云南地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)優(yōu)化研究1

李 敏 許瑞杰 李永強(qiáng)

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云南地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)優(yōu)化研究1

李 敏 許瑞杰 李永強(qiáng)

（云南省地震局，昆明 650224）

地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)是各級地震應(yīng)急指揮技術(shù)平臺的重要組成部分，自建成以來在全國歷次破壞性地震應(yīng)急處置工作中發(fā)揮了突出作用。本文基于現(xiàn)有地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)，以云南為例，開展了針對評估功能構(gòu)架和數(shù)據(jù)傳遞流程的研究，從軟件工程的角度探索能夠優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)評估效率的方法，提升了評估產(chǎn)品的產(chǎn)出速度，并通過模擬震例進(jìn)行技術(shù)驗證。

評估系統(tǒng) 算法 速度 優(yōu)化

引言

地震是人類面臨的主要自然災(zāi)害之一。突發(fā)的破壞性地震不僅會造成建筑物和生命線工程的損壞，也會導(dǎo)致災(zāi)區(qū)人員傷亡，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和難以估量的間接損失（馬玉宏等，2001）?！笆屙椖俊苯ㄔO(shè)以來，我國在地震應(yīng)急指揮模式、應(yīng)急指揮技術(shù)體系、地震應(yīng)急管理、地震快速評估等方面開展了較多的研究工作。姜立新等（2003a）在“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)工程”的推動下，建成了覆蓋國家、區(qū)域、重點城市、災(zāi)害現(xiàn)場的4級應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，促使應(yīng)急指揮模式發(fā)生了較大變化，應(yīng)急響應(yīng)從傳統(tǒng)分散型模式轉(zhuǎn)化為集現(xiàn)代計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、災(zāi)害評估和指揮決策等技術(shù)為一體的綜合性應(yīng)急體系。系統(tǒng)通過快速評估、動態(tài)跟蹤、輔助決策和信息管理，為地震應(yīng)急指揮提供了基本信息、決策參考依據(jù)和必要的技術(shù)手段（姜立新等，2003b）。系統(tǒng)建成以來，為地震應(yīng)急指揮提供了豐富的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，在提高破壞性地震快速響應(yīng)、應(yīng)急產(chǎn)出服務(wù)能力方面發(fā)揮了積極的作用（帥向華等，2009）。

地震應(yīng)急的損失評估與決策工作是地震應(yīng)急救援的基礎(chǔ)，它在應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐下，對地震可能造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等進(jìn)行科學(xué)的預(yù)估，為地震應(yīng)急救援決策提供支持（聶高眾等，2011）。隨著地震應(yīng)急指揮體系的開放性、共享性、互聯(lián)程度不斷提高，應(yīng)急快速評估工作逐漸成為各級地震應(yīng)急技術(shù)平臺體系應(yīng)用、運維的核心業(yè)務(wù)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，為了推動地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，全國地震應(yīng)急技術(shù)從業(yè)者在地震應(yīng)急評估領(lǐng)域開展了諸多優(yōu)化研究工作。為解決大區(qū)域評估時建筑物分散性問題，蔡宗文等（2009）在傳統(tǒng)震害模型的基礎(chǔ)上，提出了基于人口統(tǒng)計資料的震害預(yù)測模型及方法，取得了較好的實用效果；楊天青等（2005）通過對地震應(yīng)急快速評估結(jié)果與實際地震現(xiàn)場調(diào)查經(jīng)濟(jì)損失結(jié)果進(jìn)行比對，從建筑物單價和建筑物損失比的角度進(jìn)行分析，形成一套地震應(yīng)急快速評估的直接經(jīng)濟(jì)損失修正模型，在一定程度上提升了地震快速評估經(jīng)濟(jì)損失的精確性；云南省地震局依托地震行業(yè)科研專項，從評估模型入手，通過分析西南高原山地環(huán)境下的災(zāi)害損失特征，形成了一套適合西南地區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境的本地化評估模型。這些研究工作極大地促進(jìn)了應(yīng)急評估系統(tǒng)的發(fā)展，在歷次地震應(yīng)急處置工作中發(fā)揮了積極的作用。但近年來，特別是汶川和玉樹地震發(fā)生后，國家、社會、公眾對地震應(yīng)急處置的關(guān)注度達(dá)到空前的程度，要求以更快的速度獲取災(zāi)情、進(jìn)行快速評估并發(fā)布，這就對應(yīng)急響應(yīng)和處置工作提出了新要求和挑戰(zhàn)。以往的研究工作較少涉及提升評估系統(tǒng)產(chǎn)出的效率，因此，本文擬針對云南地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)，從軟件工程的角度，探索一套能夠優(yōu)化現(xiàn)有評估算法和產(chǎn)出結(jié)構(gòu)的方法，以提升現(xiàn)有系統(tǒng)的評估速度。

1 云南地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析

地震應(yīng)急快速評估是指在地震發(fā)生后接到地震速報參數(shù)的30分鐘內(nèi)，依據(jù)烈度衰減模型估計災(zāi)區(qū)的影響范圍，再根據(jù)所掌握的災(zāi)區(qū)建筑物及人口分布等統(tǒng)計資料，估計災(zāi)區(qū)建筑物破壞的直接經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡等情況（楊天青等，2005）。其產(chǎn)出的成果可在第一時間為信息獲取空窗期的指揮決策工作提供詳細(xì)的震區(qū)基礎(chǔ)信息，模擬計算震區(qū)影響范圍，預(yù)評估人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失情況，并提出救援輔助決策建議，進(jìn)而為指揮部科學(xué)高效地開展應(yīng)急處置工作提供科技保障支持。

云南地震災(zāi)害應(yīng)急指揮中心融合了近年地震科研和工程建設(shè)成果，于2013年研發(fā)完成并建立了一套地震綜合應(yīng)急快速評估系統(tǒng)，同年投入運行?；谠撓到y(tǒng)，可以快速產(chǎn)出震區(qū)基礎(chǔ)信息、烈度影響場評估、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、滑坡風(fēng)險等初評估結(jié)果以及應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)等級啟動建議、對策建議等輔助資料，為地震應(yīng)急指揮決策、災(zāi)害損失評估、政府指導(dǎo)抗震救災(zāi)工作提供了基礎(chǔ)參考信息，提高了地震應(yīng)急科技保障服務(wù)能力（曹彥波等，2016）。

筆者使用該系統(tǒng)，從云南省典型地震多發(fā)區(qū)域選取了60個地點，以6.5、7.0和7.5這3個震級檔開展模擬評估，評估過程以模擬地震三要素開始，以產(chǎn)出全部災(zāi)情簡報、震區(qū)基本情況文檔、對策建議報告、影響場評估數(shù)據(jù)和33幅專題地圖為結(jié)尾。評估產(chǎn)品產(chǎn)出規(guī)定如表1所示。

表1 系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計表

經(jīng)過評估，產(chǎn)出時間統(tǒng)計如表2所示。

表2 原型系統(tǒng)的典型地震評估產(chǎn)出時間統(tǒng)計表

從表2中可以看出，除個別涉及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、高人口密集區(qū)的評估樣本耗時較長外，設(shè)定地震在3個評估區(qū)域快速評估時間均值為5—10分鐘，結(jié)合云南近年來20余次破壞性地震快速評估情況，地震發(fā)生后開展快速評估工作至報告產(chǎn)出送達(dá)指揮部，至少需要10—15分鐘。而地震應(yīng)急是一項準(zhǔn)軍事化行動，時間緊迫、事關(guān)重大是該行動的突出特點，其關(guān)鍵點在于能否在最短的時間內(nèi)做出科學(xué)合理的決策并付諸行動（鄧硯等，2005）。因此，如何有效壓縮評估時間，盡快獲取災(zāi)情評估報告，在較大程度上影響著指揮部領(lǐng)導(dǎo)快速掌握震情、災(zāi)情并做出應(yīng)急指揮決策的關(guān)鍵時間點。

2 系統(tǒng)構(gòu)架分析

云南地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)采用C/S系統(tǒng)構(gòu)架，是將外部數(shù)據(jù)庫、模型庫及Office辦公軟件與GIS集成為一體的系統(tǒng)（李西等，2009；曹彥波等，2013），其構(gòu)架如圖1所示。

圖1 地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

筆者經(jīng)過構(gòu)架分析，將該系統(tǒng)的評估流程分為7個部分，如圖2所示。其運行流程如下：在輸入地震三要素（時間、地點和震級）后，該系統(tǒng)首先調(diào)用arcgis后臺進(jìn)程，根據(jù)烈度影響場模型，運算得出該次地震的烈度影響場數(shù)據(jù)，繼而使用該數(shù)據(jù)依次調(diào)用人員傷亡、房屋破壞、經(jīng)濟(jì)損失、次生災(zāi)害等單體模型，訪問基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行運算，將運算結(jié)果導(dǎo)入評估報告模板和專題圖模板，分別產(chǎn)出最終評估報告、應(yīng)急專題圖及其他輔助決策資料。

圖2 地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)計算流程示意圖

以云南省內(nèi)7.5級典型地震為例，從系統(tǒng)評估時間線來看（圖3），該系統(tǒng)在進(jìn)行地震快速評估運算時，主要運算壓力集中在調(diào)用評估模型、訪問數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模型評估這一段。該階段運算消耗時間占總評估時間的45%。因此，筆者考慮從該階段的模型評估和數(shù)據(jù)調(diào)用入手，進(jìn)一步優(yōu)化評估結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)算法，以達(dá)到壓縮運算時間，加快評估速度的目的。

圖3 系統(tǒng)運行時間節(jié)點示意圖

3 運算時間代價分析

如圖2所示，該系統(tǒng)評估占用時間主要集中在第3至第5階段，筆者深入分析了該系統(tǒng)評估結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳遞流程，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有評估系統(tǒng)存在以下問題：

（1）串行分步計算導(dǎo)致運算時間代價過高。

系統(tǒng)在完成影響場評估后，會調(diào)用多個模塊化評估模型，訪問數(shù)據(jù)庫，調(diào)用數(shù)據(jù)分層進(jìn)行計算。由于系統(tǒng)采用串行分步式算法，該系統(tǒng)對人員傷亡、房屋破壞、經(jīng)濟(jì)損失、次生災(zāi)害等評估模型的調(diào)用需要依次進(jìn)行，導(dǎo)致該評估階段的運算時間代價過高。

（2）未設(shè)計緩存池導(dǎo)致數(shù)據(jù)運算嚴(yán)重受制于設(shè)備機(jī)械性能。

以云南地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)構(gòu)架為例，該系統(tǒng)運算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用10k轉(zhuǎn)速SAS機(jī)械硬盤作為數(shù)據(jù)存儲盤，運行Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，由于系統(tǒng)設(shè)計時未設(shè)立數(shù)據(jù)緩存機(jī)制，每當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)程訪問數(shù)據(jù)接口時，建立連接后必須直接讀取物理硬盤，其讀寫速度嚴(yán)重受制于設(shè)備機(jī)械性能。

4 計算流程和算法優(yōu)化設(shè)計

筆者從系統(tǒng)評估結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳遞流程兩方面入手，針對上文論述的兩個方面的問題進(jìn)行了改進(jìn)。

（1）多線程并發(fā)同步運算

多線程并發(fā)計算或稱平行計算，是相對于串行計算的一種同步執(zhí)行多個指令的算法，目的是提高計算速度，及通過擴(kuò)大問題求解規(guī)模，解決大型而復(fù)雜的計算問題，可以從時間上和空間上并行執(zhí)行計算，從而達(dá)到縮減運算時間的目的。

圖4 多線程并行運行示意圖

如圖4所示，在系統(tǒng)完成影響場運算后，通過建立線程池，執(zhí)行并行線程，分別調(diào)用5個子模型進(jìn)行運算，各自獨立承擔(dān)人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、房屋破壞、次生災(zāi)害和對策建議評估5個運算項目，運算完成后再各自返回計算結(jié)果進(jìn)入下一運算流程。多個模型同步計算，達(dá)到了縮短運算時間的目的。其多線程實現(xiàn)關(guān)鍵代碼如下：

public class Concurrent {

private static final int THREAD_MAX = 5;

private static ExecutorService POOL = Executors. newFixedThreadPool (THREAD_ MAX );

public static void main(String[] args) {

for (int i=0; i

POOL.execute( new Runnable() {

@Override

public void run() {

try {

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

} );

}

POOL.shutdown();

System.out.println( "DONE!" );

}

（2）建立數(shù)據(jù)緩存池

數(shù)據(jù)庫緩存池的核心思想是連接的復(fù)用，換言之就是為數(shù)據(jù)庫連接建立一個“緩沖池”以及一套連接使用、分配和管理策略，預(yù)先在緩沖池中映射部分物理數(shù)據(jù)庫并提供虛擬接口，當(dāng)需要與數(shù)據(jù)庫建立連接時，先從數(shù)據(jù)緩存池中快速讀寫需要的數(shù)據(jù)，使得池中的連接得到高效、安全的復(fù)用，避免了與數(shù)據(jù)庫頻繁建立和關(guān)閉連接的開銷。

基于Redis 2.0緩存系統(tǒng)，在物理數(shù)據(jù)庫前端設(shè)置了數(shù)據(jù)緩存池，如圖5所示，當(dāng)評估主進(jìn)程需要訪問數(shù)據(jù)庫時，不直接訪問物理數(shù)據(jù)庫，而是訪問建立在物理數(shù)據(jù)庫前的虛擬數(shù)據(jù)池，這樣的系統(tǒng)構(gòu)架可帶來兩個優(yōu)勢：

圖5 緩存池組成示意圖

一是縮短了訪問時間。當(dāng)主進(jìn)程訪問數(shù)據(jù)緩存池時，由于緩存池是在系統(tǒng)內(nèi)存中運行的，其讀取速度可達(dá)到10GB/s數(shù)量級，相較物理數(shù)據(jù)庫而言速度提升了2個數(shù)量級，同時，連接池中的連接是內(nèi)存中已準(zhǔn)備好的，并可以重復(fù)使用的，減少了連接的創(chuàng)建時間，獲取后可以直接訪問數(shù)據(jù)庫，因此減少了連接創(chuàng)建的次數(shù)和讀取時間。

二是增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)穩(wěn)定性。筆者在測試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)用進(jìn)程訪問數(shù)據(jù)庫時，如果不使用數(shù)據(jù)緩存池，每次訪問數(shù)據(jù)庫都需要創(chuàng)建一個連接，這樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性受系統(tǒng)的連接需求影響很大，很容易產(chǎn)生資源浪費和高負(fù)載異常。緩存池的建立能夠使性能最大化，將資源占用控制在一定水平之下。同時，我們可以設(shè)置訪問策略，通過數(shù)據(jù)緩存池來控制系統(tǒng)中的連接數(shù)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)量運算時的穩(wěn)定性。

5 原型系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)驗證

筆者通過調(diào)整并行線程算法和建立數(shù)據(jù)緩存池兩種方法分別從算法和數(shù)據(jù)架構(gòu)方面對云南地震應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行了重構(gòu)優(yōu)化，其優(yōu)化后的構(gòu)架及數(shù)據(jù)傳遞流程方式如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后原型系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

運行優(yōu)化后的原型系統(tǒng)對地震進(jìn)行快速評估，同時隨機(jī)選擇了省內(nèi)部分模擬點位進(jìn)行評估測試，其評估運行結(jié)果如圖7—圖10。

由圖7—圖10可以看出，經(jīng)過構(gòu)架優(yōu)化和設(shè)置數(shù)據(jù)緩存池后的評估系統(tǒng)，對4.9、5.5、6.5和7.0級地震評估耗時分別為：2分18秒、2分21秒、2分55秒和3分26秒，在1個真實地震和3個測試地震評估中均有效地縮短了評估時間。

使用優(yōu)化后的原型系統(tǒng)重新對本文第1章節(jié)所選取的云南省典型地震多發(fā)區(qū)域的60個點位進(jìn)行模擬評估，系統(tǒng)優(yōu)化后的評估統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

圖7 M 4.9級真實地震評估圖

圖8 M 5.5級測試地震評估圖

圖9 M 6.5級測試地震評估圖

圖10 M 7.0級測試地震評估圖

表3 優(yōu)化后系統(tǒng)評估時間統(tǒng)計表

對優(yōu)化前和優(yōu)化后的評估時間進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和算法后的評估系統(tǒng)，針對云南3個重點危險區(qū)的60個模擬地震點位評估效率得到極大提升，6.5級評估速度提升約45%—50%，7.0級提升約47%—53%，7.5級提升約49%—52%，其中6.5級和7.0級評估最短耗時控制在3分鐘以內(nèi)，7.5級遭遇高經(jīng)濟(jì)、人口密集地區(qū)模擬評估時間也進(jìn)一步壓縮至8分鐘以內(nèi)，整體評估效率較原系統(tǒng)有提升顯著。

6 總結(jié)和討論

地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)是各級地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分，是引導(dǎo)指揮部開展地震應(yīng)急處置、做出科學(xué)決策的重要基石。本文基于現(xiàn)有地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)，開展針對評估功能構(gòu)架和數(shù)據(jù)傳遞流程的研究，找到了一套能夠優(yōu)化評估算法和結(jié)構(gòu)、提升現(xiàn)有系統(tǒng)評估效率的方法，為將來大震巨災(zāi)地震應(yīng)急快速評估工作提供一定的技術(shù)原型和理論研究基礎(chǔ)。

圖11 系統(tǒng)優(yōu)化前后評估時間對比圖

本文所采用的優(yōu)化方法未涉及模型算法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，僅從軟件工程的角度來進(jìn)行，由于未改變原系統(tǒng)專業(yè)模型運算方法，各模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)分層處理后運行穩(wěn)定快速，達(dá)到了提升運算效率的目的。優(yōu)化思路和方法適用于目前大多數(shù)省級地震應(yīng)急評估系統(tǒng)，在架構(gòu)和算法方面對未來該類新建系統(tǒng)的研發(fā)也具有一定的參考意義。

本原型系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化后，在云南魯?shù)?.9級地震應(yīng)急處置工作中得到首次實戰(zhàn)應(yīng)用，初次評估時間為2分18秒，產(chǎn)出內(nèi)容包括8份評估報告、1份影響場評估數(shù)據(jù)以及33幅專題地圖，初次修正評估時間進(jìn)一步縮短至1分45秒，實戰(zhàn)評估效率較以往地震應(yīng)急響應(yīng)有較大提高，為指揮部快速做出應(yīng)急決策部署提供了高效率的科技支撐，起到了一定的減災(zāi)實效。

地震快速評估是一個系統(tǒng)工程，涉及到數(shù)據(jù)、模型、軟件、集成等諸多問題，隨著應(yīng)急技術(shù)的不斷發(fā)展，各級政府和民眾對應(yīng)急響應(yīng)期內(nèi)的科技產(chǎn)品服務(wù)內(nèi)容、表達(dá)形式、產(chǎn)出速度的要求也在不斷變化提升。地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)作為地震應(yīng)急技術(shù)系統(tǒng)的核心組成部分，未來其評估精確化、運行智能化和產(chǎn)品服務(wù)化的應(yīng)用發(fā)展還大有可為，還需要我們進(jìn)行不斷地探索和研究。

蔡宗文，危福泉，方宏芳等，2009．基于行政村分布的漳州市城鄉(xiāng)震害快速評估系統(tǒng)實現(xiàn)．震災(zāi)防御技術(shù)，4（3）：328—334．

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Research on Optimization of Rapid Assessment System of Yunnan Earthquake Emergency

Li Min, Xu Ruijie and Li Yongqiang

(Yunnan Earthquake Agency, Kunming 650224, China)

The earthquake emergency rapid assessment system is an important component of the earthquake emergency command technology platform at all levels. It has played a prominent role in the construction of the devastating earthquake emergency work since development. Take the existing earthquake emergency assessment system as an example, we explore the method of optimizing the efficiency of existing system evaluation. From the perspective of software engineering, the evaluation function framework and data transfer process improve the output speed of the product, and set up the simulation earthquake to verify the technology.

Evaluation system; Algorithm; Velocity; Optimization

李敏，許瑞杰，李永強(qiáng)，2018．云南地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)優(yōu)化研究．震災(zāi)防御技術(shù)，13（1）：177—186．

10.11899/zzfy20180116

中國地震局震災(zāi)應(yīng)急救援司專項課題“地震應(yīng)急公共服務(wù)平臺研發(fā)”和“基于高烈度人口密集區(qū)的地震應(yīng)急快速評估方法優(yōu)化研究”

2017-01-11

李敏，男，生于1985年。工程師。從事地震應(yīng)急管理與應(yīng)急技術(shù)研究、技術(shù)系統(tǒng)運維管理、應(yīng)急軟件及網(wǎng)絡(luò)開發(fā)、空間數(shù)據(jù)庫集成方面的工作，長期參與地震應(yīng)急科技保障工作。E-mail：274430881@qq.com