基于全球眼的地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援交通路徑分析系統(tǒng)研究

馬 瑩, 吳楠楠

(1. 福建工程學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 福建 福州 350118; 2. 福建省地震局, 福建 福州 350003)

近年來(lái),烈度較大、引起次生災(zāi)害較大的地震頻繁發(fā)生,在地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急工作人員的調(diào)動(dòng)以及通信指揮車的實(shí)際使用中,應(yīng)急交通路徑的實(shí)時(shí)尋徑問(wèn)題日顯突出.其中,當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生后如何提供安全可行的路線引導(dǎo)人員和車輛進(jìn)入災(zāi)區(qū)是目前面對(duì)的首要課題.因此,建立一套系統(tǒng)使其能夠?yàn)榈卣瓞F(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急工作人員提供交通路線選擇及評(píng)估判斷將十分必要,以確保現(xiàn)場(chǎng)工作人員及車輛能夠安全、有效、快速地到達(dá)災(zāi)區(qū).目前,全球眼監(jiān)控系統(tǒng)在我國(guó)城鄉(xiāng)的分布密度日益廣泛,其所能提供的監(jiān)視信息對(duì)于緊急情況下的尋徑問(wèn)題將有極大的幫助.本文主要分析了在烈度較大的地震災(zāi)害發(fā)生時(shí),在不同的破壞程度下,如何在海量的全球眼信息中選取有價(jià)值的信息,并結(jié)合該全球眼所在的地理情況給出應(yīng)急救援的最佳有效路徑[1].

1 系統(tǒng)原理

目前的“全球眼”是一個(gè)由運(yùn)營(yíng)商提供視頻監(jiān)控服務(wù)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)平臺(tái).該平臺(tái)可以通過(guò)寬帶IP城域網(wǎng)對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的所有監(jiān)控點(diǎn)實(shí)施監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制,主要用于公共事業(yè)部門的用戶(如司法系統(tǒng)、公安、海關(guān)、計(jì)量監(jiān)察、消防、民政局、行政執(zhí)法部門)和企業(yè)業(yè)務(wù)部門(如電力、石化、金融和銀行系統(tǒng)、交通、房地產(chǎn)、大連鎖超市)等單位.“全球眼”系統(tǒng)具備數(shù)字化存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音控制傳輸、遠(yuǎn)程圖像實(shí)時(shí)調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制等功能,因此可作為地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援交通路徑分析的一個(gè)平臺(tái).

本系統(tǒng)利用福建省地震局現(xiàn)有的信息系統(tǒng)軟件和硬件平臺(tái)以及運(yùn)營(yíng)商全球眼服務(wù)平臺(tái),搭建系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)環(huán)境,通過(guò)對(duì)全球眼工作情況數(shù)據(jù)的處理,正常工作的全球眼所采集的災(zāi)前、災(zāi)后圖像對(duì)比處理,以及處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)人工智能系統(tǒng)(專家系統(tǒng))進(jìn)行分析,最終給出最佳路徑的選擇方案,從而實(shí)現(xiàn)圖1中運(yùn)算調(diào)度層及服務(wù)層的內(nèi)容[2].

本項(xiàng)目將建立如圖1所示的4層服務(wù)架構(gòu),為現(xiàn)場(chǎng)通信指揮車、現(xiàn)場(chǎng)工作人員以及指揮中心調(diào)度人員提供行經(jīng)路徑查詢和現(xiàn)場(chǎng)視頻接入服務(wù).

應(yīng)用層為現(xiàn)場(chǎng)通信指揮車操作人員、現(xiàn)場(chǎng)工作人員以及指揮中心調(diào)度人員提供WEB或WAP瀏覽器平臺(tái).工作人員可以利用便攜電腦、智能手機(jī)或車載計(jì)算機(jī)等設(shè)備,通過(guò)WEB或WAP瀏覽器,利用本課題開(kāi)發(fā)的客戶端系統(tǒng)發(fā)出交互式查詢請(qǐng)求,并可在相應(yīng)的平臺(tái)上顯示運(yùn)算后的參考路徑電子地圖并配有相關(guān)全球眼的接入鏈接,亦可點(diǎn)擊鏈接察看相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻圖像.

圖1 行徑選擇系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Topology of the path selection system

接入層為應(yīng)用層提供相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的接入服務(wù),可利用現(xiàn)有的單兵3G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、車載3G網(wǎng)絡(luò)、海事衛(wèi)星電話網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和車載VSAT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)VPN鏈路接入.指揮中心調(diào)度人員可利用局域網(wǎng)接入路徑查詢服務(wù)器.

運(yùn)算調(diào)度層的查詢服務(wù)器裝有本課題開(kāi)發(fā)的服務(wù)器端路徑查詢和全球眼視頻調(diào)用軟件.根據(jù)客戶端發(fā)來(lái)的查詢請(qǐng)求和全球眼搜索狀態(tài),計(jì)算出最佳參考路徑標(biāo)注在電子地圖上并發(fā)回到客戶端.

服務(wù)層為運(yùn)營(yíng)商系統(tǒng)提供的全球眼業(yè)務(wù)平臺(tái),根據(jù)該平臺(tái)的全球眼工作狀態(tài)了解所需經(jīng)過(guò)道路的暢通狀態(tài).

2 基礎(chǔ)專家信息庫(kù)準(zhǔn)備

在福建省地震局現(xiàn)有的信息系統(tǒng)軟件和硬件平臺(tái)以及運(yùn)營(yíng)商全球眼服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上搭建系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)環(huán)境.系統(tǒng)擬定始發(fā)地點(diǎn)為福建省地震應(yīng)急指揮中心大樓,建立以南平浦城、龍巖永定、漳州漳浦、寧德霞浦和福州連江為目的地的5個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù).在分析始發(fā)地至目的地的現(xiàn)有的全部可能通行的路徑、各路徑若遭前來(lái)破壞后可能修復(fù)的基數(shù)以及修復(fù)所需的時(shí)間參數(shù)的基礎(chǔ)上,將數(shù)據(jù)內(nèi)容分別提取至矩陣L,T,G,Q中.其中,L為始發(fā)地至目的地的所有可能通行的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的全球眼工作狀態(tài)(其中包括高速、省道、縣道、鄉(xiāng)道和村道上的分支關(guān)鍵節(jié)點(diǎn));T為L(zhǎng)全球眼所對(duì)應(yīng)路段的通行速度指數(shù)(按路況給出的指數(shù)值,高速公路的通行速度最快為1,其他路型根據(jù)該路段的具體情況給出相應(yīng)的系數(shù));G為L(zhǎng)全球眼所對(duì)應(yīng)路段的危險(xiǎn)指數(shù)(包括是否含有隧道、橋梁、易滑坡山體及路邊懸崖等,此矩陣要結(jié)合相關(guān)行業(yè)專家給出相應(yīng)的可能通行的系數(shù));Q為L(zhǎng)全球眼所對(duì)應(yīng)路段嚴(yán)重毀壞后修復(fù)的難度系數(shù)(如橋梁斷裂、隧道坍塌、山體滑坡等,此矩陣要結(jié)合相關(guān)行業(yè)專家給出相應(yīng)的修復(fù)時(shí)間的系數(shù)).由于我國(guó)城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目較多、較快,因此以上數(shù)據(jù)應(yīng)至少半年更新一次,以確保所提供路徑信息的可靠性[3-4].

3 改進(jìn)的雙向Dijkstra最優(yōu)路徑選擇算法

在災(zāi)害發(fā)生時(shí),根據(jù)烈度的不同,所造成的道路交通損害不同,所造成的全球眼節(jié)點(diǎn)算壞也不同,考慮多種不同程度的破壞下均可以提供最優(yōu)路徑以供應(yīng)急人員及車輛選擇,本文選取改進(jìn)的雙向Dijkstra算法為動(dòng)態(tài)路徑求解算法.傳統(tǒng)的Dijkstra算法本身是一種按路徑長(zhǎng)度遞增次序所產(chǎn)生的算法,其已被證明是計(jì)算一點(diǎn)到所有其他點(diǎn)的最優(yōu)路徑效率最高的算法之一[5-6].它的思想如下.

把頂點(diǎn)集合V分成兩組:

(1)S:已求出的頂點(diǎn)的集合(初始時(shí)只含有源點(diǎn)V0);

(2)V-S=T:尚未確定的頂點(diǎn)的集合.

將T中的頂點(diǎn)按遞增的次序加入到S中,保證:

(1) 從源點(diǎn)V0到S中其他各頂點(diǎn)的長(zhǎng)度都不大于從V0到T中任何頂點(diǎn)的最優(yōu)路徑的長(zhǎng)度;

(2) 每個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)距離值.

S中的頂點(diǎn):從V0到此頂點(diǎn)的長(zhǎng)度;

T中的頂點(diǎn):從V0到此頂點(diǎn)的只包括S中的頂點(diǎn)作中間頂點(diǎn)的最優(yōu)路徑的長(zhǎng)度.

依據(jù):可以證明,V0到T中頂點(diǎn)Vk的,或是從V0到Vk的直接路徑的權(quán)值,或是從V0經(jīng)S中的頂點(diǎn)到Vk的路徑權(quán)值之和.

求得最優(yōu)路徑的算法步驟如下:

(1) 初始時(shí)令S=V0,T=其余頂點(diǎn),T中頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離值如下:

若存在〈V0,Vi〉,則dV0,Vi為〈V0,Vi〉弧上的權(quán)值;

若不存在〈V0,Vi〉,則dV0,Vi為∞.

(2) 從T中選取一個(gè)其距離值為最小的頂點(diǎn)W且不在S中,加入S.

(3) 對(duì)其余T中頂點(diǎn)的距離值進(jìn)行修改:若加進(jìn)W作中間頂點(diǎn),從V0到Vi的距離值縮短,則修改此距離值.

重復(fù)上述步驟(2)、步驟(3),直到S中包含所有的頂點(diǎn),即W=Vi為止[5].

由于Dijkstra算法本身沒(méi)有方向性,因此整個(gè)搜索過(guò)程有很大的盲目性,這樣的搜索會(huì)增加搜索開(kāi)銷,也會(huì)增大算法的復(fù)雜度,使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性變差.因此,選擇雙向Dijkstra算法,即在始發(fā)端和目的端分兩個(gè)子過(guò)程同時(shí)開(kāi)始最優(yōu)路徑尋址,當(dāng)兩個(gè)子過(guò)程相遇時(shí),搜索結(jié)束,得出最終起止點(diǎn)間的最優(yōu)路徑;若兩個(gè)子過(guò)程不相遇,則在兩個(gè)逆向的搜索過(guò)程結(jié)束后,取兩個(gè)子路線較優(yōu)者為最優(yōu)路徑. 下面簡(jiǎn)單說(shuō)明改進(jìn)的雙向Dijkstra算法的具體計(jì)算過(guò)程.

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)G=L,E,其中,L為節(jié)點(diǎn)集,E為邊集,起始點(diǎn)為S,終點(diǎn)為D,連接節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b的邊的權(quán)值為Ta b,da b表示節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b的最優(yōu)路徑的長(zhǎng)度. 對(duì)于任意節(jié)點(diǎn)a,設(shè)置節(jié)點(diǎn)的屬性為(dS a,pS a,dD a,pD a,m,n),其中,dS a,dD a分別表示起始點(diǎn)S和終點(diǎn)D到節(jié)點(diǎn)a的最優(yōu)路徑的長(zhǎng)度. 由于經(jīng)典的Dijkstra算法中用pa標(biāo)記起始點(diǎn)S到節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑中節(jié)點(diǎn)a的前一個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)應(yīng)的pS a標(biāo)記起始點(diǎn)S到節(jié)點(diǎn)a的最優(yōu)路徑中節(jié)點(diǎn)a的前一個(gè)節(jié)點(diǎn),pD a標(biāo)記終點(diǎn)D到節(jié)點(diǎn)a的最優(yōu)路徑中節(jié)點(diǎn)a的前一個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置兩個(gè)標(biāo)記位m,n,用于表征是否求出了起始點(diǎn)S和終點(diǎn)D至節(jié)點(diǎn)a的最優(yōu)路徑,如m=1代表已求出起始點(diǎn)S到該節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑,m=0則代表還未求出起始點(diǎn)S到該節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑. 同理,n=1代表已求出終點(diǎn)D到該節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑,n=0則代表還未求出終點(diǎn)D到該節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑.設(shè)置鏈表v和鏈表w分別用于存儲(chǔ)與已經(jīng)標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)相鄰接的節(jié)點(diǎn),雙向Dijkstra算法的具體步驟如下.

(1) 初始化網(wǎng)絡(luò),dS S=0,dD D=0,pS S=pD D=∧,設(shè)置起始點(diǎn)S的標(biāo)記位:S(m=1,n=0);設(shè)置終點(diǎn)D的標(biāo)記位:D(m=0,n=1).對(duì)于a∈V-S-D,dS a=∞,dD a=∞,標(biāo)記位:a(m=0,n=0),將鏈表v和鏈表w清空后,分別將與起始點(diǎn)S和終點(diǎn)D鄰接的節(jié)點(diǎn)加入鏈表v和鏈表w.

(2) 對(duì)于標(biāo)記位m和標(biāo)記位n已標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)k和l,求出k節(jié)點(diǎn)與之鄰接但其標(biāo)記位m未標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)a的最優(yōu)路徑的長(zhǎng)度(這些節(jié)點(diǎn)已經(jīng)存儲(chǔ)在鏈表v中),求出l節(jié)點(diǎn)與之鄰接但標(biāo)記位n未標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)b的最優(yōu)路徑的長(zhǎng)度(這些節(jié)點(diǎn)已經(jīng)存儲(chǔ)在鏈表w中),且dS a=min{cdS a,c(dk a+wk a)},dD b=min{cdD b,c(dl b+wl b)}. 其中,c為引入的各全球眼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處路況的通行加權(quán)值,其數(shù)值為c=T·G·Q.在對(duì)應(yīng)的全球眼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為正常工作點(diǎn)時(shí),可通過(guò)調(diào)節(jié)T值的權(quán)重來(lái)確定是選擇路徑最短還是速度最快;在對(duì)應(yīng)的全球眼關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為壞點(diǎn)(即不能通信或通過(guò)圖像處理獲得的判定結(jié)果為嚴(yán)重?fù)p壞)時(shí),可通過(guò)調(diào)節(jié)G,Q值的權(quán)重來(lái)選擇可以通行的最佳路徑.

(3) 在鏈表v和鏈表w中,選取dS a最小的節(jié)點(diǎn)f和dD a最小的節(jié)點(diǎn)h,則f為起始點(diǎn)S正向搜尋最優(yōu)路徑上的一個(gè)節(jié)點(diǎn),h為終點(diǎn)D的逆向搜索最優(yōu)路徑上的一個(gè)節(jié)點(diǎn),分別找到節(jié)點(diǎn)f和節(jié)點(diǎn)h的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)f*和h*,則pS f=f*,pD f=h*,標(biāo)記節(jié)點(diǎn)f的標(biāo)記位m=1,標(biāo)記位n不變.標(biāo)記節(jié)點(diǎn)h的標(biāo)記位n=1,標(biāo)記位m不變.

(4) 判斷新標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)f,h的標(biāo)記位:

若f(m=1,n=0),h(m=0,n=1),則轉(zhuǎn)至步驟(5);

若f(m=1,n=1)或h(m=1,n=1),則判斷兩者是否有一個(gè)為起始節(jié)點(diǎn)或終止節(jié)點(diǎn):

若兩者均不是起始節(jié)點(diǎn)或終止節(jié)點(diǎn),則轉(zhuǎn)向步驟(6);

若任意一個(gè)是起始節(jié)點(diǎn)或終止節(jié)點(diǎn),表明正向?qū)?yōu)和逆向?qū)?yōu)兩個(gè)子過(guò)程未相遇,則轉(zhuǎn)向步驟(7).

(5) 分別把與節(jié)點(diǎn)f和節(jié)點(diǎn)h相連接但標(biāo)記位未標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)加入鏈表v和鏈表w,在鏈表v和鏈表w中刪除節(jié)點(diǎn)f和節(jié)點(diǎn)h,轉(zhuǎn)至步驟(2).

(6) 若節(jié)點(diǎn)f(m=1,n=1),找出其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)f*,則dS D=dS f*+df*f+dD f;

若節(jié)點(diǎn)h(m=1,n=1),找出其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)h*,則dS D=dS h+dh*h+dD h*.

dSD即為起始點(diǎn)S和終點(diǎn)D的最優(yōu)路徑的長(zhǎng)度.

注:當(dāng)存在多于一個(gè)最小節(jié)點(diǎn)h或f時(shí),分別計(jì)算每個(gè)最小節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)h*和f*,選取和值最小的點(diǎn)為前驅(qū)節(jié)點(diǎn),后續(xù)以此類推.

4 實(shí)例分析

為驗(yàn)證改進(jìn)的雙向Dijkstra最優(yōu)路徑選擇算法的有效性,在福建省地震局應(yīng)急通信車日常應(yīng)急演練中,對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了不同烈度情況下的模擬實(shí)驗(yàn).福建省地形地貌復(fù)雜,導(dǎo)致路況在災(zāi)害條件下受其影響的因素較多;考慮試驗(yàn)地貌涵蓋福建省地域常見(jiàn)的地貌路況(包含橋梁、隧道、路邊易滑坡山體及河流等),以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的利用價(jià)值(試驗(yàn)地2013年發(fā)生過(guò)3次4級(jí)以上的地震),實(shí)驗(yàn)選擇福建省莆田市仙游縣石蒼鄉(xiāng)為模擬災(zāi)害地,實(shí)驗(yàn)演練路徑選擇情況如下.

(1) 低烈度、全球眼無(wú)壞點(diǎn)的情況下,在系統(tǒng)操作界面下選擇路徑最短的選項(xiàng),如圖2所示. 系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算給出的最優(yōu)路徑如圖3所示.

圖2 系統(tǒng)操作界面Fig.2 Operation interfaces of the system

圖3 距離最短的路徑尋址結(jié)果Fig.3 Addressing result of the shortest path

(2) 大烈度、全球眼有壞點(diǎn)的情況下,在系統(tǒng)操作界面下選擇用時(shí)最短的選項(xiàng). 系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算給出的最優(yōu)路徑如圖4所示.

圖4 用時(shí)最短的路徑尋址結(jié)果Fig.4 Addressing result of the shortest time

為了比較本路徑分析系統(tǒng)的有效性,在演練時(shí)同時(shí)出發(fā)三輛車:一輛應(yīng)急通信車,采用本系統(tǒng)推薦的最優(yōu)路徑行駛;兩輛普通的同性能轎車,一輛無(wú)導(dǎo)航行駛,一輛有導(dǎo)航行駛.

在不同的模擬災(zāi)害情況下,三輛車同時(shí)從福建省地震局應(yīng)急指揮大樓出發(fā),開(kāi)至目的地(福建省莆田市仙游縣石蒼鄉(xiāng))的耗時(shí)對(duì)照表如表1所示.

表1 全行程耗時(shí)對(duì)照表Table 1 Comparison table of time-consuming of the whole trip

由表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得,使用本系統(tǒng)測(cè)算所得的最優(yōu)路徑,在不同災(zāi)害情況下,行程耗時(shí)均較其他兩車短,并且災(zāi)害越嚴(yán)重,優(yōu)勢(shì)越明顯.

5 結(jié) 語(yǔ)

災(zāi)害發(fā)生后通往現(xiàn)場(chǎng)的道路情況如何,現(xiàn)場(chǎng)通信指揮車和現(xiàn)場(chǎng)工作人員該如何進(jìn)入災(zāi)區(qū),這些都是人們需要面對(duì)的問(wèn)題.遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)是可以解決上述問(wèn)題的辦法之一,但是購(gòu)買成本高、操作風(fēng)險(xiǎn)大、使用條件受天氣影響等問(wèn)題也隨之突出.基于“全球眼”的地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援交通路徑分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用為解決上述問(wèn)題提供了一種較為有效的辦法.

該分析系統(tǒng)主要研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)地震現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)際的基于全球眼的地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援交通路徑分析系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援資源管理信息化,實(shí)現(xiàn)地震現(xiàn)場(chǎng)各車輛和人員行經(jīng)路線的動(dòng)態(tài)追蹤、管理.系統(tǒng)的完成和推廣應(yīng)用,將大大提高地震現(xiàn)場(chǎng)資源的使用效率,提高現(xiàn)場(chǎng)救援隊(duì)伍的管理水平和救援能力.在完善地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援交通路徑分析系統(tǒng)的同時(shí),也能夠提高現(xiàn)場(chǎng)車輛和人員的安全調(diào)度技術(shù)水平.這一研究還將推動(dòng)全球眼技術(shù)在防震減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用,促進(jìn)防震減災(zāi)科技進(jìn)步.

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