露天礦地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援智能調(diào)度系統(tǒng)研究*

王金安，陳夢雨，周家興，馬海濤

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

露天礦山(包括煤礦、金屬礦)開采過程中，時常發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[1]。災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急處置涉及災(zāi)害評估、救援力量調(diào)度。然而，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境及致災(zāi)機理對地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)度造成許多不確定的影響，增加地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置難度[2]。在應(yīng)對突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害時，應(yīng)急管理具有時效性這一特點[3-4]，且貫穿整個應(yīng)急管理過程，這就需要在短時間內(nèi)完成信息的交互，以達到災(zāi)害救援的最優(yōu)調(diào)度。目前我國在露天礦地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮調(diào)度方面處于探索階段，急需形成理論完備、功能齊全、高效運行的應(yīng)急指揮調(diào)度體系。

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，ArcGIS、移動Web、百度地圖API接口等在各省市的應(yīng)急管理平臺應(yīng)用十分廣泛[5]，如基于WebGIS的廣東省突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理平臺[6]、基于百度地圖API的地震應(yīng)急處置應(yīng)用[7]、基于百度地圖API的石家莊應(yīng)急避難場所信息管理系統(tǒng)[8]、基于三維GIS的云南地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮平臺[9]等，這些平臺的建成，為各省市的應(yīng)急管理提供極大的便利，提高應(yīng)急工作效率，體現(xiàn)信息技術(shù)在應(yīng)急工作中的可行性。

撫順西露天礦位于撫順市城區(qū)的南部、撫順煤田的西南部，擁有百余年的開采歷史，形成東西長6.6 km，南北寬2.2 km，垂直深420 m的大礦坑，擾動面積超15 km2。由于西露天礦區(qū)開采與撫順城市發(fā)展和建設(shè)處于歷史同期，形成撫順市“城中有礦，礦上有城”錯綜復(fù)雜的城市空間布局。西露天礦區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件異常復(fù)雜，存在水質(zhì)污染、滑坡、地裂縫等多種不良環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害，對西露天礦周邊城市建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施造成不同程度的損害和影響。因此，對撫順西露天礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害綜合防治，既是國家迫切需要解決的重大科技問題，也是撫順市城市發(fā)展和人居安全的重大關(guān)切[10]。

針對撫順西露天礦特殊的地質(zhì)條件和周邊城區(qū)特點，本文從地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展的特征和規(guī)律出發(fā)，結(jié)合礦區(qū)災(zāi)害救援力量分布，研究露天礦地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援智能調(diào)度系統(tǒng)，旨在為礦山安全及防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)提供實用工具，并為類似條件下開展地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援智能指揮與調(diào)度提供參考和借鑒。

1 智能調(diào)度系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計思路

撫順西露天礦應(yīng)急救援智能調(diào)度系統(tǒng)利用HTML調(diào)用百度地圖API構(gòu)建應(yīng)用主體框架，以B/S(瀏覽器/服務(wù)器模式)體系構(gòu)架進行系統(tǒng)開發(fā)，通過使用百度地圖API預(yù)留的路徑分析接口，使用JavaScript語言，依次計算出每種最優(yōu)調(diào)度路線，并直觀地表現(xiàn)在界面上，操作界面設(shè)計風(fēng)格沿用百度地圖原始風(fēng)格，具備縮放平移和地圖種類切換功能，方便用戶完成基本地圖操作；開發(fā)數(shù)據(jù)輸入和主程序觸發(fā)功能區(qū)，用戶能夠填寫災(zāi)害類型、影響規(guī)模等信息，根據(jù)這些信息生成最優(yōu)調(diào)度方案及避災(zāi)路線。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的應(yīng)急救援智能調(diào)度系統(tǒng)以模塊式運行，在應(yīng)急調(diào)度模塊部分中，每個模塊能夠單獨完成各自的職能，但主要的工作方式則是協(xié)同工作。在系統(tǒng)的御災(zāi)保障體系模塊部分，各模塊獨立存在、互不影響。

在本系統(tǒng)平臺的應(yīng)急與救援過程中，每個模塊以及模塊的子模塊，大多數(shù)以鼠標直接點擊的方式運行。但部分模塊會彈出子對話框，其往往需要運用到大量參數(shù)，而這些參數(shù)中有相當一部分有繼承性即需要重復(fù)輸入的。當需要將模塊與模塊銜接起來，使其協(xié)同工作時，不免會產(chǎn)生以下問題：一是系統(tǒng)的基本運行流程問題；二是模塊與主界面間的數(shù)據(jù)交流問題；三是模塊與模塊間的交流問題。

該系統(tǒng)平臺的主要流程是由具體的災(zāi)害情況及規(guī)模等因素決定的。系統(tǒng)內(nèi)的基本運行流程為：首先獲得地質(zhì)災(zāi)害地點及規(guī)模等先驗信息，然后依次進行影響區(qū)的范圍確定、救援力量調(diào)度、救援裝備調(diào)度、應(yīng)急避難與安置以及案例入庫與信息上報，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援智能調(diào)度平臺系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of intelligent dispatching system for emergent rescue of geological disaster

模塊間以及模塊與主界面間的數(shù)據(jù)傳輸問題通過“模塊→主界面→模塊”的方式來實現(xiàn)。系統(tǒng)啟動后在主界面“doc類”對象下建立1個臨時的數(shù)據(jù)存儲對象URL，啟動子模塊后，通過子模塊獲得必要的參數(shù)，在關(guān)閉子模塊時數(shù)據(jù)返回主界面下的這個對象并存儲。當子模塊內(nèi)需要應(yīng)用某個數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)在啟動子模塊前自動把數(shù)據(jù)發(fā)送到子模塊，從而實現(xiàn)整個程序的數(shù)據(jù)交流。

1.3 系統(tǒng)功能

調(diào)度系統(tǒng)平臺的模塊是把應(yīng)急救援與智能調(diào)度工作體系中的相同或相似的功能部分組集在一起成為1個小整體，且模塊設(shè)計是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計的基礎(chǔ)?；诖?，實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊劃分。1個模塊包含若干子模塊或子窗口，獨立完成設(shè)定的功能。

撫順西露天礦及周邊影響區(qū)應(yīng)急救援智能調(diào)度系統(tǒng)可分為2大模塊，即御災(zāi)保障體系模塊和應(yīng)急救援調(diào)度模塊。

1)御災(zāi)保障體系模塊劃分為影響區(qū)設(shè)防區(qū)劃、救援力量分布、救援裝備分布、避難場所與安置點分布、地質(zhì)災(zāi)害鏈5個子模塊，如圖2所示。

圖2 御災(zāi)保障體系模塊主要功能Fig.2 Main functions of disaster prevention and guarantee system module

2)應(yīng)急救援調(diào)度模塊劃分為災(zāi)害點定位與評估、救援力量調(diào)度、救援裝備調(diào)度、應(yīng)急撤離與安置4個子模塊，該部分模塊相互協(xié)助，共同完成1次應(yīng)急救援調(diào)度任務(wù)，各模塊劃分及相關(guān)功能介紹如圖3所示。

圖3 應(yīng)急救援調(diào)度模塊主要功能Fig.3 Main functions of emergency rescue dispatching module

另外，為增強程序的適用性，在進行模擬災(zāi)情下的應(yīng)急救援智能調(diào)度中，各模塊又被設(shè)計成可以獨自進行運作的子系統(tǒng)，能夠不依賴其他模塊而單獨完成任務(wù)。例如：當操作人員發(fā)起1次應(yīng)急救援與調(diào)度任務(wù)時，此時不需要再進行災(zāi)情地點與規(guī)模評估等工作，但是操作人員需要隨機點擊1處位置或者輸入1組影響區(qū)范圍數(shù)據(jù)，就可以進入相對應(yīng)的調(diào)度模塊，從而獲得已完成的調(diào)度任務(wù)[11]。當然，操作者及影響區(qū)內(nèi)居民也可自由訪問與了解當下各區(qū)域的災(zāi)害防治與應(yīng)急方面的信息，從而有效提高群測群防能力。

2 數(shù)據(jù)庫搭建

為使撫順市各應(yīng)急救災(zāi)技術(shù)力量得到統(tǒng)一調(diào)度(如數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲等)，實現(xiàn)從信息共享、風(fēng)險研判、聯(lián)合同動、應(yīng)急處置4個方面相互協(xié)調(diào)配合，本調(diào)度系統(tǒng)建立地理數(shù)據(jù)庫(撫順市百度地圖等)、地質(zhì)災(zāi)害鏈數(shù)據(jù)庫(地裂縫、斷層的分布等)、救援力量裝備信息庫(生命救援力量、醫(yī)療救援力量、風(fēng)險監(jiān)測力量、治安管控力量、工程搶險力量等)。數(shù)據(jù)庫體系模型如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫體系模型Fig.4 Database system model

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

調(diào)度系統(tǒng)是在百度地圖API二次開發(fā)接口上，采用JavaScript語言集成開發(fā)的。本系統(tǒng)的底圖是實時更新的百度地圖，在該地圖上可實時顯示城區(qū)街道的運行狀況，也可通過轉(zhuǎn)動鼠標滾輪對地圖進行放大與縮小。通過點擊并拖動右上角的全景插件到地圖的指定位置，可進行街景的觀看。

3.1 御災(zāi)保障體系模塊

該模塊包括影響區(qū)設(shè)防區(qū)劃、救援力量分布、救援裝備分布、避難場所與安置點分布與地質(zhì)災(zāi)害鏈5個子模塊。

1)影響區(qū)設(shè)防區(qū)劃子模塊

影響區(qū)設(shè)防區(qū)劃主要介紹現(xiàn)今西露天礦邊坡影響范圍內(nèi)不同區(qū)域的居民社區(qū)分布、居民數(shù)量以及各類基礎(chǔ)設(shè)施的分布情況，從而有針對性地對各區(qū)域進行設(shè)防。

2)救援力量分布子模塊

該模塊根據(jù)在應(yīng)急救援工作中承擔任務(wù)的不同，分為主要醫(yī)院分布、消防力量分布、武警力量分布、軍隊力量分布、交警力量分布、公安力量分布、專業(yè)(專家)力量分布7個部分。

3)救援裝備分布子模塊

根據(jù)各種救援裝備及設(shè)備在應(yīng)急救援工作中的作用不同，該模塊分為工程搶險裝備、生命救援裝備、指揮與保障裝備及偵察監(jiān)測裝備4個部分。

4)避難場所與安置點分布子模塊

應(yīng)急救援智能調(diào)度體系中，根據(jù)避難場所及安置點的基本特征及性質(zhì)[12]，可將西露天礦周邊城區(qū)影響區(qū)內(nèi)的應(yīng)急避難場所分為2類以及礦區(qū)內(nèi)部起到臨時應(yīng)急避難場所的1類。

5)地質(zhì)災(zāi)害鏈子模塊

根據(jù)撫順西露天邊坡及領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)地質(zhì)資料、生產(chǎn)建設(shè)情況和區(qū)域相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害歷史記錄情況[13]，該模塊分為因果型災(zāi)害鏈、重現(xiàn)型災(zāi)害鏈及同源型災(zāi)害鏈。

3.2 應(yīng)急救援調(diào)度模塊

該模塊包括災(zāi)害點定位與評估、救援力量調(diào)度、救援裝備調(diào)度、應(yīng)急撤離與安置4個子模塊。

1)災(zāi)害點定位與評估子模塊

通過現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害后，第一時間將災(zāi)情及險情傳至系統(tǒng)。隨后，該模塊根據(jù)已獲得的信息對所發(fā)生的災(zāi)害類型、災(zāi)害等級、影響程度及需要調(diào)度的救援力量及設(shè)備等進行計算與確定，從而有針對性地為后續(xù)模型提供數(shù)據(jù)資料。

2)救援力量調(diào)度子模塊

完成災(zāi)害點定位與評估子模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)錄入后，會自動計算出影響區(qū)范圍及次生災(zāi)害隱含區(qū)域，系統(tǒng)將根據(jù)上述信息與數(shù)據(jù)，分析所需救援力量的種類及數(shù)量，進行比對與最優(yōu)篩選，操作人員只需分別點擊子模塊菜單中的醫(yī)護力量、消防力量、公安交警力量等按鍵，便可進行各救援力量的應(yīng)急與救援規(guī)劃[14]。

3)救援裝備調(diào)度子模塊

同救援力量調(diào)度相似，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場受災(zāi)情況，分別對所需各類救援設(shè)備數(shù)量進行計算與確定。

4)應(yīng)急撤離與安置子模塊

在整個地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急與救援調(diào)度工作中，受災(zāi)人員的及時且安全轉(zhuǎn)移是最核心的環(huán)節(jié)[15]。為此，該應(yīng)急調(diào)度平臺設(shè)置專門的應(yīng)急撤離與安置子模塊，系統(tǒng)將會根據(jù)確定的災(zāi)害點區(qū)域和受災(zāi)人數(shù)等數(shù)據(jù)，計算獲得最優(yōu)化受災(zāi)人員撤離路線和撤離安置點方案。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與操作

本文在西露天礦東北幫處虛擬1次大型滑坡案例，利用開發(fā)構(gòu)建的露天礦地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援智能調(diào)度系統(tǒng)對該虛擬案例進行模擬，驗證系統(tǒng)災(zāi)害評估、應(yīng)急救援調(diào)度和應(yīng)急撤離與安置3大功能的智能化以及有效性。

假設(shè)20XX年X月X日X時，撫順西露天礦東北幫處發(fā)生大型滑坡。進入應(yīng)急救援智能調(diào)度系統(tǒng)，步驟如下(如圖5)：

圖5 災(zāi)害評估流程Fig.5 Flow chart of disaster assessment

1)進行地質(zhì)災(zāi)害地點的定位。點擊地質(zhì)災(zāi)害定位的功能按鍵，下拉菜單中會出現(xiàn)輸入式定位及點擊式定位2種按鍵(圖5方框1)，根據(jù)實際情況選擇定位方式，分別以直接輸入災(zāi)害點的經(jīng)緯度坐標或者在地圖上點擊坐標點的方式進行災(zāi)害點確定。本次模擬采用點擊式定位方式在地圖上確定露天礦東北幫發(fā)生災(zāi)害位置。

2)點擊災(zāi)情估算評估按鍵(圖5方框2)。在對話框中，依次輸入災(zāi)情種類(滑坡)、災(zāi)害體積(100萬m3)，并點擊災(zāi)害估算評估按鍵，得出災(zāi)害等級和影響區(qū)半徑。文本框中生成本次災(zāi)害的影響半徑為150 m。完成上述操作后，退出該對話框，在災(zāi)害影響區(qū)內(nèi)顯示受災(zāi)信息：受損樓房2棟，均為南陽路永安臺街道辦事處附近商戶住宅，受災(zāi)人數(shù)200人，災(zāi)害現(xiàn)場可能被困人數(shù)9人。

3)單擊次生災(zāi)害評估功能按鍵。在災(zāi)害影響區(qū)范圍內(nèi)顯現(xiàn)次生災(zāi)害的影響范圍為9 m2，受災(zāi)人數(shù)約為45人，圖5方框3中圓圈內(nèi)線條為可能導(dǎo)致的地下管線泄漏區(qū)域。點擊信息上報的功能按鍵，對現(xiàn)場災(zāi)害信息“20XX年X月X日X時，在遼寧省撫順市西露天礦區(qū)域(北緯123.92，東經(jīng)41.86)附近，發(fā)生大型滑坡，總方量約為100萬m3，影響區(qū)半徑約為150 m”進行快速上報。

4)點擊主菜單中的救援力量調(diào)度按鍵，進入如圖6所示的救援力量調(diào)度界面。該模塊啟動之初，后臺系統(tǒng)將自動將災(zāi)害點定位與評估子模塊中的計算影響區(qū)范圍及次生災(zāi)害隱含區(qū)域顯現(xiàn)，用于應(yīng)急救援力量(醫(yī)護人員、消防隊、軍隊武警人員、公安交警人員、防災(zāi)減災(zāi)專業(yè)人員)調(diào)度與規(guī)劃。分別點擊該子模塊中的各類救援力量調(diào)度的功能按鍵后，系統(tǒng)根據(jù)上述信息與數(shù)據(jù)，完成各類救援力量的數(shù)量配置及調(diào)度路線的比對和優(yōu)化篩選，其中醫(yī)護人員分4批從撫順礦務(wù)局醫(yī)院、撫順中醫(yī)學(xué)院、撫順市中醫(yī)院和露天礦醫(yī)院共調(diào)度200名；消防隊員從撫順市消防控制中心調(diào)度100名；軍隊武警人員從撫順市武警支隊共調(diào)度100名；公安交警人員分2批從撫順市公安局新?lián)岱志终厩芭沙鏊?、撫順市交警支隊共調(diào)度50名；防災(zāi)減災(zāi)專業(yè)人員從撫順市應(yīng)急管理局共調(diào)度5名。

圖6 救援力量調(diào)度路線Fig.6 Dispatching routes of rescue force

5)點擊主菜單中的救援裝備調(diào)遣按鍵，進入如圖7所示的救援裝備調(diào)遣界面。在該子模塊中，分別點擊對應(yīng)的救援裝備(工程搶險裝備、生命救援裝備、指揮與保障裝備、偵察監(jiān)測裝備)調(diào)遣的功能按鍵，系統(tǒng)將根據(jù)上述信息與數(shù)據(jù)，完成各類救援力量的數(shù)量配置及調(diào)度路線的比對和優(yōu)化篩選，其中工程搶險裝備從消防支隊共調(diào)度11臺挖掘機、2臺消防車、2臺鏟車、33臺自卸卡車、2臺吊車；生命救援裝備從撫順礦務(wù)局醫(yī)院、撫順中醫(yī)學(xué)院、撫順市中醫(yī)院和露天礦醫(yī)院分4批共調(diào)度2臺生命檢測儀、破拆撐頂裝備5臺、搜救犬3條、救護車4輛；指揮與保障裝備從撫順市公安局交警支隊共調(diào)度應(yīng)急指揮車2臺、應(yīng)急發(fā)電車2臺、應(yīng)急照明車2臺、應(yīng)急照明發(fā)電機組5臺、應(yīng)急通訊車2臺、燃油供應(yīng)車2臺；偵察監(jiān)測裝備從撫順市應(yīng)急管理局共調(diào)度應(yīng)急測繪車1臺、氣象應(yīng)急車1臺、無人機1架、邊坡雷達2臺、普適型監(jiān)測設(shè)備24臺。

圖7 救援裝備調(diào)度路線Fig.7 Dispatching routes of rescue equipment

6)點擊主菜單中的應(yīng)急撤離與安置按鍵。出現(xiàn)如圖8所示的應(yīng)急撤離與安置界面,根據(jù)災(zāi)情變化迅速調(diào)整疏散方向，前往撫順市勞動公園東北門，形成最佳逃生路線，指引人們安全快速地撤離災(zāi)源地。

圖8 應(yīng)急撤離與安置路線Fig.8 Emergency evacuation and resettlement routes

通過上述虛擬案例的測試，本系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，能夠完成數(shù)據(jù)的采集、上報、評估及救援力量的調(diào)度，從而實現(xiàn)科學(xué)有序的應(yīng)急救援調(diào)度。

5 結(jié)論

1)應(yīng)急救援智能調(diào)度系統(tǒng)以地理數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)災(zāi)害鏈數(shù)據(jù)庫、救援力量裝備信息庫為基礎(chǔ)，根據(jù)災(zāi)害現(xiàn)場的具體情況及區(qū)域內(nèi)整體的應(yīng)急救援水平，提出科學(xué)可靠的應(yīng)急調(diào)度方案。

2)御災(zāi)保障體系模塊涵蓋影響區(qū)設(shè)防區(qū)劃、救援力量分布、救援裝備分布、避難場所與安置點分布、地質(zhì)災(zāi)害鏈等基礎(chǔ)資料，為應(yīng)急救援智能調(diào)度提供救援所需數(shù)據(jù)支撐。

3)應(yīng)急救援調(diào)度模塊在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，實現(xiàn)災(zāi)害的快速定位與評估，調(diào)集最優(yōu)的救援力量和設(shè)備，指揮受災(zāi)人員撤離、次生災(zāi)害應(yīng)對與再部署等工作。

4)當?shù)刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生時，啟動系統(tǒng)可以快速進行地質(zhì)災(zāi)害點的定位，錄入災(zāi)情和險情信息，對災(zāi)害規(guī)模和等級進行快速評估，實時上報災(zāi)害信息；點擊系統(tǒng)的應(yīng)急救援菜單，可以生成救援力量、救援裝備的最佳配置和調(diào)度；災(zāi)情發(fā)生后，該系統(tǒng)可自動規(guī)劃撤離路徑和指定避災(zāi)場所，保障受災(zāi)區(qū)人員的安全撤離和妥善安置。應(yīng)急救援智能調(diào)度系統(tǒng)操作簡單，系統(tǒng)子模塊之間相互獨立，可實現(xiàn)模塊間的相互協(xié)調(diào)。系統(tǒng)預(yù)留接口，用戶可根據(jù)需求實現(xiàn)功能的增減，如根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測信息適時預(yù)警，實現(xiàn)從臨時決策向科學(xué)決策的轉(zhuǎn)變。