基于GIS的城市事故應急決策支持系統研究

胡 浩， 周芯儀

(1. 同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804；2. 埃默里大學 計算機科學專業，亞特蘭大 30322)

基于GIS的城市事故應急決策支持系統研究

胡 浩1， 周芯儀2

(1. 同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804；2. 埃默里大學 計算機科學專業，亞特蘭大 30322)

城市快速發展，安全事故頻發，常造成重大損失。對于這一問題，研究并設計了城市事故應急決策支持系統，介紹了系統使用的地理信息系統技術和決策支持系統技術。從系統總體框架和設計兩方面探討其功能組成和具體實現，重點研究了地理信息系統平臺和知識推理模塊設計。該系統為城市突發事故應急提供技術支持，輔助決策者做出及時和科學的事故應急決策。

突發事故；城市應急；地理信息系統；決策支持

0 引言

在以人為主體的城市中，環境、經濟、社會等要素相互依賴、相互作用、相互制約，形成復雜的空間地域系統[1]。經過近40年的改革，我國經濟與城市快速發展，當前城鎮常住人口已達7.3億，城市系統復雜性隨之增加。由于城市人口、財富聚集，當突發一些安全事故(如火災爆炸)，極其容易造成重大財產損失甚至人員傷亡。故而，城市公共安全對保障人民生命財產安全、護航國家經濟發展有著十分重要的意義。衡量一個城市的建設發展質量的重要標準之一就是一個城市的防范災害和緊急救援能力[2-3]。

很多國家非常重視公共安全系統建設，如美國組建了自己的專業安全研究基地，每年投入數百億美元研究經費進行安全科學體系研究。對于我國，由于受計劃經濟時期體制影響，我國城市事故應急是分部門的處理模式，少有統一協調調度的指揮應急機構。但是在某些公共安全領域中，相關部門利用現有技術建立了針對某種安全事故的監測預警系統。若要為公共安全提供充分的保障，需要健全現有公共安全應急制度體系和技術體系，展開相關技術研究，充分發揮決策支持系統和地理信息系統在事故應急決策支持類系統研發中的科技支撐作用[4]。

1 城市事故應急、GIS與DSS

1.1 城市事故應急

突發事故發生后能否給出迅速有效的應對策略十分重要。城市事故應急就是在最短時間內給出事故處理方案，合理調配各種資源，組織急救。城市事故應急研究中，公共安全的應急決策是一個與空間位置信息和信息分析密切相關的動態運作流程，解決這個問題需要快速的信息處理工具——決策支持系統(Decision Support System, DSS)技術和強大的空間的分析工具——地理信息系統(Geographic Information System, GIS)技術。本文將主要研究借助于GIS與DSS兩個工具組建的城市事故應急決策系統。

1.2 組件式GIS與DSS

事故應急決策支持系統研究需要多學科知識體系支撐，需要結合涉及領域的技術及理論該來建立系統，使用系統工程理論來集成系統，從而向決策者提供合理參考信息。

GIS包括計算機圖形學、地理學等多門學科，是對地理數據進行有效管理與分析的計算機系統。當前GIS已被應用到多個領域中，同時GIS技術自身也在不斷地發展，組件式GIS(Component GIS，Com GIS)技術是其發展成果之一。其優點在于集成方便、代碼可重用性高等，有助于系統的無縫高效集成，是GIS發展方向之一。

DSS定義很多，普遍比較認同的是DSS是用來幫助決策者通過知識、數據、模型以人機交互方式提供決策信息的應用系統[5]。DSS可以用來識別和解決復雜的問題，提高決策者決策的水平。

2 系統功能分析與總體結構設計

2.1 系統總體結構設計

根據系統需求和開發目標，將系統分為兩個主要模塊，即空間信息處理模塊和決策知識推理模塊，總體框架圖如圖1所示。地理信息處理模塊主要管理、分析和處理空間數據。決策知識推理模塊需要根據事故特征，從預案庫和案例庫中獲取相關決策知識。

圖1 系統總體框架圖

2.2 系統總體功能設計

(1)空間信息處理：建立基本地形數據庫，可以實現對基礎設施及危險源等信息的查詢統計；實現地圖圖形編輯及屬性更新功能；實現包括地圖查詢、顯示等功能，進行輔助決策。

(2)急救力量調度：在空間位置信息的基礎上，建立事故急救力量信息模塊，調度與管理急救力量，明確急救力量的急救范圍和急救物質資源配置，提供事故應急最佳路徑建議。

(3)急救資源管理：管理靜態急救資源，以便于事故發生時啟用。

(4)知識推理模塊：實現案例和預案的表示方法以及預案匹配和案例檢索，實現案例管理所需要的功能。

3 系統平臺實現研究

3.1 空間信息平臺的設計

空間數據需要正確而且豐富，它將會直觀展示給用戶，影響決策。為了保證系統空間數據的正確性和豐富性，從某市規劃局獲取市區高清地圖數據源，使用Supermap Deskpro6.0將其轉化為.smw格式存儲，從而快速建立高質量的空間數據庫?？臻g數據庫數據主要包括圖層數據和屬性數據兩部分?？臻g圖層數據從地形、社會經濟單位、專業圖層、重點防護單位、危險源等地形圖類方面清晰、詳細地記錄各類數據，圖2是某市局部空間數據展示結果。

圖2 某市局部空間數據展示

在地圖市政設施圖層標注派出所位置、消防隊位置、交警隊位置、醫院(急救中心)等救護力量位置，除此之外，對于地圖需要有基礎操作，例如地圖的放大、縮小、自由縮放、平移和全幅顯示，以便于獲取詳實的空間信。下面是調用組件式GIS中接口實現上述功能的核心代碼。

//地圖縮小操作

axSuperMap.Action=SuperMapLib.seAction.scaZoomOut;

//地圖放大操作

axSuperMap.Action=SuperMapLib.seAction.scaZoomIn;

//地圖平移操作

axSuperMap.Action=SuperMapLib.seAction.scaPan;

//地圖全幅顯示操作

axSuperMap.ViewEntire();

//地圖自由縮放操作

axSuperMap.Action=SuperMapLib.seAction.scaZoomFree;

3.2 最短路徑調度算法改進

本文中“最短路徑”的定義是使用最短時間到達目的地的路徑。急救力量調度需要在盡可能短的時間內完成，雖然決策者可能已經熟悉到事故目的地的最短路程路徑，但其可能不是“最短路徑”，系統改進算法給出參考“最短路徑”。

調度所需時間主要與道路擁擠程度和路程遠近有關，雖然急救車輛不受單行道和紅綠燈影響，但是城市內少有專用的應急車道，若交通阻塞，急救車輛行駛也會受到影響。決定急救車輛行駛車速的關鍵因素是其途經道路的交通流量。針對這個問題，需要改變選取最短路徑的標準，將車輛通過某段路程的預估時間作為該段道路的權重，行駛所耗時間作為衡量標準。可以使用系統中按照此標準集成的基于GIS的最佳路徑分析工具分析出合適的調度路徑。道路交通流量數據可以使用根據歷史統計數據和交通部門提供的實時數據。我國業內也有人使用Web GIS技術進行交通流量分析，參考文獻[6]中有詳細敘述。如圖3所示，雖然最短距離路徑為路線A→C→D→B，但是計算出的“最短路徑”為路線A→E→F→G→B，故而會給出建議路線為后者。

圖3 “最短路徑”選擇示意圖

3.3 預案與案例決策支持模塊設計

該模塊主要由檢索案例、適配案例以及管理案例3個子功能模塊組成。檢索案例主要功能是解釋檢索命令、檢索出相關案例和預案；案例適配需要抽取檢索到的預案和案例適用部分，生成輔助決策；案例管理主要完成案例庫的維護工作，包括對案例庫進行增加、刪除、修改等操作。圖4是該模塊結構圖。

圖4 預案與案例模塊結構圖

案例與預案的表示是將領專家的知識和應急案例中的知識轉化為計算機系統可以處理的信息的過程。案例與預案表示方法的優劣將直接影響系統的推理效率和決策結果的有效性[7-8]。預案采用IF DO 形式表示。條件描述事件類型、事件級別、事件時間和地點等。工作流中定義任務的運行順序和運行條件。案例應該以一定的規則表達，使用約定的結構，使案例檢索與適配更便捷有效。案例主要由四元組表示為Case = (D，C，S，R)，其中，D表示事件的描述，C表示案例的屬性，S表示事件的解決方案，R表示案例實施的結果。

案例中包含了確定數字屬性、確定符號屬性和模糊概念屬性，使用適用于確定性屬性問題的最近相鄰策略、歸納推理策略等案例檢索算法不適合該案例檢索，需要使用計算混合相似度的算法。其原理是分別計算案例之間確定屬性和模糊屬性的相似度，綜合比較。鑒于篇幅，不再贅述本部分，參考文獻[9]中給出了混合相似度函數的詳細算法。

用于匹配的預案工作流和檢索的案例與目標案例會存在一些差別，需要根據實際情況做出調整。案例適配工作是比較困難的部分，特別是當系統中知識不夠豐富，不能提供合適的決策方案時，這一工作通常由專家和決策者完成。目前，有些系統適配規則由決策者用戶來設定。

事故處理后需要維護預案庫和案例庫。使用某預案后，需要根據實際情況來調整預案。案例庫管理主要需要增、刪、改、查及合并操作，需要不斷地把新的案例加入到案例庫，豐富系統“知識”。但是新案例需要滿足一定條件才能加入。設新案例C與庫中案例Q相似度為S={s1，s2，s3，...，sn}，假設n為案例庫中案例數，si(i=1，2，3，...，n)為C與Q的相似度。當所有si小于設定的閾值α(0<α<1)時，才可以加入案例庫，即確保案例系統學習到的“知識”質量，其他情況下需要對si>α的對應案例做修改合并等操作。

4 結論

GIS技術的空間數據直觀的表現形式和強大的空間分析功能為公共安全體系提供有力的技術支持，對公共安全事業的發展十分重要。在基于GIS的平臺上構建基于預案庫和案例庫的應急決策支持系統，對于提高突發事件的應急決策能力、增強在突發事故中的快速反應和組織急救具有重要的意義。

基于GIS的城市事故應急決策系統主要實現了對急救力量和基礎設施等信息的查詢更新和統計、管理和調度急救力量、為急救車輛選擇最佳路徑以及從應急預案庫和案例庫中獲取決策支持信息等功能，它為城市突事故應急問題提供了輔助的解決方案。根據突發事故情況幫助決策者最優利用救援力量，輔助、優化決策制定是本研究的根本目的。

[1] 朱偉．城市公共安全應急決策支持系統框架研究[J]．三峽大學學報(人文社會科學版)，2008，12(30)：14-16.

[2] 金磊.城市災害學原理[M]．北京：氣象出版社，1997.

[3] CROSS J A．Mega cities and small towns：different perspectives on hazard vulnerability[J]．Environmental Hazards，2001，3：63-80.

[4] 劉士興，張永明，袁非牛，等．城市公共安全應急決策支持系統研究[J]．安全與環境學報，2007，4(7)：140-143.

[5] 徐志勝，馮凱，徐亮，等．基于GIS的城市公共安全應急決策支持系統的研究[J]．安全與環境學報，2007，7(2)：82-85.

[6] 劉海玲,劉玉萍,陳國榮，等.基于Web GIS技術的交通流量分析系統[J].微型機與應用,2014,33(12):6-8.

[7] 湯文宇，李玲娟．CBR方法中的案例表示和案例庫的構造[J]．西安郵電學院學報，2006，11(5)：75-78.

[8] 李玲娟，湯文宇，王汝傳．基于XML的案例表示和案例庫構造方法[J]．計算機應用研究，2007，24(11)：70-73.

[9] 張本生，于永利．CBR系統案例搜索中的混合相似性度量方法[J]．系統工程理論與實踐，2002，22(3)：131-136.

Research on assisting decision support system based on GIS of city emergency

Hu Hao1， Zhou Xinyi2，

(1. College of Electronic And Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Computer Science, Emory University, Atlanta 30322， USA)

Frequent security incidents happened with the speeding development of urbanization often resulted in significant losses. To deal with this problem, this paper studies a system based on geographic information system and integrated decision support system for assisting urban emergency aid. This essay attaches great importance to the study of the geographic information system platform and intellectual inference module from the aspects of the system’s structure and design. The system provides technical support for the city emergency and assisting leaders in making timely and scientific emergency decisions for unexpected accidents.

unexpected accident; city emergency; geographic information system; decision support

P928；TP392

A

1674-7720(2016)02-0090-03

胡浩， 周芯儀. 基于GIS的城市事故應急決策支持系統研究[J] .微型機與應用，2016,35(2)：90-92.

2015-08-21)

胡浩(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：多媒體與仿真系統。

周芯儀(1994-)，女，本科,主要研究方向：計算機技術。