西藏道路災害信息管理平臺的設計與實現

樊 曉，田榮燕，梁煒恒，嚴李強

（1.西藏大學 信息科學技術學院，西藏 拉薩 850000；2.西藏大學 工學院，西藏 拉薩 850000）

0 引 言

青藏高原是目前全世界最高、最年輕且水平地帶性和垂直地帶性緊密結合的自然地理單元，受印度洋板塊與歐亞板塊碰撞造山運動作用而形成，新構造運動強烈、深大活動斷裂廣布，強震頻繁[1]。西藏地域遼闊，地質環境條件與地貌類型復雜多樣，氣候干濕季分明、降雨集中，每年由水流沖刷導致的山體泥石流、崩塌、落石等自然災害數千起，對公路造成重大危害，甚至引發車毀人亡等重大事故。雖與西藏公路沿線災害有關的各種預警措施不斷推出，這些措施也對預警災害起到了不可磨滅的作用，但這些預警措施成本普遍較高且平臺數據災種單一，未涉及其他災種，數據資源不夠豐富且不便獲取。部分數據平臺僅提供災情信息、科普知識或災害遙感影像等，不提供文獻資料、工具模型以及知識加工產品等資源，且部分網站資源不便于用戶下載與獲取[2]。目前，在建設道路災害預警平臺過程中，研究工作主要側重于公路災害信息管理系統的建立，而為公路運輸安全提供技術支撐的防災減災系統還在研發中，尤其是如何在災前進行預測預警并提供合理的預防措施，以及災后如何快速進行搶險救災及綜合治理等問題，一直是有關部門致力解決的重大問題，國內外均如此。隨著我國社會經濟的持續快速發展，對公路規劃設計、安全運營、管理決策提出了更高的要求。目前，公路交通防災減災信息量越來越龐大復雜，數據質量要求也越來越高，急需建立一套功能強大、可滿足實際需求的公路地質災害預警系統，為公路交通安全提供技術保障。

文章設計了與用戶職業相關的功能模塊，便于不同用戶使用。使用對象分為普通用戶、政府用戶、路政用戶和管理人員。同時為方便用戶使用及以后的維護和升級，平臺采用B/S架構。對災害點進行科學分類并提供對應的防護措施，實現了信息共享和信息的及時傳遞，為搶險救災人員和物資的順利運輸、損毀公路的快速修復或重建提供科學決策依據。做到地質災害的事前有效預防、事后有效控制與處理，能夠為社會公眾、災害管理者與相關部門及時提供災害信息，對災害進行有計劃、有組織的預防與預警，切實保障人民的生命財產安全。

1 軟件設計

1.1 設計思路

目前，在建設道路災害預警平臺過程中，研究工作主要側重于災害信息管理系統建設，致力于在災前進行預測預警并提供合理的預防措施，以及災后快速進行搶險救災及綜合治理等[3]。綜合現有研究成果，通過與政府合作檢測公路沿線所有的災害點信息，并接入路政部門的數據庫，開通道路沿線災害信息上傳功能，與災害管理系統對道路災害信息的收集形成互補，確保對沿線災害進行全面監控，降低突發災害造成的損失。

遙感技術被廣泛應用于自然災害調查、監測、預警、評估的全過程，在大范圍、區域性災害監測或調查中具有顯著優勢。近年來， 遙感技術已形成高光譜、高空間分辨率、全天時、全天候、實時/準實時的對地觀測能力，成為災害信息獲取中不可或缺的先進技術手段[2]。通過利用不同時期的高分辨率衛星影像進行對比研究，提取滑坡、崩塌等地質災害的遙感信息，建立其解譯特征，對其活動性和類型進行解譯。通過對提取出的細部信息進行解譯識別，可以對地質災害發展趨勢和災害程度作出比較[3]。將災害信息進行集中處理，通過算法計算出各災害點的穩定系數后進行評級，快速獲取受災公路的通達情況，為搶險救災人員和物資的順利運輸、損毀公路的快速修復或重建提供重要的科學決策依據。根據算法計算出災害點安全系數，對災害做進一步預測，并將災害信息及時發布至平臺，以減少二次災害帶來的損失。設計思路如圖1所示。通過調用高德地圖來顯示災害控制點的位置，通過對控制點的設計實現對災害的監控。定位與導航功能主要通過高德API接口實現。軟件設計功能E-R圖是對軟件的功能規劃，如圖2所示。

圖1 軟件設計思路

圖2 E-R圖

1.2 軟件總體設計

軟件對災害信息的采集和處理分為系統調取和用戶反饋兩部分。

系統調取是系統接入路政部門的數據庫調取災害信息，對災害頻發地段建立模擬監測點，根據相應數據進行動態監控并作出預測。

用戶反饋是由用戶在行駛途中上傳災害信息，經審核后發布到平臺并對后來車輛進行提醒和路線規劃。同時平臺設計了相應的獎勵機制，對提供災害信息的用戶提供一定的獎勵，如定量面額的優惠券和用戶名譽等級提升，成為平臺的名譽會員等。

平臺圍繞災害點分為三個部分，分別是地形地貌圖，數據庫和防護工程。平臺的安全服務主要包括導航服務、預警服務和防護服務。導航服務采用衛星圖導航兼具路線規劃功能，同時為豐富駕駛人員的旅途生活，導航中內置了提示功能，會為駕駛人員介紹沿途的風景等。預警服務是根據對災害點的數據分析，提出危險警報和危險區提示。防護服務是對原有的公路沿線邊坡防護進行總結后得出的防護建議和措施。軟件結構如圖3所示。

圖3 軟件結構

1.2.1 地形地貌圖設計

地形地貌圖主要分為兩部分：衛星圖和地形圖。通過對災害點進行現場真實環境采集，建立災害點區域全景仿真模擬，用戶在全景環境下自由轉化角度，真實體驗災害點現場自然環境、設備安裝部署情況和應急避難場所情況，并在全景模式下查看設備實時監測數據，為用戶監測預警提供更加直觀、真實的體驗[4-6]。衛星圖提供的衛星路況用于駕駛導航、路線規劃等。

地形地貌圖提供了衛星圖功能，可通過衛星云圖瀏覽附近的邊坡災害點，查看各災害點具體信息，根據情況適時規避。地形地貌圖內置地形圖模塊，地形圖上可以提供最優行車路線及沿線所有災害點的分布。點擊災害點樁號可瀏覽該點所對應的邊坡3D輪廓圖，邊坡的地質報告、邊坡的防護工程等信息。不同氣候條件下，用戶到達危險性較高的災害點附近時，平臺會對用戶進行提示并加強對應的觀測和防護。

地形圖作為災害預警的基礎，可以反映災害具體情況及邊坡穩定性[7]，原理如圖4所示。地形圖包括三個部分，分別為災害點穩定性、3D輪廓圖、穩定性計算。

圖4 地形圖原理

地形圖上會顯示災害點穩定性系數，提供邊坡穩定性計算功能，若想了解某個災害點信息，系統會自動調取數據庫中該點工程地質參數；若想了解某一點的整體輪廓時，可以選擇3D輪廓圖輸入該點里程號，系統會從數據庫中調取；若想計算某點的穩定性，可在邊坡穩定性計算界面輸入參數進行計算[8]。

1.2.2 數據庫設計

地質災害數據庫建設需要管理海量的地質災害空間、調查、監測數據等，提供地質災害的動態監測與查詢、評價分析、預警預報、預警發布等服務[6]。數據庫主要分為數據存儲、數據處理和數據反饋，數據存儲是數據庫的基礎[9]。本文采用Access進行數據輸入和存儲。例如邊坡穩定性分析通過拾取地質數據庫中的相關參數進行邊坡穩定性計算[9]，評定相應的穩定性等級，反饋到地形圖和線路規劃中，供用戶參考，并以此為主要參數為用戶規劃行進路線。得益于Access數據庫軟件的數據存儲功能，工程技術人員可以將野外采集數據輸入該數據庫。將采集的災害點參數輸入數據庫，系統自動計算穩定系數，并根據天氣等因素對計算出的穩定系數進行一定調整。數據反饋提供邊坡穩定性計算功能，可從數據庫中提取邊坡參數或手動輸入邊坡參數，系統將迅速計算出其穩定性。邊坡穩定性計算提供了數據保存功能，用以更新原有數據。以數據庫為中心，服務于其他模塊，建立各模塊的功能屬性。各項功能應用均依靠調用數據庫的相關信息實現[10]。數據庫結構如圖5所示。

圖5 數據庫結構

1.2.3 導航系統設計

圖6所示的軟件導航圖提供了導航功能和提升功能。導航服務包括災害點類型及分布和路線規劃。災害點的類型及分布由數據庫地質數據提供，如添加新坐標，可根據數據庫中災害點信息在導航圖中添加地標。路線規劃由災害點個數及其穩定性等級共同決定。用戶在軟件中確定起點和終點后，系統自動識別行車路線，并根據不同行車路線的災害點穩定性系數計算出其危險性系數。

1.2.4 穩定性評級設計

滑坡地質災害影響因素主要分為內在因素、外在因素和歷史狀況。其中內在因素包括地形地貌、地質構造和地層巖性；外在因素包括年降雨量、到河流距離、植被覆蓋率及人類活動；歷史狀況包括滑坡密度和滑坡規模。這些控制因子被稱為滑坡控制因子。年降水量可以利用氣象衛星及地面水文觀測站得到，而其他滑坡控制因子可以利用陸地資源衛星同時結合實地勘察予以查明[3]。通過調取各災害點的控制因子計算出該點的穩定性系數，并根據計算出的穩定性系數通過下式計算出各路線的危險性系數：

式中：S為危險性系數；A1，A2，...，An為各災害點的穩定性系數；n為災害點個數。系統篩選各線路穩定性系數后，將穩定性系數最大的線路推薦給用戶。遇到極端天氣或道路災害時，將降低該區域內的災害點穩定性系數并重新計算各線路危險性系數，篩選出危險系數最低的路線推薦給用戶，并提供每個路線的危險性系數供用戶判斷。

圖6 西藏安全行導航圖原理

2 系統實現

建立B/S結構的網絡應用，并通過Internet/Intranet模式下的系統應用實現不同用戶從不同地點以不同接入方式訪問系統的功能。本系統在Windows操作系統平臺上運行，Web服務器為HTML5，數據庫服務器為SQL Server 2000數據庫。系統具有災害預警、路況分析、道路導航、語音播報等功能，通過對西藏道路災害點進行實時更新和補充與動態監測，對災害點進行科學分類并提供對應的防護措施，為搶險救災、損毀公路的快速修復或重建提供數據依據。對不同的用戶開放不同的權限，滿足不同用戶的需要，實現地質災害的事前有效預防、事后有效控制與處理，對災害進行有計劃、有組織的預防與預警。

2.1 普通用戶

基于用戶需求，提供系統設置、查看地圖、意見及信箱和安全教育四個模塊。“系統設置”可查看自己的賬戶信息、修改賬戶密碼；“查看地圖”可查看當前所在地及周邊的詳細信息；“意見及信箱”是平臺了解用戶體驗及反饋的主要通道，用戶可以通過該模塊上傳突發的災害信息，上傳的災害信息經平臺審核發布后，平臺將為提供災害信息的用戶進行有償獎勵；“安全教育”是用戶到相應災害點附近后，平臺通過語音播報的方式為用戶提供災害詳情與災害類型相應的安全技能教學模塊。平臺會實時發布最新的道路災害信息，減少信息傳遞遲緩帶來的損失。基本功能界面如圖7所示。

圖7 基本功能界面

2.2 政府部門

系統可為政府工作者提供地質數據展示、工程造價數據展示和交通發展建議。“地質數據”為政府人員提供最新災害數據，便于地質分析和工程建設的進行，并及時制定相應的防護措施；“工程造價數據”為政府提供國內外各種大型工程的方案和數據資料，是一個信息交互平臺；“交通發展建議”為路政提供準確的災害信息，為政府搭建一個密切聯系廣大群眾的信息服務平臺，為西藏提供交通道路建設資源。政府各級部門可以通過廣播的會議方式傳達文件通知、安排部署工作。可以根據災情的實際情況對正在道路行駛的車輛進行緊急預警通告，防止無端信息大面積散播，造成人員恐慌。

2.3 管理人員

管理人員擁有最高權限，負責平臺的日常運行和維護，為管理者提供公司業務、路政部門、政府部門和普通用戶四個功能板塊及賬戶管理和日志管理功能。“賬戶管理”是對所有賬戶進行管理的模塊，可查看現有賬戶信息并開通新的賬戶；“日志管理”是查看用戶反饋及審核用戶上傳災害信息的模塊；“公司業務”是修正地圖數據、添加新災害點、查看現有災害點及維修歷史的模塊，為地圖的更新提供基礎。“添加災害點”可添加公司勘察和路政人員反饋的災害點并進行地圖更新，用戶上傳的災害信息經審查核實后由管理人員在此模塊添加；“查看災害點”可查看已被標記為災害點的詳細信息，如災害形成的原因、該災害點的災害爆發歷史等；“維修歷史”可查看路政對各災害點的維護信息，包括維護人員、維護時間、是否維護等。管理員功能界面如圖8所示。

圖8 管理員功能界面

2.4 生活服務

系統還為普通用戶提供了一定的生活服務，系統通過定位用戶當前所在地，將附近的旅游景區、地方特產和美食通過平臺推送給用戶，用戶可以通過平臺向商家下單自己中意的商品。在災害點附近放置提示裝置，當有用戶靠近時，提示裝置將提醒用戶前方危險減速慢行。同時系統會根據用戶附近的災害點向用戶普及對應的逃生技巧和科學理論。

3 結 語

為解決預警信息反饋滯后及預警成本過高等問題，道路災害信息管理軟件應運而生，不僅提供基礎服務更拓展了業務，使得軟件在提供安全服務的同時提升用戶的生活品質。軟件擁有以下功能服務和優勢。

（1）軟件具有災害預警、路況分析、道路導航、語音播報等功能，對西藏道路災害點進行實時更新和補充，為用戶提供預警信息，能夠及時、準確地預防地質災害發生、了解公路的受災情況，也能夠為搶險救災人員和物資的順利運輸、損毀公路的快速修復或重建提供重要的科學決策依據，為西藏道路安全提供有力保障。

（2）提出了未來規劃，描述了軟件的潛在價值，分析了與已有軟件區別，證明了該軟件的優越性，講述了軟件的創新模塊，為用戶帶來了更好的體驗，切實保證了用戶的利益。相比已有軟件，該平臺不僅能夠更加及時反饋災害點信息、實現信息共享，還可以及時對災害點防護和治理提供建議。

（3）雖然目前的科學技術還不能直接阻止地質災害的發生，但一切重大地質災害在發生之前會發出一系列警告信息。要減輕地質災害造成的損失，就必須應用先進的科學技術手段及早捕獲這些信息，并做出快速反應和決策。與文獻[3]相比，文章為道路災害的預測和災害信息的實時傳遞提供了新的思路。