王東明,陳華靜,陳敬一,高 杰,施 唯
(中國地震災害防御中心,北京 100029)
我國是世界上地震災害最為嚴重的國家之一,三分之一的國土面積具有發生7級或更強的地震構造背景[1-3]。隨著社會主義現代化建設快速發展,人口和經濟的集約化程度越來越高,城市和工程系統更加易損,我國地震災害風險不斷攀升。潛在的威脅使得我國的防震減災工作難度加大,以減輕地震損失和實現災后救援為主要目標的傳統防震減災理念已無法滿足社會可持續發展對地震安全的迫切需求[4-7]。
加強地震災害風險識別、評估與防范,提高地震災害風險綜合防治水平是減輕地震災害的重要策略。第三屆“聯合國世界減災大會”提出未來十年全球的減災工作重心要從災害管理轉向災害風險管理[8]。2016年7月28日,習近平總書記在唐山市考察時論述了我國防震減災工作的方針政策,提出防災減災工作要實現從減少災害損失向減輕災害風險轉變。2018年5月12日,習近平總書記在對汶川地震十周年國際研討會的致信中強調了促進減災國際合作、降低自然災害風險、構建人類命運共同體的重要性。由此可見,地震災害風險治理已成為國家減輕地震災害的指導方針,通過災害風險管理為防災減災救災提供依據也是當今國際社會和世界各國達成的共識。20世紀以來,針對自然災害風險理論、方法、技術等方面的研究逐漸完善,在此基礎之上的災害風險和損失評估系統也應運而生,為國家減輕災害損失和制定災害應對方案提供依據[9-10],如美國多災害評估管理系統(HAZUS-MH)[11-12]、地震快速評估系統(PAGER)[13]和日本災害管理系統(Phoenix DMS)[14]等。與國外相比,我國地震災害風險防治系統的研究起步較晚,且相關的理論、方法和分析模型等尚有差距,早期研究多集中于震害損失評估方面[15],國家層面的具備功能性、實用性和可操作性的地震災害風險防治平臺的建設仍為空白。2016年12月29日,國務院辦公廳印發了《國家綜合防災減災規劃(2016~2020年)》,提出了“十三五”期間國家綜合防災減災的十大主要任務,其中包含了建設國家自然災害風險數據庫,形成支撐自然災害風險管理的全要素數據資源體系[16]。在重大項目中也將“自然災害綜合評估業務平臺建設工程”列為第一項,提出要建立災害綜合風險調查與評估技術方法,研發系統平臺,并在災害頻發多發地區開展災害綜合風險調查與評估試點工作,形成災害風險快速識別、信息溝通與實時共享、綜合評估物資配置與調度等決策支持能力[16]。綜上,地震災害風險防治平臺的研發是實現減輕地震災害風險、增強地震災害風險防范能力的關鍵,也是落實黨中央國務院關于地震災害風險防治工作決策部署的重要舉措。
面對我國地震災害風險防治的嚴峻形勢和國家對地震信息業務服務體系建設的迫切需求,本文提出研發國家地震災害風險防治業務平臺。通過對國內外地震災害風險和損失評估系統平臺的對比分析,得出了系統平臺在業務功能、適用范圍等方面的特點,為我國地震災害風險防治平臺的研發與設計提供啟發;分析了我國地震災害風險防治業務的現狀,針對當前業務中存在的問題明確了功能需求;在此基礎之上開展了國家地震災害風險防治業務平臺的總體架構和業務功能設計,并對平臺設計功能進行了展望。
近年來,隨著計算機技術的快速發展和地震災害風險理論研究的不斷深入,地震災害風險和損失評估系統平臺等陸續被開發和應用,并逐漸成為防震減災和應急救災的重要工具[8]。美國較早開展了災害風險管理系統平臺方面的研究,其最具代表性的是由聯邦應急管理局(FEMA)基于地理信息系統(GIS)開發的多災害評估管理系統(HAZUS-MH)[11-12],HAZUS-MH系統因功能全面、數據完善被廣泛應用于美國各州政府減災規劃和應急響應評估中,但其閉源屬性限制了系統的應用范圍。中國臺灣的地震工程研究中心(NCREE)于2000年引進了美國的地震損失評估系統HAZUS,根據臺灣地區數據和分析模式對其進行的本土化調整和修改,最終完成了臺灣地震損失評估軟件(TELES)的研發[17-18],TELES具備地震災害潛在危險分析、建筑損害評估和社會經濟損失評估等功能。針對特定區域范圍應用的地震災害風險管理評估系統平臺還有新西蘭的災害風險縱覽平臺(RiskScape)[19]、日本菲尼克斯災害管理系統(PhoenixDMS)[20-21]、澳大利亞的地震災害風險模擬系統(EQRM)[22]、日本的多災害風險評估軟件OSRE[23]以及俄羅斯的災害快速損失評估系統Extremum[15]等。
為突破平臺系統的適用區域限制,建立可擴展、可更新的系統平臺,世界銀行、美洲發展銀行、聯合國國際減災戰略中心、中美洲自然災害預防協調中心等共同參與開發了風險評估平臺(CAPRA),CAPRA平臺是一個模塊化、可擴展的概率風險評估平臺,可進行風險分析并提供相應決策支持[24-25]。在HAZUS的模塊架構基礎上,中美地震研究中心和國家超級計算應用中心在GIS開源平臺上開發了多災害風險評估軟件(MAEviz),軟件具有可擴展性和開源性,已被應用于美國和土耳其等地的地震風險和損失評估分析中[26]。世界經濟合作與發展組織以減輕全球范圍內地震風險為目的發起全球地震模型(GEM)平臺建設項目,該項目為全球范圍內的地震風險評估及相應的合作交流提供了平臺[27-28]。在全球范圍內適用的地震災害損失評估軟件還有土耳其的地震損失評估軟件(ELER)[29]、國際地質災害中心研發的地震損失評估平臺(SELANA)[30]、歐洲的應急響應和減災地震損失評估系統(QLARM)[31-32]以及國際減災十年組委會和聯合國共同研發的城市地區地震災害風險評估工具(RADIUS)[33]。
地震快速評估可及時為政府部門震后救災工作提供依據,最大限度減少地震災害造成的損失。美國地質調查局基于全球地震臺網觀測研發了地震快速評估系統(PAGER),該系統能在震后半小時內給出初步震害評估報告[3],并向有關國家和地區提供地震災害信息。意大利政府開發了地震模擬與應急管理信息系統(SIGE),系統在接受到地震信息數分鐘內給出地震災害預評估結果,且其地震災害情景模擬軟件可按照設定地震模擬特定地震事件進行地震災害的動態評估,為部署救援行動提供可靠依據[34]。表1為部分系統平臺的名稱、研發單位、主要功能模塊及相應特點。

表1 國外地震災害系統平臺Table 1 Disaster management system platform abroad
我國地震災害軟件系統的研發始于20世紀90年代,李樹楨等[35-36]編制了以現場調查數據為依據的地震損失評估軟件(EDEP-93),并采用該軟件對1993年普洱地震災害經濟損失進行了評估。1997年國家地震局頒布了《地震災害損失評估工作規定(試行)》,丁香和王曉青等據此研發了地震現場災害損失評估系統(EDLES 1.0)[37]。然而,早期系統進行震后損失評估的主要依據為地震現場調查資料,需要耗費大量的人力物力,且當時的計算能力以及展示平臺限制了系統的應用。
地理信息系統GIS因具備空間數據分析、管理功能以及可視化等優勢,逐漸成為地震災害損失預測、評估和應急決策等方面的重要技術支撐[38-43]。溫瑞智和賈國玉等[38]采用GIS將地震影響場與建筑物空間信息進行匹配,研發了基于GIS的城市建筑物損失快速評估系統。王曉青等以首都圈防震減災示范區建設項目為依托,結合GIS和Access數據庫完成了地震現場災害損失評估地理信息系統(Map EDLES 2001 for Windows)的研發,系統具備震災現場損失評估、災情信息顯示及信息遠程交換等功能[39]。隨后,網絡和遙感影像等技術的快速發展擴展了系統平臺的功能[44-49],提高了地震應急的信息化水平。高惠瑛等[48]基于WebGIS構建了地震災情快速評估系統,實現了地震災情動態評估。陳豪等[49]結合基礎地理信息、多源遙感衛星影像及動態災情信息,構建了基于WebGIS和空間技術的地震減災信息化平臺,系統具備地震災害動態監測、災害評估、災情信息實時共享以及應急減災輔助決策等功能。
風險管理理論的引入使地震災害風險管理理念逐漸被納入到地震災害系統平臺的研發中[50-52]。丁香和王曉青等[51]采用GIS空間數據存取和處理技術研發了地震巨災風險評估系統(EQRiskAsia),該系統實現了地震巨災風險綜合評估、地震災害損失快速評估以及地震巨災高風險區識別。王東明課題組基于WebGIS開發了地震災害風險識別與損失預評估系統,系統可實現建筑物抗震能力評估、地震災害損失預評估、地震應急備災需求評估和抗震薄弱環節評估并提供相應的對策和建議。為進一步提高地震災害損失評估的效率,丁香等[52]研發了基于格網的全國尺度地震災害損失預測系統,系統采用自動數據柵格化處理模塊對風險評估相關數據進行千米格網化處理,優化數據組織的同時提升數據建立與更新的效率。潭慶全等[53]研發了離線式地震災害損失評估系統,系統可存儲由地震損失評估模型生成的公里網格內不同烈度下的地震損失預評估結果數據,將結果與離線地圖疊加獲得地震損失評估制圖表達。
近年來,三維可視化技術以及云計算技術的推廣使得地震風險和損失評估系統功能日趨完善[54-57]。陳洪富等[54]基于WebGIS平臺和云計算技術研發了地震損失評估系統(HAZ-China),能服務于震前、震時和震后的使用場景,并具備數據存儲、震害預測和應急響應等多種使用功能。鄭山鎖等[10, 55]應用新的數據采集和數據庫建立方法結合GIS技術集成開發了中國地震災害損失評估系統(CEDLAS),系統可實現對單體建筑、城市區域、國家范圍進行震前災害風險評估、震中實時評估和震后境況模擬。表2為部分系統平臺的名稱、研發單位、主要功能模塊及相應特點。

表2 國內地震災害系統平臺Table 2 Disaster management system platform in China
基于不同的研究基礎和背景所開發的地震災害系統平臺各有特點,通過對國內外地震災害風險與損失評估系統平臺進行分析比較,總結其在業務功能、適用范圍、數據管理和資源共享方面對我國地震災害風險防治平臺研發設計的啟示。
在業務功能方面,已有的地震災害系統平臺的功能側重點各不相同。國內的地震災害軟件系統多側重地震災害損失評估,如Map EDLES是基于地震現場調研數據進行快速、動態的地震損失評估,HAZ-China可根據地震不同時段提供相應的業務功能,如震前預測、震中應急決策和震后恢復重建等;而外國的災害管理系統業務功能較為豐富,如HAZUS-MH是目前業務功能覆蓋較為全面的災害評估管理系統,可針對包含地震在內的多種災害進行不同級別的風險和損失評估,CAPRA還可提供緩解風險的策略以促進風險決策達成。
在適用范圍方面,大多數地震災害系統平臺是針對各自國家區域情況研發,因此其適用范圍具有一定限制。如中國臺灣曾引進美國的HAZUS以開發HAZ-Taiwan作為地震災害決策支持系統,經使用后發現依據HAZUS研發的系統并不適用于臺灣地區的災害分析[18],之后研究機構根據臺灣地區本土數據和分析模式對初版的HAZ-Taiwan進行了多方面的修改,最終形成了適應于臺灣地區應用的臺灣地震損失評估系TELES。我國地震活動具有特殊性,承災體密集且差異大,研發地震災害風險防治業務平臺要綜合考慮我國地震災害風險特點,確保研發的平臺具有良好的適用性。
在數據管理方面,地震災害風險防治工作涉及的數據量大、類型多樣且來源復雜,為獲得可靠的風險評估結果需要建立完備的數據庫,對數據實施統一管理和及時更新。HAZUS-MH以美國國家數據庫作為數據來源,根據較為全面的建筑物和人口數據開展風險分析工作,提高了HAZUS-MH的評估工作的效率,促進了其在美國的推廣和應用;地震災害損失評估系統CEDLAS結合移動GIS和手機操作系統開發了移動數據采集端,實現了數據實時更新和高效采集。完備的數據庫是進行地震災害風險和損失評估的基礎,以國家為單位對地震數據進行統一管理,可使地震在風險和損失評估的準確性得到很大程度的改善,為政府的應急決策和救援工作提供更可靠的支撐。
在資源共享方面,大多數地震災害系統平臺無法實現軟硬件以及信息資源的共享,這大大限制了系統平臺的服務范圍。地震災害損失評估系統HAZ-China提出通過云計算平臺實現軟硬件資源和信息的共享,將軟件和數據都存儲在遠程的服務器上,用戶可通過瀏覽器和Web來訪問信息,系統根據用戶需求提供不同層次的服務[39]。云計算采用互聯網實現隨時隨地、按需、便捷地訪問共享資源池的計算模式,為系統平臺提供了解決資源共享問題的可靠方案。
我國地震災害防御工作歷經多年發展,抗震減災能力已經有了一定的提升,地震災害風險防治業務也不斷完善。在地震災害風險防治基礎數據方面,針對地震活斷層探測、地震工程地質勘察、重大工程場地地震安全性評價及全國范圍內的建筑房屋、基礎設施信息等方面的數據不斷豐富;在業務建設方面,針對地震活斷層、地震區劃、地震災害風險評估、地震災害預測等建立了多個技術系統,可提供地震活動斷層探察工作的管理與數據服務、抗震設防參數的信息檢索服務、地震災害損失評估及地震災害預測服務[58-66]。然而,面對新時代防震減災事業現代化建設需求,我國地震災害風險防治工作中仍存在諸多問題。首先,地震災害風險防治工作涉及的數據類型多樣、來源繁雜[54],相關數據的采集、匯交、更新、共享、成果服務的標準與機制都未統一,因缺乏統籌規劃與管理,造成各類基礎數據和成果數據零散分布在不同的省局、業務中心和專家的手中,數據資源獲取、整合和使用難度非常大,數據價值難以得到深入挖掘。其次,地震災害防治領域所研發的業務系統、數據、模型、產出大多體現的是個性化、探索性,整合與管理困難,運行效率不高。同時,風險防治業務服務產品缺乏統一的規劃與設計,產品清單和成果產出標準缺乏,成果轉化率不足,地震災害風險防治的社會應用服務效能不顯著。最后,由于缺乏國家級的地震災害風險防治業務平臺,覆蓋全國的地震災害風險業務難以統籌開展,嚴重制約了向政府、社會、公眾提供風險防治專項服務的能力。
面對地震災害風險防治現代化業務新體系建設的迫切需求和建設健全集約高效的地震信息業務體系的任務,需要整合原有碎片化的業務工作,研發覆蓋地震災害風險調查、評估、治理、服務全鏈條的風險防治業務平臺。依托平臺規范風險調查、評估、治理和服務業務全鏈條的數據、方法模型和成果產出,實現地震災害風險防治各環節業務數據的采集、匯交、共享、表達的標準化,推進數據資源的統籌管理和共享共用,提高成果轉化效率、發揮產品應用實效,從而實現以地震災害風險數據為紐帶、以技術標準為引領、以業務平臺為支撐、以科技創新為動力的全國地震災害風險防治核心業務能力的全面提升。
國家地震災害風險防治業務平臺的設計目標為打造完備的地震災害風險業務支撐體系和服務體系。通過業務平臺的建設實現數據自動匯集、風險管理科學、信息共享便捷、協同聯動高效和公共服務精準;通過綜合業務展示大廳的建設實現對地震災害風險防治數據和業務產品的集成展現與綜合管理;通過優化整合云基礎設施平臺實現與省地震局的科研、業務、管理、服務、監管的“云+端”扁平化應用;最終實現風險防治數據資源價值挖掘,凸顯業務應用的智能化特征,增強全局一體化服務能力。
平臺根據國家地震災害風險防治的業務需求,結合國家防震減災業務相關系統的應用現狀,充分利用地震風險分析模型、二三維一體化風險分析與展示、可視化分析等技術,按照業務主導、整體規劃的總體思路開展設計。圖1所示為按照層次化觀點描述的國家地震災害風險防治業務平臺的總體架構。在層次化模型中,整個系統從下至上分為基礎設置層、數據資源層、服務支撐層、業務應用層和用戶層共5個層面,同時在項目建設過程中逐步形成相關標準規范與管理制度,并按照安全與運維保障體系運行。

圖1 平臺的總體架構Fig.1 Overall framework of the platform
(1)基礎設施層:是整個平臺的支撐體系,基礎設施層在震防中心和臺網中心兩級部署,業務平臺部署于震防中心基礎軟硬件平臺,數據中心部署于臺網中心云平臺。
(2)數據資源層:建立國家地震災害風險數據庫,主要包括活動斷層庫、地震區劃庫、工程場地庫、建筑物信息庫、生命線工程庫、重要基礎設施庫、承災體易損性庫、地震地質災害風險源庫、地震次生災害風險源庫、綜合防災庫等。通過數據管理模塊與多部門、多層級跨平臺實現數據交換與共享,達成數據統一管理與共享分發。
(3)服務支撐層:在基礎設施、數據、應用支撐等層級,為數據采集、質檢核查、評估區劃、風險制圖等業務,以及數據庫管理、GIS平臺管理、集成管理等提供相應的通用服務。
(4)業務應用層:整個平臺架構中的核心部分,形成國家地震災害風險防治應用模塊,包括風險調查模塊、風險評估模塊、風險治理模塊、風險服務模塊四大核心模塊,以及數據管理系統和工作門戶,并通過系統接口實現與現有系統軟件、全國災害風險綜合普查軟件系統等進行對接集成。
(5)用戶層:業務平臺的用戶涉及參與地震災害風險防治工作的國家及省級兩個行政管理層級,包括管理人員、專業技術人員、調查人員、質檢人員等。
(6)標準規范與管理制度:是保障平臺順利建設、規范化運行及后續推廣的基礎。平臺建設參考國家相關標準、地震行業標準以及“全國災害風險調查與重點隱患排查工程”制定的標準,在平臺建設過程中逐步形成相關標準規范與管理制度,管理和指導整個平臺運行。
(7)安全與運維保障體系:是平臺建設的軟環境部分,將在各個層面為平臺提供機密性、完整性、可靠性、可用性、可鑒別性等安全服務。
綜上,基于層次化的國家地震災害風險防治業務平臺整體架構合理,層次清晰。同時,標準規范與管理制度和安全與運維保障體系使整個系統更加完善、安全、規范。
平臺業務功能設計圍繞地震災害風險防治業務體系的實際需求,以形成“完善業務體系、整合數據資源、科學評估風險、有效識別隱患、精準風險治理”為目標,通過分析地震災害風險要素和梳理地震災害風險管理流程,設計了支撐地震災害風險防治業務功能,業務功能包含風險調查、風險評估、風險治理、風險服務以及提供支撐的數據管理和工作門戶六大部分,具體如圖2所示。

圖2 業務功能設計Fig.2 Business function design
風險調查:以摸清我國地震災害風險底數為目標,開展房屋設施基礎信息調查、生命線工程建構筑物基礎信息調查、重點隱患排查、地震工程地質條件調查、地震活動斷層探測等,對全國地震災害風險底數信息進行系統化的收集、匯總和統籌管理,為高效科學開展地震災害風險評估奠定基礎。
風險評估:基于地震活動斷層特性、工程場地特征、房屋設施抗震能力等地震災害風險基礎信息,研發面向不同尺度、精度需求的各類地震災害風險評估產品,包括承災體地震易損性分析、地震現場損失評估、地震災害損失預評估、地震災害風險區劃、區域性地震災害風險評估、地震重點危險區年度地震災害風險量化評估、重大工程地震風險評估、區域地震災害損傷評估等業務工作。
風險治理:根據地震災害風險調查和評估結果,面向全國地震災害風險防治業務提供標準化的技術支撐,包括地震災害風險防治區劃、地震活動斷層避讓、抗震設防標準、地震易發區房屋設施抗震加固等方面的風險隱患防治措施及關鍵技術,為抗震防災規劃、抗震新技術、震后應急避難場所規劃及恢復重建規劃等提供技術支撐和指導,從而提升地震安全水平。
風險服務:通過建設和運行全國統一的地震災害風險信息管理與服務系統,實現地震災害風險調查、評估及治理信息數據的及時匯集、交換、處理和服務,面向各級政府、有關行業企業、社會公眾提供普惠化、精準化的風險產品服務、綜合評估服務、技術咨詢服務和應用培訓服務,包括提供重大活動期間的地震安全保障服務、房屋加固改造信息服務、地震災害保險咨詢服務、地震災害風險信息服務、地震災害風險預警服務、震后快速救援決策支持服務和震后功能恢復措施建議等。通過業務平臺的建立,針對地震災害風險防治應用服務需求建立標準化的數據和成果表達模板,構建形式豐富的產品清單。
數據管理:通過制定和實施統一的數據標準對各類數據進行有效管控,為數據資產管理活動提供規范依據;通過數據資產管理確定基礎數據類型,根據各類數據的敏感程度制定相應的數據級別,繼而為數據的共享策略提供支撐服務;元數據管理提供數據獲取、查詢檢索、關聯分析、數據鏈路分析和指標庫分析等功能,通過元數據服務接口還可為數據質量管理、數據封裝、安全管理和業務應用等提供輔助支持;數據質量管理提供數據質量信息的采集、規則驗證、問題告警、問題評估、問題處理、知識庫及對外服務等功能。
工作門戶:系統平臺門戶要實現統一的用戶管理和系統管理,包括用戶的登錄、注冊管理、角色管理、權限管理、系統管理、內容管理、參數配置、策略管理、接口管理、日志管理、提供對系統基礎圖件模板庫管理、圖形符號庫管理等功能。
國家地震災害風險防治業務平臺的建立是對地震災害風險防治現代化進程的探索和實踐,依托該平臺將解決行業內數據資源難以共享的難題,提高地震災害風險調查和地震災害風險評估業務能力,補齊地震災害風險防治業務體系和公共服務體系建設短板,推進地震災害風險防治國家業務體系的建設。
(1)通過國家地震災害風險防治業務平臺的建設,可推動地震災害風險防治現代化業務體系發展。形成由基礎數據獲取和處理、基礎支撐能力、核心業務應用和公共服務等方面構成的地震災害風險防治現代化發展框架,具備核心業務領域的指導能力。填補地震災害風險基礎數據平臺空白,建成地震區劃、活動斷層、房屋建筑和“一帶一路”基礎數據庫和數據平臺,建設相關數據匯交、更新、共享、服務標準與機制;聚焦當前業務體系碎片化、脫離應用等問題現狀,基本形成地震災害風險調查評估業務工作體系,顯著提升標準化和現代化水平,推動風險調查業務常態化、風險評估業務流程化;整合相關數據、信息與技術,推動防震減災決策、公眾、專業、專項服務能力均衡發展,補齊公共服務短板,基本形成地震災害風險防治公共服務有效供給。
(2)通過國家地震災害風險防治業務平臺的建設,可提升服務市場和經濟的能力。整合地震災害風險調查、評估、治理和服務的基礎資源向用戶提供各類服務,不僅提高資源的利用率,而且還減少了以項目為主的重復投資,按照統一規劃、統一建設、統一運維的思路,提高系統的可用性,降低了總體成本。以數據驅動應用,形成針對不同行業或者群體的特色產品服務,如為高鐵、核電站、機場、水庫等重大工程提供地震災害風險評估工作,為政府、市場、社會公眾、企業等提供輔助決策服務,具有良好的社會服務價值。
防范和化解地震災害風險是現階段我國防震減災工作的指導方針,地震災害風險防治業務平臺的建設將為推動地震災害風險防治業務現代化建設和提高地震災害風險綜合防治水平提供有力支撐。本文回顧了國內外已有的災害風險和評估系統平臺的發展歷程、功能特點等,對其業務功能、適用范圍、數據庫和資源共享方面進行了總結,得出對我國地震災害風險防治平臺研發方面的啟發。對我國目前地震災害防治業務現狀進行了分析,明確了主要存在的問題及業務需求,圍繞地震災害風險防治業務功能實際需求提出以地震災害風險調查、評估、治理和服務為核心業務鏈條的國家地震災害風險防治業務平臺的設計構想。按照業務主導、整體規劃進行平臺的總體架構設計,系統分為用戶層、業務應用層、服務支撐層、數據資源層和基礎設置層,并對地震災害風險防治業務體系的實際需求對業務功能進行初步設計。最后,對平臺的功能進行了展望。