胡 浩， 周芯儀

(1. 同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2. 埃默里大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)，亞特蘭大 30322)

基于GIS的城市事故應(yīng)急決策支持系統(tǒng)研究

胡 浩1， 周芯儀2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2. 埃默里大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)，亞特蘭大 30322)

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(shè)計(jì)了城市事故應(yīng)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(shè)計(jì)兩方面探討其功能組成和具體實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)研究了地理信息系統(tǒng)平臺(tái)和知識(shí)推理模塊設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)為城市突發(fā)事故應(yīng)急提供技術(shù)支持，輔助決策者做出及時(shí)和科學(xué)的事故應(yīng)急決策。

突發(fā)事故；城市應(yīng)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(jì)、社會(huì)等要素相互依賴、相互作用、相互制約，形成復(fù)雜的空間地域系統(tǒng)[1]。經(jīng)過近40年的改革，我國經(jīng)濟(jì)與城市快速發(fā)展，當(dāng)前城鎮(zhèn)常住人口已達(dá)7.3億，城市系統(tǒng)復(fù)雜性隨之增加。由于城市人口、財(cái)富聚集，當(dāng)突發(fā)一些安全事故(如火災(zāi)爆炸)，極其容易造成重大財(cái)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(cái)產(chǎn)安全、護(hù)航國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義。衡量一個(gè)城市的建設(shè)發(fā)展質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一就是一個(gè)城市的防范災(zāi)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(shè)，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(fèi)進(jìn)行安全科學(xué)體系研究。對于我國，由于受計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期體制影響，我國城市事故應(yīng)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(yīng)急機(jī)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(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)急、GIS與DSS

1.1 城市事故應(yīng)急

突發(fā)事故發(fā)生后能否給出迅速有效的應(yīng)對策略十分重要。城市事故應(yīng)急就是在最短時(shí)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(yīng)急研究中，公共安全的應(yīng)急決策是一個(gè)與空間位置信息和信息分析密切相關(guān)的動(dòng)態(tài)運(yùn)作流程，解決這個(gè)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(qiáng)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(gè)工具組建的城市事故應(yīng)急決策系統(tǒng)。

1.2 組件式GIS與DSS

事故應(yīng)急決策支持系統(tǒng)研究需要多學(xué)科知識(shí)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地理學(xué)等多門學(xué)科，是對地理數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理與分析的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)前GIS已被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域中，同時(shí)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(diǎn)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(rèn)同的是DSS是用來幫助決策者通過知識(shí)、數(shù)據(jù)、模型以人機(jī)交互方式提供決策信息的應(yīng)用系統(tǒng)[5]。DSS可以用來識(shí)別和解決復(fù)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(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求和開發(fā)目標(biāo)，將系統(tǒng)分為兩個(gè)主要模塊，即空間信息處理模塊和決策知識(shí)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(shí)推理模塊需要根據(jù)事故特征，從預(yù)案庫和案例庫中獲取相關(guān)決策知識(shí)。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2.2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

(1)空間信息處理：建立基本地形數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施及危險(xiǎn)源等信息的查詢統(tǒng)計(jì)；實(shí)現(xiàn)地圖圖形編輯及屬性更新功能；實(shí)現(xiàn)包括地圖查詢、顯示等功能，進(jìn)行輔助決策。

(2)急救力量調(diào)度：在空間位置信息的基礎(chǔ)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(yīng)急最佳路徑建議。

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

(4)知識(shí)推理模塊：實(shí)現(xiàn)案例和預(yù)案的表示方法以及預(yù)案匹配和案例檢索，實(shí)現(xiàn)案例管理所需要的功能。

3 系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)研究

3.1 空間信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)

空間數(shù)據(jù)需要正確而且豐富，它將會(huì)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(chǔ)，從而快速建立高質(zhì)量的空間數(shù)據(jù)庫。空間數(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(huì)經(jīng)濟(jì)單位、專業(yè)圖層、重點(diǎn)防護(hù)單位、危險(xiǎn)源等地形圖類方面清晰、詳細(xì)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。

圖2 某市局部空間數(shù)據(jù)展示

在地圖市政設(shè)施圖層標(biāo)注派出所位置、消防隊(duì)位置、交警隊(duì)位置、醫(yī)院(急救中心)等救護(hù)力量位置，除此之外，對于地圖需要有基礎(chǔ)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(shí)的空間信。下面是調(diào)用組件式GIS中接口實(shí)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(jìn)

本文中“最短路徑”的定義是使用最短時(shí)間到達(dá)目的地的路徑。急救力量調(diào)度需要在盡可能短的時(shí)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(jìn)算法給出參考“最短路徑”。

調(diào)度所需時(shí)間主要與道路擁擠程度和路程遠(yuǎn)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(yīng)急車道，若交通阻塞，急救車輛行駛也會(huì)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(gè)問題，需要改變選取最短路徑的標(biāo)準(zhǔn)，將車輛通過某段路程的預(yù)估時(shí)間作為該段道路的權(quán)重，行駛所耗時(shí)間作為衡量標(biāo)準(zhǔn)?？梢允褂孟到y(tǒng)中按照此標(biāo)準(zhǔn)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(jì)數(shù)據(jù)和交通部門提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。我國業(yè)內(nèi)也有人使用Web GIS技術(shù)進(jìn)行交通流量分析，參考文獻(xiàn)[6]中有詳細(xì)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(jì)算出的“最短路徑”為路線A→E→F→G→B，故而會(huì)給出建議路線為后者。

圖3 “最短路徑”選擇示意圖

3.3 預(yù)案與案例決策支持模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要由檢索案例、適配案例以及管理案例3個(gè)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(yù)案；案例適配需要抽取檢索到的預(yù)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(hù)工作，包括對案例庫進(jìn)行增加、刪除、修改等操作。圖4是該模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖4 預(yù)案與案例模塊結(jié)構(gòu)圖

案例與預(yù)案的表示是將領(lǐng)專家的知識(shí)和應(yīng)急案例中的知識(shí)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以處理的信息的過程。案例與預(yù)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(yù)案采用IF DO 形式表示。條件描述事件類型、事件級別、事件時(shí)間和地點(diǎn)等。工作流中定義任務(wù)的運(yùn)行順序和運(yùn)行條件。案例應(yīng)該以一定的規(guī)則表達(dá)，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(shí)施的結(jié)果。

案例中包含了確定數(shù)字屬性、確定符號(hào)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(jì)算混合相似度的算法。其原理是分別計(jì)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(xiàn)[9]中給出了混合相似度函數(shù)的詳細(xì)算法。

用于匹配的預(yù)案工作流和檢索的案例與目標(biāo)案例會(huì)存在一些差別，需要根據(jù)實(shí)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(dāng)系統(tǒng)中知識(shí)不夠豐富，不能提供合適的決策方案時(shí)，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(shè)定。

事故處理后需要維護(hù)預(yù)案庫和案例庫。使用某預(yù)案后，需要根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整預(yù)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(shí)”。但是新案例需要滿足一定條件才能加入。設(shè)新案例C與庫中案例Q相似度為S={s1，s2，s3，...，sn}，假設(shè)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(dāng)所有si小于設(shè)定的閾值α(0<α<1)時(shí)，才可以加入案例庫，即確保案例系統(tǒng)學(xué)習(xí)到的“知識(shí)”質(zhì)量，其他情況下需要對si>α的對應(yīng)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(qiáng)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(tái)上構(gòu)建基于預(yù)案庫和案例庫的應(yīng)急決策支持系統(tǒng)，對于提高突發(fā)事件的應(yīng)急決策能力、增強(qiáng)在突發(fā)事故中的快速反應(yīng)和組織急救具有重要的意義。

基于GIS的城市事故應(yīng)急決策系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對急救力量和基礎(chǔ)設(shè)施等信息的查詢更新和統(tǒng)計(jì)、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(yīng)急預(yù)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(yīng)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。

[1] 朱偉．城市公共安全應(yīng)急決策支持系統(tǒng)框架研究[J]．三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(人文社會(huì)科學(xué)版)，2008，12(30)：14-16.

[2] 金磊.城市災(zāi)害學(xué)原理[M]．北京：氣象出版社，1997.

[3] CROSS J A．Mega cities and small towns：different perspectives on hazard vulnerability[J]．Environmental Hazards，2001，3：63-80.

[4] 劉士興，張永明，袁非牛，等．城市公共安全應(yīng)急決策支持系統(tǒng)研究[J]．安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，4(7)：140-143.

[5] 徐志勝，馮凱，徐亮，等．基于GIS的城市公共安全應(yīng)急決策支持系統(tǒng)的研究[J]．安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，7(2)：82-85.

[6] 劉海玲,劉玉萍,陳國榮，等.基于Web GIS技術(shù)的交通流量分析系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(12):6-8.

[7] 湯文宇，李玲娟．CBR方法中的案例表示和案例庫的構(gòu)造[J]．西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，11(5)：75-78.

[8] 李玲娟，湯文宇，王汝傳．基于XML的案例表示和案例庫構(gòu)造方法[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2007，24(11)：70-73.

[9] 張本生，于永利．CBR系統(tǒng)案例搜索中的混合相似性度量方法[J]．系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2002，22(3)：131-136.

Research on assisting decision support system based on GIS of city emergency

Hu Hao1， Zhou Xinyi2，

(1. College of Electronic And Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Computer Science, Emory University, Atlanta 30322， USA)

Frequent security incidents happened with the speeding development of urbanization often resulted in significant losses. To deal with this problem, this paper studies a system based on geographic information system and integrated decision support system for assisting urban emergency aid. This essay attaches great importance to the study of the geographic information system platform and intellectual inference module from the aspects of the system’s structure and design. The system provides technical support for the city emergency and assisting leaders in making timely and scientific emergency decisions for unexpected accidents.

unexpected accident; city emergency; geographic information system; decision support

P928；TP392

A

1674-7720(2016)02-0090-03

胡浩， 周芯儀. 基于GIS的城市事故應(yīng)急決策支持系統(tǒng)研究[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(2)：90-92.

2015-08-21)

胡浩(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：多媒體與仿真系統(tǒng)。

周芯儀(1994-)，女，本科,主要研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。