基于智能客戶端的海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)框架

靳熙芳，王 碩，黃 娟，胡 偉，劉愛超，曹雅靜

(1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東青島 266061；2.國家海洋局北海預(yù)報中心，山東青島 266061)

基于智能客戶端的海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)框架

靳熙芳1，2，王 碩1，2，黃 娟1，2，胡 偉1，2，劉愛超1，2，曹雅靜1，2

(1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東青島 266061；2.國家海洋局北海預(yù)報中心，山東青島 266061)

隨著中國海上油氣開發(fā)強度持續(xù)加大，海上溢油事故風險等級逐步提升，溢油事故的處置急需綜合智能的應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的支持。通過綜合國內(nèi)外溢油應(yīng)急系統(tǒng)相關(guān)的最新技術(shù)，以溢油應(yīng)急處置單位的實際業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點，提出基于智能客戶端技術(shù)，建立具有“決策者視野”的適用于多部門協(xié)作的可擴展的溢油應(yīng)急輔助決策平臺，并集成溢油預(yù)測模擬算法、GIS空間分析、資源調(diào)配和決策文檔定制輸出等多項功能示范性建立渤海溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)，為綜合智能的海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的建立提供參考。

智能客戶端；溢油；應(yīng)急；輔助決策系統(tǒng)；GIS

0 引言

石油作為現(xiàn)代社會的主要能源，在全球經(jīng)濟迅速發(fā)展和人口激增的情況下，世界范圍內(nèi)的供求在不斷增長，海洋石油勘探開發(fā)規(guī)模不斷擴大，海洋運輸業(yè)高速發(fā)展，隨之而來的是海洋石油污染日趨嚴重，全球遭受重大溢油污染的事故時有發(fā)生，溢油污染己成為全球關(guān)注的環(huán)境問題。

據(jù)國家海洋局統(tǒng)計，僅1998—2008年，中國管轄海域就發(fā)生了733起船舶污染事故。同時，《2010年中國海洋環(huán)境狀況公報》顯示，“十一五”期間，海上油氣平臺數(shù)量增長近1倍，全國發(fā)生41起海洋石油勘探開發(fā)溢油污染事故。隨著中國海上油氣開發(fā)強度持續(xù)加大，各類海上溢油的風險等級和發(fā)生頻率進一步提升，溢油事故的處置急需綜合智能的應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的支持。

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》提出要開展海上突發(fā)事件應(yīng)急處理技術(shù)?！秶摇笆濉焙Ｑ罂茖W(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》進一步提出發(fā)展海洋環(huán)境災(zāi)害預(yù)警報技術(shù)，開發(fā)防災(zāi)減災(zāi)輔助決策支持及應(yīng)急示范系統(tǒng)，以及開展海洋防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)集成，構(gòu)建海洋災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警報示范系統(tǒng)，開發(fā)海洋災(zāi)害預(yù)警報產(chǎn)品和海洋災(zāi)害決策服務(wù)系統(tǒng)等多處任務(wù)要求。7·16大連溢油、19-3蓬萊油田溢油等渤海特大溢油事故的發(fā)生更進一步推進了國家和政府的政策需求，設(shè)計合理、功能實用、響應(yīng)快速、系統(tǒng)健壯的適用于多部門協(xié)作的綜合性應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)建設(shè)勢在必行。

近年來，許多國家相繼建立了針對本國海域的溢油預(yù)報系統(tǒng)，如美國的OILMAP系統(tǒng)，英國的OSIS系統(tǒng)，挪威的OILPILL/STAT系統(tǒng)，比利時的MU-SLICK系統(tǒng)，荷蘭SM4系統(tǒng)和日本溢油災(zāi)害對策系統(tǒng)等。同時，國內(nèi)外很多學(xué)者對輔助決策系統(tǒng)中影響溢油應(yīng)急處置效率的若干環(huán)節(jié)進行了研究和改進，使得溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的運算效率進一步提升，系統(tǒng)預(yù)測及決策支持時間大大縮短。Ann[1]，Cynthia[2]，許文匯[3]等對溢油應(yīng)急響應(yīng)流程及特定溢油類型進行了分析和研究，Remyalekshmi[4]，Tianyi[5]，Hong[6]等對溢油預(yù)測模型進行了研究和改進。Fu[7]，Nikolaos[8]，Karen[9]，姜獨祎[10]，Ruifu Wang[11-12]等對溢油應(yīng)急系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建以及系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)方面進行了研究。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，提出基于智能客戶端框架設(shè)計具有“決策者視野”的多用戶共享操作平臺，集成溢油漂移預(yù)測模型、業(yè)務(wù)化海洋動力預(yù)報產(chǎn)品、溢油油品庫、案例庫以及各類應(yīng)急資源設(shè)施，建立了渤海海上溢油應(yīng)急輔助決策示范系統(tǒng)，實現(xiàn)針對海上溢油事故“溢油事故遠程模擬預(yù)測——事故預(yù)測動態(tài)演示——海洋環(huán)境要素輔助分析——敏感區(qū)分析——案例分析——協(xié)作式資源調(diào)配——決策文檔輸出”的智能化業(yè)務(wù)流程應(yīng)急。

1 海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)框架設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標

本著高起點籌劃、高水平配置、高素質(zhì)建設(shè)、高效率救援的建設(shè)要求，在溢油事故發(fā)生時能夠迅速、準確、順利地完成任務(wù)，達到科學(xué)正確決策和快速應(yīng)急、高效搶險的目的，海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計定位為具有“決策者視野”的決策支持工具，在功能上集成動態(tài)監(jiān)測、決策輔助、通訊指揮功能于一體，通過多部門的綜合應(yīng)用支持快速實現(xiàn)多角度、多途徑的輔助信息集成，真正輔助決策者實現(xiàn)快速決策、有效應(yīng)急、高效搶險的決策目標。

因此，海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計將達到四個方面的設(shè)計目標：第一，滿足多部門應(yīng)急響應(yīng)人群的需求，實現(xiàn)基于Web的協(xié)作式應(yīng)急響應(yīng)功能；第二，滿足高效率的應(yīng)急響應(yīng)時間需求，系統(tǒng)從接受應(yīng)急請求到應(yīng)急決策文檔輸出的時間要遠遠超出人工經(jīng)驗決策或部分軟件支持的決策時間，實現(xiàn)少量人工干預(yù)情況下的高度自動化的應(yīng)急流程；第三，滿足系統(tǒng)功能高度集成需求，實現(xiàn)決策支持功能的全集成和擴展集成需求，達到一個系統(tǒng)能夠解決所有決策支持問題的建設(shè)高度；第四，滿足可視決策的需求，實現(xiàn)流程可視化和基于GIS技術(shù)的場景可視化功能。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

智能客戶端是一種易于部署和管理的客戶端應(yīng)用程序，它基于WebService技術(shù)實現(xiàn)對不同桌面應(yīng)用程序的可擴展式集成，通過統(tǒng)籌使用本地資源和分布式數(shù)據(jù)資源的智能連接，提供豐富的交互式功能，具有適應(yīng)性高、響應(yīng)快速的優(yōu)點。

系統(tǒng)在框架設(shè)計上選用面向服務(wù)的智能客戶端架構(gòu)，構(gòu)建基于Web服務(wù)和XML數(shù)據(jù)流的框架服務(wù)功能集，并在此基礎(chǔ)上進一步構(gòu)建基于GIS的溢油應(yīng)急輔助決策功能集合，實現(xiàn)對多部門多用戶的溢油應(yīng)急應(yīng)用協(xié)同。

海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示，其中，智能客戶端框架的建設(shè)包括以下五部分內(nèi)容：

(1)智能客戶端下載部署服務(wù)：采用富客戶端(Rich Client)技術(shù)，提供客戶端的一鍵式(Click Once)部署。

(2)運行時服務(wù)：提供系統(tǒng)的運行時服務(wù)邏輯實現(xiàn)。

(3)系統(tǒng)主界面：滿足用戶需求定制的系統(tǒng)應(yīng)用功能集合，可以為應(yīng)急系統(tǒng)具體應(yīng)用功能的鏈接集合，也可以是滿足決策者應(yīng)用的統(tǒng)計應(yīng)用組合。

(4)角色管理：基于角色的訪問控制(rolebased access control，簡稱RBAC)的用戶角色定義技術(shù)，實現(xiàn)用戶管理和與應(yīng)急業(yè)務(wù)功能集合對應(yīng)的角色管理功能。

(5)授權(quán)管理：基于RBAC的功能授權(quán)技術(shù)，向用戶提供應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)應(yīng)用功能的授權(quán)管理功能。

圖1 海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 The overall architecture of marine oil spill emergency decision making system

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)在智能客戶端框架的基礎(chǔ)上實現(xiàn)海上溢油應(yīng)急輔助決策的決策支持和綜合應(yīng)用，主要包括四部分內(nèi)容：一是在溢油應(yīng)急預(yù)測數(shù)值模式研究的基礎(chǔ)上實現(xiàn)溢油應(yīng)急決策功能，包括溢油正向/反向的預(yù)測預(yù)警和輔助決策；二是實現(xiàn)溢油應(yīng)急決策所需的決策支持功能，包括應(yīng)急情況下的資源調(diào)配和海洋環(huán)境要素查詢；三是實現(xiàn)與其他資源管理相關(guān)的輔助支持功能；四是實現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)框架管理功能。其中，在溢油應(yīng)急決策和溢油決策支持功能應(yīng)用的基礎(chǔ)上共同實現(xiàn)溢油應(yīng)急情況下決策文檔的一鍵式輸出。

溢油應(yīng)急決策功能集包括溢油預(yù)測預(yù)警和溢油溯源預(yù)測模塊。基于二維和三維溢油應(yīng)急預(yù)測模式實現(xiàn)海底、海中、海面任意溢油源的正向和反向的漂移預(yù)測和敏感區(qū)分析、案例分析、監(jiān)測分析等多種輔助分析功能，最終在決策支持模塊的支持下，自動生成綜合性的決策文檔供決策者使用。

溢油決策支持功能集：從決策者角度出發(fā)，全方位多角度的為溢油事故應(yīng)急決策提供有益信息。具體功能包括：應(yīng)急資源調(diào)配功能、WebGIS溢油模擬演示功能、海洋動力環(huán)境要素查詢功能。

溢油輔助信息管理功能集：實現(xiàn)溢油應(yīng)急決策中所需要的各種應(yīng)急資源、應(yīng)急設(shè)備以及應(yīng)急案例和應(yīng)急預(yù)案等多種資源管理的功能集合。

系統(tǒng)框架管理功能集：包括基礎(chǔ)管理和系統(tǒng)初始功能，為系統(tǒng)管理員提供系統(tǒng)應(yīng)用所需的基礎(chǔ)功能設(shè)置、權(quán)限分配以及功能擴展等操作服務(wù)。

系統(tǒng)功能組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)功能組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure figure of marine oil spill emergency decision making system functions

2 海上溢油應(yīng)急輔助決策示范系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

如圖3所示，系統(tǒng)基于智能客戶端框架技術(shù)，將四大應(yīng)用模塊功能緊密連接，實現(xiàn)針對海上溢油事故“溢油事故遠程模擬預(yù)測——事故預(yù)測動態(tài)演示——海洋環(huán)境要素輔助分析——敏感區(qū)分析——案例分析——協(xié)作式資源調(diào)配——決策文檔輸出”的智能化業(yè)務(wù)流程應(yīng)急。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程關(guān)聯(lián)關(guān)系圖Fig.3 The flow chart of marine oil spill emergency decision making system

系統(tǒng)以溢油應(yīng)急輔助決策功能為核心，核心模塊包括溢油預(yù)測預(yù)警模塊、溢油溯源預(yù)測模塊、溢油決策支持模塊，三大功能模塊為海上溢油應(yīng)急指揮提供預(yù)測預(yù)警和輔助決策服務(wù)。溢油輔助支持模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，為溢油應(yīng)急指揮決策功能提供基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)管理功能。

溢油應(yīng)急輔助決策決策應(yīng)用集合以輔助決策功能為核心，漂移預(yù)測功能為輔助決策功能提供基礎(chǔ)溢油案例和漂移結(jié)果，應(yīng)急資源調(diào)配功能和海洋動力環(huán)境要素查詢功能則為之提供有效的決策支持信息服務(wù)，最終，輔助決策功能通過動態(tài)模擬演示、綜合輔助分析和決策文檔輸出等功能信息，輔助決策人員完成溢油應(yīng)急的綜合輔助分析和決策。

溢油決策支持模塊中，WebGIS溢油事故模擬演示功能以漂移預(yù)測結(jié)果信息為基礎(chǔ)，為決策用戶提供溢油漂移結(jié)果的模擬演示功能，是為高端決策用戶提供的有效決策支持服務(wù)。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

示范系統(tǒng)選用Microsoft Visual Studio 2008為開發(fā)環(huán)境，基于WebService、ArcGIS Engine、ArcGIS Service技術(shù)，采用Sql Server 2008數(shù)據(jù)庫和ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)溢油應(yīng)急輔助決策應(yīng)用平臺的研發(fā)。

2.2.1 基于智能客戶端的系統(tǒng)運行框架

運行框架設(shè)計采用與具體應(yīng)用無關(guān)的設(shè)計思想，采用微內(nèi)核的插件架構(gòu)模式，開發(fā)“可復(fù)用的框架+插件集合”兩大模塊，實現(xiàn)對.NET Winforms、ActiveX控件、Web界面及第三方可執(zhí)行程序的可擴展式應(yīng)用集成，使運行框架具有既能支持多種技術(shù)的插入，又與各種技術(shù)的集成保持松耦合的特性。

圖4 基于智能客戶端架構(gòu)的系統(tǒng)運行框架Fig.4 The system operation framework based on the smart client architecture

運行框架實現(xiàn)通用的系統(tǒng)管理和授權(quán)管理控制功能，向用戶提供一個應(yīng)用系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)環(huán)境和基本功能：

(1)提供系統(tǒng)的會話管理和上下文管理功能。

(2)提供客戶端與服務(wù)器之間通信的封裝，并為后期開發(fā)提供可擴展性支持。

(3)提供框架執(zhí)行的事件機制，支持通過事件(觀察者模式)的擴展。

(4)提供客戶端運行框架的服務(wù)調(diào)用接口(命令模式)。

(5)提供客戶端框架的異常處理。

2.2.2 基于實時海洋預(yù)報的溢油遠程漂移預(yù)測

基于Webservice技術(shù)，通過專線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)事故應(yīng)急單位與海洋環(huán)境動力預(yù)報部門的雙服務(wù)器運行模式。其中，海洋環(huán)境動力預(yù)報部門部署被編譯成動態(tài)鏈接庫文件(.dll)的溢油漂移預(yù)測模式，充分利用高性能計算機的計算優(yōu)勢保障溢油預(yù)測模式的快速計算。用戶客戶端發(fā)送溢油計算請求之后，通過事故應(yīng)急單位服務(wù)器端與海洋環(huán)境動力預(yù)報部門服務(wù)器端進行通信，調(diào)用海洋預(yù)報部門高性能計算機上的溢油漂移預(yù)測模式，并應(yīng)用海洋部門業(yè)務(wù)化運行的風浪流海洋環(huán)境動力預(yù)報數(shù)據(jù)進行計算，計算過程通過系統(tǒng)編程實現(xiàn)流程的自動化控制和數(shù)據(jù)通信。溢油預(yù)測創(chuàng)造性實現(xiàn)了與遠程海洋環(huán)境動力場的自動銜接，充分保證了溢油預(yù)測的高效率和準確度。溢油遠程計算流程圖如圖5。

圖5 溢油遠程計算流程Fig.5 The flow chart of oil spill remote computing

2.2.3 溢油應(yīng)急處置案例分析

針對用戶歷史案例對比決策的業(yè)務(wù)需求，根據(jù)當前溢油事故模擬情況，實現(xiàn)相似位置案例列表獲取以及相似條件案例列表獲取功能。其中，相似位置案例列表獲取功能需要基于GIS的空間分析功能實現(xiàn)指定緩沖區(qū)范圍內(nèi)案例列表的獲取。案例分析定制界面如圖6，自動緩沖區(qū)設(shè)置界面如圖7。

2.2.4 溢油應(yīng)急處置決策文檔生成

在項目中引用VBA組件，并添加對Microsoft.Office.Interop.Word.dll的引用，實現(xiàn)對文檔指定位置和指定內(nèi)容的修改，將分析決策的結(jié)果以文字、圖片或表格的形式填充到?jīng)Q策文檔中。本文實現(xiàn)的溢油應(yīng)急決策文檔定制界面如圖8。

圖6 案例分析功能Fig.6 The customization interface of case analysis

圖7 自動緩沖區(qū)設(shè)置界面Fig.7 The setting interface of automatic buffer

圖8 溢油應(yīng)急決策文檔定制功能Fig.8 The customization interface of oil spill emergency decision making documents

3 結(jié)束語

本文基于當前溢油事故應(yīng)急輔助決策服務(wù)的需求，提出了利用智能客戶端技術(shù)構(gòu)建可擴展的應(yīng)用集成框架思路，并在此基礎(chǔ)上搭建了渤海海上溢油應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)，示范性建立了針對渤海溢油事故“溢油事故遠程模擬預(yù)測——事故預(yù)測動態(tài)演示——海洋環(huán)境要素輔助分析——敏感區(qū)分析——案例分析——協(xié)作式資源調(diào)配——決策文檔輸出”的智能化業(yè)務(wù)應(yīng)急流程，實現(xiàn)了適合業(yè)務(wù)化需求的多部門、多用戶的聯(lián)合應(yīng)急應(yīng)用協(xié)同，大大縮短了溢油應(yīng)急響應(yīng)的時間，提高了溢油應(yīng)急效率。

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A Framework of Marine Oil Spill Emergency Decision Making System Based on Smart Client

Jin Xifang1，2，Wang Shuo1，2，Huang Juan1，2，Hu Wei1，2，Zhong Shan1，2，Cao Yajing1，2
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266001，China；2.North Sea Marine Forecast Center of State Oceanic Administration，Qingdao 266001，China)

A comprehensive and intelligent emergency decision making system is urgently needed to deal with oil spill accidents，for the risk level of marine oil spill has been further raised due to the increasing intensity of Chinese marine oil exploit.On the basis of the actual operational needs of oil spill emergency departments，we proposed a smart extensible framework with a“decision-maker’s view”，integrating the latest technology of home and abroad in oil spill emergency system.This framework is based on the Smart Client technology and can realize cooperation between different offices.Meanwhile，we introduced Bohai Sea oil spill emergency demonstration system with such functions as oil spill numerical model，GIS spatial analysis，resources allocation and customized output of decision making documents to provide some reference for designing and building a comprehensive and intelligent marine oil spill emergency decision making system.

Smart Client；oil spill；emergency；decision making system；GIS

X550.5

：B

：1673-8047(2015)04-0076-07

2015-05-25

山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室開放基金(2012013)；國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室課題(201510)；國家海洋局公益性項目(201205012)

靳熙芳(1981—)，女，碩士，高級工程師，主要從事海洋信息軟件研發(fā)、海洋遙感監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)工作。