基于GIS的機場應急救援演練系統開發與應用研究

王文俊，張迎軍，金雪松，王景霞，陳　勇

(中國民航管理干部學院，北京 100102)

0　引言

為了有效應對民用運輸機場突發事件，民航局于2011年9月9日起施行《民用運輸機場突發事件應急救援管理規則》。為進一步規范民用運輸機場應急救援演練督導工作，提升機場應急救援演練水平，民航局于2013年12月17日印發《民用運輸機場應急救援演練督導工作規范》。但是，目前全國各個機場在應急救援演練工作的規章落實上還存在一定差距，一些薄弱環節和問題仍然普遍存在。與此同時，民航各單位領導干部、中層管理人員在應急處置能力和指揮能力方面也缺乏有效的培訓手段，民航系統迫切需要能夠發現應急救援問題，并能夠有效提高應急能力的手段和工具[1-4]。

為使各機場、相關單位充分了解《民用運輸機場突發事件應急救援管理規則》和《民用運輸機場應急救援演練督導工作規范》的內涵，使其更好地與督導組配合，協調并推進督導工作，更新、完善應急救援預案，有效組織應急救援演練工作，在國家對應急救援相關要求基礎上，結合民航應急救援督導工作的實際業務規劃[5-7]，提出機場應急救援演練系統的設計與建設方案。

目前，應急領域關于應急救援系統、演練系統、培訓系統的研究成果較多。王楊[8]等運用真實地震模擬和快速地形繪制技術，真實表現地震受災過程和場景，完成以計算機仿真技術與地震專業救援演練業務相結合的地震演練仿真系統；張青松[9]等構建機場應急救援GIS 空間數據庫，實現應急資源數據庫的數字化管理，建立應急資源調配模型，確定調配最佳方案；李牧聲[10]等提出1個民航機場應急救援管理系統的設計方案，并基于GIS的ArcGlS Engine開發包，采用C/S模式，實現機場應急預警、預案管理、應急事件指揮、模擬演練等功能；徐輝[11]等根據企業應急救援工作的特點和要求，對應急救援指揮系統體系結構、設計原則和功能模塊進行分析和論述，并實現對應急機構、應急物資、應急基礎信息、應急通信和應急輔助決策的自動化監控和管理；王昱[12]將GIS與港口管理相融合，設計港口突發事件輔助決策與應急指揮系統，系統由危險源日常管理、救援保障資源管理、應急指揮綜合管理、應急輔助決策分析和虛擬仿真應急演練等應用模塊組成；劉文革[13]等重點研究基于WebGIS的煤礦事故救援系統的技術架構和關鍵技術，開發將應急信息管理、應急演練、應急救援等業務融為一體的救援系統，并對系統建設的數據庫和主要功能模塊進行介紹；曹國建[14]等通過采集和分析揚州區域所涉及化學品企業、危險化學品種類與分布、應急資源等相關信息，采用Access建立數據庫，并基于Visual Basic設計和開發了危化品信息查詢、危險源管理、地圖信息查詢、應急資源管理等系統模塊；鄭金光[15]等根據醫院應急救援隊培訓工作實際，綜合運用數據庫、多媒體、網絡集成等技術，圍繞救援隊能力建設，研究設計應急演練培訓系統，為傳統的救援培訓引入信息化工具。綜上所述，現有研究成果中，針對民航，特別是機場應急救援演練系統的研究較少，而機場應急救援演練系統的建設，可進一步推動民航業數字化、一體化救援體系的建設。

1　機場應急演練現存問題和系統功能需求

1.1　機場應急演練存在問題

我國民用機場應急救援演練領域主要面臨如下問題：

1)“演大于練”，演練效果不佳且成本較高，尤其每3年1次的綜合演練。

2)目前機場仍采用傳統演練模式，先進的技術手段在演練過程和演練監控中應用較少，很難為救援能力評價提供全面客觀的數據支持。

3)目前機場沒有統一的應急演練標準，也缺乏對應急救援演練過程的評價體系，無法及時發現演練過程中的問題，進而無法對薄弱環節進行改進，導致實際救援中仍然存在問題，不能較好地降低事故損失、提高應急處置能力。

4)機場在應急救援培訓方法和手段上缺乏創新，情景模擬和計算機仿真等先進技術和方法應用較少。

1.2　系統功能需求

針對上述問題，擬借鑒GIS的先進技術和方法，研究機場應急救援演練系統，進而降低演練成本，提高救援人員對救援程序的熟悉程度；研究更加全面的、針對演練過程的數據采集、傳輸、組織和存儲技術，將先進技術用于演練督導過程，為完成多視角演練過程的實時播放和回放提供技術支持，為演練評價的量化分析提供更加客觀全面的數據支撐；根據演練數據，研究民航事故應急救援能力的評價體系和方法，提高救援能力評估的科學化管理水平。具體系統功能需求如圖1所示，包括：

1)提出基于應急預案的過程仿真模型。基于該模型的仿真系統可對應急救援應急預案所涉及的角色和指令傳遞，進行有效過程模擬及展示；借助系統邏輯嚴謹的組織和人性化的界面，相關文字和圖片信息被有序組合，實現現場視頻、系統操作動態痕跡、單兵和團體信息的有序對比排列，準確掌握演練進度和趨勢。

2)提出基于演練過程的救援能力專家評價體系，包括評價指標體系、評價模型和評價方法，并設計相應的評價實現技術。相關評價技術依據對各演練參與者的動作干預，綜合分析判斷；情景按預定順序或條件自動觸發，演練進程自然展開，演練參與者被隨時發生的情景帶動，參演者的動作被自動記錄和評估。演練后，對演練過程和自動生成的評估結果進行觀察，予以綜合性的專家評估，演練問題及時匯總，缺陷一目了然。

3)在技術層面提出合理的分層體系結構，為實現多源數據的采集、傳輸、存儲、管理和展示提供支持，準確定義層次數量、各層功能以及層次之間的接口關系等。

4)設計基于移動互聯網的多源數據采集集成裝置。集成關鍵技術包括：設計適用于救援演練現場的多源數據采集和信息交互移動終端設備；設計相關移動終端的集成控制系統，包括視頻穩像和高精度衛星定位技術；提出一體化數據采集及信息交互軟件模型。

5)設計提出基于GIS地圖的多源數據同步定位播放和點播回放方法。研究具有民航特色的場景建模技術，構建示范機場法定救援范圍內空間數據和救援設施分布的GIS概要地圖，根據GPS定位信息，設計基于該地圖的救援資源軌跡跟蹤及角色指令、音頻、視頻同步更新方法。

圖1　系統功能需求Fig.1　System functional requirements diagram

2　系統分析與設計

2.1　系統業務流程描述

引入情景模擬評估，按照突發事件應急救援的時間順序，模擬、演練和評估各救援主體在不同時間采取的應對措施，實現自動化、專業化相互結合的評估。在全面的系統業務流程分析基礎上，可知系統業務流程包括情景設定、演練過程監督、演練回放、演練評估、情景模擬教學等5個方面。

2.1.1情景設定

情景設定包括機場運行環境、應急救援資源、突發事件本身。在航空業的演練情景設定中，涉及的具體事故情景較多，其中最為業界所關注的莫過于航空器墜毀。因此，在初次設計演練情景時，首先選擇的藍本應為航空器在機場內的墜毀，一旦設定了情景，則演練目的必然是救援力量以最快的速度趕到現場，盡最大努力搶救人的生命。

由于所設定事故情景情況嚴重，涉及的演練范圍不僅包括傳統的運行指揮、消防、醫療、公安等部門，還包括組織外部的重要相關者，如地方政府、民航主管部門等。而通常情況下，由于演練對參加人員的限制，一般仍以機場工作人員為主，必要時，邀請外部人員參與演練。在情景設定中，諸如事發航空器機型、所載人員、機上運載危險品、事發位置、事態等關鍵信息是必須重點考慮的，通常在系統開發中，給予一定的設定彈性。

由于演練圍繞的是1個從開始到結束的閉合事件，因此應急演練的啟動、終結條件是需要事先設定的，如果要進一步細化演練，情景事件過程中的關鍵分支環節，也是必須設定的，通常中間過程的關鍵分支環節可用隨機方式加入演練進程，以避免演練過程的呆板、機械。

2.1.2演練過程監督

以航空器墜毀為例，其典型過程通常可設定如下：①航空器墜毀于跑道端(周邊)；②航空器起火，機組開始撤離；③指揮中心接警并啟動最高響應級別；④各救援單位趕赴現；⑤現場處置；⑥事態分支；⑦在一定條件下，結束現場救援；⑧部署安置和后續事宜。

對環節①、環節③、環節⑤、環節⑦中細化關鍵信息，并加大其評價權重；對環節⑥，根據航空器起火進展、風向等情況考慮現場處置措施；對每個環節，都細化規定動作、規定信息。

2.1.3演練回放

對演練過程進行回溯，可支持評估和指導。一般可以按照事件線索、角色線索、救援小組線索展開，1次回放按照以上3方面的單1方面或者其組合開展，可以細化到對1個具體信息、具體行動、具體協作的回放和分析。通常，借助自動化的系統平臺，能實現全方位記錄，覆蓋演練過程中各種用戶的使用痕跡，高級督導系統還需考慮用戶的分類和特征，以應急決策角度為例，在應急決策過程中，有的處置者偏于保守，有的偏重于更高的風險承受。

2.1.4演練評估

系統性的評估一般通過設定相關評估標準來實現。在評估過程中，采用督導專家評估與系統自動化評估相結合實現，機場應急救援演練通常分為綜合組、現場運行指揮組、地面運輸保障組(包括航站樓)、飛行區組、消防組、醫療組、公安組、空管組、航空公司組等，每組按照演練檢查單和評估表進行評估。

2.1.5情景模擬教學

當演練系統經過多次實際應用，在相關演練數據積累到一定程度后，對于發現的共性問題及好的經驗做法，結合民航已發生的航空事故，整理編制成若干個典型案例，用于情景教學。

2.2　系統功能框架

依據應急救援演練系統的業務流程，系統功能框架主要包括資源管理、救援演練、演練回放、演練評估、演練教學、系統管理等6個子功能模塊，如圖2所示。

圖2　系統功能框架Fig.2　System function structure diagram

2.3　系統技術架構

依據總體架構要求，整個系統平臺可分為感知層、網絡層、存儲層、平臺層和應用層，如圖3所示。

1)感知層：主要涉及應急救援過程中各類感知設備的管理，主要包括視頻設備、移動終端、GPS設備、對講機等監測和通訊設備，為應急救援過程中指令下達和各類信息的采集提供支持。

2)網絡層：通過網絡將應急演練系統里各個層級的用戶連接起來。在進行應急演練時，保證機場各個參演單位、部門、民航各監管部門能夠在系統內進行信息傳遞和交互。

3)存儲層：負責應急救援相關數據的存儲管理，主要包括預案信息庫、物資資源信息庫、應急隊伍信息庫、地理信息數據庫、演練視頻信息庫等，本層的數據存儲為其它各層進行應急救援服務提供重要的數據支撐。

4)平臺層：界于存儲層與應用層之間，為各類應用的服務提供底層的支撐服務，主要包括指揮調度服務、GIS服務、GPS服務、圖像顯示服務和視頻轉換服務等。

5)應用層：負責提供用戶需求的各項業務應用操作，主要包括信息管理、演練督導和演練評估3大部分，從而實現對機場應急救援工作的檢查、演練、督導、評估的全過程管理。

圖3　系統技術架構Fig.3　System technical architecture diagram

2.4　系統實現技術特點

2.4.1基于GIS技術構建應急演練系統

利用GIS實現民用機場應急救援演練過程中各種資源、人員的定位及行動軌跡的展示，如消防車和戰斗員、醫療救護車和醫護人員的位置和行動軌跡。同時，借助機場應急救援方格網圖，可實現應急救援車輛、人員、物資等救援路徑方案選擇和分析，提供輔助決策的功能。

2.4.2采用基于組件的開發和分層技術

信息化系統的開發過程因系統規模的不同而有所不同，目前大部分是基于組件的開發模式，如果將應用程序比作1個積木的話，那么組件就是積木的每1個模塊，組件獨立存在，共同構建應用系統。組件可以是應用系統的1個功能模塊，也可以是應用系統的子系統。這些組件在開發及部署上均保持相對的獨立性，比較常見的基于組件開發模式的管理工具有maven、Ant等。在系統升級維護方面，更具有針對性，可實現應用系統的局部定向更新；組件具有復用性，通過多種信息交換渠道實現應用程序之間的共享；分層技術的產生解決了子系統之間的依賴關系，降低系統的耦合度，簡化系統升級、維護的工作，根據應用系統的業務邏輯和業務規則，將組件劃分成不同層級。

2.4.3基于J2EE開放標準

標準和開放是設計和開發機場應急救援演練系統的基本原則。系統在結構上，具有擴展性和靈活性，支持各種相應的軟硬件接口，能夠與多種系統互聯互通。J2EE提供了1套企業級Java應用框架，使用多層分布式應用模型，將應用邏輯按功能劃分為組件，各個應用組件根據所在的層，分布在不同的機器上。

2.5　系統開發環境

采用JAVA語言和MyEclipse環境進行開發。在與其他同類編程語言的比較中，JAVA具有不受平臺限制、運行效率高、安全性好、可擴展性強等特點；MyEclipse作為1個成熟的開發環境，大大提高開發系統的效率，保證系統的完整性。

3　系統應用

3.1　系統功能實現情況

目前，系統已經在全國范圍內重點挑選的大、中、小不同級別的10多個機場進行測試和應用，如圖4所示。

1)從民航各級管理部門的角度，機場應急救援演練系統作為演練過程評判平臺，通過記錄演練過程，對演練步驟執行情況和預案腳本指令進行對比，實現對機場應急演練工作的科學評判，相關管理部門可依據系統情景庫隨機抽取生成應急演練腳本和調理方案，對機場演練過程進行督導，檢驗機場演練中各角色執行過程與預案貼近程度。

2)從機場的角度，機場應急救援演練是模擬演練平臺，機場應急救援總指揮、機場消防指揮官、公安指揮官、醫療指揮官及其他救援人員通過系統，可以熟悉應急救援宏觀層面的規則、程序、方法，通過有的放矢的演練，來提升突出事件應對能力和處置能力。

3)從民航應急救援演練資源管理的角度，利用空間地理信息技術，通過電子地圖靜態展示機場建筑內部結構、機場跑道、消防設施地理位置；動態展示參與救援演練人員、車輛移動軌跡，資源的使用情況以及設備的運行狀況，可為應急救援演練行動指揮提供決策依據，為演練效果評判提供數據支持。

4)從民航應急救援演練技術的進一步研究角度，通過應急救援演練過程數據的記錄和積累，可進一步深挖行業考核指標，進而構建相關的應急演練業務規范和信息化標準體系。

圖4　應急救援演練系統應用Fig.4　Emergency rescue drill system actual application

3.2　系統下一步發展方向

1)機場應急救援演練系統是個全新的系統工具，對于機場和民航各級監管部門，尚需一定的逐漸適應過程，而從系統的角度，尚需在不斷實踐中，進一步提高系統的操作性和人機友好性。

2)目前系統中突發事件情景庫還需進一步補充和完善，增加民航業其他類型的突發事件，如劫機事件、航站樓群體事件等。

4　結論

1)深入分析機場應急救援演練業務流程，進而提出符合航空業典型事故情景的應急演練系統需求。

2)設計并實現基于GIS的機場應急救援演練系統，提出民用機場應急救援演練、培訓全過程的信息化、集成化、標準化的技術路線。

3)為了更好地服務于機場應急救援演練，在情景庫、系統操作性及人機友好性等方面進一步開展深入研究將是未來重點發展方向。

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