航天系統(tǒng)工程理論在三江源國家公園生態(tài)環(huán)保監(jiān)測中的應(yīng)用

文| 莫毅君 李龍飛

航天恒星科技有限公司

當前，習(xí)近平生態(tài)文明思想深入人心，生態(tài)文明建設(shè)改革舉措落地見效，生態(tài)環(huán)境治理體系不斷完善，為全面加強生態(tài)環(huán)境保護、堅決打贏污染防治攻堅戰(zhàn)增添了強大動力。同時，國內(nèi)外環(huán)境正在發(fā)生深刻復(fù)雜變化，經(jīng)濟發(fā)展外部環(huán)境更趨復(fù)雜嚴峻，不穩(wěn)定不確定因素增多，生態(tài)環(huán)境保護面臨的形勢依然嚴峻。

從國內(nèi)看，一是經(jīng)濟下行壓力加大帶來更多挑戰(zhàn)，一些地方和部門對保護與發(fā)展的辯證關(guān)系認識不高，重發(fā)展輕保護的現(xiàn)象依然存在，推動綠色發(fā)展的能力不強、行動不實，傳統(tǒng)高耗能行業(yè)占比依然較高；二是生態(tài)環(huán)境治理仍然存在薄弱環(huán)節(jié)，以重化工為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、以煤為主的能源結(jié)構(gòu)、以公路貨運為主的運輸結(jié)構(gòu)尚未根本改變；三是完成污染防治攻堅戰(zhàn)目標任務(wù)艱巨，我國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受自然條件變化影響較大，地區(qū)間不協(xié)調(diào)不平衡問題突出。從國際看，世界經(jīng)濟仍處在深度調(diào)整期，環(huán)境問題、經(jīng)濟問題和政治問題相互關(guān)聯(lián)，對預(yù)期管理、政策實施帶來影響；單邊主義、保護主義、逆全球化違背歷史潮流，不僅不利于資源高效配置，影響全球經(jīng)濟發(fā)展，還會對全球生態(tài)環(huán)境保護和應(yīng)對氣候變化造成很大負面影響。

航天恒星科技有限公司（以下簡稱“航天恒星”）為落實習(xí)近平總書記“兩山論”，推動生態(tài)文明建設(shè)，充分應(yīng)用航天系統(tǒng)工程理論，將衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信與衛(wèi)星遙感等衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)、產(chǎn)品與系統(tǒng)推廣到生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域中，促進生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域管理現(xiàn)代化，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，成為國民經(jīng)濟發(fā)展新的引擎。

一、航天系統(tǒng)工程理論在三江源國家公園生態(tài)環(huán)保監(jiān)測中的應(yīng)用概述

黨的十九屆五中全會審議通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》，將“堅持系統(tǒng)觀念”作為“十四五”時期我國經(jīng)濟社會發(fā)展必須遵循的五項原則之一，指明了提高社會主義現(xiàn)代化事業(yè)組織管理水平的方向。同時，規(guī)劃中也提出要提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性，持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量，加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，要推動綠色發(fā)展，促進人與自然和諧共生。

航天恒星以航天系統(tǒng)工程理論為基礎(chǔ)，以型號工程的流程管理方法為依托，開展生態(tài)環(huán)?，F(xiàn)代化系統(tǒng)頂層設(shè)計和生態(tài)環(huán)保要素分解，同時結(jié)合生態(tài)環(huán)保和航天科技效能，實現(xiàn)航天科技與生態(tài)環(huán)保融合與系統(tǒng)平衡，借助天空地立體全面感知網(wǎng)實現(xiàn)天地一體化、以現(xiàn)代生態(tài)環(huán)保管理系統(tǒng)各要素全面數(shù)字化為基礎(chǔ)實現(xiàn)要素數(shù)據(jù)化、通過系統(tǒng)工程管理方法達到系統(tǒng)最優(yōu)化，成功將管理創(chuàng)新成果應(yīng)用于三江源國家公園的生態(tài)環(huán)保監(jiān)測中，起到了很好的示范帶動作用。

二、航天系統(tǒng)工程理論在三江源國家公園生態(tài)環(huán)保監(jiān)測中的應(yīng)用設(shè)計與實現(xiàn)

1. 以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，統(tǒng)籌生態(tài)環(huán)保系統(tǒng)各環(huán)節(jié)整體最優(yōu)

航天恒星以“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”新發(fā)展理念為指引，堅持系統(tǒng)觀、發(fā)展觀、整體觀、創(chuàng)新觀和市場觀，通過航天系統(tǒng)工程理論與方法、技術(shù)和市場要素集成融合創(chuàng)新，建設(shè)系統(tǒng)全面、架構(gòu)合理、要素和諧、協(xié)同高效、總體最優(yōu)的生態(tài)環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)。航天恒星以青海省三江源生態(tài)環(huán)保監(jiān)測要素為研究對象，自上而下進行生態(tài)環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)與指標分解，建立科學(xué)的生態(tài)環(huán)保指標監(jiān)測體系，指導(dǎo)系統(tǒng)組成及要素建設(shè)；并通過自下而上地進行要素建設(shè)、系統(tǒng)集成和測試，實現(xiàn)天空地一體化生態(tài)環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)的功能和性能指標。

青海省三江源國家公園生態(tài)環(huán)保監(jiān)測大系統(tǒng)要講綜合平衡，按照系統(tǒng)工程理論，就是要對衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星遙感、大數(shù)據(jù)與人工智能等技術(shù)手段和山地、戈壁沙漠、水資源、植被與野生動物等生態(tài)環(huán)保監(jiān)測元素之間處理好相互關(guān)系和綜合平衡。立足國家公園的需求，將國家公園生態(tài)環(huán)保監(jiān)測大系統(tǒng)分為：感知層（遙感一站式平臺），以衛(wèi)星遙感為主，衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)為輔，融合空地監(jiān)測數(shù)據(jù)，對標國標實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境因素的“全要素感知”；傳輸層（衛(wèi)星通信網(wǎng)），以衛(wèi)星通信網(wǎng)融合地面網(wǎng)絡(luò)，將全域感知數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)“全覆蓋的聯(lián)通”；智慧層（公園大數(shù)據(jù)平臺），以航天數(shù)據(jù)為主，融合其他環(huán)境信息，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)深度挖掘和分析，實現(xiàn)“更深入的智慧化”；應(yīng)用層（業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)），建立面向業(yè)務(wù)的信息服務(wù)，展現(xiàn)直觀的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和趨勢分析等，為業(yè)務(wù)提供“更智慧的決策”。橫向融合衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感、人工智能、大數(shù)據(jù)為代表的高新技術(shù)，縱深挖掘行業(yè)需求，形成橫向縱向融合的新形態(tài)，統(tǒng)籌生態(tài)環(huán)保系統(tǒng)各環(huán)節(jié)整體最優(yōu)。

2. 以型號系統(tǒng)管理為抓手，推進生態(tài)環(huán)保監(jiān)測全要素開發(fā)路徑

航天恒星借鑒型號管理經(jīng)驗，明確三江源國家公園的一般需求和特色需求，并將需求進行分析和甄別轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)研制總要求，明確系統(tǒng)建設(shè)目標。明確系統(tǒng)建設(shè)的工作范圍、技術(shù)要求、系統(tǒng)建設(shè)周期、組織體系與資源保障等，最終形成總體方案設(shè)計，作為分系統(tǒng)、單機與部組件工作分解的工作指南。參照項目管理的工作分解結(jié)構(gòu)（WBS）理念，根據(jù)項目約束，在限定的時間、成本范圍內(nèi)，充分運用系統(tǒng)工程理論，保質(zhì)保量完成任務(wù)。確保項目做且只做所需的全部工作，防止項目鍍金和范圍蔓延。

因為生態(tài)環(huán)保是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，確定項目范圍至關(guān)重要。項目范圍管理是項目管理分系統(tǒng)的核心內(nèi)容，是整個系統(tǒng)能否正常開展建設(shè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，必須做到“四清一到位”和“4BS+2P”“四清一到位”是精細做好范圍和計劃管理的關(guān)鍵，指項目任務(wù)清楚、過程清楚、責(zé)任清楚、風(fēng)險清楚和執(zhí)行到位。4BS 包括產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)（PBS），即生態(tài)環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)包含什么裝備、軟件組成；工作分解結(jié)構(gòu)（WBS），即項目交付物數(shù)據(jù)包；組織分解結(jié)構(gòu)（OBS），即項目在政府、企業(yè)等組織責(zé)任矩陣；資源分解結(jié)構(gòu)（RBS），即項目所需保障條件集合。2P 指技術(shù)流程，即項目所有活動按順序安排；計劃流程，即項目所有活動的進度安排。同時在生態(tài)環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)實施過程中充分考慮人、機、料、法、環(huán)、測等各要素的計劃和質(zhì)量管理，風(fēng)險識別充分并實時跟蹤閉環(huán)（圖1）。

圖1 生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域軟件產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)圖

3. 以航天技術(shù)應(yīng)用為牽引，賦能生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域天地一體化發(fā)展

隨著航天、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，接觸式與非接觸式的生態(tài)環(huán)保監(jiān)測傳感設(shè)備不斷涌現(xiàn)，建立天地一體化生態(tài)環(huán)保監(jiān)測網(wǎng)是生態(tài)環(huán)保發(fā)展的必然趨勢，建立融合天基、空基和地基各類信息的生態(tài)環(huán)保監(jiān)測大數(shù)據(jù)體系成為可能。

天地一體化生態(tài)環(huán)保系統(tǒng)，結(jié)合生態(tài)環(huán)保實際需求，利用衛(wèi)星遙感覆蓋區(qū)域廣、空間連續(xù)，以及地面物聯(lián)網(wǎng)實時觀測、信息真實的聯(lián)合優(yōu)勢，建立衛(wèi)星與航空遙感為主、衛(wèi)星導(dǎo)航為輔、衛(wèi)星通信進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶斓匾惑w化感知網(wǎng)，克服單一傳感器、單一平臺觀測的局限性，實現(xiàn)信息的高精度、多尺度、立體化、時空連續(xù)獲取。建立數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的大數(shù)據(jù)分析與決策云平臺，集成生態(tài)環(huán)保知識與模型、計算機視覺、深度學(xué)習(xí)等方法，集成生態(tài)環(huán)保監(jiān)測、識別、診斷、模擬與調(diào)控的專有模型和算法，形成天空地一體化生態(tài)環(huán)保監(jiān)測體系，從而提升國家生態(tài)環(huán)保治理現(xiàn)代化水平（圖2）。

圖2 天空地一體化生態(tài)環(huán)保監(jiān)測體系

4. 以標準化的先行為保障，確保生態(tài)環(huán)保監(jiān)測領(lǐng)域現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型

開展試點工作五年多來，航天恒星初步建立了覆蓋三江源國家公園的“天空地一體化”監(jiān)測體系，對園區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況進行系統(tǒng)連續(xù)的監(jiān)測，及時掌握生態(tài)環(huán)境狀況和變化趨勢。完成衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)，建立了以“村村通”光纖通信為基干、以國產(chǎn)衛(wèi)星通信鏈路全覆蓋的區(qū)域信息管理網(wǎng)絡(luò)。租用中通10 號通信衛(wèi)星和北京云岡地面主站資源，配發(fā)地面固定站8 套、便攜站24 套、背負站5 套、北斗手持終端30 套、動中通和靜中通各一套及其指揮管理系統(tǒng)1 套，基本解決無網(wǎng)絡(luò)地區(qū)森林公安派出所日常辦公、巡護中的上網(wǎng)和通信問題，實現(xiàn)了園區(qū)生態(tài)、管理、社會信息的高效安全聯(lián)通。提高遙感監(jiān)測能力，建設(shè)同生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心、中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、國家航天局對地觀測與數(shù)據(jù)中心、自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心等部門直連的高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)制定數(shù)據(jù)采集計劃，提交數(shù)據(jù)采集申請。

實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)處理，保障業(yè)務(wù)運行。完成生態(tài)大數(shù)據(jù)中心（一、二期）項目建設(shè)，建立國家公園云管理系統(tǒng)和具備云計算能力的大數(shù)據(jù)平臺，完成數(shù)據(jù)管理、傳輸管理和信息安全等基本軟硬件建設(shè)。在平臺建設(shè)的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)了統(tǒng)一、規(guī)范、標準的三江源國家公園人類活動與生態(tài)系統(tǒng)基準數(shù)據(jù)，完成了生態(tài)系統(tǒng)管理15m 分辨率和人類活動管理亞米級分辨率基礎(chǔ)地理信息基準建設(shè)及重點區(qū)域三維展示模塊的建設(shè)。強化生態(tài)環(huán)境狀況監(jiān)測評價工作，建立了三江源國家公園生態(tài)環(huán)境狀況、資源環(huán)境承載能力以及生態(tài)修復(fù)成效等為目標的定期評價制度（圖3）。

圖3 三江源大數(shù)據(jù)平臺

三、結(jié)束語

目前，三江源國家公園“天空地”一體化生態(tài)環(huán)保監(jiān)測體系初步建成，遙感、通信、導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)已發(fā)揮效能。未來，航天恒星繼續(xù)深化用天能力，將天基技術(shù)打造成為智慧國家公園管理體系中重要的一環(huán)，促進三江源國家公園管理局“智慧國家公園”體系形成，有效提升國家公園管理的規(guī)范化、精準化與智能化水平，為三江源國家公園建設(shè)創(chuàng)造“青海經(jīng)驗”做好堅實的科技支撐。