譚 超，曾 澤，羅勇軍

（陸軍軍醫(yī)大學(xué)陸軍衛(wèi)勤訓(xùn)練基地軍事醫(yī)學(xué)地理學(xué)教研室，重慶 400038）

0 引言

山區(qū)戰(zhàn)場環(huán)境相對復(fù)雜、作戰(zhàn)人員高度集中，導(dǎo)致傷員大量發(fā)生[1]，第一時(shí)間到達(dá)傷員位置展開醫(yī)療救治對于挽救傷員生命、降低部隊(duì)傷殘率和陣亡率、保證部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗意志持續(xù)高漲具有重要意義。目前，在高海拔山區(qū)作戰(zhàn)，除傷員數(shù)量多以外，還具有傷情復(fù)雜和搶救難度大等特點(diǎn)[2]，普通的戰(zhàn)場搜救方法已不能滿足高原高寒特殊戰(zhàn)場的急救需求，如何構(gòu)建高原復(fù)雜地形下多目標(biāo)應(yīng)急救援的最短路徑及其輔助決策系統(tǒng)成為亟待解決的問題。

在戰(zhàn)現(xiàn)場急救培訓(xùn)平臺構(gòu)建方面，杜文瓊等[3]基于我軍重要戰(zhàn)略方向的地理環(huán)境，構(gòu)建了高仿真戰(zhàn)現(xiàn)場急救訓(xùn)練平臺，具有模擬高原地形、地貌、地物、氣候以及水文等功能。然而，該研究著重于三維虛擬化培訓(xùn)，并未涉及如何以最快速度和最短路徑到達(dá)急救地點(diǎn)的問題。劉雅[4]提出了一種融合戰(zhàn)場態(tài)勢的路徑規(guī)劃方法，能為戰(zhàn)場中車輛快速尋找戰(zhàn)術(shù)機(jī)動提供最優(yōu)路徑。我軍于2015年研究了一種戰(zhàn)場傷員搜救系統(tǒng)，該系統(tǒng)的所有單兵信息終端和搜救信息終端分布在一定空間范圍內(nèi)，彼此之間共同形成戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)以發(fā)送呼救信息[5]。然而，以往的研究中并未提供快捷搜索路徑和實(shí)現(xiàn)縮短救援時(shí)間。對于高原地區(qū)的搜救任務(wù)，尤其是徒步搜救工作，快速確定最短路徑對于提高傷員救治率具有重要作用。

最短搜索路徑作為路徑規(guī)劃領(lǐng)域要解決的重要問題之一，是應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵[6-10]。其中，柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)均可作為路徑規(guī)劃的輸入?yún)?shù)，由此分為2種不同類型的路徑規(guī)劃?；谑噶繑?shù)據(jù)的最短路徑規(guī)劃是在已經(jīng)存在實(shí)際路網(wǎng)的前提下，沿著具體的路線和節(jié)點(diǎn)找出最短路徑，目前此算法已經(jīng)較為成熟，被廣泛應(yīng)用于城市應(yīng)急救援領(lǐng)域。針對多點(diǎn)救援規(guī)劃，吳瑤[11]將遺傳算法與線性規(guī)劃法相結(jié)合，提出了起始點(diǎn)選擇與車輛路徑集成優(yōu)化的方法，該方法是沿著現(xiàn)有矢量圖中多個(gè)線段的組合進(jìn)行最短路徑規(guī)劃[12]。然而，對于沒有道路網(wǎng)的高海拔山區(qū)，其可達(dá)性極差，該方法并不適用，需要以地形高程為基礎(chǔ)規(guī)劃最佳路線。因此，基于柵格數(shù)據(jù)尋找目標(biāo)點(diǎn)之間最短路徑為復(fù)雜地形條件下多目標(biāo)快速救援提供了解決方法。張鑫[13]基于柵格數(shù)據(jù)，找到復(fù)雜地形條件下兩點(diǎn)之間的最短路徑，解決了救援點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的路徑問題，但是無法解決救援點(diǎn)到多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃的問題。

因此，本研究以30 m數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Dijkstra算法，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地形、道路缺失的情況下，從出發(fā)點(diǎn)到多個(gè)應(yīng)急救援目標(biāo)點(diǎn)的最短路徑規(guī)劃，以及在三維系統(tǒng)中山區(qū)環(huán)境快速救援最短路徑的可視化，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)，為戰(zhàn)場救援提供輔助決策。

1 應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)的組成

應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)主要由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)支持層、應(yīng)用服務(wù)層和前端交互層4個(gè)部分組成（如圖1所示）。本系統(tǒng)基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，用戶使用瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)急救援場景的瀏覽和使用。同時(shí)，本系統(tǒng)采用模塊化和微服務(wù)的設(shè)計(jì)思想，各功能相互獨(dú)立，耦合性較低，保證了后續(xù)在進(jìn)行功能擴(kuò)展時(shí)能夠以較高的效率和較低的工作量完成系統(tǒng)擴(kuò)建工作。

1.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層包括系統(tǒng)運(yùn)行所必需的服務(wù)器、操作系統(tǒng)等軟硬件資源，以及在此基礎(chǔ)上虛擬出的容器、文件存儲等資源，為數(shù)據(jù)支持層和應(yīng)用服務(wù)層提供運(yùn)行環(huán)境。其中，容器主要用于支持救援輔助決策方案的計(jì)算生成，文件存儲用于支持高分衛(wèi)星影像、矢量地圖、三維地形數(shù)據(jù)和圖片文字等靜態(tài)資源數(shù)據(jù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)支持層

數(shù)據(jù)支持層主要用于數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)檢索，主要分為3類數(shù)據(jù)：第一類用于覆蓋在地球表面的地理底圖數(shù)據(jù)，包括高分衛(wèi)星影像和矢量地圖；第二類為三維地形數(shù)據(jù)；第三類為文字、圖片等數(shù)據(jù)。

1.1.3 應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層主要包含遙感影像的切片服務(wù)、矢量數(shù)據(jù)服務(wù)和三維地形數(shù)據(jù)服務(wù)，還包含ArcGIS Server提供的最短路徑規(guī)劃地理處理（geoprocessing，GP）服務(wù)中的空間分析，為救援輔助決策方案提供計(jì)算服務(wù)支持。

1.1.4 前端交互層

前端交互層指運(yùn)行在客戶端的瀏覽器，用戶通過瀏覽器輸入網(wǎng)址實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的訪問。本系統(tǒng)前端采用超文本標(biāo)記語言（hyper text markup language，HTML）、層疊樣式表（cascading style sheets，CSS）、JavaScript、jQuery和Cesium等框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，HTML、CSS用于設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶界面；JavaScript和jQuery用于實(shí)現(xiàn)界面展示和交互功能；Cesium用于完成大范圍三維地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）場景的仿真和渲染。當(dāng)用戶端根據(jù)需求發(fā)出指令時(shí)，系統(tǒng)即可響應(yīng)用戶端的請求完成數(shù)據(jù)可視化、動態(tài)驅(qū)動以及管理等功能。

1.2 應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

多目標(biāo)應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃是應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本研究基于DEM柵格數(shù)據(jù)，先尋找復(fù)雜地形條件下兩點(diǎn)之間的最短路徑，將起始點(diǎn)和救援點(diǎn)合并為一個(gè)數(shù)據(jù)集，通過計(jì)算起始點(diǎn)和救援點(diǎn)兩兩之間的距離和路徑，為使用Dijkstra算法計(jì)算起始點(diǎn)到多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)之間的最短路徑提供基礎(chǔ)。最后計(jì)算出多目標(biāo)應(yīng)急救援的最短路徑，并將路徑結(jié)果輸出。

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究用于路徑規(guī)劃分析的DEM柵格數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，下載地址為http://www.gscloud.cn/，空間分辨力為30 m。通過DEM可以計(jì)算坡度、坡向和起伏度等地形要素。隨著DEM柵格數(shù)據(jù)來源的多樣化，國內(nèi)高分三號民用衛(wèi)星地形圖的精度可達(dá)1∶10 000，無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)可繪制1∶1 000精度的地形圖，可根據(jù)需要補(bǔ)充到應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

1.2.2 實(shí)現(xiàn)步驟

本研究基于ArcGIS系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)救援最短路徑的規(guī)劃，其流程圖如圖2所示，具體步驟如下：

圖2 多目標(biāo)應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃流程圖

（1）創(chuàng)建成本柵格。使用ArcMap計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的坡度，并對坡度進(jìn)行重采樣，最終生成成本柵格。映射關(guān)系通過多次實(shí)驗(yàn)得出，坡度為＞0°~5°時(shí)，成本為1；坡度為＞5°~10°時(shí)，成本為3；坡度為＞10°~15°時(shí)，成本為5；坡度為＞15°~20°時(shí)，成本為8；坡度為＞20°~25°時(shí)，成本為12；坡度>25°時(shí)，成本為30。成本柵格是用于識別通過每個(gè)像元所需的成本。在山區(qū)復(fù)雜地形、無道路的條件下，最大的成本來源于坡度的起伏變化。因此本研究基于坡度數(shù)據(jù)，通過坡度重采樣得出對應(yīng)的成本柵格。但這并不是唯一可行的方案，也可以將地質(zhì)分類信息、土地利用類型等對救援活動密切相關(guān)的數(shù)據(jù)加入到阻抗的設(shè)計(jì)中。本研究目前僅參考坡度數(shù)據(jù)，其他類型的數(shù)據(jù)可以后續(xù)展開研究。

（2）使用ArcPy將用戶輸入的起始點(diǎn)文件和救援點(diǎn)文件進(jìn)行合并，合并過程中記錄起始點(diǎn)的ID，便于后期通過Dijkstra算法找到起始點(diǎn)。

（3）使用ArcPy調(diào)用ArcMap的CostConnectivity工具包，將步驟（1）~（2）的結(jié)果作為輸入?yún)?shù)，最終生成最小跨度樹、相鄰連接拓?fù)鋱D（如圖3所示）以及相鄰連接二維表（如圖4所示）。其中，每一條記錄表示一段路徑，字段“REGION1”表示該路徑的起始點(diǎn)ID，“REGION2”表示該路徑的救援點(diǎn)ID。

圖3 多目標(biāo)應(yīng)急救援相鄰連接拓?fù)鋱D

圖4 多目標(biāo)應(yīng)急救援相鄰連接二維表

（4）采用Dijkstra算法找到相鄰連接拓?fù)鋱D中起始點(diǎn)到所有救援點(diǎn)的最短距離，由此求解起始點(diǎn)到所有救援點(diǎn)的最短路徑。

（5）將起始點(diǎn)到所有救援點(diǎn)的路徑片段合并成數(shù)據(jù)集，輸出結(jié)果。

（6）使用ArcPy將上述步驟整合成GP工具，以用戶輸入?yún)?shù)為起始點(diǎn)和救援點(diǎn)，計(jì)算成本柵格數(shù)據(jù)，并輸出結(jié)果路徑。多目標(biāo)應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃結(jié)果如圖5所示。系統(tǒng)將結(jié)果路徑發(fā)布到ArcGIS Server中形成GP服務(wù)，用戶即可在前端進(jìn)行調(diào)用。

圖5 多目標(biāo)應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃結(jié)果

2 應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)的功能

2.1 三維場景瀏覽

Cesium是一個(gè)基于JavaScript編寫的使用Web-GL的地圖引擎，其支持三維和二維的地圖展示，能夠提供逼真的外部戰(zhàn)場環(huán)境，也可以進(jìn)行交互式信息查詢。利用Cesium開發(fā)應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)，并執(zhí)行最新的HTML5標(biāo)準(zhǔn)，可以使系統(tǒng)不用安裝任何插件就能在支持的瀏覽器上流暢運(yùn)行，能夠很好地滿足動態(tài)數(shù)據(jù)在GIS圖層上的呈現(xiàn)。三維場景瀏覽界面如圖6所示。

圖6 三維場景瀏覽界面

2.2 多功能輔助標(biāo)繪

本系統(tǒng)支持多功能輔助標(biāo)繪功能，用于輔助解析戰(zhàn)場救援態(tài)勢，包括點(diǎn)、線、面以及文字的標(biāo)繪。通過設(shè)置不同圖標(biāo)的點(diǎn)標(biāo)注、不同顏色及粗細(xì)的線標(biāo)注、不同顏色及形狀的面標(biāo)注，可以豐富當(dāng)前救援態(tài)勢查看方式，且標(biāo)注的數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用于救援決策分析報(bào)告，便于決策者了解整個(gè)戰(zhàn)場救援環(huán)境。多功能輔助標(biāo)繪界面如圖7所示。

圖7 多功能輔助標(biāo)繪界面

2.3 多目標(biāo)應(yīng)急救援最短路徑GP服務(wù)

本研究中的救援路徑計(jì)算基于ArcGIS Server發(fā)布的自定義GP服務(wù)。GP服務(wù)是由ArcToolbox中的工具或者通過ModelBuilder、ArcPy等工具自定義創(chuàng)建的處理工具模塊發(fā)布的，供前端工具調(diào)用以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)到多點(diǎn)的最短路徑規(guī)劃。本研究基于ArcPy開發(fā)了自定義GP服務(wù)，用戶在前端自定義起始點(diǎn)和單/多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)（如圖8所示），并將參數(shù)上傳到服務(wù)器，GP服務(wù)通過計(jì)算將結(jié)果返回，最終呈現(xiàn)在系統(tǒng)的三維場景中（如圖9所示）。

圖8 自定義目標(biāo)點(diǎn)（沖突點(diǎn)）界面

圖9 救援路徑動態(tài)生成結(jié)果

2.4 多目標(biāo)應(yīng)急救援決策分析報(bào)告

三維救援輔助決策功能主要實(shí)現(xiàn)事件接報(bào)、周邊影響分析、周邊資源分布分析、救援路徑規(guī)劃等。其中，救援路徑規(guī)劃主要通過調(diào)用GIS中的GP服務(wù)，將其中的路徑規(guī)劃整合到應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)應(yīng)急救援最短路徑的規(guī)劃。在應(yīng)對突發(fā)情況時(shí)，將需救援的地點(diǎn)、人員以及所需物資自動導(dǎo)入系統(tǒng)，配合由計(jì)算生成的可視化路徑，將決策者關(guān)注的信息自動導(dǎo)入到自定義模板中，快速輔助決策者制訂醫(yī)療救援的最佳方案，可大大地提高救援人員決策的效率和準(zhǔn)確性。多目標(biāo)應(yīng)急救援輔助決策分析報(bào)告示例如圖10所示。

圖10 多目標(biāo)應(yīng)急救援輔助決策分析報(bào)告示例

3 性能測試

本系統(tǒng)可以有效解決高原山區(qū)復(fù)雜地形無道路條件下的應(yīng)急救援規(guī)劃和資源調(diào)度問題。本研究對系統(tǒng)的6個(gè)功能和3個(gè)性能進(jìn)行了測試，其中，6個(gè)功能主要包括基礎(chǔ)平臺支持二維/三維模式顯示、數(shù)字地球的展現(xiàn)方式、基礎(chǔ)的空間量算、態(tài)勢標(biāo)繪、動態(tài)生成救援路徑、救援方案半自動生成；3個(gè)性能包括支持5個(gè)目標(biāo)以上應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃、屏幕分辨力自適應(yīng)調(diào)整、DEM和影像疊加的三維顯示。以下對性能測試介紹如下。

3.1 支持5個(gè)目標(biāo)以上應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃

分別對5、9和10個(gè)目標(biāo)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃，測試其時(shí)間消耗。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有支持5個(gè)目標(biāo)點(diǎn)以上的應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃能力。其中，5個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃時(shí)間為6.49 s，9個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃時(shí)間為7.04 s，10個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的應(yīng)急救援最短路徑規(guī)劃時(shí)間為11.49 s，均滿足要求。

3.2 支持屏幕分辨力自適應(yīng)調(diào)整

對本系統(tǒng)屏幕分辨力進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明其可支持1 920×1 080像素的屏幕分辨力，且可根據(jù)不同分辨力自適應(yīng)調(diào)整。分辨力測試圖如圖11~12所示。

圖11 分辨力測試圖（1 600×900像素）

圖12 分辨力測試圖（1 920×1 080像素）

3.3 支持DEM和影像疊加的三維顯示

對本系統(tǒng)是否支持DEM和影像疊加的三維顯示進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明其可支持柵格影像和DEM疊加，并能實(shí)現(xiàn)三維顯示效果，地形和高清影像疊加測試圖如圖13所示。

圖13 地形和高清影像疊加測試圖

綜上，所有測試均能夠正常響應(yīng)操作指令，操作過程流暢無阻礙，滿足指標(biāo)要求。本系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場態(tài)勢、傷員實(shí)時(shí)位置及所需救援物資，生成醫(yī)療救治機(jī)構(gòu)到多個(gè)應(yīng)急救援點(diǎn)的最短路徑規(guī)劃和最優(yōu)資源調(diào)度輔助決策方案，并能三維可視化呈現(xiàn)，顯著提高了救援人員決策的準(zhǔn)確性、時(shí)效性和科學(xué)性。

4 結(jié)語

本研究從實(shí)際應(yīng)用場景出發(fā)，在ArcGIS系列產(chǎn)品和Cesium三維數(shù)字地球的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多目標(biāo)應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)，可用于在復(fù)雜地形、道路缺失的情況下，從起始點(diǎn)到多個(gè)應(yīng)急救援目標(biāo)點(diǎn)的方案輔助決策。本研究有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為今后開展戰(zhàn)場救援提供了技術(shù)參考。但本研究也存在一些不足，如成本柵格的生成方法有待進(jìn)一步研究，由于其直接關(guān)系到距離路徑的生成，下一步將考慮進(jìn)一步優(yōu)化成本柵格的生成方法，確保路徑的生成科學(xué)、有效，提升輔助決策的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。