基于大數(shù)據(jù)的城市綜合應(yīng)急指揮決策平臺設(shè)計(jì)與研究

李賀，蔣長帥，白曉波，余科，田肖，楊帥鵬

（1.南陽師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，河南南陽，473061；2.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100876；3.河南中光學(xué)集團(tuán)有限公司，河南南陽，473003；4.南陽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 衛(wèi)生管理系，河南南陽，473004；5.西安恒品電子科技有限公司，陜西西安，710086）

0 引言

隨著我國城市化的發(fā)展，伴隨著的各類突發(fā)公共事件日益增多，如2019年以來已發(fā)生多起的臺風(fēng)、洪澇、火災(zāi)等在自然災(zāi)害。還有突發(fā)公共衛(wèi)生事件（COVID-19）“新冠肺炎”，都嚴(yán)重危害社會和城市安全，每次危機(jī)的起因、特性、周期都復(fù)雜多樣，其影響越來越廣泛[1]。對于應(yīng)急管理部門來說不斷擴(kuò)大的救援職能及救援范圍，將會面臨極高的要求和挑戰(zhàn)。應(yīng)急管理部門在接警后，為盡可能減小突發(fā)事件所造成的危害，是否能夠快速將突發(fā)事件的各類信息進(jìn)行整合與共享，協(xié)調(diào)聯(lián)動各個相關(guān)應(yīng)急部門的資源和力量，成為快速有效處置各類重大突發(fā)事件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

王勇根據(jù)城市運(yùn)營集團(tuán)所管理的城市基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建了應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可視化應(yīng)急指揮大屏綜合整合了應(yīng)急信息及資源，可以提升城市運(yùn)營集團(tuán)應(yīng)對氣象災(zāi)害的能力[2]。趙士達(dá)研究了地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的特征、分析方法和展現(xiàn)形式，采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)建立了天津市應(yīng)急數(shù)據(jù)可視化平臺，為震后應(yīng)急決策提供了有力的數(shù)據(jù)支撐[3]。張猛綜合分析政府的建設(shè)需求，提出了面向城市綜合應(yīng)急指揮的智能指揮調(diào)度系統(tǒng)的總體建設(shè)思路，明確系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用可視化、通信與智能輔助決策等技術(shù)設(shè)計(jì)了面向城市綜合應(yīng)急的智能指揮調(diào)度系統(tǒng)[4]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)可以綜合社會各方采集的突發(fā)公共事件數(shù)據(jù)，能夠在短時間內(nèi)做出分析，在很大程度上將會提高突發(fā)公共事件預(yù)警的準(zhǔn)確性，從而能讓應(yīng)急管理各部門準(zhǔn)確地做出預(yù)防方案[5]，還可以為指揮決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐。因此，本文基于大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了城市綜合應(yīng)急指揮決策平臺，該平臺采用大數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）和高精度定位等技術(shù)實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件的自動接入。能夠在GIS地圖上智能展示報(bào)警人的位置及周邊應(yīng)急救援力量，推送對應(yīng)處理預(yù)案，綜合性實(shí)時指揮調(diào)度，縮短反應(yīng)時間，提高整體反應(yīng)能力，最大限度減少人民的生命和財(cái)產(chǎn)損失。還可以滿足日常業(yè)務(wù)管理和社會服務(wù)的需求，實(shí)現(xiàn)各級單位業(yè)務(wù)信息資源共享，形成了一套科學(xué)的、智能化的管理體系。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 平臺總體架構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)的城市綜合應(yīng)急指揮決策平臺的總體架構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)主要利用SOA(面向服務(wù)的框架)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息化的集成和整合，可將系統(tǒng)架構(gòu)具體分為用戶層、業(yè)務(wù)層、信息處理層和數(shù)據(jù)存儲層。

圖1 平臺總體架構(gòu)

用戶層提供可視化的應(yīng)急指揮操作界面；業(yè)務(wù)層提供實(shí)現(xiàn)決策平臺的具體功能，包括事件管理、資源管理、預(yù)案管理及指揮決策等功能；數(shù)據(jù)處理層完成對城市應(yīng)急大數(shù)據(jù)的處理及操作。數(shù)據(jù)存儲層完成對城市應(yīng)急大數(shù)據(jù)的存儲。

1.2 用戶層

事件管理主要實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件的進(jìn)行定位，同時在地圖上標(biāo)注對應(yīng)位置，并能夠在GIS地圖上自動標(biāo)繪周圍的應(yīng)急力量、應(yīng)急保障 及防護(hù)目標(biāo)的分布情況。如圖2所示。應(yīng)急力量主要包括公安、武警、消防、車輛及人員等救援力量。應(yīng)急保障主要包括救援隊(duì)伍、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、避難場所、運(yùn)輸企業(yè)、通信保障、應(yīng)急物資儲備庫及雪亮工程等。防護(hù)目標(biāo)主要包括幼兒園、小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)、政府機(jī)構(gòu)、公司企業(yè)及銀行等目標(biāo)。另外，可以展示當(dāng)前平臺內(nèi)未處理及已處理完成的突發(fā)事件信息，還可以進(jìn)行突發(fā)事件相關(guān)信息的統(tǒng)計(jì)。

圖2 應(yīng)急指揮GIS屏演示

1.3 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層中通過對事件管理、資源管理、預(yù)案管理及指揮決策等功能模塊構(gòu)建相應(yīng)服務(wù)。采用Java EE和Java ME進(jìn)行城市綜合應(yīng)急指揮決策平臺的開發(fā)，利用Struts框架實(shí)現(xiàn)與前端用戶層頁面的交互及相應(yīng)服務(wù)的調(diào)動，采用Hibernate實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的高性能訪問，利用Spring提供高效的事務(wù)管理。

1.4 數(shù)據(jù)處理層

平臺的數(shù)據(jù)處理層從數(shù)據(jù)存儲層的獲取數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行突發(fā)事件的監(jiān)控和應(yīng)急救援預(yù)案的生成，為決策者提供有利的數(shù)據(jù)支撐及必要的輔助決策。采用MapReduce并行編程平臺對突發(fā)事件數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高處理這些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的效率。然后，基于一定的篩選和分類機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)城市火災(zāi)分析、危險(xiǎn)行業(yè)分析、事故行業(yè)分析、指標(biāo)控制、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、煤礦態(tài)勢分析、森林火災(zāi)預(yù)警及事故數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析等。如圖3所示，這些信息可以作為系統(tǒng)展示的一部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖3 應(yīng)急指揮大數(shù)據(jù)分析屏演示

1.5 數(shù)據(jù)存儲層

事件管理、資源管理、預(yù)案管理及指揮決策等信息包含了各類結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。對于這些海量的數(shù)據(jù)，要對其進(jìn)行存儲。在大數(shù)據(jù)處理框架下采用HDFS文件存儲系統(tǒng)。HDFS（Hadoop Distributed File System）是一個高度容錯性的系統(tǒng)，HDFS能提供高吞吐量的數(shù)據(jù)訪問，非常適合大規(guī)模數(shù)據(jù)集上的應(yīng)用[6]。

2 平臺功能設(shè)計(jì)

平臺的主要功能模塊如圖4所示：

圖4 平臺功能模塊圖

2.1 事件管理

（1）信息接報(bào)：當(dāng)接收到突發(fā)信息報(bào)警后，平臺GIS地圖自動移動至事發(fā)地點(diǎn)，并在地圖上標(biāo)注對應(yīng)位置，顯示報(bào)送人的電話號碼以及基本情況。信息接報(bào)主要包括：發(fā)生時間、報(bào)送標(biāo)題、報(bào)送人、報(bào)送人單位、電話、接報(bào)內(nèi)容、位置、處理狀態(tài)及處理操作（主要包括下發(fā)任務(wù)、升級事件、查看及編輯等操作）。

（2）突發(fā)事件：記錄突發(fā)事件信息，主要包括發(fā)生時間、事件類型、事件來源途徑、報(bào)送標(biāo)題、報(bào)送人、報(bào)送人電話、接報(bào)內(nèi)容、地址、死亡人數(shù)、重傷人數(shù)、輕傷人數(shù)、失蹤人數(shù)及操作（主要包括關(guān)聯(lián)預(yù)案、任務(wù)下發(fā)、查看及編輯等操作）。

（3）任務(wù)管理：主要對救援力量下發(fā)應(yīng)急救援任務(wù)。主要包括任務(wù)創(chuàng)建時間、任務(wù)截止時間、任務(wù)類型、任務(wù)狀態(tài)（是否下發(fā)）、任務(wù)分派人、分派人電話、任務(wù)信息及操作（可以查看任務(wù)詳情）。

（4）任務(wù)上報(bào)：主要用于應(yīng)急救援力量通過手持終端上報(bào)任務(wù)處理情況。手持終端應(yīng)急救援App主要用于事件接報(bào)，GIS地圖資源標(biāo)注，現(xiàn)場圖片及實(shí)時畫面4G/5G無限回傳，應(yīng)急大數(shù)據(jù)一鍵查詢，根據(jù)預(yù)案下發(fā)任務(wù)接受與反饋，預(yù)案處置卡接收與查看功能，通訊錄一鍵呼叫等功能。

如圖5所示。任務(wù)上報(bào)內(nèi)容主要包括：發(fā)生時間、報(bào)送標(biāo)題、報(bào)送人、報(bào)送人單位、報(bào)送人電話、位置、接報(bào)內(nèi)容、處理狀態(tài)及操作（可以查看任務(wù)詳情，修改任務(wù)內(nèi)容及處理意見）。

圖5 手持終端應(yīng)急救援App任務(wù)上報(bào)

2.2 資源管理

（1）地理信息系統(tǒng)（GIS）應(yīng)急資源：主要包括2D地圖和3D地圖渲染。通過本功能可以在GIS地圖上顯示應(yīng)急專家、公安消防武警、醫(yī)療單位、救援隊(duì)伍、應(yīng)急物資、運(yùn)輸企業(yè)、通信保障、防護(hù)目標(biāo)及避難場所等各類應(yīng)急資源。

（2）應(yīng)急專家及公安消防武警：通過本功能可查詢、添加、修改或者刪除應(yīng)急專家信息及公安消防武警。應(yīng)急專家主要包括姓名、性別、專家類型、政治面貌、出生日期、民族、工作時間、職稱、健康狀況、及移動電話等。公安消防武警主要包括名稱、類型、歸屬、地址、聯(lián)系人、聯(lián)系電話、負(fù)責(zé)人、負(fù)責(zé)人電話及級別等信息。

（3）醫(yī)療單位及救援隊(duì)伍：通過本功能可查詢、添加、修改或者刪除醫(yī)療單位及救援隊(duì)伍信息。醫(yī)療單位和救援隊(duì)伍主要包括名稱、歸屬、地址、聯(lián)系人、聯(lián)系電話、負(fù)責(zé)人、負(fù)責(zé)人電話、級別及組織機(jī)構(gòu)等信息。

（4）應(yīng)急物資及運(yùn)輸企業(yè)：通過本功能可查詢、添加、修改或者刪除應(yīng)急物資及運(yùn)輸企業(yè)信息。應(yīng)急物資和運(yùn)輸企業(yè)主要包括名稱、歸屬、地址、聯(lián)系人、聯(lián)系電話、負(fù)責(zé)人、負(fù)責(zé)人電話、級別及組織機(jī)構(gòu)等信息。

（5）通信保障及防護(hù)目標(biāo)：通過本功能可查詢、添加、修改或者刪除通信保障機(jī)構(gòu)及防護(hù)目標(biāo)等信息。通信保障及防護(hù)目標(biāo)主要包括名稱、歸屬、地址、聯(lián)系人、聯(lián)系電話、負(fù)責(zé)人、負(fù)責(zé)人電話、級別及組織機(jī)構(gòu)等信息。

2.3 預(yù)案管理

預(yù)案管理主要包括預(yù)案的查找、查看、添加、刪除及修改等功能。主要分為綜合預(yù)案、專項(xiàng)預(yù)案和部門預(yù)案。主要內(nèi)容包括：預(yù)案編號、預(yù)案名稱、預(yù)案類型、預(yù)案級別、編制單位、適用范圍、編制目的、工作原則、發(fā)布范圍及發(fā)布時間等。

2.4 指揮決策

（1）協(xié)同管理及系統(tǒng)監(jiān)控：協(xié)同管理主要包括應(yīng)急模型管理、事件流程管理、請假管理、待辦任務(wù)及值班管理（如圖6所示）等。系統(tǒng)監(jiān)控主要包括服務(wù)監(jiān)控、接口文檔、事務(wù)監(jiān)控、任務(wù)監(jiān)控、任務(wù)軌跡、拓?fù)湔{(diào)用、終端管理、定位管理及緩存監(jiān)控等功能。

圖6 后臺值班管理

（2）語音指揮系統(tǒng)：融合4G/5G及多媒體技術(shù)，結(jié)合有線及無線集群對講等技術(shù)建立多路語音通信指揮系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)終端到終端實(shí)時雙向音視頻溝通。

（3）視頻會議管理：主要包括視頻源管理、實(shí)時傳輸(RTMP)任務(wù)及視頻分組管理。視頻源管理主要包括視頻名稱、地址、攝像頭IP、通道號、默認(rèn)預(yù)覽碼流及分組名稱等。RTMP任務(wù)主要包括任務(wù)名稱、RTMP流路徑、創(chuàng)建時間及操作等。視頻分組管理主要包括根分組、父級節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)IP、標(biāo)題及操作（添加、修改和刪除）等。

（4）通信及數(shù)據(jù)管理：通信管理主要包括通話記錄管理、通訊錄組管理、通訊錄管理及通訊調(diào)度管理。數(shù)據(jù)管理主要包括：文件管理、知識庫管理（知識庫的分類及檢索）以及復(fù)盤分析（案例庫、事件復(fù)盤及復(fù)盤評估管理）。

3 平臺工作流程

該平臺平時和戰(zhàn)時的處置流程如圖7所示，平時直接指派對應(yīng)的主管單位進(jìn)行事件的處置，在突發(fā)事件或緊急情況下，通過應(yīng)急中心的聯(lián)合指揮進(jìn)行事件處置。

圖7 系統(tǒng)工作流程

首先，報(bào)警人利用通信網(wǎng)絡(luò)向報(bào)警中心報(bào)告突發(fā)事件，報(bào)警中心通過平臺對突發(fā)事件進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并將其位置標(biāo)注在電子地圖中。其次，對突發(fā)事件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，評估該事件是否屬于重大事故，如果不是就由主管單位進(jìn)行獨(dú)立處置，在處置過程后將結(jié)果返回聯(lián)動中心存檔并進(jìn)行評價(jià)。如果是重大事故則除了主管單位，應(yīng)急聯(lián)動指揮中心還要積極協(xié)調(diào)其他應(yīng)急資源前往事發(fā)地進(jìn)行救援，通過該平臺將現(xiàn)場指揮及相關(guān)圖像進(jìn)行實(shí)時傳輸，實(shí)現(xiàn)對突發(fā)事件的聯(lián)合指揮與處置。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多定位系統(tǒng)融合技術(shù)

為了準(zhǔn)確定位報(bào)警人及突發(fā)事件的位置，精確指揮調(diào)動值勤力量，該平臺采用多定位系統(tǒng)融合的方法。報(bào)警人通過電信運(yùn)營商打電話報(bào)警時采用基站定位技術(shù)對報(bào)警人進(jìn)行定位，確定突發(fā)事件發(fā)生的位置。在報(bào)警人掛斷電話后采用北斗/GPS定位技術(shù)確定報(bào)警人和應(yīng)急救援力量的位置。結(jié)合設(shè)計(jì)的地圖 API，實(shí)現(xiàn)北斗/GPS和基站定位相結(jié)合，從而能夠在報(bào)警和處置過程中精準(zhǔn)定位報(bào)警人和應(yīng)急救援力量。

4.2 GIS技術(shù)

GIS（地理信息系統(tǒng)）是以采集、存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表面與空間和地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)空間信息系統(tǒng)。地圖服務(wù)擁有地圖GIS資源，對客戶端提供操作地圖GIS資源的接口，也提供給開發(fā)人員多種接口,功能強(qiáng)大而且操作簡單,結(jié)果可以直觀地顯示在地圖上。采用GIS技術(shù)能夠?qū)⑹录?、資源、力量進(jìn)行范圍分析，再通過視頻融合平臺或是融合通信進(jìn)行事件狀況的查看和指令的下達(dá)，能夠?qū)崟r掌握事件的處置進(jìn)度。

4.3 大數(shù)據(jù)處理技術(shù)

對累積的大量應(yīng)急救援信息，需要通過大數(shù)據(jù)處理技術(shù)提取出有價(jià)值的信息，輔助指揮決策，提高應(yīng)急救援工作的效率，提高應(yīng)急救援和指揮調(diào)度的前瞻性和主動性。如圖8所示，平臺在大數(shù)據(jù)分布式計(jì)算框架下，使用先進(jìn)的Hadoop平臺，采用MapReduce并行編程模型，能夠處理 PB 級數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)挖掘的效率?？梢院芎弥?D/3D地圖渲染，能夠進(jìn)行多發(fā)時段、多發(fā)區(qū)域、多發(fā)類型及四色預(yù)警等數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)。

圖8 應(yīng)急指揮大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)框架

5 結(jié)束語

本文所提出的基于大數(shù)據(jù)的城市綜合應(yīng)急指揮決策平臺由預(yù)防、啟動、處置、分析四個部分組成，預(yù)防時平時的檢查和監(jiān)控，遇到突發(fā)事件時，以預(yù)案和任務(wù)的方式進(jìn)行啟動，再通過無線圖傳、融合通信等進(jìn)行聯(lián)合處置，最后通過復(fù)盤分析進(jìn)行事件的回溯和評估，能夠掌握資源，上達(dá)下行，快速響應(yīng)。該平臺可為城市突發(fā)事件處置提供有效的數(shù)據(jù)決策依據(jù)及應(yīng)用方案。該系統(tǒng)主要面向各省市縣級應(yīng)急管理部門，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。