智能校園突發(fā)事件緊急預案可視化平臺

摘 要:從系統(tǒng)設計的角度，分析了地理信息系統(tǒng)技術(shù)、多媒體技術(shù)在校園緊急預案可視化系統(tǒng)中應用的可行性，提出了校園可視化應急預案體系管理系統(tǒng)整體設計方案。利用Flash軟件為制作工具制作了各類多媒體應急預案。通過GIS對各種數(shù)據(jù)進行分析，應用專業(yè)的GIS工具軟件MapInfo，以SciLab為平臺，利用TCL創(chuàng)建界面，實現(xiàn)了哈爾濱工程大學校園突發(fā)事件應急預案多媒體可視化平臺，該平臺實現(xiàn)了可視化查詢、檢索數(shù)據(jù)功能。

關鍵詞:突發(fā)公共事件; 地理信息系統(tǒng); 多媒體; 可視化查詢

中圖分類號:TP391文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2009)09-3369-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2009.09.047

Visual platform of intelligent campus’ unexpected public incident

LI Xina，b， WANG Weib， BEN Xian-yeb

(a.Engineering Training Centre， b.College of Automation， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China)

Abstract:Firstly， this paper discussed the feasibility of the application of GIS technology and multimedia technology in campus’ unexpected public incident managing system from the view of system design， and proposed the overall design of emergency preplan managing system of campus. Secondly， made various multimedia emergency preplans using Flash software. Then， by the way of analyzing various data of GIS， using professional software tool of GIS-MapInfo， taking SciLab as platform， it realized the functions of the multimedia visualized platform for emergency preplan of campus unexpected public incidents which would happen in Harbin Engineering university. This platform can enable visualized query and data searching based on GIS.

Key words:unexpected public incident; GIS; multimedia technology; visualized query

0 引言

校園是高智商群體密集的場所，越來越受到政府和社會的關注，校園發(fā)生緊急突發(fā)事件勢必造成不良的社會影響和嚴重的后果。但我國高校應急工作基礎薄弱，從非典疫情到禽流感，從抵制日貨、示威游行到松花江水污染事件……已經(jīng)暴露出了諸多問題。其中最重要一點就是，信息管理系統(tǒng)落后，缺乏一套校園突發(fā)事件預案可視化的平臺。

自從美國前副總統(tǒng)戈爾提出數(shù)字化城市以來，GIS(地理信息系統(tǒng))在全球范圍各個領域得到了空前的發(fā)展，數(shù)字地球、數(shù)字城市成了近幾年來地球空間信息科學研究的熱點。隨著世界各地校園信息化建設的發(fā)展，數(shù)字校園的概念也相應出現(xiàn)。數(shù)字校園的歷史要追溯到20世紀，1990年由美國克來盟特大學教授Kenneth Green發(fā)起并主持的一項大型科研項目“The Campus Computing Project”被認為是數(shù)字化校園概念的最早出現(xiàn)，在實踐的過程中，數(shù)字校園的理念得到了逐步完善和擴充。從廣義上講，數(shù)字校園是以網(wǎng)絡為基礎，利用先進的信息化手段和工具，實現(xiàn)從環(huán)境、資源到活動的全部數(shù)字化。在傳統(tǒng)校園的基礎上構(gòu)建一個數(shù)字空間以拓展現(xiàn)實校園的空間維度，從而提升校園的管理效率，擴展傳統(tǒng)校園的功能，最終實現(xiàn)教育過程的全面信息化，以達到提高教學質(zhì)量、科研和管理水平的目的。現(xiàn)在我國許多高校都建立了自己的校園GIS系統(tǒng)，但是它們離真正意義上的數(shù)字化校園還有很大的差距[1]。

由于校園GIS提供了校園的各種空間信息，如各類建筑物、街道的分布、學校各部門的位置等空間數(shù)據(jù)信息和各建筑物人口分布、發(fā)生事故的隱患信息等專題數(shù)據(jù)信息，校園GIS為研究突發(fā)事件可視化平臺提供了很好的基礎[2]。

1 校園可視化應急預案體系管理系統(tǒng)整體設計方案

為提高高校管理能力，有效應對和處置各種突發(fā)公共事件，將用一種現(xiàn)代手段和技術(shù)全面提升應急管理的能力及水平，增強高校危機管理的綜合能力，提出校園可視化應急預案體系管理系統(tǒng)整體設計方案 ，為領導處理突發(fā)事件提供有效的決策工具。

1.1 高校突發(fā)事件預防和處理原則

高校突發(fā)公共事件預防和處理，應當堅持統(tǒng)一領導、分級負責、反應及時、措施果斷、依靠科學、加強合作的原則[3]。

1.2 可視化應急預案體系管理系統(tǒng)的工作原理

可視化應急預案體系管理系統(tǒng)結(jié)合目前先進的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)、移動通信技術(shù)、監(jiān)測與傳輸技術(shù)等多種現(xiàn)代高新技術(shù)，構(gòu)建一個具有應急源的監(jiān)測與日常管理、突發(fā)事件的信息收集與分析、突發(fā)事件的決策支持等功能的可視化系統(tǒng)，將獲得的各種監(jiān)測信息等結(jié)合地圖，通過瀏覽器進行時空信息整合，以專題圖的方式進行可視化展現(xiàn)，以最快的速度收集和分析信息，分析突發(fā)事件的動態(tài)變化。

根據(jù)突發(fā)公共事件應急預案體系的實際內(nèi)容，系統(tǒng)主要分為五大模塊，如圖1所示。

2 Flash制作各類多媒體應急預案

在前面介紹的校園可視化應急預案體系管理系統(tǒng)整體設計方案中，預案內(nèi)容考慮采用多媒體實現(xiàn)，將“哈爾濱工程大學重特大事故應急救援處理工作預案”各類預案制作多媒體動畫。

3 基于GIS的智能電子地圖的設計

利用MapInfo標記了哈爾濱工程大學的地理信息，后者是將光柵圖片轉(zhuǎn)換為矢量圖片的軟件。校園電子地圖的界面采用TCL/TK編寫，用SciLab的Metanet工具箱將電子地圖中的地點和街道抽象為節(jié)點和弧線，從而創(chuàng)建了包含校園的基本地理信息的網(wǎng)絡圖，在此基礎上對這些信息進行處理，如尋找目標位置、查找最短路徑等。

3.1 GIS地圖總體結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集

地圖中節(jié)點的中英文名稱索引、坐標都是筆者采用軟件專門采集的，原始的數(shù)據(jù)由街道名稱、節(jié)點坐標構(gòu)成，然后從原始數(shù)據(jù)中提取所有各不相同的節(jié)點，將它們的名稱一一排列形成中英文索引數(shù)據(jù)。TCL和SciLab采用的漢字編碼標準不同，所以中文界面的漢字數(shù)據(jù)讀入直接由TCL完成，節(jié)點的英文索引數(shù)據(jù)和節(jié)點坐標讀入SciLab，分別形成nx1、nx2的矩陣，便于SciLab中的算法調(diào)用。TCL程序完成從chardata.dat文件中讀取中文索引的代碼如下:

#read data to lchar

set channel [open [file join $dir_data chardata.dat]]

foreach line [split [read-nonewline $channel]] {

lappend l $line

}

foreach chara $l {

if {$chara!={}} {

lappend lchar $chara

}

}

讀取節(jié)點的英文索引數(shù)據(jù)和節(jié)點坐標由ini.sci初始化函數(shù)讀取(詳見ini.sci):

//load data in English when searching an object to SciLab

testname=read(DAT+ engdata.dat ，455，1，(a));

testname=testname;

//load coordinates to scilab

testcor=read(DAT+coordinates.dat，455，2);

還有一類數(shù)據(jù)是用于構(gòu)建節(jié)點網(wǎng)絡圖的，借助SciLab的Metanet工具箱建立節(jié)點的網(wǎng)絡拓撲圖，所以需要g.tail和g.head矩陣(請閱讀SciLab的Metanet工具箱相關的幫助文檔)，它們分別表示網(wǎng)絡圖中每條弧的尾節(jié)點和首節(jié)點，這類數(shù)據(jù)直接包含在構(gòu)建網(wǎng)絡圖的函數(shù)里(詳見graph_constr.sci)。利用上述信息，就可以構(gòu)建網(wǎng)絡圖了。

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

電子地圖中最主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是圖結(jié)構(gòu)。圖由節(jié)點和節(jié)點之間的弧段以及它們之間的連接關系構(gòu)成，其中，弧段表示某段街道，節(jié)點則表示街道之間的交叉點、街道旁的顯著建筑物(如銀行、旅館等)、公車的站點等。有些節(jié)點雖然對用戶來說沒有用處(如交叉點)，因為用戶只對自己要查找的目標位置和最短路徑感興趣，但是程序中必須包含這些節(jié)點，因為最短路徑等算法(稍后介紹)需要用到這些節(jié)點。

Metanet工具箱自帶了這種圖結(jié)構(gòu)，利用3.2節(jié)介紹的方法采集到的數(shù)據(jù)構(gòu)建電子地圖的圖結(jié)構(gòu)，輸入圖的數(shù)據(jù)有節(jié)點個數(shù)、弧尾節(jié)點矩陣、弧頭節(jié)點矩陣、節(jié)點的x坐標矩陣、節(jié)點的y坐標矩陣和弧段的長度矩陣。

另外，在最短路徑中，需要節(jié)點之間的鄰接關系矩陣，稱為鄰接矩陣(詳見3.4節(jié)算法)。為了節(jié)省內(nèi)存空間，筆者使用了鄰接表，對于已構(gòu)建好的圖g，只需用[lp，la，ls]=adj_lists(g)，就可得到g中節(jié)點之間的鄰接表，ls是節(jié)點矩陣，la是弧段矩陣，lp是指針矩陣。節(jié)點i有l(wèi)p(i+1)-lp(i)個后繼節(jié)點，這些節(jié)點的節(jié)點號從ls(lp(i))到ls(lp(i+1)-1)。作品中的最短路徑算法頻頻用到了這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3.4 關鍵算法

3.4.1 最短路徑算法——Dijkstra算法[5]

Dijkstra算法是求解單源點到其余各頂點最短路徑的經(jīng)典算法。首先，引進一個輔助向量D，它的每個分量D[i]表示當前所找到的從始點V到每個終點Vi的最短路徑的長度。它的初態(tài)為:若從V到Vi有弧，則D[i]為弧上的權(quán)值;否則置D[i]為∞。顯然，長度為D[j]=min{D[i]|Vi∈V}的路徑就是從V出發(fā)的長度最短的一條路徑，此路徑為(V，Vj)。那么，下一條長度最短的路徑是哪一條呢?假設該最短路徑的終點是Vk，則可想而知，這條路徑或者是(V，Vk)，或是(V，Vj，Vk)。它的長度或是從V到Vk的弧上的權(quán)值，或是D[j]和從Vj到Vk的弧上的權(quán)值之和。

一般情況下，假設S為已求得最短路徑的終點集合，則可證明:下一條最短路徑(設其為終點x)或是弧(v，x)，或者是中間只經(jīng)過S的頂點而最后到達頂點x的路徑。因此，在一般情況下，下一條長度最短的路徑必是

D[j]=min{D[i]|Vi∈V-S}

其中:D[i]或者是弧(V，Vj)上的權(quán)值，或是D[k](Vk∈S)和弧(Vk，Vi)上的權(quán)值之和。

算法思路:

a)利用指令[lp，la，lis]=adj_lists(g)，將圖轉(zhuǎn)換為鄰接表。設S為已找到從V出發(fā)的最短路徑的終點的集合，它的初始狀態(tài)為空集。初始化矩陣D，D[i]表示從V出發(fā)到圖上其余各頂點(終點)Vi可能到達的最短路徑，若沒有路徑，則為∞。

b)選擇Vj，使得D[j]=min{D[i]|Vi∈V-S}，就是當前求得的一條從V出發(fā)的最短路徑的終點，令S=S∪{j}。

c)修改從V出發(fā)到集合V-S上任一頂點Vk可達的最短路徑長度，計算矩陣DV，DV[i]表示Vj到其余各頂點可能達到的最短路徑。如果D[j]+DV[k]

d)重復操作b)c)共n-1次(n是圖的頂點數(shù))，由此求得從V到圖上其余各頂點的最短路徑是依路徑長度遞增的序列。

3.4.2 Bellman-Ford算法[6]

Bellman-Ford算法也是求解單源點的最短路徑問題的一種算法。在看算法思路之前，請先閱讀SciLab有關Metanet工具箱的介紹。假設要找源點x到節(jié)點y的最短路徑:

g.node_number——圖中節(jié)點的數(shù)目;

g.head (i)——弧i的頭節(jié)點;

g.tail(i)——弧i的尾節(jié)點。

算法思路:

a)初始化distance矩陣，distance(i)表示源點x到節(jié)點i的路徑長度，初始化時使distance(i)為∞，i≠x;distance(i)為0，i=x。初始化predecessor矩陣，predecessor(i)表示節(jié)點i的前繼節(jié)點，初始化時使所有元素為0。

b)對于每條弧j，假如distance(g.head(j))>distance(g.tail(j))+g.edge_length(j)，則使distance(g.head(j))=distance(g.tail(j))+g.edge_length(j)，并且修改節(jié)點g.head(j)的前繼節(jié)點為predecessor(g.head(j)=g.tail(j)。

c)循環(huán)b)n次，結(jié)果distance(y)就是所要找的源點x到節(jié)點y的最短路徑長度，然后依次從predecessor中找到最短路徑所經(jīng)過的節(jié)點。

3.4.3 鷹眼

鷹眼是GIS系統(tǒng)不可缺少的一個功能，利用Tcl/Tk能方便地向地圖主界面添加一個鷹眼圖，程序如下:

proc Eagleeye {xset yset} {;#procedure of Eagle eye

global w1 eaglemap;#w1為主窗口，eaglemap為鷹眼柵格圖

if {$xset<15} {;#xset和yset分別是鼠標點擊鷹眼圖時的坐標

set xset 15;#這幾個條件語句用于防止鼠標點擊超出鷹眼圖邊界

} elseif {$xset>134} {

set xset 134

}

if {$yset<11} {

set yset 11

} elseif {$yset>160} {

set yset 160

}

set x1 [expr $xset-15] ;

#x1、x2、y1、y2分別是鷹眼圖中矩形框的左上和左下橫縱坐標

set x2 [expr $xset+15];

set y1 [expr $yset-11]

set y2 [expr $yset+11]

set mapx [expr ((4000-800)/4000.0/120.0)*($xset-15)];

#通過鷹眼圖坐標計算主地圖坐標

set mapy [expr ((4595-600)/4595.0/150.0)*($yset-11)]

$w1.left.can xview moveto $mapx;

#根據(jù)計算好的坐標改變當前主圖的視角

$w1.left.can yview moveto $mapy;

image delete eaglemap;#重載鷹眼圖進行更新

LoadMap::Eagle_map

$w1.right.can create rectangle $x1 $y1 $x2 $y2 -dash 1 -outline red;#更新矩形框

}

3.4.4 通信機制

通信機制也是使用Tcl/Tk編寫的程序包，主要功能是:當緊急突發(fā)事件到來時，MapHEU-Slaver可以向MapHEU-Master及時發(fā)送事件報告，包括事件的時間、地點、原因、目前狀況、報告人和其他詳細介紹;MapHEU-Master接收到報告后會彈出報告窗口顯示突發(fā)事件內(nèi)容，將主地圖自動定位到事故發(fā)生地，并帶有警報聲，以防止MapHEU-Master使用者沒注意到緊急突發(fā)事件的來臨，后臺會將報告保存到緊急突發(fā)事件日志中去，以便以后回顧、總結(jié)和再次使用;MapHEU-Master接收到報告后，通過預案模塊和決策模塊產(chǎn)生決策方案后，使用者可以向各個MapHEU-Slaver發(fā)送命令，如各個部門應該在多少分鐘內(nèi)趕到現(xiàn)場、現(xiàn)場的位置、各個部門到達現(xiàn)場的最短路徑、各個部門之間應如何協(xié)調(diào)工作等。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能演示

目標定位:在全景視圖中點擊電子地圖的博士公寓，利用鷹眼定位在全景地圖出現(xiàn)紅框，在含滾動條的電子地圖對該點局部放大，可查看該點周圍的環(huán)境，如圖3所示。

查找目標:在查找下拉菜單中選擇所要查找的目標地址，點擊“確定”，查找的位置用“五角星”來標記，如圖4所示。

查找最短路徑:所查出的路徑會用黑色的小方塊標記出來，如圖5所示。

5 結(jié)束語

本課題在系統(tǒng)地研究高校預防和處理突發(fā)公共事件的基礎上，以“哈爾濱工程大學重特大事故應急處理工作預案匯編”為研究依據(jù)，并深入地提出校園可視化應急預案體系管理系統(tǒng)整體設計方案，采用多媒體Flash制作軟件實現(xiàn)預案多媒體的實現(xiàn)部分。結(jié)合GIS技術(shù)，對校園GIS突發(fā)事件應急預案多媒體可視化軟件進行整體設計并加以實現(xiàn)，利用GIS技術(shù)和多媒體技術(shù)相結(jié)合的方式，用SciLab軟件開發(fā)一個軟件平臺，實現(xiàn)了目標定位、查找某一目標、查找最短路徑、網(wǎng)絡通信、播放預案視頻等功能。將預案進行可視化管理，事故發(fā)生后用最快捷的網(wǎng)絡通信模式通知相關單位的負責人，將極大地提高高校對突發(fā)公共事件的反應速度，縮短反應時間，并以最快的速度進行事故發(fā)生點的位置查詢，與應急源構(gòu)成最短路徑的連接，用一種現(xiàn)代手段和技術(shù)全面提升應急管理的能力及水平。因此，基于校園GIS系統(tǒng)突發(fā)事件應急預案多媒體可視化軟件開發(fā)初步完成。

參考文獻:

[1]余宏明，陳曉春.高校預防和處理突發(fā)公共事件研究[J].中國安全科學學報，2005，15(5):38-41.

[2]王紹玉，馮百俠.地方政府應急體制建設理論與實務[M].哈爾濱:哈爾濱出版社，2005:381-403.

[3]余宏明.美國高校安全管理及啟示[J].中國安全科學學報，2004，14(8):47-50.

[4]DIMITRI P B. A simple and fast label correcting algorithm for shortest paths[J].Networks， 1993，23(7):703-709.

[5]THOMAS H C， CHARLES E L， RONALD L R， et al. Introduction to algorithms[M]. 2nd ed.[S.l.]:MIT Press and McGraw-Hill， 2001:588-592.