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灾难会迅速影响人类和地球的福祉。无论是由自然发生的事件(如飓风或洪水)还是由人类活动(如工业事故)引起，突发灾难性事件都会对人类、环境和经济造成伤害。
但是预先警告是有准备的。灾害预防系统可以在拯救生命和减轻经济损失方面发挥关键作用。越来越多的基于传感器的物联网技术可以提供危险事件的重要预警或在管理后果方面发挥关键作用，从而减少进一步的伤害。
根据联合国减少灾害风险办公室(UNDRR)，灾害预防和预警系统可以将重点从管理灾害转移到管理风险。这有助于打破灾难-应对-依赖的循环。这种方法的经济效益是巨大的。联合国减灾署称，投资1美元使基础设施具有抗灾能力可以节省4美元，否则这些钱将用于重建。
从洪水到石油泄漏：灾害类型分类
那么，哪些类型的灾害最为普遍？它们会产生什么样的影响？它们分为两类：自然灾害和人为灾害。两者都会产生重大影响，包括人员伤亡、经济损失和环境破坏。最常见的自然灾害包括洪水、干旱、野火、地震（图1）和海啸。2023年，自然灾害在全球造成约95,000人死亡，经济损失约为3800亿美元。
与此同时，人为灾害可能包括工业事故、石油泄漏、建筑物倒塌、高层火灾、交通事故和恐怖主义行为。人为灾害造成的死亡人数可能因其性质和规模而有很大差异，但全球死亡人数可能高达数万人。
因此，人们对技术和灾害预防/预警策略产生了浓厚的兴趣。基于传感器的物联网、无线技术和基于人工智能的分析相结合是该领域取得许多进步的关键。这些技术可以通过使互联设备收集和共享数据来彻底改变灾害预防。收集到的见解可以为更明智的决策奠定基础。
物联网在灾害预防中的积极作用
让我们更详细地了解这些技术是如何组合在一起的。低功耗传感器和设备构成了灾害预防系统的基本组成部分，无需频繁维护即可在偏远或恶劣的环境中长期部署。这些传感器可以检测特定条件的变化，例如温度、振动和气压，为即将发生的地震和海啸等自然灾害提供关键的预警指标。
它们还可以测量和监测洪水易发地区的水位，让当地社区在风险较高时迁往地势较高的地方。部署传感器还有助于防止人为事故。例如，烟雾探测器可以提供火灾警报，空气质量监测器可以指示有害物质的释放或高水平的空气污染。
先进传感器、人工智能和通信技术的作用
技术进步意味着传感器现在更小、更节能，从而可用于更多应用。微机电系统(MEMS)技术的发展使传感器小型化。同时，新的电池架构提供了更高的能量密度，使它们在现场的使用寿命更长。传感器还可以集成太阳能、热能和振动能量收集系统，使设备能够在更广泛的环境中独立运行。
但基于传感器的数据收集只是难题的一部分。部署结合人工智能和机器学习的基于软件的系统对于分析数据以预测和检测潜在灾难至关重要。人工智能可以在模式识别、预测分析和异常检测中发挥重要作用——通常是实时的——尽快向相关部门和公众发出警报。基于人工智能的计算可以在云端或边缘进行，具体取决于安全性、延迟和对大数据存储容量的需求等因素。
第三，对于基于云的系统，5G和LoRa等先进通信技术极大地提高了灾难场景中的数据传输速度和可靠性。这些协议具有自己的一套性能特征：5G在数据速率、范围和延迟方面更胜一筹，而LoRa在电池寿命、功耗和成本方面更胜一筹。因此，灾害预防和预警系统的开发人员可以选择多种物联网技术来满足他们的需求。
突出现实世界项目的好处
在本节中，我们将介绍现实世界中防灾技术的应用示例。例如，在美国，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的ALERTCalifornia公共安全计划涉及部署物联网传感器、摄像头、无人机和人工智能来检测和监控加利福尼亚州的野火（图2），从而改善早期检测和响应。
ALERTCalifornia代表第三代高性能无线研究和教育网络(HPWREN)，该系统在美国已经发展了大约20年。早在2003年的雪松火灾中，应急管理人员就已经在使用由事先安装的高分辨率运动检测相机和传感器捕捉的实时野火图像，这凸显了无线技术在有效管理野火情况中的作用。
高清摄像机大约每两分钟平移、倾斜、变焦并进行360度扫描，每次扫描12个高清帧，以提供火灾风险的完整可见性。摄像机还提供24小时监控，具有近红外夜视功能。同时，带有扫描仪的无人机会生成有关扫描表面的三维信息，而激光雷达遥感则使ALERTCalifornia能够检查易发生火灾的环境。人工智能用于数据融合和分析，以理解所提供的数据。
与此同时，英国正在部署基于物联网的基础设施，以提供洪水威胁的早期预警，确保公共安全和基础设施保护。例如，在剑桥郡的亨廷登郡区，由剑桥郡和彼得伯勒联合管理局和亨廷登郡区议会资助的洪水传感器试点项目使用通过LoRa网络连接的传感器来收集实时河流流量和水位数据。当检测到洪水风险时，居民和企业会收到警告，以便他们采取行动，确保安全并限制对房屋和其他基础设施的损坏。
灾后恢复
ALERTCalifornia和洪水传感器项目只是众多全球举措中实时灾害预警和预防计划的几个例子。物联网网络在许多灾害中都发挥了重要作用，不仅有助于减少或避免损失，而且还为灾后恢复提供了关键援助。
在飓风或洪水期间，由于蜂窝网络受损而导致的通信中断会极大地阻碍灾难恢复进程。2017年波多黎各发生玛丽亚飓风后，部署了临时蜂窝设备来恢复被风暴摧毁的通信网络。使用太阳能传感器和卫星连接的通信集线器，建立了临时通信链路，使应急响应小组能够有效协调救援工作并到达需要援助的孤立社区。
在一份关于2017年大西洋飓风季的报告中，全球移动通信系统协会(GSMA)强调了实施增强型预警系统的重要性。此外，他们还指出，使用预警系统启动可折叠网络桅杆具有潜在优势，可以在飓风到来前有效降低塔架。这种主动措施不仅可以防止损坏，还可以简化风暴消散后的重新连接工作。
随着感知、通信和分析技术的进步，物联网在协助人为和自然灾害恢复方面的价值将不断上升。通过实施低成本、坚固的解决方案，机构可以加快关键基础设施的恢复，支持重要的救援任务，并收集有价值的数据，以推动制定未来的预防战略，例如增强的防洪措施或抗震建筑。
结论：物联网可以拯救生命和保护环境
灾害预防和预警是物联网的一个很好的例子。坚固耐用的低功耗传感器、无线连接和基于人工智能的数据分析相结合，使当局和急救人员能够访问过去无法收集的实时信息。这些信息可以带来更有效的决策。随着技术的进步，这些系统将变得更加普及，并提供对我们周围世界的更细致的洞察。
基于物联网的系统和技术将继续存在。它们将继续在灾害预防和管理、拯救生命、减轻经济损失和保护自然环境方面发挥关键作用。
