城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)優(yōu)化設計

王 君

(中南大學 商學院，湖南 長沙 410083)

國家由不同的城市構成，隨著時代的發(fā)展城市進程加快，城市災害的預防與救助是國家和諧發(fā)展的重要保障[1]。地震、臺風、洪水、火災引起的次生災害導致有毒氣體泄露、傳染病盛行，造成大量生命財產(chǎn)損失，城市災害日漸成為城市管理矛盾尖銳的關鍵性因子。因此，城市災害的預防成為相關人員重點關注問題，大部分城市已經(jīng)構建城市防災應急管理體系，但是部分城市防災應急信息系統(tǒng)仍存在一定的缺陷。

郭紅梅等人[2]對城鎮(zhèn)地震防災與應急處置一體化服務系統(tǒng)進行詳細的研究與分析，實現(xiàn)防災救災的一體化，但是其數(shù)據(jù)庫的設計存在單一、匱乏的缺點，難以獲取全面的災害應急信息，相應的措施缺乏科學依據(jù)；王大鵬[3]采用物聯(lián)網(wǎng)技術對城市災害信息進行分析，該系統(tǒng)的設計圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術展開，采用多個傳感器實時獲取城市災害中的有效數(shù)據(jù)，但是缺乏災害信息的同步整合過程，用戶難以實時獲取有效的城市災情信息；黃三等人[4]對于分布式槽波地震數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了對槽波地震的有效監(jiān)測與數(shù)據(jù)獲取，但是缺乏對于地震災害數(shù)據(jù)的有效整合，用戶采用該系統(tǒng)獲取的災情信息缺乏系統(tǒng)性，難以做出有效的救災決策。

針對上述城市防災應急信息系統(tǒng)存在的問題，對城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，從系統(tǒng)的總體結構、硬件設計、軟件設計三方面展開研究，實現(xiàn)城市災情信息的有效同步整合，完成系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

圖1 城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)總體結構

1 城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)優(yōu)化設計

1.1 系統(tǒng)總體結構

優(yōu)化設計的城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)以基于數(shù)據(jù)倉庫的決策支持系統(tǒng)(DSS)作為核心體系[5]，依據(jù)城市防災應急的需求采用多種數(shù)據(jù)處理方法，對城市災情信息實施采集、處理、轉(zhuǎn)換、計算、加載等操作完善數(shù)據(jù)倉庫，城市災情信息數(shù)據(jù)以可分析報表、可視化移動圖形的形式呈現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)城市災情信息的同步整合[6]，完成系統(tǒng)的優(yōu)化設計，優(yōu)化系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)的硬件構成如圖2所示。從圖2能夠看出，信息采集模塊、信息處理模塊、庫管理模塊、幫助模塊以及信息輸出模塊是系統(tǒng)硬件的主要構成部分，對其中部分模塊進行詳細介紹，具體內(nèi)容如下。

圖2 系統(tǒng)硬件構成圖

1.2.1 信息采集模塊

系統(tǒng)中信息采集模塊的結構圖用圖3描述。分析圖3能夠看出，CC2530是信息采集模塊的核心部分[7]，無線通信模塊、數(shù)據(jù)錄入模塊、鍵盤以及數(shù)據(jù)存儲模塊等構成了信息采集模塊的主體部分。后臺工作人員采用鍵盤或者無線通信模塊，通過數(shù)據(jù)錄入模塊將災情信息輸入到系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲模塊將對災情信息進行保存。

圖3 信息采集模塊

1.2.2 信息處理模塊

信息處理模塊的功能是向用戶提供城市災情信息的查詢、統(tǒng)計與分析服務。對于城市防災應急信息的查詢與檢索時需要保留初始數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶的查詢與檢索指令實施數(shù)據(jù)處理[8]；系統(tǒng)通過其它途徑采集到更多的數(shù)據(jù)以保證災情信息的廣泛性，因此需對這一部分數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分類，從中得到符合要求的數(shù)據(jù)；根據(jù)用戶的特殊請求對災情信息數(shù)據(jù)進行分析，完成城市防災應急信息數(shù)據(jù)的處理。

1.2.3 信息輸出模塊

城市防災應急信息數(shù)據(jù)的輸出以屏幕顯示、報表打印、制圖輸出的方式呈現(xiàn)，這些內(nèi)容也是信息輸出模塊的主要功能。系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)并不會全部輸出，重要的數(shù)據(jù)信息具有保密性[9]；對于共享的信息可提供顯示、打印與輸出服務。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

1.3.1 災情數(shù)據(jù)計算模型

(1)建筑物破壞狀態(tài)計算模型

系統(tǒng)將城市中的社區(qū)作為建筑物破壞狀態(tài)評估的單位，建筑物破壞狀態(tài)比例的獲取方法用公式(1)表示：

(1)

(2)

式中：城市社區(qū)的建筑物第q種破壞狀態(tài)比例用BMq表示，破壞狀態(tài)包括基本完好，輕微破壞，中等破壞，嚴重破壞以及毀壞；單棟建筑破壞狀態(tài)的概率用Mkq表示；單棟樓房的面積用Gk表示；小區(qū)的全部建筑面積用G表示。

(2)經(jīng)濟損失計算模型

系統(tǒng)同樣將城市中的小區(qū)作為經(jīng)濟損失計算的單位，小區(qū)中每棟樓房經(jīng)濟損失的計算方法為：

(3)

式中：Hk為建筑損失額；Pdk為建筑物價值，即建筑面積與單位面積造價的乘積；Plk為室內(nèi)財產(chǎn)價值；Mq為建筑破壞狀態(tài)的概率；adq為建筑損失比，alq為室內(nèi)財產(chǎn)損失比，可參照表1來獲取。

表1 城市建筑與室內(nèi)財產(chǎn)損失比 %

上述模型的構建，保證基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)生成建筑物破壞狀態(tài)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟損失數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合與系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

1.3.2 基于OLAP技術的系統(tǒng)優(yōu)化設計

通過上述方法能夠獲取城市災情的同步信息，用戶可以實時了解災情的狀況，以做出有利決策。系統(tǒng)需要一個可靠性強的災情數(shù)據(jù)分析處理平臺對獲取的災情數(shù)據(jù)實施預處理、轉(zhuǎn)換、計算、固有知識體系的完善等操作[10]。因為城市防災涉及的數(shù)據(jù)范圍極廣、數(shù)量巨大，災情信息數(shù)據(jù)的同步整合優(yōu)化是進行有效抗災救災的關鍵性保障，系統(tǒng)采用OLAP技術實現(xiàn)該平臺的優(yōu)化。

系統(tǒng)中多維災情信息的同步查詢可通過OLAP技術實現(xiàn)[11]，具體的實現(xiàn)過程為：進入多維數(shù)據(jù)庫查詢多維信息，此時平臺將對信息實施動態(tài)分析，通過可視化操作平臺以模型交互的形式將獲取的多維信息查詢結果呈現(xiàn)給用戶[12]。隨著Internet技術不斷發(fā)展，Web與OLAP技術相互補充形成新的基于Web的OLAP系統(tǒng)，該系統(tǒng)日益得到廣泛應用。Browser/Server/ Server結構是基于Web的OLAP系統(tǒng)的核心架構[13]，圖4為基于Web的OLAP系統(tǒng)結構。分析圖4可得，HTTP協(xié)議將用戶的請求傳遞給Web服務器，當HTTP請求被接收時，Web服務器將用戶請求的轉(zhuǎn)換為靜態(tài)HTML頁面或動態(tài)jsp頁面的形式進行呈現(xiàn)，同時將用戶請求傳輸給應用服務器，此時SQL語句會替代HTML頁面存在，在SQL語句基礎上完成OLAP服務器的分析工作獲取的結果將在HTML頁面中顯示[14]，用戶通過Web服務器與Web瀏覽器接受到請求響應。基于Web的OLAP系統(tǒng)結構的應用存在以下優(yōu)勢[15]：一方面，用戶采用瀏覽器即可訪問數(shù)據(jù)倉庫，具有快速、便捷的優(yōu)勢；另一方面，由于接口的統(tǒng)一性與頁面的同類性，用戶對于數(shù)據(jù)倉庫的訪問采用TCP/IP協(xié)議即可實現(xiàn)。該設計做到了城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合，實現(xiàn)系統(tǒng)跨區(qū)域、跨平臺的使用，最終實現(xiàn)城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

圖4 基于Web的OLAP系統(tǒng)結構

2 模型實驗分析

2.1 系統(tǒng)有效性驗證

為驗證本文系統(tǒng)的有效性，采用本文系統(tǒng)對6級地震下某市進行防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合仿真實驗，記錄實驗仿真結果分別見表2和圖5，表2為該市災害中經(jīng)濟預測結果，圖5為該市建筑物損壞情況。分析表2中的數(shù)據(jù)可以得出，本文系統(tǒng)能夠給出該市各種類型的經(jīng)濟損失量，驗證了本文系統(tǒng)在城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合方面的有效性。

表2 6級地震下經(jīng)濟損失計算結果

圖5 建筑物損壞情況比重

通過圖5能夠看出不同損壞程度的建筑物在該市的分布狀況，圖5中數(shù)據(jù)表明，本文系統(tǒng)能夠?qū)Τ鞘蟹罏膽毙畔?shù)據(jù)進行有效同步整合，驗證了本文系統(tǒng)的有效性，實現(xiàn)城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢響應時間分析

為驗證本文系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)響應速度快的優(yōu)勢，采用本文系統(tǒng)與基于物聯(lián)網(wǎng)技術的災害信息分析系統(tǒng)、分布式槽波地震數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)同時進行數(shù)據(jù)查詢響應時間測試，將數(shù)據(jù)響應時間進行對比，對比結果如圖6所示。分析圖6能夠看出三種系統(tǒng)對于不同查詢的時間響應情況，本文系統(tǒng)位于曲線圖的最下方，分布式槽波地震數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)位于曲線圖的中間位置，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的災害信息分析系統(tǒng)位于曲線圖的最上方。詳細分析三種形態(tài)的曲線可知，本文系統(tǒng)在5次數(shù)據(jù)查詢中的響應時間分別為1.0 s、1.2 s、1.3 s、1.2 s、1.2 s，其最大響應時間為1.3 s，最小響應時間為1.2 s，差值僅為0.1 s，說明本文系統(tǒng)的查詢響應時間波動較小，穩(wěn)定性較好；分布式槽波地震數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)的查詢響應時間呈逐漸上升趨勢，但其最短的查詢響應時間為3.0 s，最長查詢響應時間高達3.5 s，遠遠高于本文系統(tǒng)；基于物聯(lián)網(wǎng)技術的災害信息分析系統(tǒng)在5次查詢中的響應時間分別為3.7 s、3.4 s、4.0 s、4.0 s、3.4 s，最長響應時間為4.0 s，最短響應時間為3.4 s，總體看來，在第2次查詢中，該系統(tǒng)出現(xiàn)異常波動較大，從數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的查詢響應時間是三種系統(tǒng)中最長。綜合三種形態(tài)的查詢響應時間數(shù)據(jù)可知，本文系統(tǒng)的查詢響應時間最短，均值約為1.2 s，能夠立即對用戶的查詢請求做出反饋。

圖6 不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢響應時間對比

本文系統(tǒng)的查詢響應效率較高的原因如下：系統(tǒng)采用OLAP技術實現(xiàn)多維災情信息的查詢，OLAP技術能夠處理城市防災涉及的海量數(shù)據(jù)，高效率完成災情信息數(shù)據(jù)的同步整合優(yōu)化，確保快速抗災救災。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合可靠性分析

為驗證本文系統(tǒng)在數(shù)據(jù)整合方面的可靠性，將本文系統(tǒng)獲取的城市經(jīng)濟損失數(shù)據(jù)與實際調(diào)查數(shù)據(jù)進行對比，結果如表3所示。由表3可知本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合結果與實際值的對比情況。從表3數(shù)據(jù)能夠看出，本文系統(tǒng)對于社區(qū)經(jīng)濟損失的數(shù)據(jù)整合最小差值僅為1.1萬元，隨著經(jīng)濟損失總額的增加，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合誤差有所增加，在前7個社區(qū)中，本文系統(tǒng)與經(jīng)濟損失實際值的差值在1.1～3.5萬元之間，誤差較小，在F社區(qū)中差值最大為7.0萬元?？傮w看來，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合結果與實際值相差較小，可靠性較強，能夠準確實現(xiàn)城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合。

表3 本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合結果與實際值對比情況

為突出本文系統(tǒng)進行城市防災應急數(shù)據(jù)整合的可靠性優(yōu)勢，將本文系統(tǒng)與基于物聯(lián)網(wǎng)技術的災害信息分析系統(tǒng)、分布式槽波地震數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)進行可靠性對比測試，測試分5次進行，每次采用三種系統(tǒng)分別查詢5種類型的災情數(shù)據(jù)并與實際值進行對比，獲取的可靠性測試結果以百分比的形式表示，結果如圖7所示。分析圖7能夠看出，本文系統(tǒng)的可靠性最高，位于曲線圖的最上方，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的災害信息分析系統(tǒng)、分布式槽波地震數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)的可靠性比較接近，位于曲線圖的下方?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的災害信息分析系統(tǒng)的可靠呈逐漸上升的趨勢，其最小值為75%，最大值為79%，該系統(tǒng)的可靠性均值約為77%；分布式槽波地震數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)在第3次實驗中出現(xiàn)低谷，該系統(tǒng)的可靠性均值約為79%，與本文系統(tǒng)相差較大，且該系統(tǒng)的可靠性波動較大，穩(wěn)定性較差，難以有效實現(xiàn)城市防災應急信息數(shù)據(jù)的同步整合；本文系統(tǒng)在5次實驗中的可靠性均在95%以上，均值為97%，且呈現(xiàn)均勻增長的態(tài)勢。綜合上述數(shù)據(jù)可知，本文系統(tǒng)可靠性比基于物聯(lián)網(wǎng)技術的災害信息分析系統(tǒng)高出18%，比分布式槽波地震數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)高出16%，具有高可靠性的優(yōu)勢。

圖7 不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合可靠性對比

本文系統(tǒng)可靠性高的原因是：本文系統(tǒng)將基于數(shù)據(jù)倉庫的決策支持系統(tǒng)(DSS)作為核心體系，系統(tǒng)的災情信息比較全面、可靠，根據(jù)采集到的城市災害相關數(shù)據(jù)信息，采用建筑物破壞狀態(tài)計算模型與經(jīng)濟損失計算模型獲取城市經(jīng)濟損失結果，計算結果準確度較高，同時保證了信息數(shù)據(jù)同步整合的可靠性。

3 結 論

文章對城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，采用基于數(shù)據(jù)倉庫的決策支持系統(tǒng)(DSS)作為核心體系設計系統(tǒng)總體結構，采用多種數(shù)據(jù)處理方法對城市災情信息實施采集、處理、轉(zhuǎn)換、計算、加載等操作完善數(shù)據(jù)倉庫，城市災情信息數(shù)據(jù)以可分析報表、可視化移動圖形的形式呈現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)城市災情信息的同步整合；系統(tǒng)的硬件設計部分，通過信息采集模塊、信息處理模塊、信息輸出模塊實現(xiàn)城市災情信息的采集、分析與輸出；系統(tǒng)軟件部分利用災情數(shù)據(jù)計算模型獲取建筑物破壞狀態(tài)信息與經(jīng)濟損失數(shù)據(jù)，通過上述方法能夠獲取城市災情的同步信息，在此基礎上將OLAP技術與Web結合，采用OLAP技術能夠?qū)崿F(xiàn)災情數(shù)據(jù)分析處理平臺的搭建，對范圍極廣、數(shù)量巨大的災情數(shù)據(jù)實施同步整合，實現(xiàn)城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

實驗結果表明，所設計系統(tǒng)具有查詢響應效率高、可靠性強的優(yōu)勢，信息查詢響應時間約為1.2 s，可靠性均值為97%，能夠快速、有效實現(xiàn)城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合。該系統(tǒng)的設計實現(xiàn)了城市防災應急信息數(shù)據(jù)同步整合的可操作性，為決策者提供全面的信息數(shù)據(jù)，便于決策者做出實時精確的判斷，為城市防災應急提供了嶄新的手段。