VRGIS在智能應(yīng)急指揮系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

吳合義 ，黃寶香

（1.北京中海新圖科技有限公司，北京 100085；2.青島大學(xué) 信息工程學(xué)院，山東 青島 266100）

公共突發(fā)事件應(yīng)急管理是一個(gè)龐大的體系，包括警察、消防隊(duì)員、醫(yī)療急救人員、指揮中心等，需在各個(gè)層面上橫向拉動(dòng)各職能部門并做到上傳下達(dá)，在各專業(yè)部門上下級(jí)組織之間建立垂直的專業(yè)應(yīng)急溝通網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)急管理系統(tǒng)中，VRGIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害資料獲取、資源定位、資源最優(yōu)調(diào)配路線分析，提高預(yù)案規(guī)劃能力，及時(shí)提供決策支持、導(dǎo)航等功能。

1 應(yīng)急管理系統(tǒng)構(gòu)成

應(yīng)急管理系統(tǒng)具體包括實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急指揮場(chǎng)所系統(tǒng)、基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)與綜合應(yīng)用系統(tǒng)等，每個(gè)系統(tǒng)還有很多分系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 應(yīng)急管理系統(tǒng)構(gòu)成

2 VRGIS平臺(tái)插件式架構(gòu)

VRGIS是基于OpenGL開發(fā)的三維圖形引擎，支持由多數(shù)據(jù)源、多分辨率的海量數(shù)據(jù)所構(gòu)建的三維場(chǎng)景的穩(wěn)定快速導(dǎo)航，旨在滿足面向城域景觀虛擬仿真的高端需求，基于該平臺(tái)可搭建應(yīng)急指揮系統(tǒng)的城市級(jí)三維場(chǎng)景。VRGIS采用插件式架構(gòu)，具有良好的擴(kuò)展性。把擴(kuò)展功能從框架中剝離出來，可降低框架的復(fù)雜度，讓框架更容易實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展功能與框架以一種很松散的方式耦合，兩者在保持接口不變的情況下，可以獨(dú)立變化和發(fā)布，如圖2。

圖2 VRGIS平臺(tái)插件式架構(gòu)

由此插件式架構(gòu)，可通過接口控制VRGIS CORE中的任意節(jié)點(diǎn)，并為每個(gè)節(jié)點(diǎn)引入回調(diào)接口，通過繼承修改該接口，控制節(jié)點(diǎn)的各種渲染狀態(tài)。增加模塊時(shí)，只需繼承平臺(tái)中的接口，開發(fā)自己的插件。平臺(tái)可以自動(dòng)加載該插件，并動(dòng)態(tài)調(diào)用插件接口。

3 基于VRGIS平臺(tái)的應(yīng)急指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)急管理系統(tǒng)需要具備如下能力：①早期各類信息的匯集、分析能力；②快速反應(yīng)能力；③水平信息整合和共享能力；④足夠的信息匯集和指揮通訊能力；⑤具有冗余性和可靠性設(shè)計(jì)。根據(jù)這些要求，將應(yīng)急管理系統(tǒng)進(jìn)一步拆解，如圖3所示。

圖3 智能應(yīng)急管理系統(tǒng)

應(yīng)急管理系統(tǒng)由硬件、軟件構(gòu)成，核心目標(biāo)是使應(yīng)急相關(guān)信息（包含從下面采集來的信息和從上面下發(fā)的指令信息）在整個(gè)系統(tǒng)中安全、快速、無障礙地流通；而管理中間件的設(shè)置，則向上屏蔽了下面復(fù)雜的硬件細(xì)節(jié)，對(duì)應(yīng)用層開放一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、可編程的業(yè)務(wù)接口，使得千變?nèi)f化的應(yīng)急應(yīng)用能夠有效地調(diào)用下層的硬件資源，從而在系統(tǒng)層面將應(yīng)急應(yīng)用與應(yīng)急支撐系統(tǒng)融為一體，為應(yīng)急操作與處置提供最好的支撐。

系統(tǒng)建設(shè)過程中應(yīng)充分考慮應(yīng)急指揮系統(tǒng)的地理空間特征，可借助VRGIS技術(shù)對(duì)空間信息的形象表達(dá)能力和對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理能力，集成為應(yīng)急采集與通訊、應(yīng)急傳輸網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急數(shù)據(jù)中心、應(yīng)急管理平面，如圖4所示。四個(gè)部分之間有非常緊密的銜接和對(duì)應(yīng)，每個(gè)部分自成體系，組合在一起又構(gòu)成系統(tǒng)。

4 基于VRGIS平臺(tái)的應(yīng)急指揮系統(tǒng)功能研究

圖4 基于VRGIS平臺(tái)的智能化應(yīng)急系統(tǒng)架構(gòu)

基于VRGIS平臺(tái)海量三維數(shù)據(jù)構(gòu)建的城市級(jí)場(chǎng)景，應(yīng)急指揮系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)、地震、交通事故等災(zāi)害的應(yīng)急指揮。VRGIS平臺(tái)的三維場(chǎng)景快速構(gòu)建、緩沖區(qū)分析、最短路徑等功能都將為智能應(yīng)急提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，如圖5。結(jié)合VRGIS中的三維動(dòng)畫、碰撞效果和錄制功能，可對(duì)災(zāi)難進(jìn)行三維實(shí)時(shí)效果模擬。同時(shí)，結(jié)合救災(zāi)路線模擬和災(zāi)害預(yù)測(cè)功能對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

圖5 VRGIS平臺(tái)應(yīng)急保障

4.1 火災(zāi)三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬

VRGIS平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰、煙霧的實(shí)時(shí)模擬，如圖6。并根據(jù)火焰、火勢(shì)等數(shù)據(jù)，結(jié)合風(fēng)向、建筑物結(jié)構(gòu)、建筑物組成成分、空氣流通等因素，模擬火勢(shì)的發(fā)展，對(duì)建筑物著火部分做進(jìn)一步的預(yù)測(cè)和推斷。利用VRGIS平臺(tái)的動(dòng)畫和觸發(fā)功能，對(duì)火災(zāi)發(fā)生情況下人員如何自救等演示，也可以達(dá)到很好的教育目的。

圖6 VRGIS平臺(tái)火焰效果

4.2 水災(zāi)三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬

水災(zāi)發(fā)生時(shí)，可通過水淹分析模塊對(duì)淹沒區(qū)域、水流趨勢(shì)進(jìn)行探測(cè)和虛擬場(chǎng)景演示，如圖7。

圖7 VRGIS平臺(tái)水淹分析

4.3 交通事故三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬

對(duì)于在各類市政道路、橋梁坍塌、管道爆裂、管溝工程施工和檢修維修過程中發(fā)生的生產(chǎn)安全事故（險(xiǎn)情）導(dǎo)致的交通事故進(jìn)行三維虛擬模擬，如圖8。結(jié)合救災(zāi)模塊，對(duì)人員應(yīng)急疏通作出實(shí)時(shí)分析。利用建筑物的透明展示功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下交通工具的效果展示。當(dāng)?shù)罔F輕軌發(fā)生特別重大事故時(shí)，會(huì)使人民群眾生命財(cái)產(chǎn)和地鐵正常運(yùn)營受到嚴(yán)重威脅，通過三維實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和演示，可提高人們對(duì)交通安全的認(rèn)識(shí)。

圖8 VRGIS平臺(tái)交通事故模擬

4.4 地震災(zāi)難模擬

利用準(zhǔn)確的地理信息數(shù)據(jù)，包括矢量數(shù)據(jù)和人口位置信息，實(shí)現(xiàn)不同地震級(jí)別下的災(zāi)害三維模擬。當(dāng)?shù)卣疠^嚴(yán)重時(shí)，模擬建筑物的倒塌和人員傷亡情況，對(duì)傷亡指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，得到合理的結(jié)果。另外，對(duì)地震時(shí)人在不同位置和環(huán)境條件下如何采取正確的自救措施進(jìn)行演示。

4.5 救災(zāi)路線

模擬在地震、火災(zāi)等災(zāi)難情況下已有的救災(zāi)路線和救災(zāi)方式。通過攝像機(jī)或傳感器，獲得人體的地理坐標(biāo)，將該地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到虛擬場(chǎng)景中，實(shí)時(shí)跟蹤虛擬人體，實(shí)現(xiàn)人體的動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確定位和實(shí)時(shí)模擬，如圖9?？梢愿鶕?jù)人員的位置、建筑應(yīng)急出口、火勢(shì)情況等因素，生成當(dāng)前的最佳逃生路徑并通知逃生者，盡可能地避免人員傷亡。另外，還可以結(jié)合交通模塊對(duì)當(dāng)前的疏散路線進(jìn)行設(shè)定，并通過透明功能對(duì)緊急避難場(chǎng)所的地點(diǎn)和路線進(jìn)行顯示。

圖9 VRGIS平臺(tái)人員疏通與緊急救援模擬

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