一种用于泥石流灾害预防和报警的实时移动多媒体通信系统

一种用于泥石流灾害预防和报警的实时移动多媒体通信系统李蕊吴宣罗超1.系统设计的背景及必要性1.1系统设计背景山洪是山区河流（溪沟或荒溪）的洪水,特别是指山区小河（沟）和周期性水流上的洪水。泥石流不同于山洪,泥石流是指发生在沟谷和坡地上的饱含小至粘土、大至巨砾的固液两相流,也是山区介于挟沙水流和滑坡之间的土（泛指固体松散物质）、水、气混合流。泥石流灾害是指山洪泥石流暴发而给人类社会经济系统所带来的危害,并不是所有的泥石流都造成灾害,譬如发生在荒芜人烟的高山地区,无论规模多大,由于没有承灾体,并不形成灾害。泥石流具有突发性强、来势凶猛、破坏性大、预测难度大等特点，极易造成重大的人员伤亡和财产损失。因此泥石流是威胁城镇居民安全的主要自然灾害之一。泥石流灾害预报和报警的研究一直是国内外研究的热点，目前为止关于山洪泥石流灾害预报预警技术的研究成果不少。目前国际上公认的比较科学而实用的空间预报方法是奥地利H•奥里茨基提出的荒溪分类及危险区制图指数法，即通过在沟道里或沟口冲积锥上根据危险性质（山洪或泥石流危害）与等级划分出红色区、黄色区及白色区，以便政府和人们采取必要的针对措施，从而达到预警预报的目的。日本也是国际上较早涉及泥石流危险范围预测的国家，池谷浩、高桥保、水山高久等人通过研究泥石流冲出量、冲出长度和堆积范围，建立了不同类型的泥石流危险范围预测模型。足立胜治等开展了泥石流发生危险度的判定研究，主要从地貌条件、泥石流形态和降雨三方面判定泥石流发生率。其中各个方面又分若干要素，每个要素又分若干等级，每个等级给出相应的判别得分，然后统计计算泥石流发生的可能性，从而确定泥石流沟的危险等级。此外美国、德国等国家也完成了山洪泥石流灾害的制图工作，但灾害制图与奥地利不同，具体到该区域内某条沟谷是否会有山洪泥石流发生的可能，只是把山洪泥石流沟划分出来，或者把具有山洪泥石流沟的大范围区划分开。实际上并不是山洪泥石流沟的所有沟道一定都处在危险区，也不是有山洪泥石流沟的整个区域都会有山洪泥石流的发生。因此除奥地利外，其他国家的危险区制图（划分）只是宏观意义上的标定。尽管如此，危险区划分与制图在大尺度泥石流空间预测方面起着重要的作用，并已广泛用于灾害保险、灾害预防和灾害求援等方面。国内也有不少学者研究山洪泥石流危险区的空间范围划分。我国泥石流危险区区划的工作开始于1985年，其代表性成果为1991年出版的《中国泥石流灾害分布与危险区划图》。类似的成果还有唐邦兴和刘希林所著的“中国泥石流危险区划的探讨”，“长江上游泥石流危险度区划研究”等。其研究方法有很多，但具代表性的方法有三种：第一种方法是以判断泥石流沟与非泥石流沟为依据，以综合指数法确定泥石流沟的危险程度，这种方法是目前我国判断泥石流沟应用最为广泛的一种方法，在我国11条铁路干线377条沟进行了综合评判和组织专家现场调查评判进行对比，结果表明85%以上评判结论一致，证实了此种方法的科学实用性；第二种方法是根据通过对泥石流沟危险度评价和泥石流沟的分布进行危险区的划分；第三种方法是针对每一条溪沟（沟道）选取一定的指标进行荒溪分类，在荒溪分类的基础上，对各种每条溪沟（沟道）采用不同的危险区划分模型，把整条沟的危险区与非危险区划分开来。如王礼先等对北京山区2280条溪沟，选取6种评价指标24个评价因子，利用综合指数法通过对每条溪沟进行了分类。此种方法最突出的特点是对山区山洪泥石流沟潜在易发区的每条沟道进行实地调查，保证了沟道类型判别的科学性，并对不同类型荒溪进行危险制图，对山洪泥石流的准确定位预报作用明显，但工作量是三种方法中最大的一种。1.2系统设计的必要性尽管泥石流灾害的预警研究与应用已经取得了显著的成果，但还远远不能满足当前减灾防灾的需求，由于泥石流形成环境和成灾机理的复杂性，许多理论、技术、方法仍处于资料积累、试验探索阶段，因此，在泥石流灾害发生机制、预警技术、预警数据处理、灾情诊断、新仪器研发、数字决策系统、预警体系，特别是针对城市的早期预警等方面有待于深入的研究。目前，泥石流灾害预警研究与应用存在的主要问题如下：（1）泥石流灾害的发生在时空上存在明显的不确定性不同环境背景下的泥石流发生的临界雨量和雨强难以定量表达，泥石流灾害预警是在对降雨天气分析诊断基础上做出的“二次预报”，很大程度上依赖于暴雨的预报精度，这就使泥石流灾害预警的准确程度不可能超过暴雨预报的准确率。此外，在泥石流灾害监测预警实施中，仍没有充分挖掘气象部门提供的实时性较强的卫星云图和气象雷达信息，并且缺乏对“天气形势与泥石流发生关系”的深入分析，气象部门开发的较为成熟的暴雨预警预报模型也没有充分利用。（2）泥石流形成的天上因素与地面因素耦合模型是预警研究的薄弱环节尽管通过长期定点观测总结了泥石流多发地区的灾情模式，但是对于低频率泥石流灾害很难获得暴发时的足够数据，给预警带来了很大困难。在区域泥石流灾害预警方面，应用统计学方法，提炼出一些地区预警的临界雨量指标，但是由于泥石流灾害形成的复杂性，这些模式和指标在防灾减灾实践中的广泛应用效果还不理想。（3）泥石流灾害预警必要的网络系统、通讯系统和监测技术和设施较为落后至今国内尚无一种报警装置可达到商业标准而投入市场。在泥石流预报预警中应用现代仪器进行预警的成功实例很少。目前，区域性泥石流灾害预警依赖于群测群防的人工报警，通过人眼的现场观察，来确定地质灾害的发生，这种观测的方式不仅耗费大量的人力资源、实时性低而且对观测人员的生命安全存在较大的隐患，有时候还不能高效地做出预警报告。综上所述，加强对防灾减灾指挥决策的科学性，以及结合先进的科学技术构建泥石流灾害预警及报警系统，准确预测山洪泥石流危害区范围、判断山洪泥石流发生的时间和危害程度，强化关于灾前的预警和灾害发生后的报警的研究势在必行。2.系统体系结构此泥石流灾害预防和报警系统是针对常在野外活动人群或者从事泥石流野外研究的工作人员设计的。对于泥石流灾害的调查工作，调查人员需要在野外收集、记录和传输泥石流的相关数据。为了通过调查获得有效的关于泥石流的信息，需要考虑以下几点：（1）在野外工作时，定位地形图对于帮助调查人员准确的找到泥石流的位置起到至关重要的作用。但是，调查人员在野外环境下无法获取丰富的地形图信息，这致使调查人员不能全面的了解到泥石流发生的位置情况，导致调查人员可能因为缺少位置信息而对泥石流定位不准确；（2）当调查人员到达目的地后，调查人员需要搜集、处理、和比较大量的数据。如果能够使用手持式电脑处理这些数据将会给研究工作带来很大的便易性[8]；（3）在有效预测模型的基础上，对泥石流灾害发生概率的准确估计，可以通过泥石流知识的学习和智能的推理机来实现[1、2]；（4）通过可靠的通信，实现实时有效的信息传输，对于泥石流灾难的预防和警报非常的重要和关键。然而，现有的有线的通信设备总是在灾难发生时被损坏，特别是在泥石流发生时；（5）实时多媒体信息从灾区传输回救援控制中心，对于制定救援方案非常的有帮助。然而，由于现有手机的网络带宽窄，计算能力差，所以很难实现流畅的多媒体服务[3、4、5]。在本文中，我们设计了一种用于泥石流灾难预防和报警的实时移动多媒体通信系统(Real-timeMobileMultimediaCommunicationSystem,RM2CS)[6]，它可以利用手机或者手持设备，为野外活动人员提供实时的多媒体通信服务，提供实时有效的泥石流报警信息。RM2CS系统是三层的体系结构，由移动用户端(MobileUsers)，多媒体服务器(MultimediaServers)和决策支持系统(DecisionSupportSystem,DSS)组成。所用到的通信网络包括互联网和GPRS/GSM移动通信网络。为了实时的传输和显示用户所在位置的地形图，减少传输和显示延迟，我们采用位置感知的路径预测算法(LP2M)，来有效的预测移动用户的方向，并且给移动用户传送最小但是完善的地形图。同时我们设计了8个智能代理模块由于收集、搜索、分类、筛选、处理特定信息，并输出与之相符的地形图。图1所示是RM2CS系统构架及相关组成。图1RM2CS系统构架及组成移动用户可以使用的各种手持设备包括PDA(PersonalDigitalAssistant)，平板电脑或笔记本电脑，同时可以结合蜂窝式手机或GSM/GPRS通信模块，将搜集到的信息发送给多媒体服务器和决策支持系统。移动用户发送和接收的关于泥石流的多媒体信息可以是文字，图片或音频。多媒体服务器接收到移动用户信息后，快速定位用户位置，并且运用位置感知的路径预测算法(LP2M)生成用户所在位置的地形图，通过移动网络发送给用户。决策支持系统接收到移动用户的位置信息后，会在数据库中搜索相关的历史信息，并通过互联网查找该位置最新的气象信息，判断用户位置是否存在发生泥石流的危险，若有发生泥石流的可能，决策支持系统将控制多媒体服务器发送报警信息给移动用户。3.系统各模块的原理及实现3.1移动客户端模块运用无处不在的移动通信网络和具有计算能力的手持设备，与系统服务器进行信息的交互，实时的为移动用户提供可靠有效的信息，对泥石流的预报和救援工作非常的有帮助[4、7]。例如，结合了智能蜂窝式手机的个人数字助理（PDA）系统，目前已广泛应用在了信息娱乐、紧急救助和抢险救灾方面。然而，由于目前移动网络的带宽窄，计算能力差，所以很难实现流畅的多媒体服务[3，4、5]。现有的手持设备在计算能力方面有一定的局限性，所以在设计本系统时，我们决定使用带有Fastap技术的键盘手机[8]。Fastap小键盘技术由DigitWireless公司发明，这种技术符合通用设计的理念，它有可能取代目前手机上普遍应用的12个键的键盘，并取代许多常用的二维键盘。运用Fastap技术的小键盘将字母和数字分离，可为用户提供类似笔记本电脑键盘似的键盘，但是这40-50个按键仍然是安装在普通大小的移动电话上。目前该技术已获得中国国家语言文字工作委员会(SLC)的文字输入标准的认证并且逐渐的投入使用，这将改善当今手机上使用最广的输入法——拼音（包括全拼、简拼和混拼）输入法的效果，并提高其效率。目前ZTE中兴推出的D系列CDMA2000EVDO手机，这款手机是目前在全球市场应用Fastap键盘技术数量有限的几款3G手机之一。D系列EVDO手机之所以被称为“全球最快手机”之一，主要是从两个方面来讲。首先，其应用的Fastap键盘技术使得用户在操作上更快捷，文字输入更方便。快捷键的设置更可以使用户迅速进入各种界面，特别是平面状与凸起状键盘的搭配，让字母与数字的组合更为舒适合理，可以让用户在最短时间内输入单词。据评测显示，应用该键盘技术的手机在文字输入上的速度要比传统12键的设计整整提高了2倍，结合Fastap键盘，使得打字速度更快、更准确。同时，字母键在摆脱了原有的数字、字母混置的缺点后，还承担了一些移动数据业务的导航功能。其次，D系列EVDO手机还具有一流的数据传输速度，作为CDMA1×EVDO3G手机，其移动数据传输的速度可以达到下行2.4Mbps、上行153.6Kbps，远远超过了目前市场上的主流手机传输速率。D系列EVDO手机还根据网络演进、高速数据传输、无线网络应用特点，集成内置了130万像素的数码相机变焦器件。使用中兴的这款运用Fastap键盘技术的手机，里面自带的导航模式可以使移动用户快速的定位自己的位置，带有Fastap技术的手机键盘可提高用户与系统服务器信息交互的速度，超过一般手机的数据传输速度可以保证报警信息第一时间发送到用户手机上，为移动用户躲避泥石流危险、保证人身安全争取时间。3.2多媒体服务器模块多媒体服务器为移动提供的信息包括地形图，关于泥石流预报的新闻和降雨情况等。移动用户通过有限的移动网络带宽接收和传输的数据，以及将自身的位置移动信息告知给多媒体服务器和决策支持系统(DSS)。多媒体服务器和DSS服务器通过移动网络获得移动用户所在地的经度、纬度参数值。当多媒体服务器识别到移动用户的精确位置时，会运用位置感知的路径预测算法(