樊 曉，田榮燕，梁煒恒，嚴(yán)李強(qiáng)

（1.西藏大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，西藏 拉薩 850000；2.西藏大學(xué) 工學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

0 引 言

青藏高原是目前全世界最高、最年輕且水平地帶性和垂直地帶性緊密結(jié)合的自然地理單元，受印度洋板塊與歐亞板塊碰撞造山運(yùn)動作用而形成，新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈、深大活動斷裂廣布，強(qiáng)震頻繁[1]。西藏地域遼闊，地質(zhì)環(huán)境條件與地貌類型復(fù)雜多樣，氣候干濕季分明、降雨集中，每年由水流沖刷導(dǎo)致的山體泥石流、崩塌、落石等自然災(zāi)害數(shù)千起，對公路造成重大危害，甚至引發(fā)車毀人亡等重大事故。雖與西藏公路沿線災(zāi)害有關(guān)的各種預(yù)警措施不斷推出，這些措施也對預(yù)警災(zāi)害起到了不可磨滅的作用，但這些預(yù)警措施成本普遍較高且平臺數(shù)據(jù)災(zāi)種單一，未涉及其他災(zāi)種，數(shù)據(jù)資源不夠豐富且不便獲取。部分?jǐn)?shù)據(jù)平臺僅提供災(zāi)情信息、科普知識或災(zāi)害遙感影像等，不提供文獻(xiàn)資料、工具模型以及知識加工產(chǎn)品等資源，且部分網(wǎng)站資源不便于用戶下載與獲取[2]。目前，在建設(shè)道路災(zāi)害預(yù)警平臺過程中，研究工作主要側(cè)重于公路災(zāi)害信息管理系統(tǒng)的建立，而為公路運(yùn)輸安全提供技術(shù)支撐的防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)還在研發(fā)中，尤其是如何在災(zāi)前進(jìn)行預(yù)測預(yù)警并提供合理的預(yù)防措施，以及災(zāi)后如何快速進(jìn)行搶險救災(zāi)及綜合治理等問題，一直是有關(guān)部門致力解決的重大問題，國內(nèi)外均如此。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，對公路規(guī)劃設(shè)計、安全運(yùn)營、管理決策提出了更高的要求。目前，公路交通防災(zāi)減災(zāi)信息量越來越龐大復(fù)雜，數(shù)據(jù)質(zhì)量要求也越來越高，急需建立一套功能強(qiáng)大、可滿足實際需求的公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，為公路交通安全提供技術(shù)保障。

文章設(shè)計了與用戶職業(yè)相關(guān)的功能模塊，便于不同用戶使用。使用對象分為普通用戶、政府用戶、路政用戶和管理人員。同時為方便用戶使用及以后的維護(hù)和升級，平臺采用B/S架構(gòu)。對災(zāi)害點進(jìn)行科學(xué)分類并提供對應(yīng)的防護(hù)措施，實現(xiàn)了信息共享和信息的及時傳遞，為搶險救災(zāi)人員和物資的順利運(yùn)輸、損毀公路的快速修復(fù)或重建提供科學(xué)決策依據(jù)。做到地質(zhì)災(zāi)害的事前有效預(yù)防、事后有效控制與處理，能夠為社會公眾、災(zāi)害管理者與相關(guān)部門及時提供災(zāi)害信息，對災(zāi)害進(jìn)行有計劃、有組織的預(yù)防與預(yù)警，切實保障人民的生命財產(chǎn)安全。

1 軟件設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

目前，在建設(shè)道路災(zāi)害預(yù)警平臺過程中，研究工作主要側(cè)重于災(zāi)害信息管理系統(tǒng)建設(shè)，致力于在災(zāi)前進(jìn)行預(yù)測預(yù)警并提供合理的預(yù)防措施，以及災(zāi)后快速進(jìn)行搶險救災(zāi)及綜合治理等[3]。綜合現(xiàn)有研究成果，通過與政府合作檢測公路沿線所有的災(zāi)害點信息，并接入路政部門的數(shù)據(jù)庫，開通道路沿線災(zāi)害信息上傳功能，與災(zāi)害管理系統(tǒng)對道路災(zāi)害信息的收集形成互補(bǔ)，確保對沿線災(zāi)害進(jìn)行全面監(jiān)控，降低突發(fā)災(zāi)害造成的損失。

遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測、預(yù)警、評估的全過程，在大范圍、區(qū)域性災(zāi)害監(jiān)測或調(diào)查中具有顯著優(yōu)勢。近年來， 遙感技術(shù)已形成高光譜、高空間分辨率、全天時、全天候、實時/準(zhǔn)實時的對地觀測能力，成為災(zāi)害信息獲取中不可或缺的先進(jìn)技術(shù)手段[2]。通過利用不同時期的高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行對比研究，提取滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的遙感信息，建立其解譯特征，對其活動性和類型進(jìn)行解譯。通過對提取出的細(xì)部信息進(jìn)行解譯識別，可以對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢和災(zāi)害程度作出比較[3]。將災(zāi)害信息進(jìn)行集中處理，通過算法計算出各災(zāi)害點的穩(wěn)定系數(shù)后進(jìn)行評級，快速獲取受災(zāi)公路的通達(dá)情況，為搶險救災(zāi)人員和物資的順利運(yùn)輸、損毀公路的快速修復(fù)或重建提供重要的科學(xué)決策依據(jù)。根據(jù)算法計算出災(zāi)害點安全系數(shù)，對災(zāi)害做進(jìn)一步預(yù)測，并將災(zāi)害信息及時發(fā)布至平臺，以減少二次災(zāi)害帶來的損失。設(shè)計思路如圖1所示。通過調(diào)用高德地圖來顯示災(zāi)害控制點的位置，通過對控制點的設(shè)計實現(xiàn)對災(zāi)害的監(jiān)控。定位與導(dǎo)航功能主要通過高德API接口實現(xiàn)。軟件設(shè)計功能E-R圖是對軟件的功能規(guī)劃，如圖2所示。

圖1 軟件設(shè)計思路

圖2 E-R圖

1.2 軟件總體設(shè)計

軟件對災(zāi)害信息的采集和處理分為系統(tǒng)調(diào)取和用戶反饋兩部分。

系統(tǒng)調(diào)取是系統(tǒng)接入路政部門的數(shù)據(jù)庫調(diào)取災(zāi)害信息，對災(zāi)害頻發(fā)地段建立模擬監(jiān)測點，根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控并作出預(yù)測。

用戶反饋是由用戶在行駛途中上傳災(zāi)害信息，經(jīng)審核后發(fā)布到平臺并對后來車輛進(jìn)行提醒和路線規(guī)劃。同時平臺設(shè)計了相應(yīng)的獎勵機(jī)制，對提供災(zāi)害信息的用戶提供一定的獎勵，如定量面額的優(yōu)惠券和用戶名譽(yù)等級提升，成為平臺的名譽(yù)會員等。

平臺圍繞災(zāi)害點分為三個部分，分別是地形地貌圖，數(shù)據(jù)庫和防護(hù)工程。平臺的安全服務(wù)主要包括導(dǎo)航服務(wù)、預(yù)警服務(wù)和防護(hù)服務(wù)。導(dǎo)航服務(wù)采用衛(wèi)星圖導(dǎo)航兼具路線規(guī)劃功能，同時為豐富駕駛?cè)藛T的旅途生活，導(dǎo)航中內(nèi)置了提示功能，會為駕駛?cè)藛T介紹沿途的風(fēng)景等。預(yù)警服務(wù)是根據(jù)對災(zāi)害點的數(shù)據(jù)分析，提出危險警報和危險區(qū)提示。防護(hù)服務(wù)是對原有的公路沿線邊坡防護(hù)進(jìn)行總結(jié)后得出的防護(hù)建議和措施。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)

1.2.1 地形地貌圖設(shè)計

地形地貌圖主要分為兩部分：衛(wèi)星圖和地形圖。通過對災(zāi)害點進(jìn)行現(xiàn)場真實環(huán)境采集，建立災(zāi)害點區(qū)域全景仿真模擬，用戶在全景環(huán)境下自由轉(zhuǎn)化角度，真實體驗災(zāi)害點現(xiàn)場自然環(huán)境、設(shè)備安裝部署情況和應(yīng)急避難場所情況，并在全景模式下查看設(shè)備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，為用戶監(jiān)測預(yù)警提供更加直觀、真實的體驗[4-6]。衛(wèi)星圖提供的衛(wèi)星路況用于駕駛導(dǎo)航、路線規(guī)劃等。

地形地貌圖提供了衛(wèi)星圖功能，可通過衛(wèi)星云圖瀏覽附近的邊坡災(zāi)害點，查看各災(zāi)害點具體信息，根據(jù)情況適時規(guī)避。地形地貌圖內(nèi)置地形圖模塊，地形圖上可以提供最優(yōu)行車路線及沿線所有災(zāi)害點的分布。點擊災(zāi)害點樁號可瀏覽該點所對應(yīng)的邊坡3D輪廓圖，邊坡的地質(zhì)報告、邊坡的防護(hù)工程等信息。不同氣候條件下，用戶到達(dá)危險性較高的災(zāi)害點附近時，平臺會對用戶進(jìn)行提示并加強(qiáng)對應(yīng)的觀測和防護(hù)。

地形圖作為災(zāi)害預(yù)警的基礎(chǔ)，可以反映災(zāi)害具體情況及邊坡穩(wěn)定性[7]，原理如圖4所示。地形圖包括三個部分，分別為災(zāi)害點穩(wěn)定性、3D輪廓圖、穩(wěn)定性計算。

圖4 地形圖原理

地形圖上會顯示災(zāi)害點穩(wěn)定性系數(shù)，提供邊坡穩(wěn)定性計算功能，若想了解某個災(zāi)害點信息，系統(tǒng)會自動調(diào)取數(shù)據(jù)庫中該點工程地質(zhì)參數(shù)；若想了解某一點的整體輪廓時，可以選擇3D輪廓圖輸入該點里程號，系統(tǒng)會從數(shù)據(jù)庫中調(diào)??；若想計算某點的穩(wěn)定性，可在邊坡穩(wěn)定性計算界面輸入?yún)?shù)進(jìn)行計算[8]。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫建設(shè)需要管理海量的地質(zhì)災(zāi)害空間、調(diào)查、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，提供地質(zhì)災(zāi)害的動態(tài)監(jiān)測與查詢、評價分析、預(yù)警預(yù)報、預(yù)警發(fā)布等服務(wù)[6]。數(shù)據(jù)庫主要分為數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)反饋，數(shù)據(jù)存儲是數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)[9]。本文采用Access進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和存儲。例如邊坡穩(wěn)定性分析通過拾取地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算[9]，評定相應(yīng)的穩(wěn)定性等級，反饋到地形圖和線路規(guī)劃中，供用戶參考，并以此為主要參數(shù)為用戶規(guī)劃行進(jìn)路線。得益于Access數(shù)據(jù)庫軟件的數(shù)據(jù)存儲功能，工程技術(shù)人員可以將野外采集數(shù)據(jù)輸入該數(shù)據(jù)庫。將采集的災(zāi)害點參數(shù)輸入數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)自動計算穩(wěn)定系數(shù)，并根據(jù)天氣等因素對計算出的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行一定調(diào)整。數(shù)據(jù)反饋提供邊坡穩(wěn)定性計算功能，可從數(shù)據(jù)庫中提取邊坡參數(shù)或手動輸入邊坡參數(shù)，系統(tǒng)將迅速計算出其穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性計算提供了數(shù)據(jù)保存功能，用以更新原有數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)庫為中心，服務(wù)于其他模塊，建立各模塊的功能屬性。各項功能應(yīng)用均依靠調(diào)用數(shù)據(jù)庫的相關(guān)信息實現(xiàn)[10]。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

1.2.3 導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

圖6所示的軟件導(dǎo)航圖提供了導(dǎo)航功能和提升功能。導(dǎo)航服務(wù)包括災(zāi)害點類型及分布和路線規(guī)劃。災(zāi)害點的類型及分布由數(shù)據(jù)庫地質(zhì)數(shù)據(jù)提供，如添加新坐標(biāo)，可根據(jù)數(shù)據(jù)庫中災(zāi)害點信息在導(dǎo)航圖中添加地標(biāo)。路線規(guī)劃由災(zāi)害點個數(shù)及其穩(wěn)定性等級共同決定。用戶在軟件中確定起點和終點后，系統(tǒng)自動識別行車路線，并根據(jù)不同行車路線的災(zāi)害點穩(wěn)定性系數(shù)計算出其危險性系數(shù)。

1.2.4 穩(wěn)定性評級設(shè)計

滑坡地質(zhì)災(zāi)害影響因素主要分為內(nèi)在因素、外在因素和歷史狀況。其中內(nèi)在因素包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性；外在因素包括年降雨量、到河流距離、植被覆蓋率及人類活動；歷史狀況包括滑坡密度和滑坡規(guī)模。這些控制因子被稱為滑坡控制因子。年降水量可以利用氣象衛(wèi)星及地面水文觀測站得到，而其他滑坡控制因子可以利用陸地資源衛(wèi)星同時結(jié)合實地勘察予以查明[3]。通過調(diào)取各災(zāi)害點的控制因子計算出該點的穩(wěn)定性系數(shù)，并根據(jù)計算出的穩(wěn)定性系數(shù)通過下式計算出各路線的危險性系數(shù)：

式中：S為危險性系數(shù)；A1，A2，...，An為各災(zāi)害點的穩(wěn)定性系數(shù)；n為災(zāi)害點個數(shù)。系統(tǒng)篩選各線路穩(wěn)定性系數(shù)后，將穩(wěn)定性系數(shù)最大的線路推薦給用戶。遇到極端天氣或道路災(zāi)害時，將降低該區(qū)域內(nèi)的災(zāi)害點穩(wěn)定性系數(shù)并重新計算各線路危險性系數(shù)，篩選出危險系數(shù)最低的路線推薦給用戶，并提供每個路線的危險性系數(shù)供用戶判斷。

圖6 西藏安全行導(dǎo)航圖原理

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

建立B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，并通過Internet/Intranet模式下的系統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)不同用戶從不同地點以不同接入方式訪問系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)在Windows操作系統(tǒng)平臺上運(yùn)行，Web服務(wù)器為HTML5，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)具有災(zāi)害預(yù)警、路況分析、道路導(dǎo)航、語音播報等功能，通過對西藏道路災(zāi)害點進(jìn)行實時更新和補(bǔ)充與動態(tài)監(jiān)測，對災(zāi)害點進(jìn)行科學(xué)分類并提供對應(yīng)的防護(hù)措施，為搶險救災(zāi)、損毀公路的快速修復(fù)或重建提供數(shù)據(jù)依據(jù)。對不同的用戶開放不同的權(quán)限，滿足不同用戶的需要，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的事前有效預(yù)防、事后有效控制與處理，對災(zāi)害進(jìn)行有計劃、有組織的預(yù)防與預(yù)警。

2.1 普通用戶

基于用戶需求，提供系統(tǒng)設(shè)置、查看地圖、意見及信箱和安全教育四個模塊?！跋到y(tǒng)設(shè)置”可查看自己的賬戶信息、修改賬戶密碼；“查看地圖”可查看當(dāng)前所在地及周邊的詳細(xì)信息；“意見及信箱”是平臺了解用戶體驗及反饋的主要通道，用戶可以通過該模塊上傳突發(fā)的災(zāi)害信息，上傳的災(zāi)害信息經(jīng)平臺審核發(fā)布后，平臺將為提供災(zāi)害信息的用戶進(jìn)行有償獎勵；“安全教育”是用戶到相應(yīng)災(zāi)害點附近后，平臺通過語音播報的方式為用戶提供災(zāi)害詳情與災(zāi)害類型相應(yīng)的安全技能教學(xué)模塊。平臺會實時發(fā)布最新的道路災(zāi)害信息，減少信息傳遞遲緩帶來的損失?；竟δ芙缑嫒鐖D7所示。

圖7 基本功能界面

2.2 政府部門

系統(tǒng)可為政府工作者提供地質(zhì)數(shù)據(jù)展示、工程造價數(shù)據(jù)展示和交通發(fā)展建議。“地質(zhì)數(shù)據(jù)”為政府人員提供最新災(zāi)害數(shù)據(jù)，便于地質(zhì)分析和工程建設(shè)的進(jìn)行，并及時制定相應(yīng)的防護(hù)措施；“工程造價數(shù)據(jù)”為政府提供國內(nèi)外各種大型工程的方案和數(shù)據(jù)資料，是一個信息交互平臺；“交通發(fā)展建議”為路政提供準(zhǔn)確的災(zāi)害信息，為政府搭建一個密切聯(lián)系廣大群眾的信息服務(wù)平臺，為西藏提供交通道路建設(shè)資源。政府各級部門可以通過廣播的會議方式傳達(dá)文件通知、安排部署工作?？梢愿鶕?jù)災(zāi)情的實際情況對正在道路行駛的車輛進(jìn)行緊急預(yù)警通告，防止無端信息大面積散播，造成人員恐慌。

2.3 管理人員

管理人員擁有最高權(quán)限，負(fù)責(zé)平臺的日常運(yùn)行和維護(hù)，為管理者提供公司業(yè)務(wù)、路政部門、政府部門和普通用戶四個功能板塊及賬戶管理和日志管理功能。“賬戶管理”是對所有賬戶進(jìn)行管理的模塊，可查看現(xiàn)有賬戶信息并開通新的賬戶；“日志管理”是查看用戶反饋及審核用戶上傳災(zāi)害信息的模塊；“公司業(yè)務(wù)”是修正地圖數(shù)據(jù)、添加新災(zāi)害點、查看現(xiàn)有災(zāi)害點及維修歷史的模塊，為地圖的更新提供基礎(chǔ)。“添加災(zāi)害點”可添加公司勘察和路政人員反饋的災(zāi)害點并進(jìn)行地圖更新，用戶上傳的災(zāi)害信息經(jīng)審查核實后由管理人員在此模塊添加；“查看災(zāi)害點”可查看已被標(biāo)記為災(zāi)害點的詳細(xì)信息，如災(zāi)害形成的原因、該災(zāi)害點的災(zāi)害爆發(fā)歷史等；“維修歷史”可查看路政對各災(zāi)害點的維護(hù)信息，包括維護(hù)人員、維護(hù)時間、是否維護(hù)等。管理員功能界面如圖8所示。

圖8 管理員功能界面

2.4 生活服務(wù)

系統(tǒng)還為普通用戶提供了一定的生活服務(wù)，系統(tǒng)通過定位用戶當(dāng)前所在地，將附近的旅游景區(qū)、地方特產(chǎn)和美食通過平臺推送給用戶，用戶可以通過平臺向商家下單自己中意的商品。在災(zāi)害點附近放置提示裝置，當(dāng)有用戶靠近時，提示裝置將提醒用戶前方危險減速慢行。同時系統(tǒng)會根據(jù)用戶附近的災(zāi)害點向用戶普及對應(yīng)的逃生技巧和科學(xué)理論。

3 結(jié) 語

為解決預(yù)警信息反饋滯后及預(yù)警成本過高等問題，道路災(zāi)害信息管理軟件應(yīng)運(yùn)而生，不僅提供基礎(chǔ)服務(wù)更拓展了業(yè)務(wù)，使得軟件在提供安全服務(wù)的同時提升用戶的生活品質(zhì)。軟件擁有以下功能服務(wù)和優(yōu)勢。

（1）軟件具有災(zāi)害預(yù)警、路況分析、道路導(dǎo)航、語音播報等功能，對西藏道路災(zāi)害點進(jìn)行實時更新和補(bǔ)充，為用戶提供預(yù)警信息，能夠及時、準(zhǔn)確地預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、了解公路的受災(zāi)情況，也能夠為搶險救災(zāi)人員和物資的順利運(yùn)輸、損毀公路的快速修復(fù)或重建提供重要的科學(xué)決策依據(jù)，為西藏道路安全提供有力保障。

（2）提出了未來規(guī)劃，描述了軟件的潛在價值，分析了與已有軟件區(qū)別，證明了該軟件的優(yōu)越性，講述了軟件的創(chuàng)新模塊，為用戶帶來了更好的體驗，切實保證了用戶的利益。相比已有軟件，該平臺不僅能夠更加及時反饋災(zāi)害點信息、實現(xiàn)信息共享，還可以及時對災(zāi)害點防護(hù)和治理提供建議。

（3）雖然目前的科學(xué)技術(shù)還不能直接阻止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，但一切重大地質(zhì)災(zāi)害在發(fā)生之前會發(fā)出一系列警告信息。要減輕地質(zhì)災(zāi)害造成的損失，就必須應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段及早捕獲這些信息，并做出快速反應(yīng)和決策。與文獻(xiàn)[3]相比，文章為道路災(zāi)害的預(yù)測和災(zāi)害信息的實時傳遞提供了新的思路。