露天礦地質災害應急救援智能調度系統研究*

王金安，陳夢雨，周家興，馬海濤

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.中國安全生產科學研究院，北京 100012)

0 引言

露天礦山(包括煤礦、金屬礦)開采過程中，時常發生滑坡等地質災害[1]。災害發生后的應急處置涉及災害評估、救援力量調度。然而，復雜的地質環境及致災機理對地質災害應急調度造成許多不確定的影響，增加地質災害應急處置難度[2]。在應對突發地質災害時，應急管理具有時效性這一特點[3-4]，且貫穿整個應急管理過程，這就需要在短時間內完成信息的交互，以達到災害救援的最優調度。目前我國在露天礦地質災害應急指揮調度方面處于探索階段，急需形成理論完備、功能齊全、高效運行的應急指揮調度體系。

近年來，隨著信息技術的發展，ArcGIS、移動Web、百度地圖API接口等在各省市的應急管理平臺應用十分廣泛[5]，如基于WebGIS的廣東省突發地質災害應急管理平臺[6]、基于百度地圖API的地震應急處置應用[7]、基于百度地圖API的石家莊應急避難場所信息管理系統[8]、基于三維GIS的云南地質災害應急指揮平臺[9]等，這些平臺的建成，為各省市的應急管理提供極大的便利，提高應急工作效率，體現信息技術在應急工作中的可行性。

撫順西露天礦位于撫順市城區的南部、撫順煤田的西南部，擁有百余年的開采歷史，形成東西長6.6 km，南北寬2.2 km，垂直深420 m的大礦坑，擾動面積超15 km2。由于西露天礦區開采與撫順城市發展和建設處于歷史同期，形成撫順市“城中有礦，礦上有城”錯綜復雜的城市空間布局。西露天礦區工程地質、水文地質條件異常復雜，存在水質污染、滑坡、地裂縫等多種不良環境與地質災害，對西露天礦周邊城市建筑物和基礎設施造成不同程度的損害和影響。因此，對撫順西露天礦區地質災害綜合防治，既是國家迫切需要解決的重大科技問題，也是撫順市城市發展和人居安全的重大關切[10]。

針對撫順西露天礦特殊的地質條件和周邊城區特點，本文從地質災害發展的特征和規律出發，結合礦區災害救援力量分布，研究露天礦地質災害應急救援智能調度系統，旨在為礦山安全及防災減災體系建設提供實用工具，并為類似條件下開展地質災害應急救援智能指揮與調度提供參考和借鑒。

1 智能調度系統總體設計

1.1 總體設計思路

撫順西露天礦應急救援智能調度系統利用HTML調用百度地圖API構建應用主體框架，以B/S(瀏覽器/服務器模式)體系構架進行系統開發，通過使用百度地圖API預留的路徑分析接口，使用JavaScript語言，依次計算出每種最優調度路線，并直觀地表現在界面上，操作界面設計風格沿用百度地圖原始風格，具備縮放平移和地圖種類切換功能，方便用戶完成基本地圖操作；開發數據輸入和主程序觸發功能區，用戶能夠填寫災害類型、影響規模等信息，根據這些信息生成最優調度方案及避災路線。

1.2 系統架構設計

本文設計的應急救援智能調度系統以模塊式運行，在應急調度模塊部分中，每個模塊能夠單獨完成各自的職能，但主要的工作方式則是協同工作。在系統的御災保障體系模塊部分，各模塊獨立存在、互不影響。

在本系統平臺的應急與救援過程中，每個模塊以及模塊的子模塊，大多數以鼠標直接點擊的方式運行。但部分模塊會彈出子對話框，其往往需要運用到大量參數，而這些參數中有相當一部分有繼承性即需要重復輸入的。當需要將模塊與模塊銜接起來，使其協同工作時，不免會產生以下問題：一是系統的基本運行流程問題；二是模塊與主界面間的數據交流問題；三是模塊與模塊間的交流問題。

該系統平臺的主要流程是由具體的災害情況及規模等因素決定的。系統內的基本運行流程為：首先獲得地質災害地點及規模等先驗信息，然后依次進行影響區的范圍確定、救援力量調度、救援裝備調度、應急避難與安置以及案例入庫與信息上報，如圖1所示。

圖1 地質災害應急救援智能調度平臺系統流程Fig.1 Flow chart of intelligent dispatching system for emergent rescue of geological disaster

模塊間以及模塊與主界面間的數據傳輸問題通過“模塊→主界面→模塊”的方式來實現。系統啟動后在主界面“doc類”對象下建立1個臨時的數據存儲對象URL，啟動子模塊后，通過子模塊獲得必要的參數，在關閉子模塊時數據返回主界面下的這個對象并存儲。當子模塊內需要應用某個數據時，系統在啟動子模塊前自動把數據發送到子模塊，從而實現整個程序的數據交流。

1.3 系統功能

調度系統平臺的模塊是把應急救援與智能調度工作體系中的相同或相似的功能部分組集在一起成為1個小整體，且模塊設計是系統的結構設計和功能設計的基礎。基于此，實現系統的模塊劃分。1個模塊包含若干子模塊或子窗口，獨立完成設定的功能。

撫順西露天礦及周邊影響區應急救援智能調度系統可分為2大模塊，即御災保障體系模塊和應急救援調度模塊。

1)御災保障體系模塊劃分為影響區設防區劃、救援力量分布、救援裝備分布、避難場所與安置點分布、地質災害鏈5個子模塊，如圖2所示。

圖2 御災保障體系模塊主要功能Fig.2 Main functions of disaster prevention and guarantee system module

2)應急救援調度模塊劃分為災害點定位與評估、救援力量調度、救援裝備調度、應急撤離與安置4個子模塊，該部分模塊相互協助，共同完成1次應急救援調度任務，各模塊劃分及相關功能介紹如圖3所示。

圖3 應急救援調度模塊主要功能Fig.3 Main functions of emergency rescue dispatching module

另外，為增強程序的適用性，在進行模擬災情下的應急救援智能調度中，各模塊又被設計成可以獨自進行運作的子系統，能夠不依賴其他模塊而單獨完成任務。例如：當操作人員發起1次應急救援與調度任務時，此時不需要再進行災情地點與規模評估等工作，但是操作人員需要隨機點擊1處位置或者輸入1組影響區范圍數據，就可以進入相對應的調度模塊，從而獲得已完成的調度任務[11]。當然，操作者及影響區內居民也可自由訪問與了解當下各區域的災害防治與應急方面的信息，從而有效提高群測群防能力。

2 數據庫搭建

為使撫順市各應急救災技術力量得到統一調度(如數據分類、數據傳送、數據存儲等)，實現從信息共享、風險研判、聯合同動、應急處置4個方面相互協調配合，本調度系統建立地理數據庫(撫順市百度地圖等)、地質災害鏈數據庫(地裂縫、斷層的分布等)、救援力量裝備信息庫(生命救援力量、醫療救援力量、風險監測力量、治安管控力量、工程搶險力量等)。數據庫體系模型如圖4所示。

圖4 數據庫體系模型Fig.4 Database system model

3 系統模塊設計

調度系統是在百度地圖API二次開發接口上，采用JavaScript語言集成開發的。本系統的底圖是實時更新的百度地圖，在該地圖上可實時顯示城區街道的運行狀況，也可通過轉動鼠標滾輪對地圖進行放大與縮小。通過點擊并拖動右上角的全景插件到地圖的指定位置，可進行街景的觀看。

3.1 御災保障體系模塊

該模塊包括影響區設防區劃、救援力量分布、救援裝備分布、避難場所與安置點分布與地質災害鏈5個子模塊。

1)影響區設防區劃子模塊

影響區設防區劃主要介紹現今西露天礦邊坡影響范圍內不同區域的居民社區分布、居民數量以及各類基礎設施的分布情況，從而有針對性地對各區域進行設防。

2)救援力量分布子模塊

該模塊根據在應急救援工作中承擔任務的不同，分為主要醫院分布、消防力量分布、武警力量分布、軍隊力量分布、交警力量分布、公安力量分布、專業(專家)力量分布7個部分。

3)救援裝備分布子模塊

根據各種救援裝備及設備在應急救援工作中的作用不同，該模塊分為工程搶險裝備、生命救援裝備、指揮與保障裝備及偵察監測裝備4個部分。

4)避難場所與安置點分布子模塊

應急救援智能調度體系中，根據避難場所及安置點的基本特征及性質[12]，可將西露天礦周邊城區影響區內的應急避難場所分為2類以及礦區內部起到臨時應急避難場所的1類。

5)地質災害鏈子模塊

根據撫順西露天邊坡及領域內的相關地質資料、生產建設情況和區域相關地質災害歷史記錄情況[13]，該模塊分為因果型災害鏈、重現型災害鏈及同源型災害鏈。

3.2 應急救援調度模塊

該模塊包括災害點定位與評估、救援力量調度、救援裝備調度、應急撤離與安置4個子模塊。

1)災害點定位與評估子模塊

通過現場監測系統發現某區域發生地質災害后，第一時間將災情及險情傳至系統。隨后，該模塊根據已獲得的信息對所發生的災害類型、災害等級、影響程度及需要調度的救援力量及設備等進行計算與確定，從而有針對性地為后續模型提供數據資料。

2)救援力量調度子模塊

完成災害點定位與評估子模塊的相關數據錄入后，會自動計算出影響區范圍及次生災害隱含區域，系統將根據上述信息與數據，分析所需救援力量的種類及數量，進行比對與最優篩選，操作人員只需分別點擊子模塊菜單中的醫護力量、消防力量、公安交警力量等按鍵，便可進行各救援力量的應急與救援規劃[14]。

3)救援裝備調度子模塊

同救援力量調度相似，系統根據現場受災情況，分別對所需各類救援設備數量進行計算與確定。

4)應急撤離與安置子模塊

在整個地質災害應急與救援調度工作中，受災人員的及時且安全轉移是最核心的環節[15]。為此，該應急調度平臺設置專門的應急撤離與安置子模塊，系統將會根據確定的災害點區域和受災人數等數據，計算獲得最優化受災人員撤離路線和撤離安置點方案。

4 系統功能實現與操作

本文在西露天礦東北幫處虛擬1次大型滑坡案例，利用開發構建的露天礦地質災害應急救援智能調度系統對該虛擬案例進行模擬，驗證系統災害評估、應急救援調度和應急撤離與安置3大功能的智能化以及有效性。

假設20XX年X月X日X時，撫順西露天礦東北幫處發生大型滑坡。進入應急救援智能調度系統，步驟如下(如圖5)：

圖5 災害評估流程Fig.5 Flow chart of disaster assessment

1)進行地質災害地點的定位。點擊地質災害定位的功能按鍵，下拉菜單中會出現輸入式定位及點擊式定位2種按鍵(圖5方框1)，根據實際情況選擇定位方式，分別以直接輸入災害點的經緯度坐標或者在地圖上點擊坐標點的方式進行災害點確定。本次模擬采用點擊式定位方式在地圖上確定露天礦東北幫發生災害位置。

2)點擊災情估算評估按鍵(圖5方框2)。在對話框中，依次輸入災情種類(滑坡)、災害體積(100萬m3)，并點擊災害估算評估按鍵，得出災害等級和影響區半徑。文本框中生成本次災害的影響半徑為150 m。完成上述操作后，退出該對話框，在災害影響區內顯示受災信息：受損樓房2棟，均為南陽路永安臺街道辦事處附近商戶住宅，受災人數200人，災害現場可能被困人數9人。

3)單擊次生災害評估功能按鍵。在災害影響區范圍內顯現次生災害的影響范圍為9 m2，受災人數約為45人，圖5方框3中圓圈內線條為可能導致的地下管線泄漏區域。點擊信息上報的功能按鍵，對現場災害信息“20XX年X月X日X時，在遼寧省撫順市西露天礦區域(北緯123.92，東經41.86)附近，發生大型滑坡，總方量約為100萬m3，影響區半徑約為150 m”進行快速上報。

4)點擊主菜單中的救援力量調度按鍵，進入如圖6所示的救援力量調度界面。該模塊啟動之初，后臺系統將自動將災害點定位與評估子模塊中的計算影響區范圍及次生災害隱含區域顯現，用于應急救援力量(醫護人員、消防隊、軍隊武警人員、公安交警人員、防災減災專業人員)調度與規劃。分別點擊該子模塊中的各類救援力量調度的功能按鍵后，系統根據上述信息與數據，完成各類救援力量的數量配置及調度路線的比對和優化篩選，其中醫護人員分4批從撫順礦務局醫院、撫順中醫學院、撫順市中醫院和露天礦醫院共調度200名；消防隊員從撫順市消防控制中心調度100名；軍隊武警人員從撫順市武警支隊共調度100名；公安交警人員分2批從撫順市公安局新撫分局站前派出所、撫順市交警支隊共調度50名；防災減災專業人員從撫順市應急管理局共調度5名。

圖6 救援力量調度路線Fig.6 Dispatching routes of rescue force

5)點擊主菜單中的救援裝備調遣按鍵，進入如圖7所示的救援裝備調遣界面。在該子模塊中，分別點擊對應的救援裝備(工程搶險裝備、生命救援裝備、指揮與保障裝備、偵察監測裝備)調遣的功能按鍵，系統將根據上述信息與數據，完成各類救援力量的數量配置及調度路線的比對和優化篩選，其中工程搶險裝備從消防支隊共調度11臺挖掘機、2臺消防車、2臺鏟車、33臺自卸卡車、2臺吊車；生命救援裝備從撫順礦務局醫院、撫順中醫學院、撫順市中醫院和露天礦醫院分4批共調度2臺生命檢測儀、破拆撐頂裝備5臺、搜救犬3條、救護車4輛；指揮與保障裝備從撫順市公安局交警支隊共調度應急指揮車2臺、應急發電車2臺、應急照明車2臺、應急照明發電機組5臺、應急通訊車2臺、燃油供應車2臺；偵察監測裝備從撫順市應急管理局共調度應急測繪車1臺、氣象應急車1臺、無人機1架、邊坡雷達2臺、普適型監測設備24臺。

圖7 救援裝備調度路線Fig.7 Dispatching routes of rescue equipment

6)點擊主菜單中的應急撤離與安置按鍵。出現如圖8所示的應急撤離與安置界面,根據災情變化迅速調整疏散方向，前往撫順市勞動公園東北門，形成最佳逃生路線，指引人們安全快速地撤離災源地。

圖8 應急撤離與安置路線Fig.8 Emergency evacuation and resettlement routes

通過上述虛擬案例的測試，本系統結合物聯網、大數據等信息技術，能夠完成數據的采集、上報、評估及救援力量的調度，從而實現科學有序的應急救援調度。

5 結論

1)應急救援智能調度系統以地理數據庫、地質災害鏈數據庫、救援力量裝備信息庫為基礎，根據災害現場的具體情況及區域內整體的應急救援水平，提出科學可靠的應急調度方案。

2)御災保障體系模塊涵蓋影響區設防區劃、救援力量分布、救援裝備分布、避難場所與安置點分布、地質災害鏈等基礎資料，為應急救援智能調度提供救援所需數據支撐。

3)應急救援調度模塊在地質災害發生后，實現災害的快速定位與評估，調集最優的救援力量和設備，指揮受災人員撤離、次生災害應對與再部署等工作。

4)當地質災害發生時，啟動系統可以快速進行地質災害點的定位，錄入災情和險情信息，對災害規模和等級進行快速評估，實時上報災害信息；點擊系統的應急救援菜單，可以生成救援力量、救援裝備的最佳配置和調度；災情發生后，該系統可自動規劃撤離路徑和指定避災場所，保障受災區人員的安全撤離和妥善安置。應急救援智能調度系統操作簡單，系統子模塊之間相互獨立，可實現模塊間的相互協調。系統預留接口，用戶可根據需求實現功能的增減，如根據現場監測信息適時預警，實現從臨時決策向科學決策的轉變。