城市公共安全应急GIS系统支持

城市公共安全应急GIS系统支持

　　摘要：以地理信息系统 （GIS）为平台 ,集成决策支持系统 （DSS） ,研究开发了“基于 GIS的城市公共安全应急决策支持系统”。该系统包括基础信息子系统、灾害信息子系统、危险源管理子系统、火灾分析子系统、洪灾分析子系统、地震分析子系统、风灾分析子系统、公共安全规划子系统、应急决策子系统和系统总控模块等。剖析了当前城市公共安全决策模式的弊端 ,介绍了该系统的结构框架和各子系统的功能 ,提出了一种快速、高效构建城市基础空间数据库的技术方案 ,并探讨了该系统与城市公共安全体制的融合机制问题。实践证明 ,在对城市可视化与数字化的基础上 ,该系统能够实现城市灾害信息的科学管理 ,各种灾害分析模拟 ,公共安全规划以及应急决策支持 ,从而有效提高突发性城市公共安全应急的效率和响应速度 ,为城市公共安全的应急工作提供了有效的辅助手段

　　
　　引　言

　　城市是以人为主体 ,由社会、经济、资源、环境、灾害等要素之间通过相互作用、相互依赖、相互制约所构成的复杂空间地域系统。随着我国城市建设步伐的加快和城市化造成人口急剧膨胀 ,因人为因素、自然因素以及两者叠加造成的灾害事故频度和程度迅速增加 ,使得城市的可持续发展功能受到严重威胁 ,城市公共安全面临空前的挑战 [1 ,2 ]。纽约世贸大厦的坍塌引发了全球思考。实现城市公共安全对于保障地区乃至整个国家的经济发展与政治稳定具有重大的现实意义。一个城市是否具备防范灾害的能力已成为衡量其质量和文明程度的重要标志 。

　　目前应对城市突发事故的决策主要依赖于各自独立的管理部门 ,其效果主要取决于领导者掌握的信息量以及个人知识、经验水平 ,但由于人为因素过多 ,难免产生一些错误的决策。一旦发生灾害 ,错误的决策不仅容易导致在组织群众疏散和防止灾害扩大方面贻误时机 ,而且造成重大的人员伤亡和经济损失。

　　在城市公共安全研究中 ,无论是各种主要的自然灾害 ,还是人为的工业灾害 ,对其监测、预报、评估以及防灾、救灾、恢复、教育、保险与综合管理的每一过程和环节都与空间的地理要素密切相关 ,如灾害发生的时空分布、强度与频度 ,灾害发生地的社会经济易损性及抗灾能力、人员分布、灾害应急救助措施以及应急预案等等。因而综合运用灾害科学和信息技术 ,建立集基础信息管理、灾害信息管理、重大危险源管理、各种灾害分析模拟、公共安全规划、应急决策模式于一体的应急决策系统 ,将在城市公共安全中发挥快速、准确的辅助决策作用 ,最大程度地保障人民的生命财产安全。

　　一、城市公共安全应急决策、GIS
　　1 .1　城市公共安全应急决策突发事件发生后的最初几分钟 ,是最为关键的时刻。其间能否采取迅速而有效的应变行动 ,将决定整个状况能否被控制 ,损害是否减轻。因此城市公共安全决策就是在最短时间内处理大量与灾害相关的空间和属性数据 ,合理调配各种资源 ,组织应急扑救 ,以减少灾害的影响范围。

　　当前应急决策模式信息不足的主要原因是对灾害空间的理解有误。灾害空间不仅包括灾害源的空间布局、实质环境状况、关键设施状况、应急救援力量等实体空间 ,而且涉及社会经济领域非实体因素 ,如人口分布、财产分布等 。

　　1 ）潜在灾害类型及分布

　　潜在灾害类型及分布是建构城市公共安全数据库的基础。依据历史灾情库和环境特征 ,将该地区可能发生的灾害进行辨认 ,并将其空间分布导入应急决策的知识库。

　　2 ）实质环境状况

　　实质环境状况是引发城市灾害的物质基础 ,是判别灾害潜力的依据 ,尤其在那些灾害频发的敏感地区。

　　3 ）关键设施状况

　　包括政府机构、教育机构、重要公共场所及水、电、气、热、交通、通信等各类城市生命线。

　　4 ）应急救援力量

　　包括公安、消防、医疗、环境、防疫等重要应急机构的数量及空间分布。

　　5 ）社会经济因素

　　主要包括产业结构、流通结构、人口分布等。不同社会经济条件下发生同种程度的灾害 ,可能产生截然不同的后果。

　　城市公共安全应急决策作为一个动态系统的运行过程 ,其复杂的灾害空间需要强有力的信息分析工具的支持。地理信息系统 （ GIS）和决策支持系统 （ DSS）是解决这一问题的有力工具。

　
　　GIS是一门集地理学、计算机图形学等多门学科为一体的技术 ,是对地理数据进行有效管理与分析的计算机系统 [5] 。DSS是辅助决策者通过数据、模型、知识以人机交互方式进行半结构化或非结构化决策的计算机应用系统。

　　传统的 GIS尚局限于获取、存储、查询、制图等基本功能 ,缺少对复杂空间问题的有效支持 [6 ]。在应急决策过程中某些重要的决策依据无法在 GIS中进行展示 ,如 If- then规则、互动模式、依赖关系等非结构化问题 [4 ]。因此本文引入一种新的模式——基于 GIS的决策支持系统 ,将决策支持架构在空间数据上 ,通过空间数据库和模型库的链接实现基础设施的显示、查询和分析 ,给领导提供直观的信息服务和决策支持。

　　二、城市公共安全应急决策支持系统的结构与功能

　　2 .1　系统总体结构

　　根据系统需求分析和开发目标 ,城市公共安全应急决策支持系统主要包括 :基础信息子系统、灾害信息子系统、危险源管理子系统、火灾分析子系统、洪灾分析子系统、地震分析子系统、风灾分析子系统、公共安全规划子系统、应急决策子系统和系统总控模块等。其构成框架见图 1。

　　1 ）基础信息子系统。它具有维护和管理基础信息所需的基本功能。所谓基础信息包括城市概况、政府机构、重要公共场所、房屋建筑、基础设施等。基础设施主要包括生命线 （供水、供电、排水、通信、燃气、道路等 ）、堤坝和废弃物系统。图 1　系统结构框架图

　　2 ）灾害信息子系统。它具有维护和管理灾害信息所需的基本功能。灾害信息主要指各种抗救灾力量 ,包括应急指挥中心、应急专家、消防机构、环境机构、公安机构、交警机构、医疗机构 ,避难场所、物资场所等。抗灾力量调查与管理界面见图 2。

　　3 ）危险源管理子系统。它对城市内的重大危险源进行管理 ,在地图显示出各个重大危险源的地理位置 ,实现对危险源信息的录入、检查及查询 ,并以文字、图片、视频等多媒体手段详细生动地展示单个危险源。

　　4 ）火灾分析子系统。它通过火灾模拟分析与消防指挥决策的有效融合 ,提高城市火灾扑救及医疗急救的应急决策水平 ,其中最短路径分析界面见图 3。

　　5 ）地震分析子系统。它在发生破坏性地震时快速做出程序化对策 ,为政府实施相应的地震应急预案提供依据和对策方案。

　　6 ）洪灾分析子系统。在对地形、水系与建筑物三维建模的基础上 ,针对汛情预报的江河水位 ,提前进行洪水模拟 ,为防洪抢险与应急指挥提供决策支持 [7] ,图 4为洪灾淹没三维演示界面。

　　7）风灾分析子系统。通过输入台风的路径和相应风级 ,得到台风的影响范围 ,再与建筑物和种植用地图层进行叠加分析 ,从而可以大致预测风灾的损失。

　　8）公共安全规划子系统。对各类抗灾力量 （包括消防机构、医疗机构、治安机构、避难机构、物资机构 ）和重大危险源进行公共安全规划 ,从而得到各抗灾力量的有效服务范围和资源设置 ,以及重大危险源的死亡区、重伤区和轻伤区。从公共安全规划的高度 ,改善城市的功能布局 ,从根源上防止灾害和突发事件的发生。

　　9）应急决策子系统。为提高紧急救援反应速度和协调水平 ,以知识库的形式向决策者提供历史灾情库、法律法规库和突发性事故及灾害的应急预案等。

　　1 0 ）系统总控模块。以数据库、模型库和知识库作为基本信息支撑 ,通过总控模块构筑系统的运行环境 ,辅以友好的用户界面和人机对话过程 ,有效地实现各子系统相互之间的数据共享、互通和协调工作。

　　基于 GIS的城市公共安全应急决策支持系统 ,能为城市突发性事故和灾害的应急管理提供一个完整的解决方案。该系统可以实现对基础设施、灾害信息、危险源及抗灾力量等信息的查询统计 ,图形编辑 ,属性更新 ,确定公共安全规划中抗灾力量的有效服务范围以及资源配置 ,快速重现灾害景观 ,大致预测灾害损失。在灾害应急响应与快速救援指挥中选择最佳路径 ,调度与管理抗灾力量 ,对应急预案数据库进行决策支持 ,从而方便政府在灾时实施相应的应急预案 ,大致预测灾害波及范围 ,提前组织疏散人员财产 ,实施医疗急救等 ,辅助领导全面掌握灾情并进行救灾指挥决策。

　　2 .2　数据库的组织与建立

　　2 .2 .1　建库流程

　　数据的丰富性、正确性及现势性直接关系到系统的应用效果。为克服空间数据建库的各种局限性 ,采用基于高分辨率影像图进行屏幕矢量化 ,构建城市公共安全空间数据库。它充分利用 GIS软件的多源数据集成能力 ,集成高分辨率影像、高精度 GPS数据、历史规划设计数据和社会经济统计数据 ,快速建立高质量的空间数据库 [8]。

　　2 .2 .2　数据的分层组织

　　GIS数据库存在两类数据 :空间数据与属性数据。空间数据表示空间物体的位置、形状及相互关系等方面的信息。属性数据表示空间物体与几何位置无关的属性。数据采用分层的方式存放 [9] 。

　　2 .2 .3　数据库与系统的连接

　　在城市公共安全应急决策的各个子系统中 ,用于查询及各种分析等功能的数据全部存放于数据库中。如何进行两者之间的无缝连接则成为系统正常运转的关键性问题。

　　各子系统对数据库提出数据需求及存贮格式要求。数据库作为数据源 ,通过接口程序为各子系统提供模型分析运行所需的数据 ,如应急决策所需的实时和历史的数据、各类空间数据、城市的社会经济数据等信息。系统与数据库的连接模式见图 5。

　　如果系统调用的任务 （如模型分析、查询等 ）与数据库之间无数据传递联系 ,系统总控模块通过人机交互方式直接从数据库中提取模型分析所需要的空间数据或属性数据及对运行结果数据进行管理 ,并按模型所需要的格式存入约定的变量中 ,再由子系统模型直接从变量中读取。

　　在总控模块的协调下 ,各子系统充分共享城市公共安全数据库 ,从而有助于改变当前灾害管理体制中的各自为政 ,条块分割局面。

　　3　系统与城市公共安全体制的融合

　　城市公共安全体制主要包括城市各种减灾主体的内部以及相互之间的关系和运行机制。当前的城市公共安全体制在机构设置、信息交流方面都处于一种分散和条块分割的混乱状态。单专业、单方向上的管理体制 ,已经对城市公共安全产生了消极影响。

　　目前城市中的公安、消防、交警、卫生、环保等应急救援机构是相对独立运作的 ,虽然发生灾害或事故时 ,可以相互支援 ,但没有形成联动机制 ,也没有统一的资源共享机制。如发生任何事故 ,都是由相关部门收集灾情 ,需要其他部门配合时 ,要报告政府部门 ,经过市政府对事故进行初步评估后 ,再下达统一行动的指令。显然这种模式会造成应急时间的延误 ,不适应现代化应急救援的要求。

　　建立应急救援联动机制是今后城市公共安全工作的必然趋势 ,因此建立城市公共安全应急决策支持系统正是顺应这一发展趋势。该系统与城市公共安全体制之间融合的关键在于城市应急救援联动机制的形成 ;反之城市应急救援联动机制的正常运行 ,也依赖于该系统的建立和完善。

　　4　结　论

　　通过集成地理信息系统和决策支持系统 ,开发了“基于GIS的城市公共安全应急决策支持系统”，实现了城市公共安全的基础数据和灾害数据的计算机存储与管理。

　　1 ）在数字化和可视化的基础上 ,实现了城市基础信息和灾害信息管理、重大危险源管理、各种灾害分析模拟、公共安全规划以及应急决策支持。与传统的应急方法相比 ,明显提高了人员和物资调度的准确率和响应速度 ,避免客观环境和人为因素造成的时间延误和决策失误 ,辅助决策者科学合理地制定城市公共安全应急决策方案。

　　2 ）以数据库、模型库和知识库作为基本信息支撑 ,通过总控模块构筑系统的运行环境 ,辅以友好的用户界面和人机对话过程 ,有效地实现各个子系统相互之间的数据共享互通和协调工作 ,以及跨子系统的功能调用 ,从而充分发挥各种抗灾资源在城市公共安全的作用。

　　3）提出了一种快速构建城市空间数据库的技术方案。

    4 ）探讨了该系统与城市公共安全体制之间的融合问题。两者融合的关键之处在于城市应急救援联动机制的形成
　
    5）“安全眼”线管理工具主要特点

    实时上传数据系统自动分析提供决策依据

    GIS功能，实时显示重大隐患分布情况，动态量化评估

    3D巡游，坐镇总部一览油气管道全线安全管理状况

    专家支持与互联网技术完美结合，解决作业标准化问题

    全员参与，提升安全技能并培养良好习惯