Využití mobilních geoinformačních systémů v záchranných službách

Jan Stankovič
Institut ekonomiky a systémů řízení
VŠB – Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava – Poruba
E – mail: jan.stankovic@vsb.cz

Abstract

This thesis treates an overview of used mobile geoinformation technologies and some possible applications of this technologies for rescue services are designed here. In the first part there are explained basic abbilities for the communication and the data transfer. Subsequently there is incorporated an overview of use of the mobile technologies in the rescue services. In the next part are incorporated and explained some particullar applications of mobile geoinformation technologies and later, there is a complex information system for recsue services designed, based on this particular applications. Next part treates practical testing of principles of some of the potential partial applications. In the closure of the thessis there is inserted an advisory of next steps in the subject of begining of building of the complex support system for rescue services.

Abstrakt

V předložené práci je zpracován přehled používaných mobilních geoinformačních technologií a jsou navrženy některé možné aplikace těchto technologií v oblasti záchranných služeb.V první části jsou vysvětleny základní možnosti komunikace pro přenos dat. Následně je začleněn přehled současného stavu využití mobilních geoinformačních technologií u záchranných služeb. V další části jsou zpracovány a vysvětleny jednotlivé dílčí aplikace mobilních geoinformačních technologií a později je na základě těchto dílčích aplikací navržen ucelený informační systém pro účely záchranných služeb. V další části je zpracováno praktické ověření principů některých potenciálních dílčích aplikací. Na závěr práce je zařazeno doporučení budoucích kroků ve smyslu zahájení budování uceleného systému podpory zásahu záchranných služeb.

Úvod

Dynamický rozvoj komunikačních technologií v posledních letech přináší do oblasti GIS a geoinformačních technologií všeobecně nový rozměr. Tímto novým rozměrem je mobilita. Tato nová možnost nabízí značné zrychlení a zjednodušení sběru i zobrazování geodat a jiných dat a je přímo ideálním prostředkem pro aplikace, které vyžadují rychlé a dynamické zpracování dat v terénu. Právě takovou aplikací je oblast záchranných služeb a krizového řízení. Krize jsou extrémní události které způsobují vážné škody a vystavují riziku životy a majetek lidí. Vyžadují okamžité odezvy, stejně jako koordinaci aplikací a zdrojů za hranicí řešení rutinních problémů. Výpočetní technika a GIS ve spojení s telekomunikačními technologiemi mohou pomoci při získávání, identifikaci, filtraci a zobrazování dat z krizové oblasti a mohou integrovat velké množství informací z různých zdrojů do přehledné podoby s velkým informačním obsahem.

Definice pojmu Mobilní geoinformační technologie

Mobilní geoinformační technologie je možné charakterizovat jako informační technologie, určené ke zpracovávání prostorových dat a informací, aktivně využívající komunikační technologie pro spojení mezi mobilními klienty a dispečinkem nebo mezi mobilními klienty navzájem, využívající při řešení problémů znalosti aktuální polohy těchto klientů. 

Základními technologiemi pro budování mobilních geoinformačních technologií jsou: 

· mobilní komunikační technologie 
· miniaturizované osobní počítače (notebooky, palm topy) 
· družicové navigační a polohové systémy (GPS, GLONASS, GALILEO) 
· geografické informační systémy 
· další informační technologie.

Kritické a podpůrné aplikace

V oblasti záchranných služeb můžeme rozlišit dva základní druhy aplikací informačních technologií. První oblastí jsou aplikace kritické, přímo související s ohrožením lidských životů a majetku osob. Na tyto aplikace je kladen zvláštní důraz ve smyslu absolutní dostupnosti a spolehlivosti. Proto je nevhodné využívat k těmto účelům komunikační sítě třetích stran bez důkladného prověření jejich robustnosti a spolehlivosti a uzavření právních závazků na poskytování služeb. Mezi takovéto aplikace patří v současnosti například přenos hlasových informací a přenos statusových kódů, které slouží pro usnadnění a urychlení operací v terénu. Druhou oblastí aplikací jsou podpůrné aplikace. Zde je možné využití jak vlastních komunikačních zdrojů tak využití veřejně přístupných zdrojů třetích stran. Mezi takovéto aplikace patří v současnosti například přenos údajů o poloze vozidel na CTV. S rozšířením využití se však některé podpůrné aplikace mohou stát kritickými a je proto potřeba tuto skutečnost zohlednit v návrhu komunikačních technologií. 

V případě rozsáhlých živelných pohrom často dochází k poškození technologií vlastních zdrojů a proto je vhodné připravit náhradní řešení pro kritické aplikace i za cenu krátkodobého využití zdrojů třetích stran které jsou v danou dobu stále v provozu.

Přehled dostupných komunikačních technologií

· GSM sítě, GPRS, HSCSD · ORBCOMM 
· Analogové rádiové sítě 
· Systém ECHOTON 
· Systém PEGAS 
· Systémy MATRA/TETRAPOL 
· IRIDIUM 
· Veřejná telefonní síť 
· Sítě LAN

Systém GPS

Jedním z nejdůležitějších požadavků na mobilní informační systém je schopnost určení své vlastní polohy. Pokud známe vlastní polohu máme možnost využít mapové podklady k určení dalšího postupu. Také je často výhodná možnost udat svou přesnou polohu centru řízení zásahu. Globální polohový systém (GPS) je ideálním nástrojem pro rychlé, přesné a spolehlivé určování polohy v neznámém i známém terénu. 
Global Positioning System je družicový rádiový sytém pro určování polohy. Družicový navigační systém je systémem globálním, umožňuje tedy určovat polohu kdekoli na Zemi. Pracuje bez ohledu na počasí, na denní či roční dobu.

Diferenční GPS

Významného zvýšení přesnosti určování polohy v reálném čase se dosahuje použitím diferenční metody měření (DGPS). Tato metoda využívá skutečnosti, že diference údajů změřených dvěma blízkými přijímači jsou zatíženy podstatně menšími chybami než samotné změřené údaje. To je možné vzhledem k vysoké korelaci chyb obou měření. Diferenční metody tedy umožňují přesné měření vektorů vzájemné polohy mezi dvěma nebo více blízkými přijímači.

Přehled současného stavu využití mobilních GIT

Používání komplexních mobilních geoinformačních technologií není ve světě zatím příliš rozšířené. Při studiu literatury byly nalezeny jen všeobecné informace o možném využití těchto technologií v různých oblastech, jako je poskytování informací a služeb v závislosti na poloze klienta, nicméně popisy existujících rutinně provozovaných a široce využívaných systémů v oblasti záchranných systémů nebo krizového řízení nalezeny nebyly. Častěji se objevovaly popisy úzce specializovaných dílčích aplikací, využívajících jen malou část dostupných technologií. Z toho lze usuzovat, že se zatím stále ještě jedná o oblast, která je především předmětem intenzivního výzkumu a vývoje. 
Využití mobilních informačních technologií v ČR je v oblasti záchranných systémů všeobecně velice slabé. V současné době jsou všechna vozidla zásahových jednotek vybavena pouze analogovými radiostanicemi pracujícími na frekvenci 168 MHz. Těchto radiostanic se využívá primárně pro přenos hlasových informací. Další oblastí využití radiostanic jsou přenosy takzvaných statusových kódů, které jsou definovány a přiděleny určitým akcím při zásahu a urychlují komunikaci. Tyto statusové kódy mají formu sekvencí tónové volby. Malá část zásahových vozidel je vybavena přijímači systému GPS a další analogovou radiostanicí pracující na frekvenci mírně odlišné od hlavních komunikačních stanic, která slouží k přenosu údajů z přijímačů GPS na Centrum tísňového volání. Některá velitelská vozidla jsou vybavena vysílačkami systému MATRA (PEGAS) určenými pro fonickou komunikaci. Část příslušníků záchranných složek je vybavena GSM telefony pracujícími v sítí společnosti Eurotel se kterou byla uzavřena dohoda o poskytování služeb. Opět se zatím jedná o využití pouze pro účely hlasové komunikace. Jiné mobilní informační technologie nejsou používány. 
Mnohem častěji se v literatuře objevují zmínky o budování moderních center tísňového volání disponujících prostředky pro tvorbu a provozování specializovaných GIS pro účely podpory řešení havarijních a krizových situací. Příkladem pracoviště, které jako jedno z mála na světě zajišťuje odezvu na tísňová volání na jakoukoliv záchrannou nebo bezpečnostní složku je Ostravské Centrum tísňového volání (CTV). I zde však bohužel chybí možnost datové komunikace CTV s vozidly v terénu, tedy mobilita informačního systému.

Návrh dílčích aplikací

· Sledování pohybu vozidel na dispečinku 
· Navigační systém vozidla 
· Zobrazení mapových podkladů 
· Systém distribuce dat o objektech a toxických látkách 
· Systém distribuce dat o ohrožených osobách 
· Multimediální přenosy 
· Letecký průzkum 
· Sledování a řízení osob v terénu, osobní informační systém

Požadavky na tvorbu uceleného informačního systému

Vycházíme z předpokladu, že zařízení musí mít multifunkční využití. Základním požadavkem je schopnost určování vlastní polohy v terénu, nejlépe na základě využití systému GPS. Systém musí poskytovat přístup k mapám a geografickým databázím, umožňovat zobrazení technické dokumentace ohrožených budov. Dále musí umožňovat přístupy do specializovaných databází, musí být schopen lokalizovat hydranty v blízkosti zásahu, upozornit na možná nebezpečí jako blízkost chemických zařízení, plynovodů, vedení vysokého napětí, skladů toxických látek, nebo náhlé změny počasí. Musí být schopno komunikovat s ostatními záchrannými týmy a zobrazovat jejich polohu a odesílat tyto informace na dispečink pro účely centrálního řízení zásahu. Zařízení musí být schopno zpracovat data z různých zdrojů. 
Všechna data nemohou být uložena přímo na zařízení v terénu (hlavně proto, že některá data musí být aktualizována během operace), proto je nutná možnost stálé dostupnosti centrálně uložených dat. Aplikace vyžadují různé datové toky a mají různé nároky na zpoždění a chybovost přenosu. Například hlasová komunikace musí probíhat v reálném čase, ale může tolerovat rušivé signály. Uživatelé naopak mohou několik sekund počkat na příjem mapy, ale chyby při přenosu mohou tento příjem znemožnit. Některé aplikace, jako třeba hlasová komunikace vyžadují symetrický datový tok, jiné, jako například údaje o poloze nebo přístupy do databází, jsou primárně jednosměrné. 
Systémy pro podporu krizového řízení musí být použitelné i pro neodborníky pracující v mimořádných situacích; jednoduchost obsluhy je tedy jedním z důležitých požadavků. Pravděpodobně nejcitlivějším místem je místo styku (interface) mezi uživatelem a strojem. Úkolem tohoto interface je umožnit efektivní komunikaci mezi strojem a člověkem; technologické vymoženosti jako grafická forma komunikace nebo rozeznávání hlasu mají smysl pouze v tomto směru. Hlavní roli zde hraje jednoduchost a intuitivnost ovládání, která však nesmí dominovat na úkor reálné použitelnosti aplikace i pro řešení náročných úkolů. Uživatelské prostředí by mělo nabízet podporu pro komunikaci a spolupráci mezi lidmi navzájem, stejně jako interakce mezi lidmi a počítači. Nutnost spolupráce jednotek, které spolu za obvyklých situací nekomunikují vznáší vysoké požadavky na jednoduchost a mnohostrannost komunikace a sdílení informací.

Návrh uceleného informačního systému

Systém je navržen jako třístupňový. První stupeň tvoří pevná základna – centrum řízení zásahu. Druhý stupeň je tvořen palubními systémy podpory zásahu umístěnými v zásahových vozidlech. Třetí stupeň je tvořen osobními informačními zařízeními.

První stupeň

Úkolem řídícího centra zásahu je shromažďovat, analyzovat, upravovat, uchovávat a na požádání poskytovat široké spektrum informací. Je proto nutné vybavit toto centrum výkonnou výpočetní technikou a silnými nástroji pro zpracování databází a tvorbu GIS a dále všemi dostupnými formami komunikačních technologií pro možnost navázání hlasového a datového spojení s nižšími stupni systému. Hardwarové vybavení řídícího centra s výjimkou komunikačních technologií je shodné s vybavením pro klasické „nemobilní“ GIS a silně závisí na velikosti spádové oblasti, která je centrem spravována. Silně variabilní budou zejména nároky na správu databází a stejně tak počty a konfigurace dispečerských pracovišť. Proto dále nerozvádím konkrétní nároky na konfigurace výpočetní techniky. Z hlediska software bude řídící centrum disponovat nástroji pro správu databází a tvorbu GIS. Volba konkrétních nástrojů pro zpracování databází bude opět silně záviset na velikosti spádové oblasti. Vzhledem k velkým objemům dat a nutnosti pružné odezvy systému navrhuji použití databázového systému ORACLE ve spolupráci s nástrojem pro tvorbu GIS ArcInfo (ESRI) na straně výkonných serverů. Vhodné je i použití Internetového mapového serveru, například Geomedia WebMap. Na straně dispečerských pracovišť navrhuji z hlediska kompatibility, podpory systému GPS a snadné přizpůsobivosti potřebám uživatele použití aplikace ArcView (ESRI). Dispečerská pracoviště budou dále vybavena specializovanými aplikacemi pro přístup do databází toxických látek apod. Příkladem pracoviště vhodného pro první stupeň systému je Ostravské Centrum tísňového volání, které po začlenění komunikačních prostředků a vytvoření komunikačního rozhraní může začít plnit tuto úlohu.

Druhý stupeň

Úkolem palubního systému podpory zásahu je získávat, uchovávat, zobrazovat a na požádání poskytovat informace. Musí být schopen komunikace jak s centrem řízení zásahu, tak i s osobními informačními systémy, pro které může zároveň tvořit datovou základnu. Jako nejschůdnější řešení v oblasti hardware pro palubní sytém podpory zásahu se jeví využití přenosného osobního počítače (notebooku) jako základu pro další systémy. Přenosný počítač integruje výpočetní a paměťovou kapacitu, stejně jako zařízení pro vstup a zobrazování dat. Tento počítač je potřeba vybavit komunikačními schopnostmi, tedy síťovou kartou, modemem, radiomodemem a GSM modmem. Vozidlo je nutné vybavit komunikačními zařízeními a přípojkami. Pro hlasovou komunikaci a přenos dat o poloze z GPS se jeví jako nejlepší využití stávajících analogových radiostanic. Pro datové přenosy je nutno vozidlo vybavit koncovým zařízením GSM, nejlépe zabudovaným přímo do počítače nebo připojeným s využitím rozhraní RS232. Dále je vhodné vybavit vozidlo na vnější straně přípojkami pro pevnou telefonní síť, vysokorychlostní datovou síť LAN a dále infračerveným rozhraním pro bezdrátovou komunikaci s periferními zařízeními. Výkonnostní požadavky na využití pro palubní systém splňují moderní přenosné počítače všech výrobců. Příkladem lze uvést výrobek firmy Toshiba Satellite 2805 S402 (www.toshiba.com). Programové vybavení pro palubní systém bude obdobné jako pro vybavení dispečerského pracoviště centra řízení zásahu. Jako operační systém navrhuji Microsoft Windows 2000 Professional z důvodu jeho robustnosti, zabezpečení a snadné konfigurace. Dále navrhují použití programu ArcView (ESRI) jako primárního software pro zobrazení a editaci mapových podkladů a databází. Program ArcView lze po úpravě použít i pro navádění vozidla na místo zásahu nebo pro zobrazování polohy okolních jednotek. Pro vzdálené prohlížení tématických map dynamicky vytvářených na řídícím centru lze použít i Internetový prohlížeč, který je zpravidla součástí operačního systému. Dále bude v palubním systému k dispozici expertní systém pro identifikaci toxických látek a další programové prostředky podle potřeby.

Třetí stupeň

Posledním stupněm uceleného informačního systému je osobní informační systém. Zde je nabídka dostupného software velice závislá na druhu použité techniky. Například při použití PocketPC s operačním systémem WindowsCE lze využít produktu ArcPad firmy ESRI, který dovoluje zobrazení mapových podkladů a jejich editaci a podporuje i technologii GPS. V případě využití „wearables“ (počítačů na tělo) bude vzhledem k jejich značné odlišnosti od standardních počítačů nutné provést výzkum a zhodnotit možnosti úpravy dostupného programového vybavení nebo navrhnout a vytvořit novou specializovanou aplikaci.

Praktické ověření principů některých aplikací

S využitím technologie GPRS v GSM síti společnosti Eurotel jsem provedl praktické opakované měření rychlosti přenosu dvou ucelených souborů. Pro pokus byl vybrán jeden soubor o velikosti 300 kbit a jeden o velikosti 100 kbit. Přenos byl vždy uskutečněn směrem od sítě do koncového zařízení (download). Bylo provedeno celkem deset měření, pět na souboru o velikosti 100 kbit a pět na souboru o velikosti 300 kbit. Měření byla provedena v jeden den. 
Výsledky měření naznačují, že technologie GPRS poskytuje dostatečnou rychlost pro přístup k databázím a přenosy mapových podkladů. Také je možné přenášet digitální fotografie z místa zásahu. Pro přenos multimediálních dat (video a zvuk) je rychlost přenosu dat pomocí GPRS nevyhovující. 

Další aplikace nebyly prověřeny z důvodu nedostupnosti potřebné techniky.

Doporučení budoucích kroků

1. Je zapotřebí vytvořit výzkumný tým zaměřený na výzkum počítačových a telekomunikačních systémů určených pro krizové řízení a pro vývoj aplikací v oblasti geoinformačních technologií pro záchranné služby. V tomto týmu, působícím nejlépe na akademické půdě, by měli spolupracovat zástupci z oblasti telekomunikačního průmyslu a vývojáři programového vybavení spolu se zástupci záchranných složek. Na základě testování a hodnocení stávajících technických a programových prostředků pak mohou být tyto prostředky zdokonaleny nebo bude definována potřeba na tvorbu nových aplikací a technických prostředků, vytvořených přesně na míru požadavkům a nárokům záchranných složek a krizového řízení. 
2. Je potřeba provést výzkum v oblasti potřeb a nároků uživatelů ve spojení s využitím počítačových a komunikačních technologií v krizových situacích. Poznatky pak mohou být použity pro optimalizaci a zefektivnění aplikací, ve kterých spolupracují lidé a stroje, a k vytváření inteligentních komunikačních rozhraní mezi člověkem a strojem. 
3. Bude proto zapotřebí hledat nové technologie, které uspokojí náročné komunikační požadavky záchranných služeb. Stávající komunikační prostředky jsou velice omezeně použitelné pro účely nepřetržité a plné oboustranné komunikace mezi mobilními uživateli a centrem řízení zásahu, natož pak pro plnohodnotnou komunikaci různých záchranných složek mezi sebou. Velkou slabinou současných technologií je, že při poškození pozemní infrastruktury přestanou plnit svou funkci, nebo pracují jen velmi omezeně. 
4. Na spolupráci při definování požadavků na informační systém je potřeba aktivně zainteresovat všechny vrstvy pracovníků záchranných služeb aby byly zohledněny požadavky jak řadových záchranářů, tak i vedoucích pracovníků a specialistů na řízení zásahů a krizových situací.

Závěr

Cílem této práce bylo zpracovat přehled používaných geoinformačních technologií a navrhnout možné aplikace těchto technologií v oblasti záchranných služeb. Smyslem práce je navrhnout využití moderních technologií tak, aby byly nápomocny při záchraně životů a majetku ohrožených osob. První část práce si vzala za úkol nastínění možností v oblasti mobilních komunikačních prostředků a prostředků pro určování polohy. Ukázalo se, že právě současně dostupné bezdrátové komunikační technologie jsou největší překážkou v budování plnohodnotných systémů podpory zásahu. Jako jediné použitelné a snadno dostupné technologie pro vytváření bezdrátových datových sítí velkého dosahu lze uvést pouze současně zaváděné GSM technologie GPRS a HSCSD nebo družicový systém ORBCOMM. Zlepšení v této oblasti přinesou GSM sítě třetí a vyšších generací, které přinesou klientům mnohem vyšší kvalitu a spolehlivost spojení, stejně jako mnohonásobně vyšší komunikační rychlosti. Další část práce uvádí přehled současného stavu využití mobilních geoinformačních technologií. Mobilní technologie nejsou zatím ve světě příliš rozšířeny a plnohodnotně využívány. Při studiu literatury byly nalezeny jen všeobecné informace o možném použití těchto technologií v různých oblastech, jako je poskytování informací a služeb v závislosti na poloze mobilního klienta, nicméně popisy existujících, rutinně provozovaných a široce využívaných systémů v oblasti záchranných služeb, nalezeny nebyly. Z toho lze usuzovat, že se jedná o oblast, která je stále ještě předmětem intenzivního výzkumu a vývoje. V následujícím dílu práce jsou navrženy některé dílčí aplikace, které by mohly být nápomocny při řešení krizových situací. Na základě těchto dílčích aplikací a na základě definovaných požadavků je následně navržen třístupňový ucelený informační systém podpory zásahu. Předposlední částí práce bylo praktické ověření principů některých potenciálních aplikací. Zde jsem byl silně omezen dostupným technickým vybavením. Byl proto ověřen pouze přenos dat s využitím GSM technologie GPRS. Výsledkem měření bylo potvrzeno, že technologie GPRS poskytuje dostatečné přenosové rychlosti pro mobilní přístup do databází a pro přenos grafických dat. Závěrečná část práce doporučuje několik budoucích kroků při zahájení tvorby uceleného informačního systému pro záchranné složky, využívajícího mobilní geoinformační technologie. Zde je potřeba podtrhnout zejména nutnost vytvoření specializovaného výzkumného pracoviště pro analýzu současných a tvorbu nových technologií a aplikací pro vytváření, úpravu, zobrazení a přenos dat splňujících náročné požadavky záchranných služeb.

Ostrava 2001

Literatura

1. Rapant, P.: Úvod do GIS, Skripta PGS, VŠB-TU Ostrava.
2. Elektronický časopis GPS World
3. Hrdina Z.: Rádiové určování polohy.
4. Ježek V.: Systémy automatické identifikace.
5. Václavík R.: Packet radio od A do Z.
6. Siegmund G.: ATM sítě ISDN.
7. Costa J.: Vysokorychlostní sítě.
8. Němec K.: Systémy přenosu dat. ČVUT
9. Computing and Communications in the Extreme. National Academy Press USA
10. ESRI http://www.esri.com
11. Dicom http://www.dicom.cz
12. Eurotel http://www.eurotel.cz
13. Xybernaut http://www.xybernaut.com
14. Picodas http://www.volweb.cz/picodas
15. ForestaSG http://www.foresta.cz
16. ISWC http://iswc.gatech.edu

Copyright (C) VŠB - TU Ostrava, Institut geoinformatiky, 2001-3. Všechna práva vyhrazena. 
V případě, dotazů, komentářů, připomínek kontaktujte www-gis.hgf@vsb.cz
Tato stránka byla naposledy aktualizována: 29.03.2006 16:16
Stránky jsou optimalizovány pro Microsoft Internet Explorer v. 5.0 a vyšší.
Jsou vytvářeny v programovém prostředí FrontPage 2003.