智能应急技术

　　2018年5月12日，习近平向汶川地震十周年国际研讨会暨第四届大陆地震国际研讨会致信时指出：“人类对自然规律的认知没有止境，防灾减灾、抗灾救灾是人类生存发展的永恒课题。”在人类社会发展的历次灾难中，我们对各种灾害有了越来越多的认识，如1960年智利大地震，1976年唐山大地震，2001年美国“9·11”恐袭事件，2003年非典疫情流行，2004年印度洋海啸，2008年汶川大地震，2015年天津滨海新区危化品大爆炸，2020年新冠病毒大流行，2021年郑州洪涝灾害等。在这些灾难带给人类巨大痛苦的同时，人类也在认识它们，更重要的是通过认识来阻止灾害的发生或降低灾害带来的损失。随着科技的发展，尤其是信息技术的发展，越来越多的新科技、高科技手段被应用于灾害监测与预警、灾害预防与消灭、应急救援与管理等领域，为人类避免灾害、战胜灾害提供了可靠方法。
　　随着2018年中华人民共和国应急管理部的成立，我国的应急管理体制已经由过去分散式的多方管理改变为由应急管理部组织牵头、各个业务部门共同参与的集中式管理模式，应急管理的重心开始走向“全灾种、大应急、大安全、全链条”的全过程管理时期，以解决“一案三制”体系“重应急响应，轻风险管理”的不足。在此背景下，将现代信息技术的最新成果应用于应急管理就成为必然。
　　20多年前，由于互联网的快速发展和广泛普及，人们希望通过互联网对若干必要的装备、设施等进行监测和监控，于是物联网技术得到了大力发展，并由此造成了海量数据存储和处理的问题；为解决海量数据处理问题，使得云计算和大数据技术兴起，这也直接推动了人工智能技术的再次研究热潮和推广应用。因此，相关部门开始把大数据技术、云计算技术、物联网技术、人工智能技术、5G技术等应用于防灾减灾、抗灾救灾和应急管理工作中，以应对新兴风险、极端灾害和跨界危机的挑战，满足人民群众日益增长的安全需求。
　　随着社会经济的不断发展，我国的科技水平不断提高，新时代社会发展的主要矛盾已经转化为“人民群众日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾”。因此，应急管理未来的发展方向就是满足人民群众日益增长的安全需要，这就要求大力提升我国应急管理的适应能力。按照最新的应急管理理论，应急管理包括四个阶段：事前、事发、事中和事后，每一个阶段都需要信息技术的高度参与。如事前阶段的演练、模拟、培训、监测，需要虚拟现实、数字预案编制、信息化培训、物联网技术监控等；事发阶段的灾情准确识别技术、快速预警技术、自动化实时处置技术等；事中阶段的应急通信技术、大数据分析技术、智能决策与指挥系统等；事后阶段的灾因溯源技术、场景模拟技术、灾损评估技术等，都需要信息技术的深度介入，于是提出了智能应急的概念。随着现代信息技术的发展和应用普及，大、智、云、物、移等信息技术将不断地影响人们的生活，尤其是关系到人类生命和财产的生产安全、生活防灾等领域，更要时刻进行监控和及时处置，避免灾难的发生或将灾难降低到最低程度。因此智能应急信息处理技术将在应急管理中发挥越来越重要的作用，这也是应急管理未来发展的重要方向之一。
　　所谓智能应急，就是利用物联网、大数据、云计算、无人机、机器人、现代通信技术及3S技术等信息化科技手段，辅助实现应急救援工作和风险评估工作，达到高效、可靠的救援目的。因此本书按照这些智能技术在应急处置中的应用进行组织和安排。
　　第1章主要介绍应急大数据技术，包括应急大数据的基本知识、应急大数据技术基础及应急大数据在应急救援中的应用等内容；第2章介绍应急云计算技术，包括云计算的概念、发展史，云计算原理及在应急管理中的应用等；第3章介绍应急物联网技术，包括物联网发展历程、有关技术基础、物联网技术在应急救援中的应用等；第4章介绍应急通信技术，从应急通信的概念、发展历程、技术原理及应急通信的应用展开；第5章介绍应急机器人技术，包括应急机器人的概念、机器人种类及工作原理、机器人未来发展等；第6章介绍应急无人机技术，从无人机技术、工作原理及在应急救援和应急管理中的应用展开；第7章介绍应急3S技术，从3S概念、应急遥感、GPS和GIS及在应急管理中的应用等方面展开。
　　在本书编写过程中，洪利教授、姜纪沂教授、唐彦东教授、连会青教授、焦贺言博士提出了一些很好的建议；多名研究生帮助查找资料、文字编排和绘制图表，他们是杨旭明、杨百一、张富志、张明杰、李通、胡涵宇、雷东兴、刘智栋、孙瑞婷、李楠、赵一明和张宇征。本书在编写过程中参考了大量的前人研究成果，出版时得到了清华大学出版社、北京交通大学出版社的大力支持，在此一并表示衷心的感谢。
　　由于编者水平所限，差错在所难免，敬请各位读者批评指正。

编 者
2022年秋

人工智能在防灾减灾、应急管理等方面的应用越来越普及，智能化设备、技术的广泛应用，促成了智能应急技术的产生和发展。本书从应急大数据技术、应急云计算技术、应急物联网技术、应急通信技术、应急机器人技术、应急无人机技术、应急3S技术7个方面，介绍各种智能化应急技术的概念、发展历史，并结合防灾减灾信息化和应急管理信息化实践介绍智能技术在防灾减灾、抗灾救灾和应急管理方面的一些应用。 　　本书力求采用浅显易懂的语言，图文并茂的版式，向读者展示智能应急技术的内容及应用，可以作为防灾减灾、抗灾救灾和应急管理有关的科研、工程人员的参考书，以及高校应急类专业的教材。

第1章 应急大数据技术 1
1.1 应急大数据的概念 1
1.2 应急大数据的发展 3
 1.2.1 第三次信息化浪潮 4
 1.2.2 大数据发展历程 5
1.3 大数据的思维变革 6
1.4 应急大数据的价值 7
1.5 应急大数据技术基础 8
 1.5.1 大数据处理架构Hadoop 9
 1.5.2 应急大数据计算框架 11
 1.5.3 应急大数据存储 11
1.6 应急大数据技术应用案例 16
 1.6.1 应急大数据技术在事前阶段的应用 16
 1.6.2 应急大数据技术在事中阶段的应用 18
 1.6.3 应急大数据技术在事后阶段的应用 22
 1.6.4 应急大数据技术在智慧消防领域的综合应用 24
思考题 28

第2章 应急云计算技术 29
2.1 应急云计算的概念及其发展 29
2.2 应急云计算的类型及特点 30
 2.2.1 应急云计算的类型 31
 2.2.2 应急云的主要特点 31
2.3 应急云计算的体系结构 32
 2.3.1 访问层 33
 2.3.2 应用接口层 34
 2.3.3 基础管理层 34
 2.3.4 存储层 34
2.4 应急云计算核心技术 35
 2.4.1 云存储技术 35
 2.4.2 海量数据管理技术 36
 2.4.3 虚拟化技术 36
 2.4.4 云计算平台管理技术 37
2.5 应急云计算应用案例 37
 2.5.1 云计算在煤矿应急管理中的应用 37
 2.5.2 智慧消防云平台 43
2.6 应急云计算存在的问题及未来展望 50
思考题 51

第3章 应急物联网技术 52
3.1 应急物联网技术发展现状 52
 3.1.1 国外应急物联网发展现状 52
 3.1.2 我国应急物联网发展现状 53
3.2 应急物联网含义 54
 3.2.1 应急物联网系统的组成 54
 3.2.2 应急物联网关键技术 55
3.3 应急物联网系统及应用场景 57
 3.3.1 智能应急物联网监测预警平台 57
 3.3.2 在线感知 57
 3.3.3 自动预警报警 58
 3.3.4 智能分析 58
 3.3.5 指挥调度 59
 3.3.6 现场救援 59
3.4 物联网技术在应急救援中的应用 59
 3.4.1 灾前预警 59
 3.4.2 灾中救援 61
 3.4.3 灾后评估 62
3.5 应急物联网应用案例 63
 3.5.1 基于情景的矿井水灾救援系统 63
 3.5.2 消防物联网 69
3.6 应急物联网未来展望 75
思考题 76

第4章 应急通信技术 77
4.1 应急通信概念及发展 77
 4.1.1 应急通信概念 77
 4.1.2 应急通信发展概述 78
4.2 应急通信技术的分类 82
 4.2.1 有线应急通信技术 82
 4.2.2 无线应急通信技术 83
 4.2.3 混合应急通信技术 85
4.3 应急通信应用案例 87
 4.3.1 无线对讲机系统 87
 4.3.2 无人机MESH自组通信网 89
4.4 应急通信发展趋势 90
思考题 91

第5章 应急机器人技术 92
5.1 应急机器人概念及分类 92
 5.1.1 应急机器人概念 93
 5.1.2 应急机器人的分类 93
5.2 机器人工作原理与技术分析 95
 5.2.1 机器人工作原理 96
 5.2.2 救援机器人技术分析 98
5.3 几种应急救援机器人介绍 100
 5.3.1 搜索救援机器人 100
 5.3.2 运载救援机器人 103
 5.3.3 多任务救援机器人 105
5.4 应急机器人发展趋势 107
 5.4.1 救援机器人智能化 107
 5.4.2 机器人软硬件冗余化 108
 5.4.3 多机协同救援能力 108
思考题 108

第6章 应急无人机技术 109
6.1 应急无人机发展及特点 109
 6.1.1 应急无人机的发展史 110
 6.1.2 应急无人机的特点 113
6.2 应急无人机工作原理 114
 6.2.1 无人机系统的基本结构 114
 6.2.2 无人机系统的工作原理 115
6.3 应急无人机的应用案例 115
 6.3.1 灾前监测预警 115
 6.3.2 灾中救援与指挥调度 117
 6.3.3 灾后修复重建 121
6.4 应急无人机的发展趋势 122
 6.4.1 更加智能化 122
 6.4.2 协同性更强 122
 6.4.3 续航时间更长 122
 6.4.4 新型复合材料的应用 122
 6.4.5 管理规范化 123
思考题 123

第7章 应急3S技术 124
7.1 应急3S技术介绍及发展 124
 7.1.1 应急3S技术介绍 124
 7.1.2 应急3S技术的发展 126
7.2 应急遥感技术 127
 7.2.1 应急遥感分类 128
 7.2.2 应急遥感系统的组成 129
 7.2.3 应急遥感的主要特点 130
 7.2.4 应急遥感系统的应用 131
7.3 应急地理信息系统 134
 7.3.1 应急地理信息系统的组成 135
 7.3.2 应急地理信息系统的功能 135
 7.3.3 应急地理信息系统的分类 138
 7.3.4 应急地理信息系统的主要特点 139
 7.3.5 应急地理信息系统的应用 139
7.4 全球定位系统 142
 7.4.1 全球定位系统的组成与工作原理 143
 7.4.2 全球定位系统的分类 144
 7.4.3 全球定位系统在应急领域的应用 147
7.5 3S技术在应急管理中的应用 148
 7.5.1 事前——预防准备与监测预警 149
 7.5.2 事中——估灾救灾与应急响应 150
 7.5.3 事后——恢复重建与经验总结 152
7.6 应急3S技术未来展望 153
思考题 154

思考题参考答案 155

参考文献 165

人工智能在防灾减灾、应急管理等方面的应用越来越普及，智能化设备、技术的广泛应用，促成了智能应急技术的产生和发展。本书从应急大数据技术、应急云计算技术、应急物联网技术、应急通信技术、应急机器人技术、应急无人机技术、应急3S技术7个方面，介绍各种智能化应急技术的概念、发展历史，并结合防灾减灾信息化和应急管理信息化实践介绍智能技术在防灾减灾、抗灾救灾和应急管理方面的一些应用。
　　本书力求采用浅显易懂的语言，图文并茂的版式，向读者展示智能应急技术的内容及应用，可以作为防灾减灾、抗灾救灾和应急管理有关的科研、工程人员的参考书，以及高校应急类专业的教材。