基于混合模式的應(yīng)急救援決策支持系統(tǒng)

苗作華，劉耀林，王先華

(1. 武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081； 2. 武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 3. 中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院，湖北 武漢 430081)

一、引 言

近年來，我國安全生產(chǎn)事故頻發(fā)，因此，如何采用科學(xué)手段加強(qiáng)危險(xiǎn)源及隱患管理，預(yù)防重大事故發(fā)生，降低事故損害成為管理部門關(guān)注的重點(diǎn)[1]。然而，我國安全監(jiān)控方面的理論研究和技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱，目前的研究主要集中在重大危險(xiǎn)源的宏觀監(jiān)控方面，系統(tǒng)的建設(shè)也多從宏觀層面進(jìn)行，缺乏“從企業(yè)的實(shí)際出發(fā)，為企業(yè)所用”的成果[2]。

為此，筆者運(yùn)用ArcGIS、SDSS理論、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建了基于C/S和B/S混合模式的應(yīng)急救援決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)以武漢鋼鐵集團(tuán)公司安全監(jiān)管信息為例，立足平時(shí)使用，著眼于應(yīng)急響應(yīng)，對應(yīng)急管理的全過程進(jìn)行支持，為企業(yè)重大危險(xiǎn)源的監(jiān)控管理、事故后果模擬、場內(nèi)外應(yīng)急響應(yīng)等提供了一個(gè)技術(shù)支撐平臺，提高了應(yīng)急管理決策的科學(xué)性、速?zèng)Q性和準(zhǔn)確性。

二、系統(tǒng)總體架構(gòu)

構(gòu)建基于C/S和B/S混合模式的GIS系統(tǒng)為GIS應(yīng)用系統(tǒng)的建立提供了廣泛的擴(kuò)展空間[3-4]，在充分分析企業(yè)應(yīng)急管理與救援工作現(xiàn)實(shí)需求的基礎(chǔ)上，筆者將GIS基礎(chǔ)平臺、重大危險(xiǎn)源信息(空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù))管理、事故預(yù)測模擬、應(yīng)急救援決策等功能以C/S模式建立在專用的局域網(wǎng)絡(luò)上，以實(shí)現(xiàn)小范圍的數(shù)據(jù)共享、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)交互和空間分析處理；將信息發(fā)布、事故狀態(tài)查看、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能以B/S模式建立在廣域網(wǎng)之上，實(shí)現(xiàn)Web信息共享和數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。C#、Java技術(shù)是廣泛應(yīng)用的軟件開發(fā)技術(shù)，ArcGIS系列產(chǎn)品是比較成熟、穩(wěn)定的GIS軟件技術(shù)，此外還有Oracle大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)。基于混合模式的系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于混合模式的系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

客戶端層提供基于基礎(chǔ)地理信息的數(shù)據(jù)交互、工作業(yè)務(wù)、信息發(fā)布等功能。在C/S模式架構(gòu)下，采用基于ArcGIS二次開發(fā)的功能模塊實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的檢索、編輯、安全策略等功能，利用數(shù)據(jù)交互監(jiān)控技術(shù)來監(jiān)測數(shù)據(jù)的整個(gè)流動(dòng)過程，采用ImaGIS系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對三維數(shù)據(jù)庫的管理、構(gòu)建、空間分析等；在B/S模式架構(gòu)下，采用J2EE架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對外的Web信息服務(wù)，以Tomcat作為系統(tǒng)信息發(fā)布服務(wù)器，采用ArcIMS來提供Web地圖發(fā)布，利用ArcXML、JavaScript、Java API等開發(fā)相應(yīng)的Web客戶端功能模塊。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)層采用Oracle數(shù)據(jù)庫存儲所有數(shù)據(jù)(屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)等)，利用Oracle的存儲過程通過ODBC直連方式實(shí)現(xiàn)與客戶端數(shù)據(jù)交互，同時(shí)還提供基于ArcSDE為中間件的客戶端與Oracle數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互功能。

三、軟件開發(fā)平臺及數(shù)據(jù)庫

1. 軟件開發(fā)平臺

ArcGIS Engine是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所 (Esri)提供的用于進(jìn)行GIS二次開發(fā)的組件模塊，該組件基于COM技術(shù)，不僅支持包括COM、.NET、C#及Java在內(nèi)的多種開發(fā)語言，還支持Windows、Linux、Unix 等多種平臺系統(tǒng)，并且其開發(fā)的應(yīng)用程序可以脫離ArcGIS平臺而獨(dú)立運(yùn)行[5]。因此，在分析系統(tǒng)特點(diǎn)及企業(yè)目前運(yùn)行的其他系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上，筆者以ArcGIS系列產(chǎn)品作為系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺架構(gòu)圖

在開發(fā)C/S功能模塊時(shí)，使用C#語言在ArcGIS Engine和ImaGIS 3DBrowser的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，應(yīng)用ArcGIS Engine實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的基本操作、對屬性數(shù)據(jù)的維護(hù)管理、常用的空間分析等通用的GIS 功能[6]；開發(fā)B/S功能模塊時(shí)，選用Java為軟件開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用ArcXML、Java API、JSP等對ArcIMS進(jìn)行開發(fā)；數(shù)據(jù)庫建立在Oracle之上，通過ArcSDE與客戶端應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；三維專題數(shù)據(jù)通過ImaGIS Classic和ImaGIS MagiXity生成。

2. 空間數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)是GIS系統(tǒng)進(jìn)行空間分析的基礎(chǔ)，ArcSDE技術(shù)為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫用于GIS空間數(shù)據(jù)管理提供了一個(gè)通道，實(shí)現(xiàn)了GIS空間數(shù)據(jù)管理的突破[7-8]。筆者基于C/S 模式利用ArcGIS 基于Oracle數(shù)據(jù)庫建立Geodatabase 地理數(shù)據(jù)庫，將各類空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器端的Oracle 數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)用ArcSDE for Oracle 數(shù)據(jù)庫引擎來管理、維護(hù)和訪問各類數(shù)據(jù)。筆者以ArcSDE的間接連接方式(如圖3所示)建立空間數(shù)據(jù)庫連接通道用來減輕系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問時(shí)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載[9]。在該連接方式中，ArcSDE Service運(yùn)行在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端，當(dāng)客戶端通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的連接請求到達(dá)時(shí)，一直在后臺運(yùn)行的giomger 進(jìn)程為該連接請求分配一個(gè)gsrvr 進(jìn)程，該進(jìn)程專職負(fù)責(zé)客戶端程序與ArcSDE的應(yīng)用服務(wù)器之間的信息交互。在客戶端空間數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議信息配置文件中，定義參數(shù)為：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類型為ESRI-SDE，端口號為5151，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為TCP/IP。

圖3 空間數(shù)據(jù)庫ArcSDE網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D

利用Oracle開發(fā)語言在空間數(shù)據(jù)庫中建立了常用的空間數(shù)據(jù)分析存儲過程，在B/S模式中，Java應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器系統(tǒng)功能模塊與數(shù)據(jù)庫之間的一般數(shù)據(jù)交互采用傳統(tǒng)的Web數(shù)據(jù)交互技術(shù)，而復(fù)雜的地理空間數(shù)據(jù)分析則提交給數(shù)據(jù)庫中存儲的空間分析存儲過程進(jìn)行后臺處理，處理分析結(jié)果以Web網(wǎng)頁形式向客戶端發(fā)布。

四、軟件主要功能模塊

圍繞企業(yè)應(yīng)急救援實(shí)際工作流程，系統(tǒng)構(gòu)建了以事故隱患數(shù)學(xué)模擬、應(yīng)急救援輔助指揮為核心的功能結(jié)構(gòu)(如圖4所示)。

圖4 系統(tǒng)功能總體結(jié)構(gòu)圖

1. 事故隱患數(shù)學(xué)模擬

系統(tǒng)開發(fā)了氣體泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸3種事故數(shù)學(xué)模型組件模塊，以耦合方式與系統(tǒng)掛接。通過輸入?yún)?shù)，獲取事故點(diǎn)區(qū)域相關(guān)地理數(shù)據(jù)信息對事故進(jìn)行模擬預(yù)演，并給出動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果的二維、三維顯示圖(如圖5和圖6 所示)，同時(shí)利用GIS制作的各類救援指揮符號形成初步預(yù)案和救援方案。

以氣體泄漏擴(kuò)散為例，系統(tǒng)以高斯模型計(jì)算擴(kuò)散影響范圍，公式如下

式中，C(x,y,z)為地點(diǎn)(x,y,z)的濃度，單位g/m3；Q為連續(xù)泄漏流量，單位g/s；u為平均風(fēng)速，單位m/s；x、y、z分別為下風(fēng)向距離、橫風(fēng)向距離、離地面距離，單位m；H為泄漏高度，單位m；δy、δz為y、z方向上的擴(kuò)散系數(shù)。

圖5 氣體泄漏擴(kuò)散事故二維模擬圖

圖6 氣體泄漏擴(kuò)散事故三維模擬圖

2. 救援輔助指揮

該模塊與事故模擬模塊聯(lián)動(dòng)，針對模擬結(jié)果為應(yīng)急指揮提供輔助決策信息，在該功能模塊中除了高亮度閃爍顯示事發(fā)地點(diǎn)附近的應(yīng)急救援物資、設(shè)備外，還為醫(yī)療機(jī)構(gòu)、消防機(jī)構(gòu)等聯(lián)動(dòng)救援力量快速到達(dá)事故地提供包括有、無障礙限制情況下的最短路徑分析[10-11]，如圖7和圖8所示(圖中灰色、黑色線條分別高亮度顯示醫(yī)療機(jī)構(gòu)、消防機(jī)構(gòu)到達(dá)事故發(fā)生地的最短路徑)。

圖7 無障礙限制情況下的救援路徑分析

圖8 有障礙限制情況下的救援路徑分析

3. Web網(wǎng)絡(luò)信息交互功能

在B/S模塊中實(shí)現(xiàn)Web操作頁面的數(shù)據(jù)請求、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理等。當(dāng)用戶在Web頁面發(fā)送GIS數(shù)據(jù)操作交互請求時(shí)，Web 頁面操作容器在Java 服務(wù)器進(jìn)行頁面請求刷新，Java 服務(wù)器則將該操作指令發(fā)送到服務(wù)器Web Services交互功能模塊，實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)交互操作(如圖9所示)。

圖9 B/S模式下的網(wǎng)絡(luò)信息交互

五、結(jié)束語

隨著GIS 技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)共享已成為企業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理的必然。以現(xiàn)代應(yīng)急管理和SDSS理論、事故分析數(shù)學(xué)模型建立應(yīng)急救援信息系統(tǒng)時(shí)需要明確系統(tǒng)采用何種架構(gòu)，利用哪些關(guān)鍵技術(shù)，要達(dá)到什么目標(biāo)等問題;同時(shí)，企業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理過程業(yè)務(wù)流程復(fù)雜、內(nèi)容廣泛[11]。因此，筆者認(rèn)為類似系統(tǒng)的研究和開發(fā)不應(yīng)一味追求“大而全”，而應(yīng)在充分了解用戶需求的基礎(chǔ)上，采用“自下而上”的開發(fā)思路，對每個(gè)功能模塊做到“小而精”，然后采用組件化的方式將各個(gè)完善的功能模塊進(jìn)行耦合，才能使完成后的軟件真正符合用戶需求，進(jìn)而在實(shí)際工作中發(fā)揮作用。

致謝：感謝武漢鋼鐵集團(tuán)公司安全環(huán)保部和武漢適普軟件有限公司對本文提供的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 康榮學(xué).基于GIS的重大危險(xiǎn)源安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6(3)：110-115.

[2] 吳宗之，魏利軍，于立見，等.重大危險(xiǎn)源安全監(jiān)管信息系統(tǒng)的開發(fā)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(11)：39-43.

[3] 楊翊，張新政. 基于B/S與C/S混合模式的區(qū)域水環(huán)境決策支持系統(tǒng)的研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(5)：1334-1336.

[4] 張曉清，代興偉. B/S+C/S混合架構(gòu)的環(huán)境地理信息系統(tǒng)的研究[J]. 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，17(4)：5-8.

[5] 馬妮，李維功. ArcSDE for Oracle優(yōu)化實(shí)踐[J]. 測繪通報(bào)，2007(10)：50-53.

[6] 錢新明，劉牧，郭臣，等. 基于GIS的油品儲罐區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及應(yīng)急資源優(yōu)化調(diào)運(yùn)系統(tǒng)[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，10(6)：206-210.

[7] 譚德寶，程學(xué)軍. 基于ArcSDE + Oracle 9i 的防洪減災(zāi)綜合數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建及應(yīng)用[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2006，31(1)：90-93.

[8] 于海玲. 基于ArcSDE的GIS空間數(shù)據(jù)一體化管理系統(tǒng)[J]. 測繪與空間地理信息，2008，31(4)：137-139.

[9] 王昀昀，朱勤東. 基于ArcSDE的影像數(shù)據(jù)入庫研究[J]. 測繪通報(bào)，2013(1)：84-86.

[10] 胡殿常，王晉秀. 最短路徑分析在MapInfo中的實(shí)現(xiàn)[J]. 測繪通報(bào)，2012(6)：87-89.

[11] 張杰，王志勇，許維勝，等. 突發(fā)事件下應(yīng)急救援路徑選擇模型的構(gòu)建和求解[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28(4)：1311-1314.