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(shù)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(shù)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(wǎng)共同監(jiān)測的新時代[1-3]。目前，觀測任務(wù)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(guān)聯(lián)，協(xié)同調(diào)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(jù)不同的觀測任務(wù)與需求，不同的觀測調(diào)度系統(tǒng)會有不同的服務(wù)模式，主要包括3 種模式[4]：基于查詢處理的觀測服務(wù)，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(qū)動的觀測服務(wù)，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(qū)動的觀測服務(wù)，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(shù)對問題進行求解。目前，該任務(wù)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(wù)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(gòu)多智能體系統(tǒng)（multi-agent system，MAS）協(xié)同任務(wù)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(shè)計任務(wù)分配的啟發(fā)式準則，將任務(wù)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(wù)規(guī)劃問題；文獻[15]設(shè)計了多類異構(gòu)器協(xié)同任務(wù)框架，根據(jù)不同異構(gòu)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(wù)沖突啟發(fā)式的任務(wù)分配方法；文獻[16]構(gòu)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(gòu)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(gòu)傳感器進行任務(wù)規(guī)劃，文獻[18]提出了多源異構(gòu)傳感器調(diào)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(wǎng)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(wǎng)、傳感器建模語言（sensor model language, Sensor ML）信息模型標準化為基礎(chǔ)，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(wù)分配算法中，設(shè)計了最大權(quán)重任務(wù)優(yōu)先分配算法和模擬退火算法來整合平臺調(diào)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(qū)動的對地觀測任務(wù)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(gòu)建數(shù)學模型，實現(xiàn)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(jù)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(wù)的限制，提出1 種星-空-地應急響應協(xié)同數(shù)據(jù)采集機制，并構(gòu)建相應的應急調(diào)度模型。開發(fā)星空地平臺任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，旨在更貼合應急調(diào)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(wù)調(diào)度參考。

1 星-空-地應急響應協(xié)同數(shù)據(jù)采集機制

隨著對地觀測技術(shù)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(wù)需求，需要各平臺之間相互協(xié)助，優(yōu)勢互補。

根據(jù)文獻及實驗總結(jié)，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(chǔ)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(wù)需求。因此，需要構(gòu)造事件、傳感器、決策調(diào)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(guān)聯(lián)，提供星空地平臺設(shè)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(xiàn)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(xiàn)快速應急響應。常規(guī)的空天調(diào)度模型，以充分利用、合理調(diào)度為準則，通過模型與算法，使現(xiàn)有資源調(diào)度最優(yōu)化，但少有研究將地面平臺納入?yún)f(xié)同規(guī)劃范圍。因此，與一般的空天調(diào)度模型不同的是，本文將地基設(shè)備納入考慮范圍，并將事件位置自然條件做為平臺調(diào)度的影響因子，使應急調(diào)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(jù)各平臺的功能特性以及服務(wù)范圍，本文設(shè)計了具體的星-空-地應急響應協(xié)同數(shù)據(jù)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(jù)事件發(fā)生位置獲取到事件信息后，星-空-地平臺根據(jù)自身資源的功能特性以及服務(wù)范圍對天氣、地形及交通等因素進行影響評估，判斷現(xiàn)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(wù)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(shù)據(jù)協(xié)同獲取局勢實施流程

2 星空地數(shù)據(jù)協(xié)同獲取模型

2.1 模型構(gòu)建

數(shù)據(jù)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(diào)度模型要素做如下定義：

1）任務(wù)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(jīng)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(wù)時的單項自然限制條件，若任務(wù)觀測滿足單項自然限制條件，則XiNj取1，反之，若任務(wù)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(wù)條件，可以進行任務(wù)調(diào)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(wù)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(shè)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(guān)聯(lián)不緊密，要實現(xiàn)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(wù)的可調(diào)度性為準則，實現(xiàn)對事件區(qū)域觀測的應急響應，由此，本文構(gòu)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(wù)的條件，可以進行任務(wù)調(diào)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(wù)的條件。

由此，星空地協(xié)同任務(wù)調(diào)度流程可以描述為：

第1 步，當應急事件發(fā)生后，獲取當?shù)亟?jīng)緯度坐標；

第2 步，將所獲取的經(jīng)緯度坐標作為參數(shù)進行輸入，進而獲取相應事件信息集合；

第3 步，根據(jù)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(wù)的平臺，實現(xiàn)應急任務(wù)調(diào)度。

調(diào)度過程如圖2 所示。

圖2 協(xié)同調(diào)度算法流程

3 星空地平臺任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗

3.1 平臺系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)本文構(gòu)建的星-空-地應急響應協(xié)同數(shù)據(jù)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(shè)計并實現(xiàn)了星空地平臺任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為3 個部分：參數(shù)輸入、綜合判斷、結(jié)果顯示。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

應用中，查詢者將獲取的事件位置經(jīng)緯度坐標、救援車輛起始位置作為參數(shù)輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)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(wù)的可執(zhí)行性。此外，若車載平臺滿足應急任務(wù)條件，系統(tǒng)根據(jù)路況信息，為車輛進行不同方案的路徑規(guī)劃，滿足任務(wù)的多種需求。通過對解算結(jié)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(jù)結(jié)果信息進行快速的應急任務(wù)調(diào)度，以滿足任務(wù)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(gòu)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(diào)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(gòu)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(shù)據(jù)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(wù)出動，待天亮采取應急任務(wù)調(diào)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(jīng)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(diào)度過程如圖5 所示。

應急調(diào)度計算結(jié)果如圖6 所示，計算時間為540 ms。從結(jié)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?shù)仫L力等級，fl=1 級；njd 為當?shù)啬芤姸染嚯x，njd=17 km。通過網(wǎng)絡(luò)api 服務(wù)，獲知此時有衛(wèi)星經(jīng)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(wù)調(diào)度查詢

圖6 長寧縣地震平臺調(diào)度情況圖

將各參數(shù)輸入?yún)f(xié)同求解模型，獲得相應結(jié)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(wù)調(diào)度以及應急觀測，此時有衛(wèi)星經(jīng)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(wù)狀態(tài)值為1；期間當?shù)貧庀髼l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(nèi)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(wù)調(diào)度矩陣為

所以，經(jīng)過本文應急模型仿真實驗得到的調(diào)度結(jié)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(wù)調(diào)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(guān)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(guān)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(guān)縣光石流平臺行進路線

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

圖8 為應急調(diào)度計算結(jié)果，計算時間為510 ms。從結(jié)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?shù)仫L力等級，fl=1級；njd 為當?shù)啬芤姸染嚯x，njd=13 km。通過網(wǎng)絡(luò)api 服務(wù)，獲知此時有衛(wèi)星經(jīng)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(guān)縣泥石流平臺調(diào)度情況

將各參數(shù)輸入?yún)f(xié)同求解模型，獲得相應結(jié)果矩陣為

即

在當前自然環(huán)境條件下，有衛(wèi)星經(jīng)過大關(guān)縣上空，可以通過調(diào)整側(cè)擺角度進行及時的應急調(diào)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(wù)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(nèi)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(guān)縣降雨持續(xù)，無人機平臺不能及時進行調(diào)度，所以無人機平臺狀態(tài)值為0。所以，經(jīng)過本文應急模型仿真實驗得到的調(diào)度結(jié)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(wù)調(diào)度。

4 結(jié)束語

星空地協(xié)同數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集機制，從事件區(qū)域?qū)嶋H情況出發(fā)，構(gòu)建應急調(diào)度數(shù)學模型進行協(xié)同求解，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了星空地平臺任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)。與以往的星空地平臺任務(wù)調(diào)度方法不同的是，本文將星空地平臺在進行調(diào)度時，考慮自然條件作為任務(wù)調(diào)度的參數(shù)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(wù)規(guī)劃依據(jù)。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(wù)的可行性，為不同災害條件下的救援調(diào)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(chǔ)上，將目標區(qū)域復雜的空間因素納入考慮，并結(jié)合平臺設(shè)備任務(wù)收益，選取收益更為高效的調(diào)度安排，以使得本方法能為平臺任務(wù)調(diào)度提供更為可靠的調(diào)度依據(jù)。