靳熙芳，王 硕，黄 娟，胡 伟，刘爱超，曹雅静

(1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266061；2.国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266061)

基于智能客户端的海上溢油应急辅助决策系统框架

靳熙芳1，2，王 硕1，2，黄 娟1，2，胡 伟1，2，刘爱超1，2，曹雅静1，2

(1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266061；2.国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266061)

随着中国海上油气开发强度持续加大，海上溢油事故风险等级逐步提升，溢油事故的处置急需综合智能的应急辅助决策系统的支持。通过综合国内外溢油应急系统相关的最新技术，以溢油应急处置单位的实际业务需求为出发点，提出基于智能客户端技术，建立具有“决策者视野”的适用于多部门协作的可扩展的溢油应急辅助决策平台，并集成溢油预测模拟算法、GIS空间分析、资源调配和决策文档定制输出等多项功能示范性建立渤海溢油应急辅助决策系统，为综合智能的海上溢油应急辅助决策系统的建立提供参考。

智能客户端；溢油；应急；辅助决策系统；GIS

0 引言

石油作为现代社会的主要能源，在全球经济迅速发展和人口激增的情况下，世界范围内的供求在不断增长，海洋石油勘探开发规模不断扩大，海洋运输业高速发展，随之而来的是海洋石油污染日趋严重，全球遭受重大溢油污染的事故时有发生，溢油污染己成为全球关注的环境问题。

据国家海洋局统计，仅1998—2008年，中国管辖海域就发生了733起船舶污染事故。同时，《2010年中国海洋环境状况公报》显示，“十一五”期间，海上油气平台数量增长近1倍，全国发生41起海洋石油勘探开发溢油污染事故。随着中国海上油气开发强度持续加大，各类海上溢油的风险等级和发生频率进一步提升，溢油事故的处置急需综合智能的应急辅助决策系统的支持。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》提出要开展海上突发事件应急处理技术。《国家“十二五”海洋科学和技术发展规划纲要》进一步提出发展海洋环境灾害预警报技术，开发防灾减灾辅助决策支持及应急示范系统，以及开展海洋防灾减灾技术集成，构建海洋灾害监测、预警报示范系统，开发海洋灾害预警报产品和海洋灾害决策服务系统等多处任务要求。7·16大连溢油、19-3蓬莱油田溢油等渤海特大溢油事故的发生更进一步推进了国家和政府的政策需求，设计合理、功能实用、响应快速、系统健壮的适用于多部门协作的综合性应急辅助决策系统建设势在必行。

近年来，许多国家相继建立了针对本国海域的溢油预报系统，如美国的OILMAP系统，英国的OSIS系统，挪威的OILPILL/STAT系统，比利时的MU-SLICK系统，荷兰SM4系统和日本溢油灾害对策系统等。同时，国内外很多学者对辅助决策系统中影响溢油应急处置效率的若干环节进行了研究和改进，使得溢油应急辅助决策系统的运算效率进一步提升，系统预测及决策支持时间大大缩短。Ann[1]，Cynthia[2]，许文汇[3]等对溢油应急响应流程及特定溢油类型进行了分析和研究，Remyalekshmi[4]，Tianyi[5]，Hong[6]等对溢油预测模型进行了研究和改进。Fu[7]，Nikolaos[8]，Karen[9]，姜独祎[10]，Ruifu Wang[11-12]等对溢油应急系统的数据库构建以及系统的设计实现方面进行了研究。本文在以上研究的基础上，提出基于智能客户端框架设计具有“决策者视野”的多用户共享操作平台，集成溢油漂移预测模型、业务化海洋动力预报产品、溢油油品库、案例库以及各类应急资源设施，建立了渤海海上溢油应急辅助决策示范系统，实现针对海上溢油事故“溢油事故远程模拟预测——事故预测动态演示——海洋环境要素辅助分析——敏感区分析——案例分析——协作式资源调配——决策文档输出”的智能化业务流程应急。

1 海上溢油应急辅助决策系统框架设计

1.1 系统设计目标

本着高起点筹划、高水平配置、高素质建设、高效率救援的建设要求，在溢油事故发生时能够迅速、准确、顺利地完成任务，达到科学正确决策和快速应急、高效抢险的目的，海上溢油应急辅助决策系统的设计定位为具有“决策者视野”的决策支持工具，在功能上集成动态监测、决策辅助、通讯指挥功能于一体，通过多部门的综合应用支持快速实现多角度、多途径的辅助信息集成，真正辅助决策者实现快速决策、有效应急、高效抢险的决策目标。

因此，海上溢油应急辅助决策系统的设计将达到四个方面的设计目标：第一，满足多部门应急响应人群的需求，实现基于Web的协作式应急响应功能；第二，满足高效率的应急响应时间需求，系统从接受应急请求到应急决策文档输出的时间要远远超出人工经验决策或部分软件支持的决策时间，实现少量人工干预情况下的高度自动化的应急流程；第三，满足系统功能高度集成需求，实现决策支持功能的全集成和扩展集成需求，达到一个系统能够解决所有决策支持问题的建设高度；第四，满足可视决策的需求，实现流程可视化和基于GIS技术的场景可视化功能。

1.2 系统框架设计

智能客户端是一种易于部署和管理的客户端应用程序，它基于WebService技术实现对不同桌面应用程序的可扩展式集成，通过统筹使用本地资源和分布式数据资源的智能连接，提供丰富的交互式功能，具有适应性高、响应快速的优点。

系统在框架设计上选用面向服务的智能客户端架构，构建基于Web服务和XML数据流的框架服务功能集，并在此基础上进一步构建基于GIS的溢油应急辅助决策功能集合，实现对多部门多用户的溢油应急应用协同。

海上溢油应急辅助决策系统的总体架构设计如图1所示，其中，智能客户端框架的建设包括以下五部分内容：

(1)智能客户端下载部署服务：采用富客户端(Rich Client)技术，提供客户端的一键式(Click Once)部署。

(2)运行时服务：提供系统的运行时服务逻辑实现。

(3)系统主界面：满足用户需求定制的系统应用功能集合，可以为应急系统具体应用功能的链接集合，也可以是满足决策者应用的统计应用组合。

(4)角色管理：基于角色的访问控制(rolebased access control，简称RBAC)的用户角色定义技术，实现用户管理和与应急业务功能集合对应的角色管理功能。

(5)授权管理：基于RBAC的功能授权技术，向用户提供应急辅助决策系统应用功能的授权管理功能。

图1 海上溢油应急辅助决策系统总体架构图Fig.1 The overall architecture of marine oil spill emergency decision making system

1.3 系统功能设计

系统在智能客户端框架的基础上实现海上溢油应急辅助决策的决策支持和综合应用，主要包括四部分内容：一是在溢油应急预测数值模式研究的基础上实现溢油应急决策功能，包括溢油正向/反向的预测预警和辅助决策；二是实现溢油应急决策所需的决策支持功能，包括应急情况下的资源调配和海洋环境要素查询；三是实现与其他资源管理相关的辅助支持功能；四是实现系统基础框架管理功能。其中，在溢油应急决策和溢油决策支持功能应用的基础上共同实现溢油应急情况下决策文档的一键式输出。

溢油应急决策功能集包括溢油预测预警和溢油溯源预测模块。基于二维和三维溢油应急预测模式实现海底、海中、海面任意溢油源的正向和反向的漂移预测和敏感区分析、案例分析、监测分析等多种辅助分析功能，最终在决策支持模块的支持下，自动生成综合性的决策文档供决策者使用。

溢油决策支持功能集：从决策者角度出发，全方位多角度的为溢油事故应急决策提供有益信息。具体功能包括：应急资源调配功能、WebGIS溢油模拟演示功能、海洋动力环境要素查询功能。

溢油辅助信息管理功能集：实现溢油应急决策中所需要的各种应急资源、应急设备以及应急案例和应急预案等多种资源管理的功能集合。

系统框架管理功能集：包括基础管理和系统初始功能，为系统管理员提供系统应用所需的基础功能设置、权限分配以及功能扩展等操作服务。

系统功能组成结构如图2所示。

图2 海上溢油应急辅助决策系统功能组成结构图Fig.2 The structure figure of marine oil spill emergency decision making system functions

2 海上溢油应急辅助决策示范系统实现

2.1 系统业务流程

如图3所示，系统基于智能客户端框架技术，将四大应用模块功能紧密连接，实现针对海上溢油事故“溢油事故远程模拟预测——事故预测动态演示——海洋环境要素辅助分析——敏感区分析——案例分析——协作式资源调配——决策文档输出”的智能化业务流程应急。

图3 系统业务流程关联关系图Fig.3 The flow chart of marine oil spill emergency decision making system

系统以溢油应急辅助决策功能为核心，核心模块包括溢油预测预警模块、溢油溯源预测模块、溢油决策支持模块，三大功能模块为海上溢油应急指挥提供预测预警和辅助决策服务。溢油辅助支持模块是系统的基础模块，为溢油应急指挥决策功能提供基础资源数据管理功能。

溢油应急辅助决策决策应用集合以辅助决策功能为核心，漂移预测功能为辅助决策功能提供基础溢油案例和漂移结果，应急资源调配功能和海洋动力环境要素查询功能则为之提供有效的决策支持信息服务，最终，辅助决策功能通过动态模拟演示、综合辅助分析和决策文档输出等功能信息，辅助决策人员完成溢油应急的综合辅助分析和决策。

溢油决策支持模块中，WebGIS溢油事故模拟演示功能以漂移预测结果信息为基础，为决策用户提供溢油漂移结果的模拟演示功能，是为高端决策用户提供的有效决策支持服务。

2.2 系统关键技术实现

示范系统选用Microsoft Visual Studio 2008为开发环境，基于WebService、ArcGIS Engine、ArcGIS Service技术，采用Sql Server 2008数据库和ArcSDE空间数据引擎，实现溢油应急辅助决策应用平台的研发。

2.2.1 基于智能客户端的系统运行框架

运行框架设计采用与具体应用无关的设计思想，采用微内核的插件架构模式，开发“可复用的框架+插件集合”两大模块，实现对.NET Winforms、ActiveX控件、Web界面及第三方可执行程序的可扩展式应用集成，使运行框架具有既能支持多种技术的插入，又与各种技术的集成保持松耦合的特性。

图4 基于智能客户端架构的系统运行框架Fig.4 The system operation framework based on the smart client architecture

运行框架实现通用的系统管理和授权管理控制功能，向用户提供一个应用系统运行的基础环境和基本功能：

(1)提供系统的会话管理和上下文管理功能。

(2)提供客户端与服务器之间通信的封装，并为后期开发提供可扩展性支持。

(3)提供框架执行的事件机制，支持通过事件(观察者模式)的扩展。

(4)提供客户端运行框架的服务调用接口(命令模式)。

(5)提供客户端框架的异常处理。

2.2.2 基于实时海洋预报的溢油远程漂移预测

基于Webservice技术，通过专线网络，实现事故应急单位与海洋环境动力预报部门的双服务器运行模式。其中，海洋环境动力预报部门部署被编译成动态链接库文件(.dll)的溢油漂移预测模式，充分利用高性能计算机的计算优势保障溢油预测模式的快速计算。用户客户端发送溢油计算请求之后，通过事故应急单位服务器端与海洋环境动力预报部门服务器端进行通信，调用海洋预报部门高性能计算机上的溢油漂移预测模式，并应用海洋部门业务化运行的风浪流海洋环境动力预报数据进行计算，计算过程通过系统编程实现流程的自动化控制和数据通信。溢油预测创造性实现了与远程海洋环境动力场的自动衔接，充分保证了溢油预测的高效率和准确度。溢油远程计算流程图如图5。

图5 溢油远程计算流程Fig.5 The flow chart of oil spill remote computing

2.2.3 溢油应急处置案例分析

针对用户历史案例对比决策的业务需求，根据当前溢油事故模拟情况，实现相似位置案例列表获取以及相似条件案例列表获取功能。其中，相似位置案例列表获取功能需要基于GIS的空间分析功能实现指定缓冲区范围内案例列表的获取。案例分析定制界面如图6，自动缓冲区设置界面如图7。

2.2.4 溢油应急处置决策文档生成

在项目中引用VBA组件，并添加对Microsoft.Office.Interop.Word.dll的引用，实现对文档指定位置和指定内容的修改，将分析决策的结果以文字、图片或表格的形式填充到决策文档中。本文实现的溢油应急决策文档定制界面如图8。

图6 案例分析功能Fig.6 The customization interface of case analysis

图7 自动缓冲区设置界面Fig.7 The setting interface of automatic buffer

图8 溢油应急决策文档定制功能Fig.8 The customization interface of oil spill emergency decision making documents

3 结束语

本文基于当前溢油事故应急辅助决策服务的需求，提出了利用智能客户端技术构建可扩展的应用集成框架思路，并在此基础上搭建了渤海海上溢油应急辅助决策系统，示范性建立了针对渤海溢油事故“溢油事故远程模拟预测——事故预测动态演示——海洋环境要素辅助分析——敏感区分析——案例分析——协作式资源调配——决策文档输出”的智能化业务应急流程，实现了适合业务化需求的多部门、多用户的联合应急应用协同，大大缩短了溢油应急响应的时间，提高了溢油应急效率。

[1] Ann Bostrom，Ann Hayward Walker，Tyler Scott，et al.Oil Spill Response Risk Judgments，Decisions，and Mental Models：Findings from Surveying U.S. Stakeholders and Coastal Residents[J].Human and Ecological Risk Assessment：An International Journal，2015，21(3)：581-604.

[2] Cynthia Anne Lederer.Geographic specific tactical response plan：A practical guide for oil spill management and response[D].The Union Institute，1999.

[3] 许文汇.海上石油设施深水溢油风险评价及应急响应研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[4] R Remyalekshmi，Arkal Vittal Hegde.Numerical Modeling of Oil Spill Movement along North-West Coast of India Using GNOME[J].The International Journal of Ocean and Climate Systems，2013，4(1)：75-86.

[5] Tianyi Liu，Y.Peter Sheng.Three dimensionalsimulation of transport and fate of oil spill under wave induced circulation[J].Marine Pollution Bulletin，2014，80：148-159.

[6] Hong-Lei Xu，Ji-Ning Chen，Shou-Dong Wang，et al.Oil spill forecast model based on uncertainty analysis：A case study of Dalian Oil Spill[J].Ocean Engineering，2012，54：206-212.

[7] Fu Xin Yao，Fang Jie Yu，Yang Zhao，et al.A Novel Cross-Platform Architecture Design for Oil Spill Forecasting Model[J].Applied Mechanics and Materials，2015，3823(730)：265-270.

[8] Nikolaos P Ventikos，Emmanouil Vergetis，Harilaos N Psaraftis，et al.A high-level synthesis of oil spill response equipment and countermeasures[J]. Journal of Hazardous Materials，2003，107(1)：51-58.

[9] Karen Russell.A knowledge-based spatial decision support system(SDSS)for coastal zone oil spill response in Anaktalak Bay，Labrador[D].Canada：Memorial University of Newfoundland，2004.

[10] 姜独祎.海洋石油平台溢油在线监控预警集成系统研究与开发[D].青岛：中国海洋大学，2014.

[11] Ruifu Wang，Maojing Xu，Yi Ding，et al.The Development of Marine Oil Spill Operational System Based on GIS[J].Journal of Software，2014，9(8)：2050-2055.

[12] Ruifu Wang，Nannan Liu，Maojing Xu，et al. Research on the Open Source GIS Development Oriented to Marine Oil Spill Application[J].Journal of Software，2014，9(1)：116-120.

A Framework of Marine Oil Spill Emergency Decision Making System Based on Smart Client

Jin Xifang1，2，Wang Shuo1，2，Huang Juan1，2，Hu Wei1，2，Zhong Shan1，2，Cao Yajing1，2
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266001，China；2.North Sea Marine Forecast Center of State Oceanic Administration，Qingdao 266001，China)

A comprehensive and intelligent emergency decision making system is urgently needed to deal with oil spill accidents，for the risk level of marine oil spill has been further raised due to the increasing intensity of Chinese marine oil exploit.On the basis of the actual operational needs of oil spill emergency departments，we proposed a smart extensible framework with a“decision-maker’s view”，integrating the latest technology of home and abroad in oil spill emergency system.This framework is based on the Smart Client technology and can realize cooperation between different offices.Meanwhile，we introduced Bohai Sea oil spill emergency demonstration system with such functions as oil spill numerical model，GIS spatial analysis，resources allocation and customized output of decision making documents to provide some reference for designing and building a comprehensive and intelligent marine oil spill emergency decision making system.

Smart Client；oil spill；emergency；decision making system；GIS

X550.5

：B

：1673-8047(2015)04-0076-07

2015-05-25

山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室开放基金(2012013)；国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室课题(201510)；国家海洋局公益性项目(201205012)

靳熙芳(1981—)，女，硕士，高级工程师，主要从事海洋信息软件研发、海洋遥感监测和防灾减灾工作。