城市智慧安全保障系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王星捷，張廷斌

(1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614007；2.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引 言

科技的不斷進(jìn)步，讓人們的生活變得越來(lái)越便捷、舒適。但在時(shí)代進(jìn)步的同時(shí)危及社會(huì)的重大安全事故也時(shí)有發(fā)生。往往一些事故總會(huì)給社會(huì)、國(guó)家和環(huán)境構(gòu)成威脅，人民日常生活安定的保證必然會(huì)依靠著城市安防工作，可以說(shuō)城市安防部門對(duì)阻止事故的發(fā)生和減輕事故造成的危害起了重要的作用。在不斷進(jìn)步發(fā)展的社會(huì)環(huán)境下，研究一個(gè)全面的城市智慧安全保障系統(tǒng)，協(xié)助城市安防部門提高城市安全性，保障人們的高質(zhì)量生活[1-5]。

文中通過(guò)整合城市警力資源，推進(jìn)地理空間信息平臺(tái)建設(shè)，逐步通過(guò)數(shù)據(jù)資源的“集中管理、分布應(yīng)用”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部管理部門和外部巡邏部門之間的共建共享[6]。實(shí)現(xiàn)決策基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源管理的智能化、可視化。通過(guò)整合GIS技術(shù)[7-8]，將地圖元素和地下空間信息融入到管理體系中，實(shí)現(xiàn)城市決策信息資源的智能化和可視化，提高了決策的科學(xué)性和合理性。提高公安部門保障公共安全和處置突發(fā)公共事件的能力。突發(fā)應(yīng)急事故發(fā)生后，公安部門可在第一時(shí)間了解案件發(fā)生地情況，高效調(diào)用相關(guān)警力資源，迅速完成應(yīng)急處置，使產(chǎn)生的危害降到最低程度。提升基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理水平，既可以查閱局部地區(qū)警力的各種安排細(xì)節(jié)，又可瀏覽區(qū)域巡邏的宏觀分布；既可研究各區(qū)域穩(wěn)定情況，又可安排各種巡邏分布；既可用于警用安保，又可用來(lái)做新區(qū)規(guī)劃，使城市安全保障工作長(zhǎng)久穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則包括：實(shí)用性原則、可靠性原則、標(biāo)準(zhǔn)化原則、安全性原則、高效性原則和可維護(hù)性原則。

(1)實(shí)用性原則。保證系統(tǒng)界面友好美觀，操作便捷，響應(yīng)快速，滿足部門單位的需求，在應(yīng)用中達(dá)到專業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)行中保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(2)可靠性原則。能保障系統(tǒng)的各功能操作和數(shù)據(jù)分析長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，盡量避免產(chǎn)生的錯(cuò)誤幾率，在運(yùn)行中，能夠確保數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠和信息的完整性。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化原則。系統(tǒng)中采用的地理數(shù)據(jù)、地圖標(biāo)識(shí)均符合國(guó)家相關(guān)部門的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，模型的合理性和高程相關(guān)信息合理準(zhǔn)確。

(4)安全性原則。系統(tǒng)在用戶信息、日志文件、事故記錄等方面經(jīng)過(guò)嚴(yán)格加密措施處理，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全和數(shù)據(jù)安全，保障系統(tǒng)在平臺(tái)安全運(yùn)行。

(5)高效性原則。系統(tǒng)在處理分析數(shù)據(jù)時(shí)，保障快速的系統(tǒng)響應(yīng)，并減少分析處理時(shí)間，達(dá)到良好的用戶體驗(yàn)，在操作輸入方面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了，能夠直觀反映出來(lái)。

(6)可維護(hù)性原則。系統(tǒng)預(yù)留擴(kuò)展模塊，以備未來(lái)系統(tǒng)升級(jí)更新，在數(shù)據(jù)方面預(yù)留備份，可以為后期數(shù)據(jù)更新進(jìn)行添加修改。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)框架共分為四層，包括應(yīng)用層、服務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)資源和支持層，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

應(yīng)用層主要以單位用戶或管理用戶為主，普通用戶通過(guò)資源服務(wù)中心訪問(wèn)發(fā)布的各種數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的操作，管理員或者開發(fā)者用戶可通過(guò)應(yīng)用開發(fā)中心進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)和修改，通過(guò)調(diào)用API來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)平臺(tái)的開發(fā)，主要采用HTML、Javascript、C#等語(yǔ)言。

服務(wù)平臺(tái)分為服務(wù)接口和服務(wù)發(fā)布，其中在服務(wù)接口中，包含web應(yīng)用開發(fā)接口和服務(wù)接口OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，應(yīng)用開發(fā)人員可以根據(jù)此接口開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用服務(wù)，滿足用戶的各個(gè)需求；在服務(wù)發(fā)布中包含數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)主要有：專題地圖服務(wù)、文檔服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)等；功能服務(wù)內(nèi)主要有：地理編碼服務(wù)、空間分析服務(wù)、空間處理服務(wù)等。普通用戶通過(guò)訪問(wèn)各個(gè)服務(wù)，進(jìn)行相應(yīng)的信息交互處理，通過(guò)分布式的架構(gòu)，使得服務(wù)平臺(tái)更高效地響應(yīng)用戶操作。

數(shù)據(jù)資源為服務(wù)平臺(tái)提供各種數(shù)據(jù)支持，在數(shù)據(jù)資源中分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和專業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其中在基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中包含地理實(shí)體數(shù)據(jù)、電子地圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)等。在專業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包含具體的警力管理、城市警力布點(diǎn)空間數(shù)據(jù)、巡邏路線等。數(shù)據(jù)是服務(wù)平臺(tái)的核心，所以在數(shù)據(jù)資源的管理上，采用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的劃分存儲(chǔ)管理，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)安全，經(jīng)過(guò)分別部署操作，方便后期管理和維護(hù)。

支持層為云管理平臺(tái)，分為存儲(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)器、GIS服務(wù)器。通過(guò)云管理平臺(tái)對(duì)各個(gè)服務(wù)體系進(jìn)行部署管理，協(xié)調(diào)各部分工作，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)布局合理，符合人體工程學(xué)，易于快速熟悉相關(guān)操作，在系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)潔明了，顏色標(biāo)注易于分辨，符合大眾審美需求。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，等待消耗時(shí)間少，響應(yīng)速度快，分析結(jié)果真實(shí)可靠，以及系統(tǒng)預(yù)留擴(kuò)展接口，代碼清晰明了，注釋明確，編寫規(guī)范，可在后期方便修改擴(kuò)展。整個(gè)系統(tǒng)模塊分為安防巡邏模塊、案件管理模塊、模擬演練模塊和基礎(chǔ)功能模塊，具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

基礎(chǔ)功能模塊，主要是基于地圖的基礎(chǔ)操作和地圖空間屬性的查詢。地圖的基礎(chǔ)操作包括了地圖的點(diǎn)擊放大、點(diǎn)擊縮小、拉框放大、拉框縮小、移動(dòng)、復(fù)位、刷新、導(dǎo)航條、鷹眼、圖層列表、比例尺、系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間等；地圖空間屬性的查詢包括了信息定位查詢、緩沖查詢、多邊形查詢、模糊查詢等。

案件管理模塊，主要包括了案件添加和案件查詢。案件添加主要添加所需的案件資料，選擇案件發(fā)生區(qū)域，選擇案件類型，案件的具體情況，犯罪嫌疑人數(shù)并輸入根據(jù)需要的警力調(diào)配的具體警員。案件查詢主要是對(duì)歷史的案件信息進(jìn)行查詢，根據(jù)區(qū)域、時(shí)間等參數(shù)查詢發(fā)生案件的詳細(xì)信息、進(jìn)展情況、處理情況等。

安防巡邏模塊，分為了巡邏部署、巡邏查詢、巡邏監(jiān)管、巡邏記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)出。巡邏部署具有三種部署功能： Excel數(shù)據(jù)表的導(dǎo)入警員的具體部署信息；在地圖上，選擇派出所，根據(jù)派出所空間地理位置部署該區(qū)域巡邏警員，安排警員巡邏時(shí)間，添加、移除巡邏警員，保存部署信息；巡邏查詢，可以選擇時(shí)間、區(qū)域，查看警員的巡邏信息和巡邏路徑，并可以查看動(dòng)態(tài)的軌跡效果；警員巡邏管理，主要是對(duì)巡邏人員的位置和執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行控制和管理，包括了區(qū)域、坐標(biāo)、執(zhí)行狀態(tài)等具體的數(shù)據(jù)信息；巡邏記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)出，巡邏數(shù)據(jù)的導(dǎo)出成Excel表格，便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和歷史數(shù)據(jù)的保存，可以將比較久遠(yuǎn)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出并進(jìn)行留檔保存，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析處理。

智能部署，根據(jù)突發(fā)情況，根據(jù)區(qū)域位置以及各派出所的警力情況，自動(dòng)分配人員，自動(dòng)部署。設(shè)計(jì)的思想是，通過(guò)選擇派出所，選擇分配的警員，輸入日期和時(shí)間，自動(dòng)生成駐守坐標(biāo)信息或者巡邏路線的路徑，并將信息添加到巡邏管理的巡邏列表中，并保存在對(duì)應(yīng)的巡邏記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)實(shí)際的情況也可以臨時(shí)更換巡邏人員，并進(jìn)行巡邏記錄的修改和保存。具體的功能包括了自動(dòng)和手動(dòng)兩種。

模擬演練模塊，包含了出警模擬和救援演練。出警模擬，主要是通過(guò)模擬地域發(fā)生突發(fā)事件，根據(jù)突發(fā)事件進(jìn)行出警調(diào)配，具有兩種模式：一種是自動(dòng)分析，通過(guò)點(diǎn)擊出警目的地，通過(guò)最近設(shè)計(jì)分析算法和聚類分析算法[9-11]，自動(dòng)分析選擇出警的派出所，根據(jù)派出所的警力，智能選擇出警人員，生成出警方案，選擇出警方案后，自動(dòng)生成出警路線圖，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬；另一種是手動(dòng)分析，通過(guò)管理員選擇具體出警的派出所，選擇具體的人員，根據(jù)最短路徑算法[12-16]，自動(dòng)生成出警路線，選擇路線生成出警路線，或者可以通過(guò)管理員自定義規(guī)劃出警路線，最后進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬演示。出警路線根據(jù)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，分配多個(gè)路線方案。路線方案分為默認(rèn)路線和手動(dòng)選擇出警路線。默認(rèn)路線，可以根據(jù)人數(shù)自動(dòng)分配出幾條出警路線。手動(dòng)選擇路線，會(huì)提供待班的警員列表，選擇警員確定出警路線。具體流程如圖3(b)所示。救援演練，針對(duì)發(fā)生事故，根據(jù)最近設(shè)施分析算法，智能地生成救援路線，并通過(guò)搜索最近的醫(yī)院，智能生成最短的到達(dá)醫(yī)院的路線。

(a)智能巡邏部署流程

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與分析

3.1 開發(fā)環(huán)境

空間數(shù)據(jù)制作平臺(tái)采用MapGIS 10，MapGIS 10云GIS軟件可根據(jù)需求聚合、重構(gòu)各種GIS工具[17]，最終遷移形成自身所需的行業(yè)應(yīng)用；同時(shí)提供了完備數(shù)據(jù)編輯和處理能力，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的專業(yè)構(gòu)建分析，使用戶能夠快速搭建數(shù)據(jù)服務(wù)體系。WebGIS二次開發(fā)平臺(tái)和服務(wù)器平臺(tái)采用MapGIS IGServer for .NET，MapGIS IGServer for .NET的WebGIS二次開發(fā)，采用服務(wù)架構(gòu)，Web客戶端可直接使用其封裝好的二次開發(fā)庫(kù)，通過(guò)客戶端二次開發(fā)API調(diào)用GIS服務(wù)端的服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的GIS服務(wù)，大大提高Web開發(fā)效率。系統(tǒng)開發(fā)工具為Visual Studio 2013和WebStorm[18]，開發(fā)語(yǔ)言為C#、JavaScript、HTML、CSS；關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server 2008，空間數(shù)據(jù)庫(kù)為MapGIS K10 HDF。

在實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要采用了最近設(shè)施分析、緩沖分析和最短路徑分析的空間分析算法。最近設(shè)施分析，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)情況計(jì)算出各個(gè)派出所對(duì)應(yīng)的參數(shù)因子，在智能出警功能中，能分析和選擇最佳的派出所和人員。緩沖分析，根據(jù)人口分布，緊急事件發(fā)生，計(jì)算涉及范圍，通過(guò)計(jì)算機(jī)分配出警人員。最短路徑分析，通過(guò)對(duì)起點(diǎn)和終點(diǎn)的路徑進(jìn)行對(duì)比分析，采用A*算法實(shí)現(xiàn)了最短路徑，生成出警最佳路線。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

歷史記錄查詢，輸入查詢區(qū)域，輸入查詢?nèi)掌?，地圖上高亮顯示為該查詢區(qū)域，并顯示該區(qū)域查詢的詳細(xì)記錄信息，警員編號(hào)、姓名、執(zhí)勤區(qū)域、所屬部門、日期以及備注信息。查詢記錄展開顯示該次巡邏區(qū)域的詳盡信息，點(diǎn)擊查看可在圖上展示巡邏路線。具體效果如圖4所示。

圖4 歷史記錄查詢

模擬演練，緊急調(diào)配是模擬演練中最重要的組成部分，模擬該區(qū)域人口分布，并自動(dòng)分析最佳調(diào)配警員人數(shù)，生成最適合到達(dá)線路，以便用最少的時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，組織區(qū)域人口疏散?？梢愿鶕?jù)計(jì)算的所需人員，通過(guò)手動(dòng)分配出警的警員。從出發(fā)地到目的地能自動(dòng)分析出最佳到達(dá)的路線距離以及所需時(shí)間。具體效果如圖5所示。

圖5 模擬演練

警員管理，可以選擇不同派出所，根據(jù)派出所空間地理位置部署該區(qū)域巡邏警員，安排警員巡邏時(shí)間，添加、移除巡邏警員，保存部署信息。利用每個(gè)區(qū)域不同的基站點(diǎn)或者利用GPS定位傳輸警員身上反饋的實(shí)時(shí)信息，進(jìn)而時(shí)刻監(jiān)控每個(gè)警員所處的空間地理位置，并在系統(tǒng)二維地圖上展示出即時(shí)的警員位置信息。警員工作狀態(tài)可以從窗口中一目了然獲取，一共有駐守、待班、巡邏三種狀態(tài)。具體效果如圖6所示。

圖6 警員狀態(tài)管理

3.3 數(shù)據(jù)分析

測(cè)試數(shù)據(jù)為樂(lè)山市市中區(qū)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)覆蓋了整個(gè)市中區(qū)的主干道路、支路、居民小區(qū)、政府行政單位、社區(qū)人口、醫(yī)院等城市空間信息數(shù)據(jù)，近10萬(wàn)條數(shù)據(jù)。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能分別進(jìn)行了測(cè)試，具體測(cè)試功能包括地圖基本操作、智能案件管理、智能出警、巡邏管理、出警演練等。地圖基本操作較好地實(shí)現(xiàn)了地圖的各種交互功能；智能案件管理，實(shí)現(xiàn)了案件智能查詢、智能分類以及人員的匹配查詢；智能出警，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)發(fā)生的緊急情況，采用最近設(shè)施服務(wù)和最優(yōu)選擇的方法，自動(dòng)分配警員，并生成出警的路線等；巡邏管理，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)警員的巡邏情況的查詢，可以查詢到具體的巡邏情況，可以顯示巡邏狀態(tài)、位置坐標(biāo)以及動(dòng)態(tài)的巡邏路線；出警演練，實(shí)現(xiàn)了模擬演練，根據(jù)設(shè)計(jì)的事件進(jìn)行演練，可以自動(dòng)分配警員出警或者通過(guò)分配具體的人員進(jìn)行出警演練，生成動(dòng)態(tài)的演練路徑。從功能測(cè)試的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了較好的實(shí)現(xiàn)效果，證明了系統(tǒng)功能完成得較好，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)整合GIS技術(shù)，將地圖元素和城市空間信息融入到管理體系中，實(shí)現(xiàn)城市智慧安全保障信息資源的智能化，提高了巡邏的科學(xué)性和合理性。針對(duì)當(dāng)前城市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的信息分析、表達(dá)、應(yīng)用的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)開發(fā)出一套警力資源匯聚管理分析平臺(tái)——城市智慧安全保障系統(tǒng)。系統(tǒng)有效地將城市安防警力資源融入系統(tǒng)之中，全面實(shí)現(xiàn)警力數(shù)據(jù)二三維一體化，以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與警力安排于一體。此外，系統(tǒng)融合地理信息、業(yè)務(wù)辦公和輔助決策于一體，提高安保巡邏、處理突發(fā)性事件和模擬演練的實(shí)用性。大量節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，最大限度減少因突發(fā)事件造成的經(jīng)濟(jì)損失。系統(tǒng)整合城市安全保障巡邏數(shù)據(jù)資源，系統(tǒng)化警力人員安排，并直觀顯示在web平臺(tái)上，方便后臺(tái)調(diào)度人員進(jìn)行城市安全的常態(tài)化監(jiān)測(cè)操作，將數(shù)據(jù)資源通過(guò)“集中管理、分布應(yīng)用”來(lái)實(shí)現(xiàn)后臺(tái)調(diào)度管理部門和巡邏部門之間的共建共享。同時(shí)能夠提升公安巡邏部門保障公共安全和處置突發(fā)公共事件的能力。突發(fā)應(yīng)急事故發(fā)生后，公安部門可在第一時(shí)間了解事故發(fā)生地周邊人員分布情況，高效調(diào)用警務(wù)人員資源，迅速完成應(yīng)急處置，使產(chǎn)生的危害降到最低程度。提升基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理水平，既可以查閱局部地區(qū)歷史事故的各種詳細(xì)數(shù)據(jù)，又可瀏覽區(qū)域巡邏人員的宏觀分布；既可研究單個(gè)巡邏人員情況，又可了解各種區(qū)域警務(wù)巡邏人員的整體分布關(guān)系；既可用以指導(dǎo)區(qū)域安保巡邏，又可用來(lái)做城區(qū)規(guī)劃或人口密集地疏導(dǎo)。該研究為城市智慧安全保障系統(tǒng)提供了一定的技術(shù)和理論參考。