胡浩1， 周芯儀2

　?。?. 同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804；2. 埃默里大學 計算機科學專業(yè)，亞特蘭大 30322）

　　摘要：城市快速發(fā)展，安全事故頻發(fā)，常造成重大損失。對于這一問題，研究并設計了城市事故應急決策支持系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)使用的地理信息系統(tǒng)技術(shù)和決策支持系統(tǒng)技術(shù)。從系統(tǒng)總體框架和設計兩方面探討其功能組成和具體實現(xiàn)，重點研究了地理信息系統(tǒng)平臺和知識推理模塊設計。該系統(tǒng)為城市突發(fā)事故應急提供技術(shù)支持，輔助決策者做出及時和科學的事故應急決策。

　　關(guān)鍵詞：突發(fā)事故；城市應急；地理信息系統(tǒng)；決策支持

0引言

　　在以人為主體的城市中，環(huán)境、經(jīng)濟、社會等要素相互依賴、相互作用、相互制約，形成復雜的空間地域系統(tǒng)［1］。經(jīng)過近40年的改革，我國經(jīng)濟與城市快速發(fā)展，當前城鎮(zhèn)常住人口已達73億，城市系統(tǒng)復雜性隨之增加。由于城市人口、財富聚集，當突發(fā)一些安全事故（如火災爆炸），極其容易造成重大財產(chǎn)損失甚至人員傷亡。故而，城市公共安全對保障人民生命財產(chǎn)安全、護航國家經(jīng)濟發(fā)展有著十分重要的意義。衡量一個城市的建設發(fā)展質(zhì)量的重要標準之一就是一個城市的防范災害和緊急救援能力［23］。

　　很多國家非常重視公共安全系統(tǒng)建設，如美國組建了自己的專業(yè)安全研究基地，每年投入數(shù)百億美元研究經(jīng)費進行安全科學體系研究。對于我國，由于受計劃經(jīng)濟時期體制影響，我國城市事故應急是分部門的處理模式，少有統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度的指揮應急機構(gòu)。但是在某些公共安全領(lǐng)域中，相關(guān)部門利用現(xiàn)有技術(shù)建立了針對某種安全事故的監(jiān)測預警系統(tǒng)。若要為公共安全提供充分的保障，需要健全現(xiàn)有公共安全應急制度體系和技術(shù)體系，展開相關(guān)技術(shù)研究，充分發(fā)揮決策支持系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)在事故應急決策支持類系統(tǒng)研發(fā)中的科技支撐作用［4］。

1城市事故應急、GIS與DSS

　　1.1城市事故應急

　　突發(fā)事故發(fā)生后能否給出迅速有效的應對策略十分重要。城市事故應急就是在最短時間內(nèi)給出事故處理方案，合理調(diào)配各種資源，組織急救。城市事故應急研究中，公共安全的應急決策是一個與空間位置信息和信息分析密切相關(guān)的動態(tài)運作流程，解決這個問題需要快速的信息處理工具——決策支持系統(tǒng)(Decision Support System, DSS)技術(shù)和強大的空間的分析工具——地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)技術(shù)。本文將主要研究借助于GIS與DSS兩個工具組建的城市事故應急決策系統(tǒng)。

　　1.2組件式GIS與DSS

　　事故應急決策支持系統(tǒng)研究需要多學科知識體系支撐，需要結(jié)合涉及領(lǐng)域的技術(shù)及理論該來建立系統(tǒng)，使用系統(tǒng)工程理論來集成系統(tǒng)，從而向決策者提供合理參考信息。

　　GIS包括計算機圖形學、地理學等多門學科，是對地理數(shù)據(jù)進行有效管理與分析的計算機系統(tǒng)。當前GIS已被應用到多個領(lǐng)域中，同時GIS技術(shù)自身也在不斷地發(fā)展，組件式GIS（Component GIS，Com GIS）技術(shù)是其發(fā)展成果之一。其優(yōu)點在于集成方便、代碼可重用性高等，有助于系統(tǒng)的無縫高效集成，是GIS發(fā)展方向之一。

　　DSS定義很多，普遍比較認同的是DSS是用來幫助決策者通過知識、數(shù)據(jù)、模型以人機交互方式提供決策信息的應用系統(tǒng)［5］。DSS可以用來識別和解決復雜的問題，提高決策者決策的水平。

2系統(tǒng)功能分析與總體結(jié)構(gòu)設計

　　2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

　　根據(jù)系統(tǒng)需求和開發(fā)目標，將系統(tǒng)分為兩個主要模塊，即空間信息處理模塊和決策知識推理模塊，總體框架圖如圖1所示。地理信息處理模塊主要管理、分析和處理空間數(shù)據(jù)。決策知識推理模塊需要根據(jù)事故特征，從預案庫和案例庫中獲取相關(guān)決策知識。　　

　　2.2系統(tǒng)總體功能設計

　?。?）空間信息處理：建立基本地形數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)對基礎設施及危險源等信息的查詢統(tǒng)計；實現(xiàn)地圖圖形編輯及屬性更新功能；實現(xiàn)包括地圖查詢、顯示等功能，進行輔助決策。

　?。?）急救力量調(diào)度：在空間位置信息的基礎上，建立事故急救力量信息模塊，調(diào)度與管理急救力量，明確急救力量的急救范圍和急救物質(zhì)資源配置，提供事故應急最佳路徑建議。

　?。?）急救資源管理：管理靜態(tài)急救資源，以便于事故發(fā)生時啟用。

　?。?）知識推理模塊：實現(xiàn)案例和預案的表示方法以及預案匹配和案例檢索，實現(xiàn)案例管理所需要的功能。

3系統(tǒng)平臺實現(xiàn)研究

　　3.1空間信息平臺的設計

　　空間數(shù)據(jù)需要正確而且豐富，它將會直觀展示給用戶，影響決策。為了保證系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的正確性和豐富性，從某市規(guī)劃局獲取市區(qū)高清地圖數(shù)據(jù)源，使用Supermap Deskpro60將其轉(zhuǎn)化為smw格式存儲，從而快速建立高質(zhì)量的空間數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要包括圖層數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分。空間圖層數(shù)據(jù)從地形、社會經(jīng)濟單位、專業(yè)圖層、重點防護單位、危險源等地形圖類方面清晰、詳細地記錄各類數(shù)據(jù)，圖2是某市局部空間數(shù)據(jù)展示結(jié)果?！　?/p>

　　在地圖市政設施圖層標注派出所位置、消防隊位置、交警隊位置、醫(yī)院(急救中心)等救護力量位置，除此之外，對于地圖需要有基礎操作，例如地圖的放大、縮小、自由縮放、平移和全幅顯示，以便于獲取詳實的空間信。下面是調(diào)用組件式GIS中接口實現(xiàn)上述功能的核心代碼。

　　//地圖縮小操作

　　axSuperMapAction=SuperMapLibseActionscaZoomOut;

　　//地圖放大操作

　　axSuperMapAction=SuperMapLibseActionscaZoomIn;

　　//地圖平移操作

　　axSuperMapAction=SuperMapLibseActionscaPan;

　　//地圖全幅顯示操作

　　axSuperMapViewEntire();

　　//地圖自由縮放操作

　　axSuperMapAction=SuperMapLibseActionscaZoomFree;

　　3.2最短路徑調(diào)度算法改進

　　本文中“最短路徑”的定義是使用最短時間到達目的地的路徑。急救力量調(diào)度需要在盡可能短的時間內(nèi)完成，雖然決策者可能已經(jīng)熟悉到事故目的地的最短路程路徑，但其可能不是“最短路徑”，系統(tǒng)改進算法給出參考“最短路徑”。

　　調(diào)度所需時間主要與道路擁擠程度和路程遠近有關(guān)，雖然急救車輛不受單行道和紅綠燈影響，但是城市內(nèi)少有專用的應急車道，若交通阻塞，急救車輛行駛也會受到影響。決定急救車輛行駛車速的關(guān)鍵因素是其途經(jīng)道路的交通流量。針對這個問題，需要改變選取最短路徑的標準，將車輛通過某段路程的預估時間作為該段道路的權(quán)重，行駛所耗時間作為衡量標準?？梢允褂孟到y(tǒng)中按照此標準集成的基于GIS的最佳路徑分析工具分析出合適的調(diào)度路徑。道路交通流量數(shù)據(jù)可以使用根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和交通部門提供的實時數(shù)據(jù)。我國業(yè)內(nèi)也有人使用Web GIS技術(shù)進行交通流量分析，參考文獻［6］中有詳細敘述。如圖3所示，雖然最短距離路徑為路線A→C→D→B，但是計算出的“最短路徑”為路線A→E→F→G→B，故而會給出建議路線為后者。圖3“最短路徑”選擇示意圖

　　3.3預案與案例決策支持模塊設計

　　該模塊主要由檢索案例、適配案例以及管理案例3個子功能模塊組成。檢索案例主要功能是解釋檢索命令、檢索出相關(guān)案例和預案；案例適配需要抽取檢索到的預案和案例適用部分，生成輔助決策；案例管理主要完成案例庫的維護工作，包括對案例庫進行增加、刪除、修改等操作。圖4是該模塊結(jié)構(gòu)圖。

　　案例與預案的表示是將領(lǐng)專家的知識和應急案例中的知識轉(zhuǎn)化為計算機系統(tǒng)可以處理的信息的過程。案例與預案表示方法的優(yōu)劣將直接影響系統(tǒng)的推理效率和決策結(jié)果的有效性［78］。預案采用IF<Condition> DO <Work Flow> 形式表示。條件描述事件類型、事件級別、事件時間和地點等。工作流中定義任務的運行順序和運行條件。案例應該以一定的規(guī)則表達，使用約定的結(jié)構(gòu)，使案例檢索與適配更便捷有效。案例主要由四元組表示為Case = (D，C，S，R)，其中，D表示事件的描述，C表示案例的屬性，S表示事件的解決方案，R表示案例實施的結(jié)果。

　　案例中包含了確定數(shù)字屬性、確定符號屬性和模糊概念屬性，使用適用于確定性屬性問題的最近相鄰策略、歸納推理策略等案例檢索算法不適合該案例檢索，需要使用計算混合相似度的算法。其原理是分別計算案例之間確定屬性和模糊屬性的相似度，綜合比較。鑒于篇幅，不再贅述本部分，參考文獻［9］中給出了混合相似度函數(shù)的詳細算法。

　　用于匹配的預案工作流和檢索的案例與目標案例會存在一些差別，需要根據(jù)實際情況做出調(diào)整。案例適配工作是比較困難的部分，特別是當系統(tǒng)中知識不夠豐富，不能提供合適的決策方案時，這一工作通常由專家和決策者完成。目前，有些系統(tǒng)適配規(guī)則由決策者用戶來設定。

　　事故處理后需要維護預案庫和案例庫。使用某預案后，需要根據(jù)實際情況來調(diào)整預案。案例庫管理主要需要增、刪、改、查及合并操作，需要不斷地把新的案例加入到案例庫，豐富系統(tǒng)“知識”。但是新案例需要滿足一定條件才能加入。設新案例C與庫中案例Q相似度為S={s1，s2，s3，...，sn}，假設n為案例庫中案例數(shù)，si(i=1，2，3，...，n)為C與Q的相似度。當所有si小于設定的閾值α(0<α<1)時，才可以加入案例庫，即確保案例系統(tǒng)學習到的“知識”質(zhì)量，其他情況下需要對si>α的對應案例做修改合并等操作。

4結(jié)論

　　GIS技術(shù)的空間數(shù)據(jù)直觀的表現(xiàn)形式和強大的空間分析功能為公共安全體系提供有力的技術(shù)支持，對公共安全事業(yè)的發(fā)展十分重要。在基于GIS的平臺上構(gòu)建基于預案庫和案例庫的應急決策支持系統(tǒng)，對于提高突發(fā)事件的應急決策能力、增強在突發(fā)事故中的快速反應和組織急救具有重要的意義。

　　基于GIS的城市事故應急決策系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對急救力量和基礎設施等信息的查詢更新和統(tǒng)計、管理和調(diào)度急救力量、為急救車輛選擇最佳路徑以及從應急預案庫和案例庫中獲取決策支持信息等功能，它為城市突事故應急問題提供了輔助的解決方案。根據(jù)突發(fā)事故情況幫助決策者最優(yōu)利用救援力量，輔助、優(yōu)化決策制定是本研究的根本目的。

參考文獻

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