基于混合模式的应急救援决策支持系统

2014-08-15苗作华刘耀林王先华

测绘通报 2014年4期

苗作华，刘耀林，王先华

(1. 武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉 430081； 2. 武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430079； 3. 中钢集团武汉安全环保研究院，湖北武汉 430081)

一、引言

近年来，我国安全生产事故频发，因此，如何采用科学手段加强危险源及隐患管理，预防重大事故发生，降低事故损害成为管理部门关注的重点[1]。然而，我国安全监控方面的理论研究和技术应用基础薄弱，目前的研究主要集中在重大危险源的宏观监控方面，系统的建设也多从宏观层面进行，缺乏“从企业的实际出发，为企业所用”的成果[2]。

为此，笔者运用ArcGIS、SDSS理论、空间数据库技术和计算机网络技术构建了基于C/S和B/S混合模式的应急救援决策支持系统。该系统以武汉钢铁集团公司安全监管信息为例，立足平时使用，着眼于应急响应，对应急管理的全过程进行支持，为企业重大危险源的监控管理、事故后果模拟、场内外应急响应等提供了一个技术支撑平台，提高了应急管理决策的科学性、速决性和准确性。

二、系统总体架构

构建基于C/S和B/S混合模式的GIS系统为GIS应用系统的建立提供了广泛的扩展空间[3-4]，在充分分析企业应急管理与救援工作现实需求的基础上，笔者将GIS基础平台、重大危险源信息(空间数据、属性数据)管理、事故预测模拟、应急救援决策等功能以C/S模式建立在专用的局域网络上，以实现小范围的数据共享、较强的数据交互和空间分析处理；将信息发布、事故状态查看、历史数据查询等功能以B/S模式建立在广域网之上，实现Web信息共享和数据联动。C#、Java技术是广泛应用的软件开发技术，ArcGIS系列产品是比较成熟、稳定的GIS软件技术，此外还有Oracle大型数据库技术。基于混合模式的系统总体架构如图1所示。

图1 基于混合模式的系统总体架构图

客户端层提供基于基础地理信息的数据交互、工作业务、信息发布等功能。在C/S模式架构下，采用基于ArcGIS二次开发的功能模块实现对系统空间数据的检索、编辑、安全策略等功能，利用数据交互监控技术来监测数据的整个流动过程，采用ImaGIS系列产品实现对三维数据库的管理、构建、空间分析等；在B/S模式架构下，采用J2EE架构实现对外的Web信息服务，以Tomcat作为系统信息发布服务器，采用ArcIMS来提供Web地图发布，利用ArcXML、JavaScript、Java API等开发相应的Web客户端功能模块。

数据库服务层采用Oracle数据库存储所有数据(属性数据、空间数据、文本数据、遥感图像数据等)，利用Oracle的存储过程通过ODBC直连方式实现与客户端数据交互，同时还提供基于ArcSDE为中间件的客户端与Oracle数据库的数据交互功能。

三、软件开发平台及数据库

1. 软件开发平台

ArcGIS Engine是美国环境系统研究所 (Esri)提供的用于进行GIS二次开发的组件模块，该组件基于COM技术，不仅支持包括COM、.NET、C#及Java在内的多种开发语言，还支持Windows、Linux、Unix 等多种平台系统，并且其开发的应用程序可以脱离ArcGIS平台而独立运行[5]。因此，在分析系统特点及企业目前运行的其他系统平台的基础上，笔者以ArcGIS系列产品作为系统的软件开发平台，如图2所示。

图2 系统软件开发平台架构图

在开发C/S功能模块时，使用C#语言在ArcGIS Engine和ImaGIS 3DBrowser的基础上进行二次开发，应用ArcGIS Engine实现对空间数据的基本操作、对属性数据的维护管理、常用的空间分析等通用的GIS 功能[6]；开发B/S功能模块时，选用Java为软件开发环境，应用ArcXML、Java API、JSP等对ArcIMS进行开发；数据库建立在Oracle之上，通过ArcSDE与客户端应用程序进行数据交互；三维专题数据通过ImaGIS Classic和ImaGIS MagiXity生成。

2. 空间数据库

数据是GIS系统进行空间分析的基础，ArcSDE技术为关系型数据库用于GIS空间数据管理提供了一个通道，实现了GIS空间数据管理的突破[7-8]。笔者基于C/S 模式利用ArcGIS 基于Oracle数据库建立Geodatabase 地理数据库，将各类空间数据、属性数据存储在服务器端的Oracle 数据库中，应用ArcSDE for Oracle 数据库引擎来管理、维护和访问各类数据。笔者以ArcSDE的间接连接方式(如图3所示)建立空间数据库连接通道用来减轻系统进行数据访问时的网络负载[9]。在该连接方式中，ArcSDE Service运行在数据库服务器端，当客户端通过TCP/IP 网络发送的连接请求到达时，一直在后台运行的giomger 进程为该连接请求分配一个gsrvr 进程，该进程专职负责客户端程序与ArcSDE的应用服务器之间的信息交互。在客户端空间数据库网络服务协议信息配置文件中，定义参数为：网络服务类型为ESRI-SDE，端口号为5151，网络协议为TCP/IP。

图3 空间数据库ArcSDE网络连接拓扑图

利用Oracle开发语言在空间数据库中建立了常用的空间数据分析存储过程，在B/S模式中，Java应用系统服务器系统功能模块与数据库之间的一般数据交互采用传统的Web数据交互技术，而复杂的地理空间数据分析则提交给数据库中存储的空间分析存储过程进行后台处理，处理分析结果以Web网页形式向客户端发布。

四、软件主要功能模块

围绕企业应急救援实际工作流程，系统构建了以事故隐患数学模拟、应急救援辅助指挥为核心的功能结构(如图4所示)。

图4 系统功能总体结构图

1. 事故隐患数学模拟

系统开发了气体泄漏扩散、火灾、爆炸3种事故数学模型组件模块，以耦合方式与系统挂接。通过输入参数，获取事故点区域相关地理数据信息对事故进行模拟预演，并给出动态模拟结果的二维、三维显示图(如图5和图6 所示)，同时利用GIS制作的各类救援指挥符号形成初步预案和救援方案。

以气体泄漏扩散为例，系统以高斯模型计算扩散影响范围，公式如下

式中，C(x,y,z)为地点(x,y,z)的浓度，单位g/m3；Q为连续泄漏流量，单位g/s；u为平均风速，单位m/s；x、y、z分别为下风向距离、横风向距离、离地面距离，单位m；H为泄漏高度，单位m；δy、δz为y、z方向上的扩散系数。

图5 气体泄漏扩散事故二维模拟图

图6 气体泄漏扩散事故三维模拟图

2. 救援辅助指挥

该模块与事故模拟模块联动，针对模拟结果为应急指挥提供辅助决策信息，在该功能模块中除了高亮度闪烁显示事发地点附近的应急救援物资、设备外，还为医疗机构、消防机构等联动救援力量快速到达事故地提供包括有、无障碍限制情况下的最短路径分析[10-11]，如图7和图8所示(图中灰色、黑色线条分别高亮度显示医疗机构、消防机构到达事故发生地的最短路径)。

图7 无障碍限制情况下的救援路径分析

图8 有障碍限制情况下的救援路径分析

3. Web网络信息交互功能

在B/S模块中实现Web操作页面的数据请求、业务数据处理等。当用户在Web页面发送GIS数据操作交互请求时，Web 页面操作容器在Java 服务器进行页面请求刷新，Java 服务器则将该操作指令发送到服务器Web Services交互功能模块，实现GIS数据交互操作(如图9所示)。

图9 B/S模式下的网络信息交互

五、结束语

随着GIS 技术、计算机技术及现代网络技术的快速发展，智能化、信息化、网络共享已成为企业安全生产监督管理的必然。以现代应急管理和SDSS理论、事故分析数学模型建立应急救援信息系统时需要明确系统采用何种架构，利用哪些关键技术，要达到什么目标等问题;同时，企业安全生产监督管理过程业务流程复杂、内容广泛[11]。因此，笔者认为类似系统的研究和开发不应一味追求“大而全”，而应在充分了解用户需求的基础上，采用“自下而上”的开发思路，对每个功能模块做到“小而精”，然后采用组件化的方式将各个完善的功能模块进行耦合，才能使完成后的软件真正符合用户需求，进而在实际工作中发挥作用。

致谢：感谢武汉钢铁集团公司安全环保部和武汉适普软件有限公司对本文提供的帮助。

参考文献：

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[2] 吴宗之，魏利军，于立见，等.重大危险源安全监管信息系统的开发研究[J].中国安全科学学报，2005，15(11)：39-43.

[3] 杨翊，张新政. 基于B/S与C/S混合模式的区域水环境决策支持系统的研究[J]. 科学技术与工程，2008，8(5)：1334-1336.

[4] 张晓清，代兴伟. B/S+C/S混合架构的环境地理信息系统的研究[J]. 兰州工业高等专科学校学报，2010，17(4)：5-8.

[5] 马妮，李维功. ArcSDE for Oracle优化实践[J]. 测绘通报，2007(10)：50-53.

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[7] 谭德宝，程学军. 基于ArcSDE + Oracle 9i 的防洪减灾综合数据库的构建及应用[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2006，31(1)：90-93.

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