基于WebGIS 的突發事件預警信息發布系統設計

張瑋，馬瑞良，黃震宇，葉子銘

（1.江西省氣象局江西省氣象災害應急預警中心，江西 南昌 330096；2.北京辰安科技股份有限公司應急管理BG，北京 100094）

江西省是我國自然災害發生頻率最高的省份之一，幾乎每年都會發生山體滑坡、洪澇、泥石流，給人民的生命和財產造成了重大的損失。如果在突發事件來臨之前，預警信息發布不及時或者是傳輸不順暢，將會導致應急行動遲緩，從而造成巨大損失。因此，建立統一有效的社會突發事件監測預警以及信息公開發布管理系統十分必要[1]。

文獻[2]設計了基于人流密度的突發事件預警信息發布系統，根據人流密度將預警區域劃分為不同的優先級，但是無法克服密集人流帶來的復雜問題。文獻[3]設計了基于微服務架構的突發事件預警輔助決策系統，不能對數據進行采集，也無法實現GIS 的制圖功能。WebGIS 能夠跨平臺運行，用戶通過普通瀏覽器就可以接收數據，提高了數據的共享程度。為此，設計了基于WebGIS 的突發事件預警信息發布系統，分別從硬件和軟件方面對系統進行了實現。

1 系統硬件設計

1.1 信息采集模塊

信息采集模塊的作用是采集突發事件預警信息，采用的微處理器為美國Cygnal 公司生產的C8051F040 芯片，C8051F040 芯片內部CAN 結構如圖1 所示。

圖1 C8051F040芯片內部CAN結構

根據圖1 可知，C8051F040 芯片能夠將CIP-51內核兼容在一起，通過CAN 控制器完成接收和濾波處理。C8051F040 芯片將混合信號集成，提高了信息處理的速度[4-5]。芯片的吞吐量最高能達到25 MIPS，配有8051-高兼容CIP-51 內核，64 kB 系統內核和可編程高速閃存，其外部采用I/O 接口，片內有一個可編程的16 位定時器函數陣列，能夠完成突發事件預警信息的實時采集。

A/D 轉換器的型號為ADC0809，轉換器有8 個通道。ADC0809 工作原理如圖2 所示。

圖2 ADC0809工作原理

根據圖2 可知，ADC0809 內部含有8 位A/D 轉換器，通過8 路多路開關，完成各個邏輯控制，內部的CMOS 組件采用逐次逼近法，確保信息能夠順利轉換，精度提高到1/2 LSB[6-7]。當需要采集多路預警信息時，信息首先到達調理電路，經過濾波器和A/D 轉換器，最后輸入C8051F040 芯片，計算出預警信息參數后，由DSP 對信號進行處理，DSP 處理后的信息隨后會被傳入存儲模塊。

1.2 存儲模塊

存儲模塊用于存放采集到的突發事件預警信息數據，該文選用的存儲芯片為C8051 芯片，C8051 芯片內已有4 352 B 的RAM，但無法滿足存儲需求。因此，利用片外引腳對其進行擴展，C8051 內部自帶的64 kB 存儲容量可用于程序存儲，所以只需要擴展數據存儲器[8]。數據存儲器結構如圖3 所示。

圖3 數據存儲器結構

根據圖3 可知，數據存儲器主要由數據服務器、PIC 接口、FPGA、上位機和相關板組成，AD 接口與FPGA 連接，完成信號控制。數據存儲器內部數據為靜態數據，各個字節數據分別存放在單獨的存儲單元中。若要存儲多個字節數據，則需要用到多個存儲單元。

1.3 信息傳輸模塊

信息傳輸模塊的作用是實現突發事件預警信息的傳輸。信息傳輸芯片使用的是Intel 公司生產的LXT971A 芯片，該芯片完全符合IEEE 標準，支持10M 或100M 基帶傳輸，具有64 個引腳。芯片的接口采用MIIM，通過此接口使芯片與以太網控制器相互連接，連接方式如圖4 所示。

圖4 LXT971A芯片與以太網控制器接口連接

根據圖4 可知，LXT971A 芯片與控制器接口通過15 次連接，在信息傳輸過程中，信息先經過芯片，然后按照傳輸協議傳輸至以太網控制器[9-10]。反之，當以太網需要向芯片傳輸數據時，將按照模擬程序進行傳輸，IEEE 802.3 中對以太網控制芯片做出了規定：所有芯片Mac 都必須采取半雙工方式，半雙工方式指的是在某一個特定時刻，芯片內數據的接收和傳送不能同時進行，需要分別運作。

2 系統軟件設計

根據江西省突發事件預警信息發布平臺系統總體功能，系統主要建設內容包括數據交換程序、數據整合程序、預警信息發布程序、發布渠道管理程序、監控管理程序、發布效果評估程序、輔助決策程序和綜合管理程序八大子程序[11]。系統界面如圖5 所示。

根據圖5可知，不同的軟件程序負責不同的工作。

圖5 基于WebGIS的突發事件預警信息發布系統軟件界面

2.1 數據交換程序

數據交換程序是為了使突發事件預警信息能夠在多部門之間實現交換共享。由于突發事件預警數據常常涉及多個區域和來源，因此數據復雜[12]。利用數據交換程序篩選數據，實現信息交換。

2.2 數據整合程序

數據整合程序能將突發事件預警數據與山洪程序、預警程序等整合，通過程序一鍵式發布氣象預警信息。利用WebGIS 整合技術，從物理和邏輯兩個方面對異構數據進行了整合[13]。

2.3 預警信息發布程序

該文利用WebGIS 技術，建立了江西省突發事件預警信息發布程序。在實際應用過程中，將實時的城市突發事件預警信息發布到各手機客戶端，促進預警信息共享，為預防突發事件提供科學有效的決策依據[14-15]。

2.4 發布渠道管理程序

發布渠道管理程序能夠實現發布與研判分析，服務多部門共享共用，與已建的群測群防體系等基層防災減災網絡對接，提供預警信息服務支撐，實現與各級政府及相關部門預警信息發布和防災減災服務的對接，擴大預警覆蓋面，提高預警聯動成效。

2.5 監控管理程序

監控管理程序頁面基于WebGIS 框架構建，以表格形式顯示各區域近24 小時內發布的突發事件預警信息，并用柱狀圖對各區域信息發布量進行實時統計[16]。

2.6 發布效果評估程序

發布效果評估程序能夠提升預警信息發布程序的整體水平，評估預警信息發布后達到的實際效果。發布效果評估指標為發布信息協方差、線性擬合程度和顯著性差異，協方差計算公式為：

其中，Sab為統計變量a、b的協方差，n為樣本個數，ai和bi分別代表地區A 和地區B 的預警信息發布數目，分別代表ai和bi的平均值。對發布信息進行線性擬合，線性檢驗計算公式為：

其中，α表示常數，k表示比例系數。顯著性檢驗計算公式為：

其中，T為顯著性差異，r為相關系數。預警發布效果評估程序的主要作用是采集各種反饋信息，根據反饋信息，結合WebGIS 技術，將預警信息發布程序與城市地理信息程序相聯合。評估程序可以對預警信息發布的實時性、覆蓋面積和輿情等進行綜合的分析和評估。

2.7 輔助決策程序

為了使用戶可以清楚地了解潛在的突發事件對社會經濟和群眾可能造成的損害，該程序利用WebGIS 疊加分析預報的易發高風險突發事件與土地利用、居民地和社會經濟數據，生成突發事件易發區專題地圖，為防御突發事件提供決策服務。

2.8 綜合管理程序

綜合管理程序能夠對各類用戶數據進行綜合管理、查詢和實時顯示。用戶能在個人電腦桌面上，通過IE 瀏覽器查看本市范圍內突發事件的預警信息，程序還具備自動發出報警信息的機制，一旦現場發生突發事件，程序將自動發出報警信號，并同時將報警信息發送到相關工作人員的手機上。

3 實驗研究

為了驗證所提方法的有效性，進行了實驗研究，實驗過程參數如下：工作電壓為220 V，工作電流為100 A，工作頻率為120 Hz，操作系統為Windows 10，操作次數為10次。對原始數據進行篩選，通過調度、監控將得到的電力數據整合。設置的實驗環境如圖6 所示。

圖6 實驗環境

觀察圖6 可知，該文實驗包含Web 服務器、數據庫服務器和前置服務器，其配合實時監控和其他應用分析，以保證實驗順利運行。

分別采用所提系統、文獻[2]系統和文獻[3]系統進行對比，得到響應時間實驗結果，如表1 所示。

根據表1 可知，文獻[2]系統響應時間在3 s左右，文獻[3]系統響應時間超過3 s，而所提系統響應時間均低于0.25 s。由此可知，所提系統響應時間小于文獻[2]和文獻[3]系統。因為所提系統在整合過程中，屏蔽了各個異構數據之間的差異，對資源進行了集中整合，建立相互聯系，整合后的數據具有WebGIS程序的共享特性，有利于程序高效運行，發揮更高的效率。預警準確率實驗結果如表2 所示。

表1 響應時間實驗結果

表2 預警準確率實驗結果

根據表2 可知，文獻[2]系統平均預警準確率為85.46%，文獻[3]系統平均預警準確率為76.18%，而所提系統平均預警準確率為99.12%。由此可知，所提系統預警準確率高于文獻[2]和文獻[3]系統。因為所提系統基于WebGIS 的程序，運行速度快，能夠滿足巨大人數的訪問需求，解決突發事件預警信息發布遇到的問題。

4 結束語

該文設計了基于WebGIS 的突發事件預警信息發布系統。通過系統硬件和軟件部分，利用WebGIS技術，實現突發事件預警信息多平臺共享，有效縮短響應時間，提高預警信息準確率。然而，該文未探究程序在突發事件發生時的實際情況，這將在之后工作中進一步探究。