地震平臺行進路線

圖5 應急任務調度查詢

圖6 長寧縣地震平臺調度情況圖

將各參數輸入協(xié)同求解模型，獲得相應結果矩陣為

即

通過分析，在當前自然環(huán)境條件下，4 種觀測平臺皆可進行任務調度以及應急觀測，此時有衛(wèi)星經過長寧縣上空，且觀測時間窗符合，由此，衛(wèi)星平臺狀態(tài)值為1；地面道路受損程度較小，有可供選擇的通暢線路可正常開展應急救援工作，故地面平臺開展任務狀態(tài)值為1；期間當地氣象條件良好，能見度較高，空中平臺飛行計劃獲得審批，目標區(qū)域半徑3 km 范圍內不存在明顯的禁飛區(qū)域，空中平臺以及無人機平臺狀態(tài)值為1，可進入觀測狀態(tài)，所以各平臺的可執(zhí)行任務調度矩陣為

所以，經過本文應急模型仿真實驗得到的調度結果為：衛(wèi)星平臺X1、航測飛機平臺X2、無人機平臺X3、地面觀測平臺X4都可進行應急任務調度。

3.3.2 滑坡泥石流仿真實驗

2019-07-20，在云南省昭通市大關縣悅樂鎮(zhèn)（27.822°N，103.782°E）發(fā)生大范圍滑坡泥石流災害，為了盡快了解災區(qū)情況與相應信息，做出快速準確的判斷以及應急救援安排，本文以昭通市大關縣消防總隊為車輛出發(fā)起始點進行輸入，并輸入災害區(qū)域的坐標信息，如圖7 所示。

圖7 大關縣光石流平臺行進路線

應急目標區(qū)域為：經度為103.782°E，緯度為27.822°N，車輛起始點：昭通市大關縣消防總隊，飛行計劃已獲得審批。

圖8 為應急調度計算結果，計算時間為510 ms。從結果界面可知N=[zy,wd,fl,njd]，其中：zy 為中雨；wd 為溫度，wd=20℃；fl 為當地風力等級，fl=1級；njd 為當地能見度距離，njd=13 km。通過網絡api 服務，獲知此時有衛(wèi)星經過悅樂鎮(zhèn)上空，且從車輛起始位置至事件區(qū)域有通暢線路。

圖8 大關縣泥石流平臺調度情況

將各參數輸入協(xié)同求解模型，獲得相應結果矩陣為

即

在當前自然環(huán)境條件下，有衛(wèi)星經過大關縣上空，可以通過調整側擺角度進行及時的應急調度，故此時，衛(wèi)星平臺狀態(tài)值為1；由圖8 可見，有可供選擇的通暢線路從車輛起始點到達目標區(qū)域，可正常開展應急救援工作，故地面平臺開展任務狀態(tài)值為1；能見度較高，空中平臺飛行計劃獲得審批，目標區(qū)域半徑3 km 范圍內存在明顯的禁飛區(qū)域，在合理規(guī)劃的前提下，空中平臺狀態(tài)值為1，可進入觀測狀態(tài)，但由于大關縣降雨持續(xù)，無人機平臺不能及時進行調度，所以無人機平臺狀態(tài)值為0。所以，經過本文應急模型仿真實驗得到的調度結果為：衛(wèi)星平臺X1、空中飛機平臺X2、地面觀測平臺X4可進行應急任務調度。

4 結束語

星空地協(xié)同數據采集能夠在應用目的與應用范圍上起到互相增強與補充的作用，更為全面地達到應急響應的目的。本文提出的星空地應急響應協(xié)同數據采集機制，從事件區(qū)域實際情況出發(fā)，構建應急調度數學模型進行協(xié)同求解，并在此基礎上構建了星空地平臺任務調度系統(tǒng)。與以往的星空地平臺任務調度方法不同的是，本文將星空地平臺在進行調度時，考慮自然條件作為任務調度的參數條件，同時考慮實時的交通路況信息，較為貼合應急事件區(qū)域的實際情況，更為貼合決策者的需求，可提供更可靠的任務規(guī)劃依據。從救災與災情應急評估需求出發(fā)，本文通過仿真實驗探討了在不同的氣候條件下各平臺執(zhí)行任務的可行性，為不同災害條件下的救援調度提供了參考。

進一步研究將會在考慮自然條件和各平臺特性的基礎上，將目標區(qū)域復雜的空間因素納入考慮，并結合平臺設備任務收益，選取收益更為高效的調度安排，以使得本方法能為平臺任務調度提供更為可靠的調度依據。