大型水電工程安全生產與應急管理平臺設計及關鍵技術分析

(1.中國長江三峽工程開發總公司， 湖北 宜昌 443002； 2.華中科技大學 系統工程研究所， 武漢 430074)

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摘要：首先分析了國內外研究現狀，提出了平臺的總體框架設計，包括安全生產和應急管理應用軟件系統，基礎支撐系統、應急指揮場所等硬/軟件基礎設施，以及平臺與外部業務系統的集成等。針對該框架，論述了安全管理的主要功能模塊，提出了信息系統集成的初步方案，分析了應急決策、數字化預案管理等關鍵技術。

關鍵詞：安全生產; 應急管理; 系統平臺; 集成

中圖分類號：X4; TP3文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)11-3225-03

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Design and key techniques analysis of safety production and

emergency management platform in large-scale hydroelectric project

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ZHOU Jian-lan1，2， PEI Jin-yong1， WANG Hong-wei2

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(1.China Three Gorges Project Corporation， Yichang Hubei 443002， China; 2. Institute of Systems Engineering， Huazhong University of Science Technology， Wuhan 430074， China)

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Abstract:This paper gave the survey of the recent researches on above areas， and designed the overall platform framework， including relative software systems， basic infrastructure， emergency command center and the integration with external professional systems. Aiming to the framework， demonstrated the main safety production function modules， proposed the integration initial schema， and analyzed the key techniques of emergency decision， digital plans management and so on.

Key words：safety production; emergency management; system platform; integration

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0引言

為了解決大型水電工程建設施工、電力生產和樞紐運行中所遇到的安全問題，提高施工和運行期的安全生產和應急管理效率和科學性，強化安全生產管理，實現“雙零——質量零隱患，安全零故障”管理目標，滿足可能發生的突發公共事件應急決策及資源調度的需要，為重大危險源動態辨識、監控和風險評估，突發公共事件應急處置等提供技術支撐，應建立統一的、一體化的安全生產和應急管理平臺（簡稱平臺）。該平臺以三峽及金沙江下游流域復雜業務環境為背景，建立支持各級安全管理人員日常安全業務開展的安全生產管理信息系統，以及對突發公共事件的監測、預警、評估、決策和指揮的應急管理平臺。

1國內外研究現狀

安全生產管理信息化工作，國內各行業發展并不平衡。國家安全生產監督總局于2002年推出了面向中國企業的安全信息管理系統。該軟件將職業安全衛生管理體系的主要要素融合在不同的功能模塊中，主要包括應急預案與響應、檢查糾正記錄、事故統計分析、重大事故隱患管理等功能。2005年11月，安監總局提出的《安全生產“十一五”規劃》中再次將安全生產信息系統建設工程作為重點工程。

國外從20世紀70年代開始安全管理信息系統的研究。例如美國學者用數據庫技術建立事故管理信息系統，對各類事故的頻度和趨勢進行統計分析，對復雜系統作定性和定量的安全評價，確保整個系統的穩定可靠，防止事故的發生。英國開發了用定量方法進行安全評價的軟件WHAZAN等，建筑安全管理信息化程度較高。20世紀80年代，美國InteliCorp公司、Power UP公司均推出過施工安全管理專家系統^[1]。Coble等人^[2]提出了項目進度計劃與安全管理相結合的理論，描述了如何使用軟件實現兩者的結合，并強調了網絡信息的運用。

《國務院關于全面加強應急管理工作的意見》把推進國家應急平臺體系建設列為加強應對突發公共事件能力建設的首要工作。建設中的國家應急管理平臺包括應急指揮場所、基礎支撐系統和綜合應用系統三個部分，具有監測監控、預測預警、應急指揮、培訓演練等功能。《國家安全生產應急平臺體系建設指導意見》規定，國家安全生產應急平臺體系應以國家安全生產信息系統為主體，同時考慮政府電子政務系統的利用。

“9.11”后國外科研人員開展了應急管理信息平臺的研究工作。在應急管理信息系統的設計方面，Chen Rui提出了協調處置的多突發事件和重大突發事件應急響應系統的設計原則。Murray Turoff對動態應急響應信息系統的設計要求和原則進行了有意義的研究。

在應急決策方面，David Mendoca對應急響應中的即席決策問題進行了大量研究，采用黑板結構方式來連接不同知識背景的應急指揮人員，共享不同的知識源，將局部應急方案綜合、協調成全局方案。Patrick Brezillon利用上下文要素建模操作人員的領域知識，將其應用在地鐵突發事件應急管理中。管友海等人^[3]進行了青島市地震應急指揮決策支持軟件的設計與開發，給出地震災害現狀圖，并且實時跟蹤災情發展及變化，智能制訂各種地震應急指揮指令，可視化繪出應急指揮決策圖。

在應急預案數字化管理與仿真演練方面，CABARET^[4]、GREBE^[5]、IKBALS^[6]、RTESCR^[7]將范例推理(case-based reasoning， CBR)與規則推理(rule-based reasoning， RBR)兩種人工智能技術相結合，實現一種快速預案生成系統。它有效地解決了單純RBR系統在預案生成過程中的時間延遲缺陷和知識庫難以獲取的瓶頸。M.Pidd等人建立了一個應急疏散的仿真模型；U.Klein也建立了一個基于高層體系結構的應急管理分布式仿真系統。而基于事件調度的演練技術在應急中也得到了很多應用。在指揮與控制等方面有基于事件調度演練技術的應用。

國內應急研究主要側重于應急資源的調度、分配和最優化方面。何建敏等人^[8]研究了應急設施選址模型、在滿足時間限制下的應急設施點選擇、單資源調度中的出救點選擇、給定限制期條件下的最小風險路徑的選擇問題，以及模糊網絡的最大滿意路徑的選擇問題。賈傳亮等人^[9]建立了基于多階段滅火過程的消防資源布局模型。

目前的應急研究還都主要集中在單一突發公共事件應急管理信息系統的研究上，對多突發事件綜合應急管理信息系統及其相關技術的研究還處于初期階段，尚未成熟。

2平臺構架和功能

21總體構架

平臺的總體框架包括安全生產和應急管理應用軟件系統、基礎支撐系統、應急指揮場所等硬/軟件基礎設施，以及平臺與外部業務系統的集成。其總體結構如圖1所示。

圖中應用軟件系統以開發總公司、工程建設、電力生產、樞紐運行以及專業化經營的安全生產與應急管理軟件系統為主，部分模塊和數據與已有的工程建設TGPMS、電力生產EPMS等信息系統集成；同時，應用軟件系統應與總公司其他外部業務系統數據共享，以保證數據的一致性和實時性，例如水文系統為防汛的決策提供數據依據等。因此，應設計系統間數據的接口。平臺的硬件設施由網絡及通信設施、主機服務器及數據存儲系統、視頻會議系統、視頻監控系統、GIS地理信息系統以及應急指揮大廳和大屏幕數據演示系統等組成，從而保障各地區、部門應急信息的及時、有效獲取與指揮協調，增強突發公共事件的應對處理能力。

22安全管理信息系統

系統設計邏輯上應區分為總公司、工程建設部以及其他二級單位的安全管理（應急管理）應用系統，業務領域涉及安全事故、危險源管理、安全檢查、安全培訓、安全文件、安全會議、安全生產工作考核管理、安全性評價、設備管理、勞保用品管理等功能模塊。從系統設計的物理上，各應用系統共享數據庫服務器。所有用戶都通過登錄同一網頁，經過授權，使用其自身職責所賦予的軟件功能。

為保障應急救援現場危險源視頻等各類信息的實時獲取，信息系統應實現工程安全監測系統、水調自動化系統、地質災害監測系統、地震監測系統、生態與環境監測系統與安全生產、應急管理平臺的集成和數據融合技術，實現基于監測數據和領域知識的重大危險源評估、預測、預警和控制系統。另外，安全生產管理信息系統為實現對現有業務的集成，必須與已有的信息系統數據接口。因此，研究集成專業外部系統的方案和技術十分重要。

23系統集成方案

與外部信息系統的集成必須解決數據安全、跨部門、跨平臺功能調用、異構數據交換等問題。傳統的分布式計算模型如CORBA、DCOM、Java RMI等，由于操作系統、編寫語言、網絡環境的限制，大多使用專有協議和特定端口進行遠程通信，使得基于這些技術之上的模型沒有較好的互操作性和可復用性。在保障信息整合共享的前提下，如何運用組件技術，盡量避免緊耦合式的接口開發工作，以減少對原有系統的修改和影響，是很重要的研究內容^[10]。

Web service核心概念主要體現在XML、簡單對象訪問協議（simple object access protocol，SOAP）、Web service描述語言（Web service description language，WSDL），以及通用描述、發現和集成（universal description，discovery，integration， UDDI）等幾個標準和協議之上^[11]。Web service提供了一種動態的集成方案，所有的服務均可以通過UDDI標準動態地被發現、綁定和使用，容易適應系統的變動，提高系統的靈活性和伸縮性。從其本質上來說它是一個松散耦合、可復用的分布式計算模型。同時它將應用程序功能概念化成任務，從而形成面向任務的開發和工作流。本文采用Web service實現平臺與外部信息系統的數據互訪問和交換。其原則如下：

a)平臺不直接提供自身數據結構及業務處理API給外部信息系統調用，而是提供一個通用的調用接口及參數規則。該系統根據外部信息系統的程序調用及參數，確定業務處理內容，完成業務處理，并反饋給外部信息系統一個返回結果。其優點是保證該系統的完整性，同時增加程序和數據的安全性。

b)平臺與外部信息系統的數據接口一般采用消息隊列機制，使系統之間保持松耦合。

c)從外部信息系統接收的數據一般不直接寫入平臺的業務模塊數據庫中，而是先寫入一個中間臨時表或消息隊列中；然后在該系統業務空閑時寫入到業務模塊數據中，從而避免通過接口批量處理業務時造成本系統服務受到較大影響。

圖2是數據交換平臺的詳細架構示意圖。數據交換平臺由接收外部信息系統文檔的servlet、XML處理器及本系統業務模塊適配器三個主要部分組成；同時提供日志和中間文件整理服務、基礎數據對照表、輔助信息配置、外部信息系統注冊、校驗文件管理、數據高速緩存等輔助組件。

圖2中，servlet負責接收外部信息系統的XML文檔，并提交給XML解析器處理，將處理返回結果（也是XML格式的流數據）返回給外部信息系統的XML文件發送者。

XML解析器接收servlet提交的XML文檔數據包，并經過校驗文件管理器校驗。校驗成功則提交給平臺業務模塊適配器進行業務處理；反之返回一個文檔校驗出錯的信息給servlet，由其提交校驗返回結果反饋給外部信息系統數據發送者。

24應急管理平臺

應急管理平臺的目標是建立覆蓋三峽工程和金沙江下游流域大型水利水電工程的統一應急管理和指揮平臺。其關鍵技術分析如下：

a)基于網格的應急資源管理。三峽和金沙江下游流域的應急資源類型龐雜，而且分布在總公司系統內不同的單位組織，研究利用網格信息技術手段實現應急資源的有效管理。(a)應急資源的分類及應急資源描述語言：由于應急資源的種類繁多，統一規范的描述語言是應急資源有效管理的前提。(b)應急資源的注冊、發現及監控：對應急資源提供統一的注冊中心和狀態監控數據采集及交換標準。(c)應急資源的分配、使用以及應急資源的回收：研究應急資源的管理模型。

b)應急預案表達及方案的動態生成。目前，總公司及其二級單位、基層單位在工程建設、電力生產、樞紐運行、自然災害等方面已建立了有關應急預案，但這些應急預案大多是非結構化或半結構化的文字描述。應急預案只能靠人來閱讀、理解、選擇，計算機只能作簡單的存儲、查詢，應急預案的正確性、有效性檢驗只有靠人工完成。盡管可以通過人工或計算機仿真演練來檢驗應急預案，但無法從理論上進行檢驗和由計算機自動調整。因此，其關鍵技術是：(a)在應急預案的基礎上，研究基于情景演算理論的應急預案的知識表示形式化框架，對應急預案中的應急目標、組織結構（包括角色、職責、實體及其關系等）、工作流（包括應急活動、流程）、應急資源以及各種約束等主要要素進行嚴格的形式化描述，以解決預案的數字化管理問題。(b)研究基于情景演算理論的應急預案的形式化驗證方法。在應急預案的知識表示框架基礎上，研究利用情景演算理論，對應急預案的可執行性進行形式化驗證的方法，以及應急預案目標可達成性進行形式化驗證的方法，以解決預案的正確性、有效性問題。(c)研究基于過程模板的應急處置方案動態規劃方法。應急預案是基于對未來應急情況預測的基礎上擬定的預案，因此，在應急情況下，需要根據實際態勢，在應急預案的基礎上動態生成應急處置方案，研究高效的、在應急預案指導下的應急處置方案的生成方法。

c)應急預案仿真演練系統。每種應急事件都存在一個綜合的成套預案體系，涉及的人員/部門也比較多。預案的順利實施和檢驗有賴于眾多人員/部門的協作。采用真實的演練或演習來進行預案的檢驗和人員的培訓費時費力。因此，其關鍵技術是：(a)建立預案實施的事件模型，描述模型的觸發關系和觸發規則。以預案實施的工作流程為中心，對預案實施全過程進行分析，提取訓練需求，得出關鍵任務；隨后將任務所涉及到的實施活動以符合仿真事件的規范進行描述，建立仿真事件庫（包括事件觸發關系和觸發規則）。(b)建立基于工作流的事件調度方法。擬采用工作流的思想對事件和事件關系及觸發規則進行統一的建模，包括事件的控制流、數據流和時序關系描述。在此基礎上，考慮時間成本和費用成本進行調度，建立效用函數，進行仿真事件調度，使得最終的仿真演練時間較短，費用較少。(c)結合事件模型描述，準確地實現仿真過程與情景集成。采用虛擬現實技術和視頻技術逼真地實現仿真場景的變化，包括突發事件現場的場景表現、組織結構的調整過程的表現、應急資源動態變化的表現等。

d)應急救援決策支持系統。該系統實現基于環境情景的應急資源存儲、調度、分配以及應急處置方案的動態生成；主要包括應用多目標規劃、各種資源調配方法、動態規劃、馬爾可夫決策過程、最短路徑算法等來研究突發事件應急資源的優化調度。(a)應急資源的優化調度策略首先要使得應急資源能盡量滿足應急需求；其次，還要使得這些資源運抵事發地的時間最短；最后，要盡量減少資源運輸的成本。(b)各種突發事件對應急資源需求的種類都不相同，因此，根據不同的資源類型，動態資源分配模型考慮的重點也有所不同。根據這些資源各自的特點，結合諸如全局優化模型、局部優化模型、距離選擇模型、成本分析模型、比例分配模型、重點選擇模型、專家指定模型、綜合調配模型等數學模型的適用范圍，研究應急資源調度的優化策略，并應用動態規劃以及馬爾可夫決策過程的相關理論與方法實現上述策略的動態特性。

3結束語

本文設計了三峽總公司安全生產與應急管理平臺的基本框架，研究了實現該框架的主要核心技術。下一步的工作是根據本文分析的關鍵技術，實現基于Web的安全生產管理信息系統；實現基于Web服務的應急資源管理信息系統；開發數字化預案管理系統和分布式應急仿真演練系統；研究重大施工危險源、基礎設施和自然災害監控系統與應急管理平臺集成和數據融合技術，實現突發公共事件早探測、早響應；實現事件報警信息、監測監控系統異常信息和社會應急平臺信息接入關鍵技術，實現接警處警系統的技術集成、研發和應用；開發應急決策支持系統，實現基于環境情景的應急資源存儲、調度、分配以及應急處置方案的動態生成。

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