气象灾害应急指挥决策支持系统研究

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气象灾害应急指挥决策支持系统研究董尚力杨金彪朱莲芳王亚东（江苏省苏州市气象局，苏州，215131）摘要本文在软件平台研制的基础上，提出了气象灾害应急指挥决策支持系统的架构、流程和平台主要内容，把应急指挥决策建立在三维虚拟现实场景里，结合道路导航系统和应急卫星指挥车，以人机交互的方式，引导指挥员进行多源信息综合显示分析、救助决策方案制定和应急联动指挥，实现气象灾害应急指挥的科学决策，最大限度地防灾减灾。通过研究与实践，得出如下体会：（1）在气象灾害的应急处置中，气象部门要突破部门框架，面向政府决策服务，通过提供应急指挥平台的方式，深层次锲入政府防灾减灾中，更好地发挥作用。（2）应急指挥系统主要为指挥员提供一个综合信息显示分析、救助决策方案制定、远程应急指挥实施的支持平台。（3）把三维虚拟现实场景、大量救援信息分析、道路导航系统和应急卫星指挥车有机结合在一起，能增强平台的实用性和使用效率。（4）应急处置需要“政府领导、部门联动、社会参与”，气象部门要紧紧依靠应急管理工作机构，获取信息资源和应急联动支持。关键词：气象灾害，应急指挥，救助决策，虚拟现实1引言自然灾害的应急处置非常重要。据报道，1992年8月24日飓风在美国佛罗里达州登陆，由于联邦紧急事态管理局对灾害救援信息掌握不足、应急指挥不得力，导致灾区污染严重，次[1]生灾害频发，经济损失高达155亿美元，25万人无家可归；而2005年12月11日伦敦邦斯菲[2，3]尔德油库大爆炸事件无1人死亡，原因在于其应急处置非常成功，灾害发生后，应急系统立即对可能引起的各种潜在危害因素进行风险评估，并给出预防应对方案，及时采取应急措施，将损失降到最低。近年来，全球气候变暖背景下的各类气象灾害和极端天气事件日益频繁，随着社会经济的快速发展，气象灾害造成的损失和影响日趋严重，仅2008年初的持续低温雨雪冰冻灾害天气，[4]就给我国带来上千亿元的直接经济损失，应对气象灾害和极端天气事件的威胁对公共气象服务提出了更高的要求。随着工业化、城市化的日益提高和建设和谐社会的需要，城市突发气象灾害的应急处置逐渐成为气象防灾减灾的重点。本文在实践的基础上，研究了气象灾害应急处置技术，构建了基于三维GIS的气象灾害应急指挥决策支持系统，为政府应急处置提供一个信息综合分析和指挥决策平台。2应急指挥决策支持系统框架设计一般来说，气象灾害应急指挥决策的对象是政府领导，而不是气象预报员。因此，突破气象部门框架，面向政府决策服务，从政府指挥员的角度出发来设计系统框架。当灾害已经发生或预计将要发生时，指挥员需要在第一时间内获取大量的信息并分析，包括现场地理信息、灾情险情、现场态势、气象信息、救援队伍和救援物资信息，进而做出救助决策，包括救援队伍和救援物资调度方案、人员疏散或转移方案等，实施应急指挥。把应急指挥建立在三维虚拟现实场景里，为指挥员提供了一个近乎真实的“电子城市”，使指挥员身临其资助项目：苏州市科技局2007年重点科研项目SS0748和苏州市“十一五”项目“苏州气象灾害监测、预报、预警现代化工程”499 境地分析大量资源信息、科学决策和实施应急指挥，能提高效率，最大限度地防灾减灾。气象灾害应急指挥流程如图1所示。指挥员地理信息气象信息灾情险情信息分析救援队伍现场态势救援物资救援力量人员疏散救助决策调度方案转移方案救援调度应急指挥人员转移救援力量图1气象灾害应急指挥流程示意图软件系统采用J2EE多层体系结构，由数据层、服务层和应用层三层构成，各层之间有机结合，提供完整的数据维护、发布和应用服务。其中，应用层主要包括C/S方式的客户端应用平台和B/S方式的客户端数据维护平台。软件开发基于VRMap三维地理信息系统基础平台和Oracale数据库系统进行。系统总体框架如图2所示。业务应用系统应用基于三维GIS的气象灾害基于三维GIS的气象灾害层应急指挥决策支持系统(C/S)应急指挥数据维护系统(B/S)服务三维数据共享服务GPS服务数据分析服务层数据三维GIS数据库GPS数据库气象数据库救助资源数据库层图2气象灾害应急指挥决策支持系统总体框架示意图3多源信息的综合分析3.1三维虚拟现实场景三维虚拟现实就是采用计算机技术生成一个逼真的视觉、听觉、触觉及味觉等感观世界，500 其特点是人们可以实时参与、实时交互，三维虚拟现实技术是当今世界上数字化技术领域的先进技术。利用高精度的GIS数据生成三维地形模型，用航空影像作为真实的纹理贴图，建立三维虚拟现实场景，提供包括地形、影像、高程等在内的详实地理信息。3.1.1三维地形建模可以通过高精度数码航测影像数据匹配自动生成数字高程模型，或从现有的地形图中提取矢量化等高线内插成数字高程模型，利用数字高程模型与高精度数码航测影像图的叠加形成三维地形模型。3.1.2三维建筑物建模三维建筑物建模主要包括简单建筑物建模、区域建筑物精细建模和主要道路建模。简单建筑物建模采用数字摄影测量方法，在立体模型上采集建筑物的框架坐标，然后通过建模软件将它们构造成立体对象，主要适用于城市中只需浏览远观的建筑物部分；区域建筑物精细建模主要针对需要重点展示的部分，根据测量得到的三维尺寸，直接使用3DMAX建模，逼真表示城市建筑物的精细结构和材质特征，不仅表示城市外观，而且还充分展现建筑物的内部形态，达到真三维实体；主要道路建模对需要近景展示的道路进行处理，对其两旁的沿街建筑物使用3DMAX建模，而里面的建筑物利用纹理材质数据库中的纹理在3DMAX中简单建模。3.1.3地表纹理处理采用纹理映射技术和重复引用的方法，利用公共材质或是经过处理的实拍照片来实现三维模型的纹理贴图，既可以提高模型的细节水平和真实感，又不增加三维几何造型的复杂度。3.1.4三维场景优化在三维虚拟现实场景中，要求实时动态逼真地模拟城市周围环境，考虑到硬件限制，在建模中遵循一个原则：在能够保证视觉对象不失真的前提下，尽量采用最简单的模型。3.2灾情险情信息指挥员需要了解当前的受灾情况。通过“110”联动反馈、遍布在各地的“灾情联络员”报告、现场调查、以及群众报灾等方式，获得即时灾情险情信息。对地质灾害易发区、城市内涝易发区、化工企业、学校等重点防灾地段或单位，在GIS里明确标注，为灾情险情分析提供参考。3.3现场态势信息现场态势反映了灾害现场的实况和演变趋势，指挥员在应急指挥中心远离现场，其决策需要实时掌握现场态势信息。指挥员利用应急指挥车、现场监测车和布设在重点防灾区域的“气象眼”——气象实景监控系统实时传回到应急指挥中心的现场视音频信息，能全方位监控现场实况，结合三维虚拟现实场景里灾害现场附近的详细地理情况，实时掌握灾害现场态势；对应急指挥车难以到达的现场，利用单兵系统深入调查，通过卫星通讯及时传回现场视音频信息。3.4气象信息指挥员关心的气象信息主要是当前的灾害性天气实况、未来灾害性天气的预报情况、以及风险预评估信息。把灾害性天气实况分布、现场监测信息、预报信息以图表和文字的形式一目了然地展示出来，供指挥员参考；结合历史上灾害性天气对重点行业造成的影响和当前实况信息，提出灾害性天气对重点行业影响的风险预评估分析，为指挥员决策提供信息支持。3.5救助资源信息指挥员决策需要快速了解救援力量的分布情况，包括救援队伍、救援物资、疏散人群和疏散场所等信息的位置、类别、数量、救援能力、隶属关系、应急联系方式等，方便决策指挥。考虑到数据库设置的可行性，本文主要考虑消防、救援队伍、医院等救援力量信息，物资站、运输点等救援物资信息，学校、疏散场所等人群疏散信息，以及其它灵活设置的资源信息。501 除了“名称、地点、高程、图片、介绍、隶属关系、应急联系方式、放大级别”等公共属性外，每类资源信息还包含特有的救援能力属性，其中，“消防”包含“消防人员数量、消防车辆数量”，“救援队伍”包含“救灾兵力(部队、武警、公安、专业救援队伍)”，“医院”包含“医护人员数量、医护人员详细情况说明、救护车辆、医护床位”，“物资站”包含“救灾物资类别、救灾物资数量”，“运输点”包含“客车数量、客车容量(客车总载人能力)、货车数量、货车吨位(载货车的总吨位)、大型机械、其它车辆”，“学校”包含“疏散能力、学生数量、教师数量”，“疏散场所”包含“疏散能力(能容纳的人群数量)”等。除了部分救助资源信息可以通过公共信息获取的方式取得外，其它信息可通过政府信息化办或应急办协调共享的方式获取；还可以利用气象部门牵头制定国民经济动员气象海洋地质监测预案或牵头负责应急办自然灾害处置组的工作来获取。救助资源信息的维护，既可收集后通过数据维护系统录入，又可由各资源管理部门通过Web登录数据维护系统的方式自行维护。对于一次性调度使用的资源信息（如沙包、石料物资等），一次调度使用后库存自动更新。4应急救助决策应急救助决策主要包括救援力量的调入决策和危险人群、财物的转移决策。对于救援力量的调入，调什么物资、数量多少、从何处调、怎么运输，调什么救援队伍、多少警力、从何处调，调多少医护人员和救护车辆、从何处调等；对于危险人群、财物的转移，多少人员、财物需要转移，转移到何处，如何转移、怎么运输等，都需要科学决策。专家系统是一个具有智能特点的计算机程序，能够在特定的领域内模仿人类专家思维来解决复杂问题。利用专家系统技术，采用人机交互形式，综合考虑风险评估分析、历史救灾经验分析、专家组分析、救助资源分析，结合道路导航系统，按最优原则确定应急救助决策方案。4.1风险评估分析建立风险评估数据库，主要包含灾害种类、预评估级别、社会响应、部门响应、应急措施等。根据灾害种类和风险预评估级别，调阅相应的应急响应措施，结合现场灾情险情，指挥员初步确定救援力量类别和数量。4.2救灾经验分析建立历史灾情数据库，主要包含时间、地点、灾害种类、灾情、救灾措施等。根据灾害类型和地点，调阅相应的历史灾情及救灾措施经验，结合现场态势，指挥员提出当前的应急救助决策初步方案。4.3专家组分析建立应急预案专家数据库，主要包含灾害种类、应急级别、启动标准、社会响应、部门响应、专家建议、专家联系方式等。根据灾害种类和应急级别，调阅相应的应急响应措施和专家[5]建议，用特尔斐法（Delphi）调查和进行会议论证，结合专家对灾害程度的判断，指挥员确定应急救助决策方案。4.4救助资源分析4.4.1道路导航系统道路导航系统主要利用GPS定位系统、GIS地理信息系统和GPRS通讯链路进行定位监控，结合道路拓扑关系，包括道路连通信息、道路方向信息、道路限制信息、道路等级信息等进行[6]路线导航和最优路径分析，在应急指挥决策支持系统中主要用于应急指挥车导航定位、救援力量和人员财物运输的最优路径分析。4.4.2救援力量调度决策以灾情点为中心展开搜索，查阅消防、救援队伍、物资站、运输点、医院等救援力量的分布情况及详细属性，按离中心点距离近远排序列出救援力量的信息，指挥员根据救援力量的分布优化调度决策方案，并根据最优导航路线，确定运输路线。4.4.3人员财物转移决策502 根据灾情影响范围确定需要疏散人员的区域，搜索查阅该区域附近的学校、疏散场所、运输点等的分布情况及详细属性，指挥员根据分布情况优化人员财物转移或疏散方案，并根据最优导航路线，确定人员、财物转移的运输路线。5应急联动指挥气象灾害应急处置遵循“政府领导、多部门联动、全社会参与、上下联动、区域联防”的原则。5.1部门横向联动根据动态生成的应急调度方案和气象灾害应急预案中各成员单位的具体职责分工，通过“110”联动、政府应急管理工作机构等，对相关部门下达应急指令，实现气象、教育、公安、民政、建设、市政、房管、城管、交通、水利、农林、文广、卫生、环保、安监、宗教、园林、民防、国土、供电、通信、武警等多部门分工合作的应急救助联动。5.2上下纵向联动以本级气象灾害应急指挥中心为纽带，通过专线通讯把上级气象灾害应急指挥中心和下级分中心联系在一起，实现信息资源共享；通过视频会议系统上下联动，实现纵向应急指挥。5.3现场指挥联动应急卫星指挥车以DVB-RCS技术实现VSAT宽带多媒体双向通信，具有声音图像采集、气象数据传送、视音频会议、单兵工作等特点，能在现场建立与固定指挥中心互联互通的现场指挥中心，提高远程应急指挥能力。基于大屏幕综合显示系统和应急卫星指挥车，建立气象灾害现场视音频直播和远程应急指挥平台，一方面，移动应急指挥车上的全景式摄像头和单兵作战能把现场信息及时传输到应急指挥中心，便于指挥员及时全面地掌握现场态势，另一方面，指挥员在气象应急指挥中心结合精确的GPS定位信息、详细的地理信息和决策方案，直接对现场实施远程应急指挥，实现现场联动指挥，提高救助指挥效率。远程应急指挥如图3所示。救援队员1应急指挥中心视音频会议（大屏幕）救援队员n应急指挥车指挥员待救人员1资源信息库三维应急指挥决策支持平台待救人员n现场指挥中心图3远程应急指挥示意图6小结通过气象灾害应急指挥决策支持系统的研究与实践，得出如下体会：（1）在气象灾害的应急处置中，气象部门要突破部门框架，面向政府决策服务，通过提供503 应急指挥平台的方式，深层次锲入政府防灾减灾中，更好地发挥作用。（2）应急指挥系统主要为指挥员提供一个综合信息显示分析、救助决策方案制定、远程应急指挥实施的支持平台。（3）把三维虚拟现实场景、大量救援信息分析、道路导航系统和应急卫星指挥车有机结合在一起，能增强平台的实用性和使用效率。（4）应急处置需要“政府领导、部门联动、社会参与”，气象部门要紧紧依靠应急管理工作机构，获取信息资源和应急联动支持。参考文献1李蔚．印度洋地震海啸引发的思考．山西地震，2005年10月:No.4，37-39.2木易．英国伦敦油库大爆炸事件．环境，2006年5期:100-101.3卞有生．北京城市环境安全及突发重大环境灾害应急救援行动预案研究][J]．中国工程科学，2OO3(7)：1-10．4郑国光，宗气萱．一次历史罕见的低温雨雪冰冻灾害．气象知识,2008年1期:4-6.5邹金秋,张根寿.基于特尔斐法的房地产开发项目选址研究[J].华中农业大学学报(社会科学版),2002,(02):73-76.6王行风，贾凌.GIS支持下的城市交通网络最短路径研究[J].计算机与现代化,2005,(03)：11-14.504