基于WebGIS 的突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瑋，馬瑞良，黃震宇，葉子銘

（1.江西省氣象局江西省氣象災(zāi)害應(yīng)急預(yù)警中心，江西 南昌 330096；2.北京辰安科技股份有限公司應(yīng)急管理BG，北京 100094）

江西省是我國自然災(zāi)害發(fā)生頻率最高的省份之一，幾乎每年都會(huì)發(fā)生山體滑坡、洪澇、泥石流，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成了重大的損失。如果在突發(fā)事件來臨之前，預(yù)警信息發(fā)布不及時(shí)或者是傳輸不順暢，將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)急行動(dòng)遲緩，從而造成巨大損失。因此，建立統(tǒng)一有效的社會(huì)突發(fā)事件監(jiān)測預(yù)警以及信息公開發(fā)布管理系統(tǒng)十分必要[1]。

文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于人流密度的突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)，根據(jù)人流密度將預(yù)警區(qū)域劃分為不同的優(yōu)先級(jí)，但是無法克服密集人流帶來的復(fù)雜問題。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于微服務(wù)架構(gòu)的突發(fā)事件預(yù)警輔助決策系統(tǒng)，不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，也無法實(shí)現(xiàn)GIS 的制圖功能。WebGIS 能夠跨平臺(tái)運(yùn)行，用戶通過普通瀏覽器就可以接收數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的共享程度。為此，設(shè)計(jì)了基于WebGIS 的突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)，分別從硬件和軟件方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 信息采集模塊

信息采集模塊的作用是采集突發(fā)事件預(yù)警信息，采用的微處理器為美國Cygnal 公司生產(chǎn)的C8051F040 芯片，C8051F040 芯片內(nèi)部CAN 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 C8051F040芯片內(nèi)部CAN結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 可知，C8051F040 芯片能夠?qū)IP-51內(nèi)核兼容在一起，通過CAN 控制器完成接收和濾波處理。C8051F040 芯片將混合信號(hào)集成，提高了信息處理的速度[4-5]。芯片的吞吐量最高能達(dá)到25 MIPS，配有8051-高兼容CIP-51 內(nèi)核，64 kB 系統(tǒng)內(nèi)核和可編程高速閃存，其外部采用I/O 接口，片內(nèi)有一個(gè)可編程的16 位定時(shí)器函數(shù)陣列，能夠完成突發(fā)事件預(yù)警信息的實(shí)時(shí)采集。

A/D 轉(zhuǎn)換器的型號(hào)為ADC0809，轉(zhuǎn)換器有8 個(gè)通道。ADC0809 工作原理如圖2 所示。

圖2 ADC0809工作原理

根據(jù)圖2 可知，ADC0809 內(nèi)部含有8 位A/D 轉(zhuǎn)換器，通過8 路多路開關(guān)，完成各個(gè)邏輯控制，內(nèi)部的CMOS 組件采用逐次逼近法，確保信息能夠順利轉(zhuǎn)換，精度提高到1/2 LSB[6-7]。當(dāng)需要采集多路預(yù)警信息時(shí)，信息首先到達(dá)調(diào)理電路，經(jīng)過濾波器和A/D 轉(zhuǎn)換器，最后輸入C8051F040 芯片，計(jì)算出預(yù)警信息參數(shù)后，由DSP 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，DSP 處理后的信息隨后會(huì)被傳入存儲(chǔ)模塊。

1.2 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊用于存放采集到的突發(fā)事件預(yù)警信息數(shù)據(jù)，該文選用的存儲(chǔ)芯片為C8051 芯片，C8051 芯片內(nèi)已有4 352 B 的RAM，但無法滿足存儲(chǔ)需求。因此，利用片外引腳對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，C8051 內(nèi)部自帶的64 kB 存儲(chǔ)容量可用于程序存儲(chǔ)，所以只需要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器[8]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3 可知，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、PIC 接口、FPGA、上位機(jī)和相關(guān)板組成，AD 接口與FPGA 連接，完成信號(hào)控制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)為靜態(tài)數(shù)據(jù)，各個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)分別存放在單獨(dú)的存儲(chǔ)單元中。若要存儲(chǔ)多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，則需要用到多個(gè)存儲(chǔ)單元。

1.3 信息傳輸模塊

信息傳輸模塊的作用是實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件預(yù)警信息的傳輸。信息傳輸芯片使用的是Intel 公司生產(chǎn)的LXT971A 芯片，該芯片完全符合IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，支持10M 或100M 基帶傳輸，具有64 個(gè)引腳。芯片的接口采用MIIM，通過此接口使芯片與以太網(wǎng)控制器相互連接，連接方式如圖4 所示。

圖4 LXT971A芯片與以太網(wǎng)控制器接口連接

根據(jù)圖4 可知，LXT971A 芯片與控制器接口通過15 次連接，在信息傳輸過程中，信息先經(jīng)過芯片，然后按照傳輸協(xié)議傳輸至以太網(wǎng)控制器[9-10]。反之，當(dāng)以太網(wǎng)需要向芯片傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，將按照模擬程序進(jìn)行傳輸，IEEE 802.3 中對(duì)以太網(wǎng)控制芯片做出了規(guī)定：所有芯片Mac 都必須采取半雙工方式，半雙工方式指的是在某一個(gè)特定時(shí)刻，芯片內(nèi)數(shù)據(jù)的接收和傳送不能同時(shí)進(jìn)行，需要分別運(yùn)作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)江西省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布平臺(tái)系統(tǒng)總體功能，系統(tǒng)主要建設(shè)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)交換程序、數(shù)據(jù)整合程序、預(yù)警信息發(fā)布程序、發(fā)布渠道管理程序、監(jiān)控管理程序、發(fā)布效果評(píng)估程序、輔助決策程序和綜合管理程序八大子程序[11]。系統(tǒng)界面如圖5 所示。

根據(jù)圖5可知，不同的軟件程序負(fù)責(zé)不同的工作。

圖5 基于WebGIS的突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)軟件界面

2.1 數(shù)據(jù)交換程序

數(shù)據(jù)交換程序是為了使突發(fā)事件預(yù)警信息能夠在多部門之間實(shí)現(xiàn)交換共享。由于突發(fā)事件預(yù)警數(shù)據(jù)常常涉及多個(gè)區(qū)域和來源，因此數(shù)據(jù)復(fù)雜[12]。利用數(shù)據(jù)交換程序篩選數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息交換。

2.2 數(shù)據(jù)整合程序

數(shù)據(jù)整合程序能將突發(fā)事件預(yù)警數(shù)據(jù)與山洪程序、預(yù)警程序等整合，通過程序一鍵式發(fā)布?xì)庀箢A(yù)警信息。利用WebGIS 整合技術(shù)，從物理和邏輯兩個(gè)方面對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合[13]。

2.3 預(yù)警信息發(fā)布程序

該文利用WebGIS 技術(shù)，建立了江西省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布程序。在實(shí)際應(yīng)用過程中，將實(shí)時(shí)的城市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布到各手機(jī)客戶端，促進(jìn)預(yù)警信息共享，為預(yù)防突發(fā)事件提供科學(xué)有效的決策依據(jù)[14-15]。

2.4 發(fā)布渠道管理程序

發(fā)布渠道管理程序能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)布與研判分析，服務(wù)多部門共享共用，與已建的群測群防體系等基層防災(zāi)減災(zāi)網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，提供預(yù)警信息服務(wù)支撐，實(shí)現(xiàn)與各級(jí)政府及相關(guān)部門預(yù)警信息發(fā)布和防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)的對(duì)接，擴(kuò)大預(yù)警覆蓋面，提高預(yù)警聯(lián)動(dòng)成效。

2.5 監(jiān)控管理程序

監(jiān)控管理程序頁面基于WebGIS 框架構(gòu)建，以表格形式顯示各區(qū)域近24 小時(shí)內(nèi)發(fā)布的突發(fā)事件預(yù)警信息，并用柱狀圖對(duì)各區(qū)域信息發(fā)布量進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)[16]。

2.6 發(fā)布效果評(píng)估程序

發(fā)布效果評(píng)估程序能夠提升預(yù)警信息發(fā)布程序的整體水平，評(píng)估預(yù)警信息發(fā)布后達(dá)到的實(shí)際效果。發(fā)布效果評(píng)估指標(biāo)為發(fā)布信息協(xié)方差、線性擬合程度和顯著性差異，協(xié)方差計(jì)算公式為：

其中，Sab為統(tǒng)計(jì)變量a、b的協(xié)方差，n為樣本個(gè)數(shù)，ai和bi分別代表地區(qū)A 和地區(qū)B 的預(yù)警信息發(fā)布數(shù)目，分別代表ai和bi的平均值。對(duì)發(fā)布信息進(jìn)行線性擬合，線性檢驗(yàn)計(jì)算公式為：

其中，α表示常數(shù)，k表示比例系數(shù)。顯著性檢驗(yàn)計(jì)算公式為：

其中，T為顯著性差異，r為相關(guān)系數(shù)。預(yù)警發(fā)布效果評(píng)估程序的主要作用是采集各種反饋信息，根據(jù)反饋信息，結(jié)合WebGIS 技術(shù)，將預(yù)警信息發(fā)布程序與城市地理信息程序相聯(lián)合。評(píng)估程序可以對(duì)預(yù)警信息發(fā)布的實(shí)時(shí)性、覆蓋面積和輿情等進(jìn)行綜合的分析和評(píng)估。

2.7 輔助決策程序

為了使用戶可以清楚地了解潛在的突發(fā)事件對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和群眾可能造成的損害，該程序利用WebGIS 疊加分析預(yù)報(bào)的易發(fā)高風(fēng)險(xiǎn)突發(fā)事件與土地利用、居民地和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，生成突發(fā)事件易發(fā)區(qū)專題地圖，為防御突發(fā)事件提供決策服務(wù)。

2.8 綜合管理程序

綜合管理程序能夠?qū)Ω黝愑脩魯?shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理、查詢和實(shí)時(shí)顯示。用戶能在個(gè)人電腦桌面上，通過IE 瀏覽器查看本市范圍內(nèi)突發(fā)事件的預(yù)警信息，程序還具備自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息的機(jī)制，一旦現(xiàn)場發(fā)生突發(fā)事件，程序?qū)⒆詣?dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送到相關(guān)工作人員的手機(jī)上。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)如下：工作電壓為220 V，工作電流為100 A，工作頻率為120 Hz，操作系統(tǒng)為Windows 10，操作次數(shù)為10次。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，通過調(diào)度、監(jiān)控將得到的電力數(shù)據(jù)整合。設(shè)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

觀察圖6 可知，該文實(shí)驗(yàn)包含Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和前置服務(wù)器，其配合實(shí)時(shí)監(jiān)控和其他應(yīng)用分析，以保證實(shí)驗(yàn)順利運(yùn)行。

分別采用所提系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，得到響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1 所示。

根據(jù)表1 可知，文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在3 s左右，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間超過3 s，而所提系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間均低于0.25 s。由此可知，所提系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)。因?yàn)樗嵯到y(tǒng)在整合過程中，屏蔽了各個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的差異，對(duì)資源進(jìn)行了集中整合，建立相互聯(lián)系，整合后的數(shù)據(jù)具有WebGIS程序的共享特性，有利于程序高效運(yùn)行，發(fā)揮更高的效率。預(yù)警準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表1 響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 預(yù)警準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2 可知，文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)平均預(yù)警準(zhǔn)確率為85.46%，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)平均預(yù)警準(zhǔn)確率為76.18%，而所提系統(tǒng)平均預(yù)警準(zhǔn)確率為99.12%。由此可知，所提系統(tǒng)預(yù)警準(zhǔn)確率高于文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)。因?yàn)樗嵯到y(tǒng)基于WebGIS 的程序，運(yùn)行速度快，能夠滿足巨大人數(shù)的訪問需求，解決突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布遇到的問題。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計(jì)了基于WebGIS 的突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)。通過系統(tǒng)硬件和軟件部分，利用WebGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件預(yù)警信息多平臺(tái)共享，有效縮短響應(yīng)時(shí)間，提高預(yù)警信息準(zhǔn)確率。然而，該文未探究程序在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的實(shí)際情況，這將在之后工作中進(jìn)一步探究。