基于混合模式的應急救援決策支持系統

苗作華，劉耀林，王先華

(1. 武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081； 2. 武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079； 3. 中鋼集團武漢安全環保研究院，湖北 武漢 430081)

一、引 言

近年來，我國安全生產事故頻發，因此，如何采用科學手段加強危險源及隱患管理，預防重大事故發生，降低事故損害成為管理部門關注的重點[1]。然而，我國安全監控方面的理論研究和技術應用基礎薄弱，目前的研究主要集中在重大危險源的宏觀監控方面，系統的建設也多從宏觀層面進行，缺乏“從企業的實際出發，為企業所用”的成果[2]。

為此，筆者運用ArcGIS、SDSS理論、空間數據庫技術和計算機網絡技術構建了基于C/S和B/S混合模式的應急救援決策支持系統。該系統以武漢鋼鐵集團公司安全監管信息為例，立足平時使用，著眼于應急響應，對應急管理的全過程進行支持，為企業重大危險源的監控管理、事故后果模擬、場內外應急響應等提供了一個技術支撐平臺，提高了應急管理決策的科學性、速決性和準確性。

二、系統總體架構

構建基于C/S和B/S混合模式的GIS系統為GIS應用系統的建立提供了廣泛的擴展空間[3-4]，在充分分析企業應急管理與救援工作現實需求的基礎上，筆者將GIS基礎平臺、重大危險源信息(空間數據、屬性數據)管理、事故預測模擬、應急救援決策等功能以C/S模式建立在專用的局域網絡上，以實現小范圍的數據共享、較強的數據交互和空間分析處理；將信息發布、事故狀態查看、歷史數據查詢等功能以B/S模式建立在廣域網之上，實現Web信息共享和數據聯動。C#、Java技術是廣泛應用的軟件開發技術，ArcGIS系列產品是比較成熟、穩定的GIS軟件技術，此外還有Oracle大型數據庫技術。基于混合模式的系統總體架構如圖1所示。

圖1 基于混合模式的系統總體架構圖

客戶端層提供基于基礎地理信息的數據交互、工作業務、信息發布等功能。在C/S模式架構下，采用基于ArcGIS二次開發的功能模塊實現對系統空間數據的檢索、編輯、安全策略等功能，利用數據交互監控技術來監測數據的整個流動過程，采用ImaGIS系列產品實現對三維數據庫的管理、構建、空間分析等；在B/S模式架構下，采用J2EE架構實現對外的Web信息服務，以Tomcat作為系統信息發布服務器，采用ArcIMS來提供Web地圖發布，利用ArcXML、JavaScript、Java API等開發相應的Web客戶端功能模塊。

數據庫服務層采用Oracle數據庫存儲所有數據(屬性數據、空間數據、文本數據、遙感圖像數據等)，利用Oracle的存儲過程通過ODBC直連方式實現與客戶端數據交互，同時還提供基于ArcSDE為中間件的客戶端與Oracle數據庫的數據交互功能。

三、軟件開發平臺及數據庫

1. 軟件開發平臺

ArcGIS Engine是美國環境系統研究所 (Esri)提供的用于進行GIS二次開發的組件模塊，該組件基于COM技術，不僅支持包括COM、.NET、C#及Java在內的多種開發語言，還支持Windows、Linux、Unix 等多種平臺系統，并且其開發的應用程序可以脫離ArcGIS平臺而獨立運行[5]。因此，在分析系統特點及企業目前運行的其他系統平臺的基礎上，筆者以ArcGIS系列產品作為系統的軟件開發平臺，如圖2所示。

圖2 系統軟件開發平臺架構圖

在開發C/S功能模塊時，使用C#語言在ArcGIS Engine和ImaGIS 3DBrowser的基礎上進行二次開發，應用ArcGIS Engine實現對空間數據的基本操作、對屬性數據的維護管理、常用的空間分析等通用的GIS 功能[6]；開發B/S功能模塊時，選用Java為軟件開發環境，應用ArcXML、Java API、JSP等對ArcIMS進行開發；數據庫建立在Oracle之上，通過ArcSDE與客戶端應用程序進行數據交互；三維專題數據通過ImaGIS Classic和ImaGIS MagiXity生成。

2. 空間數據庫

數據是GIS系統進行空間分析的基礎，ArcSDE技術為關系型數據庫用于GIS空間數據管理提供了一個通道，實現了GIS空間數據管理的突破[7-8]。筆者基于C/S 模式利用ArcGIS 基于Oracle數據庫建立Geodatabase 地理數據庫，將各類空間數據、屬性數據存儲在服務器端的Oracle 數據庫中，應用ArcSDE for Oracle 數據庫引擎來管理、維護和訪問各類數據。筆者以ArcSDE的間接連接方式(如圖3所示)建立空間數據庫連接通道用來減輕系統進行數據訪問時的網絡負載[9]。在該連接方式中，ArcSDE Service運行在數據庫服務器端，當客戶端通過TCP/IP 網絡發送的連接請求到達時，一直在后臺運行的giomger 進程為該連接請求分配一個gsrvr 進程，該進程專職負責客戶端程序與ArcSDE的應用服務器之間的信息交互。在客戶端空間數據庫網絡服務協議信息配置文件中，定義參數為：網絡服務類型為ESRI-SDE，端口號為5151，網絡協議為TCP/IP。

圖3 空間數據庫ArcSDE網絡連接拓撲圖

利用Oracle開發語言在空間數據庫中建立了常用的空間數據分析存儲過程，在B/S模式中，Java應用系統服務器系統功能模塊與數據庫之間的一般數據交互采用傳統的Web數據交互技術，而復雜的地理空間數據分析則提交給數據庫中存儲的空間分析存儲過程進行后臺處理，處理分析結果以Web網頁形式向客戶端發布。

四、軟件主要功能模塊

圍繞企業應急救援實際工作流程，系統構建了以事故隱患數學模擬、應急救援輔助指揮為核心的功能結構(如圖4所示)。

圖4 系統功能總體結構圖

1. 事故隱患數學模擬

系統開發了氣體泄漏擴散、火災、爆炸3種事故數學模型組件模塊，以耦合方式與系統掛接。通過輸入參數，獲取事故點區域相關地理數據信息對事故進行模擬預演，并給出動態模擬結果的二維、三維顯示圖(如圖5和圖6 所示)，同時利用GIS制作的各類救援指揮符號形成初步預案和救援方案。

以氣體泄漏擴散為例，系統以高斯模型計算擴散影響范圍，公式如下

式中，C(x,y,z)為地點(x,y,z)的濃度，單位g/m3；Q為連續泄漏流量，單位g/s；u為平均風速，單位m/s；x、y、z分別為下風向距離、橫風向距離、離地面距離，單位m；H為泄漏高度，單位m；δy、δz為y、z方向上的擴散系數。

圖5 氣體泄漏擴散事故二維模擬圖

圖6 氣體泄漏擴散事故三維模擬圖

2. 救援輔助指揮

該模塊與事故模擬模塊聯動，針對模擬結果為應急指揮提供輔助決策信息，在該功能模塊中除了高亮度閃爍顯示事發地點附近的應急救援物資、設備外，還為醫療機構、消防機構等聯動救援力量快速到達事故地提供包括有、無障礙限制情況下的最短路徑分析[10-11]，如圖7和圖8所示(圖中灰色、黑色線條分別高亮度顯示醫療機構、消防機構到達事故發生地的最短路徑)。

圖7 無障礙限制情況下的救援路徑分析

圖8 有障礙限制情況下的救援路徑分析

3. Web網絡信息交互功能

在B/S模塊中實現Web操作頁面的數據請求、業務數據處理等。當用戶在Web頁面發送GIS數據操作交互請求時，Web 頁面操作容器在Java 服務器進行頁面請求刷新，Java 服務器則將該操作指令發送到服務器Web Services交互功能模塊，實現GIS數據交互操作(如圖9所示)。

圖9 B/S模式下的網絡信息交互

五、結束語

隨著GIS 技術、計算機技術及現代網絡技術的快速發展，智能化、信息化、網絡共享已成為企業安全生產監督管理的必然。以現代應急管理和SDSS理論、事故分析數學模型建立應急救援信息系統時需要明確系統采用何種架構，利用哪些關鍵技術，要達到什么目標等問題;同時，企業安全生產監督管理過程業務流程復雜、內容廣泛[11]。因此，筆者認為類似系統的研究和開發不應一味追求“大而全”，而應在充分了解用戶需求的基礎上，采用“自下而上”的開發思路，對每個功能模塊做到“小而精”，然后采用組件化的方式將各個完善的功能模塊進行耦合，才能使完成后的軟件真正符合用戶需求，進而在實際工作中發揮作用。

致謝：感謝武漢鋼鐵集團公司安全環保部和武漢適普軟件有限公司對本文提供的幫助。

參考文獻：

[1] 康榮學.基于GIS的重大危險源安全監測預警系統研究與開發[J].中國安全生產科學技術，2010，6(3)：110-115.

[2] 吳宗之，魏利軍，于立見，等.重大危險源安全監管信息系統的開發研究[J].中國安全科學學報，2005，15(11)：39-43.

[3] 楊翊，張新政. 基于B/S與C/S混合模式的區域水環境決策支持系統的研究[J]. 科學技術與工程，2008，8(5)：1334-1336.

[4] 張曉清，代興偉. B/S+C/S混合架構的環境地理信息系統的研究[J]. 蘭州工業高等專科學校學報，2010，17(4)：5-8.

[5] 馬妮，李維功. ArcSDE for Oracle優化實踐[J]. 測繪通報，2007(10)：50-53.

[6] 錢新明，劉牧，郭臣，等. 基于GIS的油品儲罐區風險評價及應急資源優化調運系統[J]. 安全與環境學報，2010，10(6)：206-210.

[7] 譚德寶，程學軍. 基于ArcSDE + Oracle 9i 的防洪減災綜合數據庫的構建及應用[J]. 武漢大學學報：信息科學版，2006，31(1)：90-93.

[8] 于海玲. 基于ArcSDE的GIS空間數據一體化管理系統[J]. 測繪與空間地理信息，2008，31(4)：137-139.

[9] 王昀昀，朱勤東. 基于ArcSDE的影像數據入庫研究[J]. 測繪通報，2013(1)：84-86.

[10] 胡殿常，王晉秀. 最短路徑分析在MapInfo中的實現[J]. 測繪通報，2012(6)：87-89.

[11] 張杰，王志勇，許維勝，等. 突發事件下應急救援路徑選擇模型的構建和求解[J]. 計算機應用研究，2011，28(4)：1311-1314.