（安全技术及工程专业论文）城市公共安全应急辅助决策系统设计和优化.pdf

a b s t r a c t n o w a d a y s ，c i t yp u b l i cs a f e t yi n c i d e n t so c c u rf r e q u e n t l ya n dh a v ea s t r o n gd e s t r u c t i v e w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ea c c e l e r a t i o n o fu r b a n i z a t i o np r o c e s s ，c i t y p u b l i cs a f e t y h a z a r di s i n c r e a s i n g d r a m a t i c a l l y ，a n dt h e r ei sas t r o n gc o n c e r nf r o ma l lp e o p l e t oe n h a n c et h es p e e da n dt h ea c c u r a c yo fp u b l i cs a f e t yi n c i d e n t sr e p o r t a n dd i s p a t c h ，t oi m p r o v et h ee f f e c t i v ei n t e g r a t i o no f t h ee x i s t i n g e m e r g e n c yr e s c u ef o r c e sa n dr e s o u r c e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h eu s eo f m o d e r ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hb a s e do ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m , f o re s t a b l i s h i n gt h ec i t i e s e m e r g e n c yd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m o fp u b l i cs a f e t y u s i n gt h er e s e a r c hr e s u l t so fd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m s ， i n f o r m a t i o nr e t r i e v a l ，k n o w l e d g ed i s c o v e r ya n dd a t am i n i n g ，w ef o r e c a s t t h et r e n d so fd i s a s t e r s c h e d u l ee m e r g e n c yr e s c u ef o r c e sa n dr e s o u r c e s e f f e c t i v e l y ；m i n i m i z et h ec o s ta n dt h el o s s e so fp e o p l e sl i v e sa n d p r o p e r t y f o rt h ed i v e r s i t yo fc i t yp u b l i cs a f e t yi n c i d e n t s ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h es t u d yo fd e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s s ，w h i c hi si n v o l v e dal a r g e a m o u n to fs p a t i a ld a t a au n i f i e ds c a l a b l ef r a m e w o r ko fd i s a s t e r s i m u l a t i o na n dc o n s e q u e n c e sa n a l y s i sm o d u l e so fe m e r g e n c yr e s p o n s es y s t e m i np u b l i cs a f e t yh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hm a k e sr e s e a r c hr e s u l t so f d i s a s t e rs i m u l a t i o na n dc o n s e q u e n c e sa n a l y s i so fv a r i o u sf i e l d si np u b l i c s a f e t yc a nb ew i l d l ys h a r e d a n di t sm o r ee a s i l yi n t e g r a t i n gd i s a s t e r s i m u l a t i o na n dc o n s e q u e n c e sa n a l y s i sm o d u l e si n t oo n es i n g l es o f t w a r e s y s t e m o n t h eo t h e rh a n d ，b a s e do nt h ee x i s t i n g ，c o m b i n i n gt h er e s u l t so f s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dc o n s e q u e n c ef o r e c a s t ，w ec l a s s i f yt h ec u r r e n t s a f e t yi n c i d e n t ，a n de x t r a c tt h ee f f e c t i v ed e c i s i o ns u p p o r ti n f o r m a t i o n 5 f r o mc o n t i n g e n c yp l a n s a f t e rt h ed e c i s i o np r o c e s s ，t h ec u r r e n ti n c i d e n t a l s oc o u l db ep u ti n t od a t a b a s eo fc o n t i n g e n c yp l a n sa sa n e wp l a n ，w h i c h i saw a yt ou p d a t ec o n t i n g e n c yp l a n sd a t a b a s ed y n a m i c a l l y f i n a l l y ，ap r o j e c tb a s e dp r o t o t y p eh a s b e e nd e v e l o p e dw i t ht h e i m p l e m e n t a t i o n o fs o f t w a r ef r a m e w o r ko fd i s a s t e rs i m u l a t i o n a n d c o n s e q u e n c e sa n a l y s i sa n dt h eo p t i m i z a t i o nu s a g eo fc o n t i n g e n c yp l a n s k e yw o r d s ：p u b l i cs a f e t y ，e m e r g e n c yr e s p o n s e ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m s ，d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m s ，k n o w l e d g ed i s c o v e r ya n dd a t am i n i n g 6 1 1 研究背景和意义 第一章引言 1 1 1 城市化发展和公共安全现状 纵观近3 0 年来的城市化进程，我国已经进入城市化稳定发展阶段。新世纪 以来，在中共中央关于“十五”计划的建议中，把“积极稳妥地推进城镇化”作 为必须着重研究和解决的重大政策性问题之一。随着经济建设的高速发展，我国 城市化进程趋于加快，人口和财富在城市快速集聚。特别是近1 0 年来，年均城市 化水平上升均达到1 个百分点以上。截止到2 0 0 5 年底，我国的城市化率已经上 升到4 2 9 9 。经济发达的区域诸如珠江三角溯、长江三角洲以及环渤海湾地 区正在形成现代化特征明显的城市群。根据预测，到2 0 2 0 年，我国的城市化率 将达到6 0 左右 1 5 。， 然而，我国城市目前应对灾害打击的能力却十分薄弱 1 6 ：一方面，我国大 部分城市分布在自然致灾因子的多发区，5 0 以上的人口、7 0 0 以上的大城市、7 5 以上的工农业产值，分布在气象、海洋、洪水、地震等自然灾害严重的地区。6 0 9 i 以上城市的防洪标准低于国家的规定：在5 0 万人以上的大中城市中，5 4 的城市 处于地震烈度度以上地区，使得城市中受各类灾害影响所形成的风险逐步提 高。另一方面，由于当今城市功能复杂的大型和超大型公共娱乐场所、建筑的大 量建设，再加上城市人口集中、建筑物密集以及人员疏散困难等原因，使得城市 公安全事故很容易造成群死群伤以及巨大的财产损失，一次事故死亡几十人到上 百人的特大伤亡事故已是屡见不鲜。仅以火灾为例：2 0 0 0 年1 2 月2 5 日洛阳东 都商厦火灾造成3 0 9 人死亡，单次火灾死亡人数世界罕见，其中绝大多数人是因 烟气窒息死亡。2 0 0 3 年1 1 月3 日湖南衡阳一栋八层商住楼发生大火导致楼房坍 塌，2 0 名消防队员不幸殉职。2 0 0 4 年2 月1 5 日，吉林中百大厦特大火灾造成 5 4 人死亡，从消防队员开始架设云梯到第1 名被困人员获救时间间隔长达9 0 分 钟。 1 7 由此可见，一旦遭受灾害袭击，任何环节的缺位与失控，都将造成灾难性 的后果。因此城市公共安全问题已成为制约中国城市可持续发展的重要因素之一， 城市公共安全建设与减灾已成为我国可持续城市发展战略的重要内容。 7 中国国家突发公共事件总体应急预案中，灾害被划分为自然灾害、事故灾难、 公共卫生和社会安全四大类。2 0 0 5 年4 月1 7 日，国务院颁布实施了国家突发 公共事件总体应急预案截至2 0 0 6 年3 月1 5 日，我国共制订各级各类突发公共 事件应急预案2 4 2 9 3 件( 包括l 件国家总体应急预案，2 5 件专项应急预案和8 0 件部门应急预案) 。其中国务院有关部门应急预案9 7 1 件( 其中行业或突发公共 事件应急预案8 9 3 件，部门机关内部应急预案7 8 件，不含8 0 件部门应急预案) ， 中央企业应急预案1 5 8 件，地方应急预案2 3 0 5 8 件。2 0 0 5 年，中国共组织各级各 类预案演练数万次。2 0 0 6 年，6 2 个部门、2 7 个省( 区、市) 制订了预案演练工作 计划 1 8 。但目前基层预案体系建设仍比较薄弱，预案质量、水平有待提高，预案 管理还需进一步规范化、制度化，预案演练、落实不足。 综上所述，为保证我国经济快速稳定发展，保障人民生命财产安全，城市公 共安全应急体系的研究和建立追在眉睫。 1 1 2 存在的问题 现有的应急处理力量分散，并且由人工处理和记录灾害情况，人工查找灾害 发生单位的方式效率低下，难以做出实时有效的分析预测。城市公共安全，是一 个复杂的系统工程。只有实现快捷的信息获取、传递和共享，统一现有的应急救 援力量，优化资源的配置和调度，才能有效发挥各部门的专业优势，使各职能部 门成为一个高效的整体。一旦灾害发生，灾害报警信息迅速传输到应急救援指挥 中心，实时模拟灾害现场情况、预测灾害发展趋势，并结合各种要素形成事故特 征记录，以此参考已有的案例库，最后生成当前事故救援方案。务求快速、及时、 有效的调度和科学减灾。以最小的代价，最大限度的保障人民生命财产安全。 为此，引入基于现代电子计算机平台的地理信息系统( g i s ) 实现对复杂时 空数据的管理，并借助决策支持系统( d s s ) 、信息获取( 承) 和知识发现与数 据挖掘( k d d ) 领域的研究成果，实施对海量数据的快速查询和综合分析，从 预案库中抽取相关数据信息辅助决策。由此整合现有的应急力量，建立城市公共 安全应急体系，是控制灾害、保障公共安全的必然选择。 8 1 2 本文的主要内容和研究目标 本文的主要研究内容和目标为：以组件式g i s 软件建立的地理信息系统为 平台，建立并优化城市公共安全应急决策的软件架构，应用火灾、爆炸和泄漏等 各类公共安全事故的工程计算模型进行灾害后果分析和预测，并可视化地在已建 立的g i s 平台上表现模拟结果；另一方面，通过上述计算过程生成当前事故的 事故特征记录，结合应急预案库，对事故分类，并与已有的事故案例做关联分析， 从案例库中提取有效信息，修正事故后果分析结果，最终给出事故应急处理方案。 如图： 图1 1 主要研究内容和框架示意图 基于统一框架的灾害后果分析和预测模块的软件架构和应急预案检索、分 析、优化是本文阐述的重点。通过上述系统，实现整合和优化现有应急救援力量， 辅助、优化决策制定是本文描述的城市公共安全应急软件体系的根本目的。 9 1 3 论文各部分的内容安排 第一章，介绍本文的研究背景，根据公共安全现状，提出了本文工作的主 要内容和目标。 第二章，阐述地理信息系统，以及决策支持系统的原理和发展方向。分析 了公共安全应急涉及大量空间数据，需要进行大量空间分析的特点，提出了城市 公共安全应急决策支持系统的总体框架，给出了可行的基于地理信息系统的空间 决策支持系统的实现模式。 第三章，提出结合地理信息系统和决策支持系统建立的公共安全决策支持 系统的设计和优化。主要分为灾害预测和后果分析的软件架构优化和应急预案优 化两大方面。 第四章，结合合肥市公共安全城市试点项目，展示了本文提出的公共安全 决策系统在决策过程中扮演的角色、工作的流程和效果。 第五章，结合本文其余部分的理论与实践给出结论，并通过对现有工作的 分析提出了未来工作的展望。 第二章基于g i s 的空间决策支持系统理论 2 1 地理信息系统 2 1 1 地理信息系统理论 当今社会非常依赖计算机作为信息处理工具。过去几十年中，已经开发了各 类复杂系统用以加工和处理各类以计算机可接受的形式表达的数据。人类社会大 多数决策依赖于决策当时的环境细节，并且需要特定的位置信息，这样的信息称 为地理信息。在地理信息的帮助下可以依据每个未知的特定情况来运用普遍的原 理，追踪在任何地方发生的事情，并且可以了解不同地区的差别。 过去的地理信息以地图、航空照片以及卫星影响的形式存在。如果将这些信 息以二进制数字化表达，使之成为计算机可接受的形式，那么就可以发挥计算机 系统在分析、建模领域的强大潜力，为准确决策提供依据。上世纪7 0 年代以来， 人们开发了很多专业化的计算机系统，采用各种手段处理地理信息，包括以下几 个方面： 输入地理信息，将信息转化成数字化形式的技术。 将这类信息以压缩的形式存储在磁盘、光盘以及其他数字化存储介质的技 术。 对地理数据进行自动分析、完成数据样式的搜索、不同种类数据的合并、 数据测量、最佳地点或路径的获取以及其他许多相关任务的方法。 对各种不同情况下的结果进行预测的方法，例如气候变化对植被的影响。 以地图、影响和其他形式表达数据的技术。 以数字和表格的形式输出结果的能力。 这类系统统称地理信息系统。首字母缩写g i s 已不仅用于指代一个处理、存 储和分析地理数据的软件系统，而逐渐与任何包含数字化地理数据的活动相关。 据此，有文献 1 称：地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o m m t i o ns y s t e m ，简称 g i s ) 是用于回答地理学问题的艺术、科学、工程和技术的总称，是一种用计算 机创建和描述地表的数字表达方法。 尽管经过数十年的发展，g i s 商业软件已经可以随时在市场上购买，但软、 硬件只是一个g i s 系统的有机组成部分；缺乏专业技术，例如我们讨论的公共安 全灾害预测和后果分析模块；或者缺少结构化数据，例如本文讨论的公共安全应 急决策系统中的应急预案；g i s 系统都不能发挥作用。如图，为g i s 系统的形成 过程； 图2 1 实用g i s 系统形成过程 与传统地图相比，g i s 的数字化存储形式将地理数据的存储和表示分离。因 此，数据可以同时以不同的方式进行表示和观察。例如以地图的形式观察数据的 同时，以数据集图例的形式分别观察不同的图层。 地理信息包含许多与地理位置相关的性质和特征。这些性质可以是各种物理 参数，如温度、湿度、海拔等，也可以是火灾、爆炸、泄漏等事件。g i s 使用术 语属性( a t s r i b u t e ) 来表达与未知相关的性质与特征，并将位置和属性作为地 理信息的两个基本要素。g i s 通过分层的概念，将众多互相不同但都与位置相关 的信息各自独立的表达为不同的图层，并统一在g i s 地图中。这样就可以对数据 进行关联分析，如毒气泄漏事故对居民健康状况的影响。 g i s 数据以数据库的方式存储，并通过使用数据库管理系统( d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s ) 实现全部数据的结构化存储和管理，确保数据 2 ： 在一个地方进行存储和维护。 以统一的、结构化的、能被控制的方式进行存储和记录。 能够被众多用户同时访问，每一个用户对数据库内容都有相同的理解 易于更新 1 2 而非数字化方式存储，数据通常是： 以一种只能被某一个人理解的方式存储。 在使用中容易损坏，或者使用仅仅对编辑者有意义的方式进行编辑。 除了系统的创建者以外，其他人无法访问。 存储的格式和比侧尺变化很大，使它们不能进行比较或者核对。 很难更新。 图2 。2g i s 系统的d b m s 存储方案 2 1 2 地理信息系统发展与现状 地理信息系统的存在与发展已历经3 0 余年。用户的需要、技术的进步、应 用方法论的提高，以及有关组织机构的建立等因素，深深地影响着地理信息系统 的发展。综观g i s 发展，可以将g i s 的发展分为以下几个阶段【1 9 】： 6 0 年代为地理信息系统的开拓期，注重于空间资料的地学处理。例如， 处理人口统计资料( 如美国人口调查局建立的d m 姬) 、资源普查数据( 如 加拿大统计局的g r d s r ) 等。许多大学研制了一些基于栅格系统的软件 包，如哈佛的s y m a p 、马里兰大学的m a n s 等。综合来看，初期地理 信息系统发展的动力来自于诸多方面，如学术探讨、新技术的应用、大 量空间数据处理的生产需求等等。对于这个时期地理信息系统的发展来 说，专家兴趣以及政府的推动起着积极的引导作用，并且大多数地理信 息系统工作限于政府及大学的范畴，国际交往甚少。 7 0 年代为地理信息系统的巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。地 理信息系统的真正发展应是7 0 年代的事情。这种发展应归结于以下几方 面的原因：一是资源开发、利用乃至环境保护问题成为政府首要解决之 疑难。二是计算机技术的迅速发展，数据处理速度加快，内存容量加大， 超小型、多用户系统的出现。第三，专业化人才不断增加，许多大学开 始提供地理信息系统培训，一些商业性的咨询服务公司开始从事地理信 息系统工作，如美国环境系统研究所饵s r j ) 成立于1 9 6 9 年。这个时期地 理信息系统发展的总体特点是：地理信息系统在承6 0 年代技术基础之 上，充分利用了计算机技术，但系统的资料分析能力仍然很弱；在地理 信息系统技术方面未有新的突破。系统的应用与开发多限于某个机构， 专家个人的影响削弱，而政府影响增强。 8 0 年代为地理信息系统大发展时期，注重于空间决策支持分析。地理信 息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商 业服务区域划分到政府选举分区等，涉及到了学多的学科和领域，如古 人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等。许多 国家制定了本国的地理信息系统发展规划，启动了若干科研项目，如中 国于1 9 8 5 年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室，美国于1 9 8 7 年成立了国家地理信息与分析中4 , ( n c o i a ) ，英国于1 9 8 7 年成立了地理 信息协会。同时，商业性的咨询公司、软件制造商大量涌现，并提供系 列专业化服务。这个时期地理信息系统发展的最显著特点是商业化实用 系统进入市场。 9 0 年代为地理信息系统的用户时代。一方面，地理信息系统已成为学多 机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信 息系统的影响改变了现有机构的运营方式、设置与工作计划等。另一方 面，社会对地理信息系统的认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致 地理信息系统应用的扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信息系统已 成为公众关注的问题，僻如地理信息系统已列入美国政府制定的“信息 高速公路”计划。 毫无疑问，地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统。 1 4 2 1 3 应用地理信息系统作为公共安全应急系统数据存储和 表示基础 城市公共安全事故虽然种类众多，但其决策过程都具有一个重要的特点就 是涉及的空间信息量巨大，如灾害周边地理和气象环境、应急力量的分布和配置、 道路状况等等，而且这些信息对决策结果有十分重要的影响。 在传统的指挥决策系统中，往往只能对文本数据和纸质图纸进行查寻和推 理，在效率和准确性方面存在许多不足。缺乏有效的管理和分析、处理空间数据 的能力，就无法针对公共安全事故做出实时的灾害模拟和后果分析预测，也无法 及时有效地做出最后的事故应急处理方案。地理信息系统技术的重要特征是其集 成管理大量的多专题的空间与属性数据的能力，它可把应急资源、建筑物特性、 单位或区域性质等属性信息与地表空间位置相连，以组成完整的决策信息数据 库，方便查询、管理、分析、调用和现实。 对于与城市公共安全调度决策相关的大量数据，不仅仅要解决管理存储的 问题，更为重要的是需要从这些庞杂的原始数据中，提取出对决策有意义的事实 和关系，如事故波及范围内是否存在重大危险源，而不同类型和等级的事故其波 及范围又大不相同；应急救援力量与事故发生地点之间的距离，可能到达的路径 以及其中最佳的路径；等等。通过g i s 提供的空间分析功能，可对地理空间数 据进行分析处理，并能与专业模型计算相结合，使模型计算的结果能更准确合理， 从已知的地理数据中得出隐含的重要结论。同时，g i s 为决策结果的显示提供了 丰富的可视化手段。 因此地理信息系统作为强有力的操纵空间数据的先进手段，使用它作为公共 安全应急决策系统的数据存储和表示基础是必然的选择。 2 2 决策支持系统 2 2 1 决策支持系统原理 决策支持系统是从管理信息系统的基础上发展起来的，已经经过了3 0 年的 历史。但是，至今对决策支持系统这一术语的准确含义仍争论不休。虽然没有最 终定论，在我们可以从d s s 领域的研究学者们各自下的定义中认识其深刻内涵 【2 0 】： 1 r , h s p r a g u e 和e d c a r l s o n 对d s s 的定义( r h s ，1 9 8 2 ) 他们认为：决策支持系统具有交互式计算机系统的特征，帮助决策者利用数 据和模型去解决半结构化问题。因此，他们指出决策支持系统具有以下功能： 解决高层管理者常碰到的半结构化和非结构化问题。 把模型或分析技术与传统的数据存储和检索功能结合起来。 以对话方式使用决策支持系统。 能适应环境和用户的变化。 2 p w k c c n 7 对d s s 的定义 p w k e 期n 认为：决策支持系统是一个计算机系统，该系统对决策有其影响。 其中计算机及辅助工具是有作用的。但管理者的判断仍是决策制定的基础。 3 s s , m i t t m $ 对d s s 的定义 m i t t r a 说：决策支持系统是从数据库中找出必要的数据，并利用数学模型的 功能，为用户产生所需要的信息。 4 b o n c z c k 9 对d s s 的定义 b o n c z e k 提出：决策支持系统是一个基于计算机的系统，该系统由3 个部分组成， 即语言系统、问题处理系统和知识系统。b o n c z e k 的定义确定了决策支持系统的 核心结构框架。 综上，从广义上讲，决策支持系统应包括一切能够帮助决策，并以帮助决策 为主要功能的计算机系统。这正是本文试图建立的城市公共安全应急决策系统的 主要内容。、 2 2 2 决策支持系统发展 决策支持系统从2 0 世纪7 0 年代概念形成发展到现在，它已经在最初概念的 基础上进行了无数次扩展。在7 0 年代末，d s s 大都由模型库、数据库以及人机 交互系统的3 个模块组成，它被称为初阶决策支持系统。 1 9 8 0 年s p a r g u e 提出了决策支持系统3 部件结构，即对话部件、数据部件( 数 据库和数据库管理系统) 、模型部件( 模型库和模型库管理系统) 。该结构明确了 d s s 的组成，也间接反映了d s s 的关键技术，即模型库管理系统、部件接口、 系统综合集成。它为d s s 的发展起到了很大的推动作用。 1 9 8 1 年b o n c z a k 等提出了d s s 三系统结构，即语言系统( l a n g u a g es y s t e m , l s ) 、问题处理系统( p r o b l e mp r o c e s s i n gs y s t e m , p p s ) 、知识系统( k n o w l e d g e s y s t e m , k s ) 。该结构在“问题处理系统”和“知识系统”上具有特色。这个阶 段由于d s s 增加了知识库和方法库( m e t h o db a s e ，m b ) ，构成了三库系统或四 库系统，这些系统把人的判断力和计算机的信息处理能力结合在一起，提高决策 者的效能，而又不妨碍他们的主观能动性，于是计算机终端成为决策者的有力助 手。 1 9 8 3 年，r b o n c z a k 研制成功决策支持系统的开发系统( d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m sd e v e l o p m e n ts y s t e m ，d s s d s ) 。决策支持系统和人工智能相结合，出现 了智能化决策支持系统( i n t e h i g e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，i d s s ) 。 1 9 8 4 年，决策支持系统与计算机网络相结合，出现了群决策支持系统( g r o u p d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，g d s s ) 。 。 2 0 世纪8 0 年代后期，人工神经网络以及机器学习登记号素的研究，为应用 知识的学习与获取开辟了新的途径。专家系统与d s s 相结合，充分利用专家系 统定性分析与d s s 定量分析的优点，形成了智能决策支持系统的广泛应用，成 为决策支持系统发展的一个新阶段。 2 0 世纪9 0 年代中后期，随着数据库( d a t a b a s e ，d b ) 技术，联机分析处理 ( o n - l i n e a n a l y t i c a lp r o c e s s i n g ，o l a p ) 技术和数据挖掘( d a t a m i n i n g ，d m ) 技术的发展，为d s s 克服存在的问题提供了技术支持。目前开发的综合d s s 是 以数据仓库为基础，联机分析处理和数据挖掘工具为手段进行实施的一整套解决 方案。 综合来说，d s s 从诞生到今天的发展过程主要经历了3 个阶段： 1 数据库阶段 数据库阶段是d s s 发展的初始阶段，它以数据库为基础，构成了传统决策 支持系统。这种形式的决策支持系统在2 0 世纪8 0 年代初期形成并在以后的l o 1 7 年内得到发展，是决策支持系统的初级阶段。 2 数据仓库阶段 数据仓库阶段是d s s 发展的中期阶段，它的特点是以数据仓库为基础构成 决策支持系统，在2 0 世纪9 0 年代初形成，并在9 0 年代得到发展和成长。这是 决策支持的中期阶段或称为过渡阶段，并构成一个独立的阶段。 3 商务智能阶段 商务智能( b u s i n e s si n t e l l i g e n c e ，b i ) 自2 0 世纪9 0 年代末期形成至今已构 成一个成熟的体系与学科，它是以智能d s s 的结构为基础所形成的系统。他集 成了现代计算机技术多个领域的最新成果，为企业决策提供有力的支持。 2 2 3 基于g i s 的空间决策支持系统 g i s 强大的空间数据处理、显示表达和制图输出功能，有助于提高辅助决策 的效果。一传统g i s 软件与基于模型的数据分析方法的结合可以使我们得到更多 隐含于空间数据中的事实与关系，这就构成了空间决策支持系统( s p a t i a ld e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m ，s d s s ) ，它能更有效解决半结构化或非结构化决策问题，并以 图形、表格和文字的形式直接地加以表达，为现实世界中的各种应用提供科学、 合理的决策支持。 s d s s 具备d s s 的基本结构( 图2 1 ) 【1 7 】，一般由人机交互系统、空间数 据库及其管理系统、模型方法库及其管理系统、知识库及其管理系统构成。各库 之间的关系是并列且互相调用的，如模型方法库的参数可以从空间数据库中提 取，同时模型计算结果最终也返回到空间数据库；模型方法库中的数学模型和数 据处理模型作为知识的一种形式即过程性知识，可加入到知识推理中去：人机交 互子系统作为系统的总控模块，与其余三个系统也存在双向调用关系。中问的圆 弧箭头表明，s d s s 对同一问题的决策过程也是可以通过反复改变决策方法和环 境重复进行，以获得一组可选的决策方案。 l s 图2 3 空间决策支持系统的结构框架 1 人机交互系统 人机交互系统又称人机接口，是影响s d s s 应用效果的主要原因。假如一个 s d s s 不能与用户进行有效的交流，即使它有最复杂的数学模型和最复杂的空间 数据库，都将成为无效的。人机接口在应用领域中取得的成效与其在理论领域中 己获得的成果相比仍存在着很大的差距。 2 空间数据库及其管理系统 空间数据库是存储在计算机内、有组织的、可共享的空间数据和属性数据 的集合。空间数据库在建立、运用和维护时由空间数据库管理系统统一管理、统 一控制。空间数据库管理系统使用户能方便地定义数据和操纵数据，并能保证数 据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统恢复。 3 模型方法库及其管理系统 模型是以某种形式对一个系统的本质属性的描述，以揭示系统的功能、行 为及其变化规律。模型和方法有不同之处，一般用数学方程表示模型，用求解算 1 9 法表示方法。但在本质上模型和方法是同一个问题的两个侧面。从宏观上看，可 以把模型和方法统一看成是模型。特别是在计算机中，模型的方程形式不是主要 的，模型的算法才是主要的。一般将模型的方程形式以文本形式作为模型的说明 文件，而模型的算法编制成计算机程序，用以完成模型的计算，达到模型的求解 目的。这样，用模型的计算程序代表模型就很自然了。 4 知识库与推理机 知识是以各种不同方式把多个信息关联在一起的信息结构。知识库是数据 库在知识领域的拓广和延伸，其主要任务是学习和存储大量的知识，因此可将知 识库定义为经过分类组织的知识集合。推理机是知识库系统的核心部分。利用知 识库中的知识，对综合数据库中的事实或征兆数据进行推理分析，推导出用户所 需的结论，并对推理过程和结论进行解释。 2 2 4 应用空间决策支持系统作为公共安全应急系统的决策 支持架构基础 由于采用地理信息系统作为公共安全应急决策系统的数据存储和表示的基 础系统，以及公共安全事故本身具有的空间特性，将空间决策支持系统与地理信 息系统相结合构建公共安全决策支持系统也十分自然了。 2 0 第三章城市公共安全应急系统设计和优化 以上述章节深入剖析的地理信息系统和决策支持系统为基础，本章提出城市 公共安全应急系统设计。 3 1 城市公共安全应急系统设计 城市公共安全应急系统首先作为一个辅助决策系统，必须具备良好的与用户 交互的能力，因此，一个可视化的图形用户界面必不可少。此外，对各种公共安 全事故的后果分析和模拟预测是系统的核心组成部分，能在很大程度上帮助决策 人员的决策。而作为城市公共安全应急系统，除了在事故发生后被动地处理事故 外，安全时期的长期有效监控也是防灾减灾的重要手段，而将城市重大危险源的 各安全监控系统信号通过网络传送到应急指挥中心，也能大大增加指挥中心获取 信息的速率。另一方面，人工报警仍是应急中心接受、处理事故的主要信息来源， 因此一个优秀的接警平台也必不可少。在事故处理过程中，结合事故波及范围、 强度等特征结合公安、交警、医疗等应急救援力量和城市道路等空间信息做出具 体的应急救援力量调度、人员疏散路径选取等分析，也能为决策过程提供便利。 并且，必须将系统内部的处理结果以可视化的形式显示给用户，才能最大程度的 让用户获取相关信息。最后，城市公共安全的防范不仅仅在于事故处理，如果能 对城市危险源的危险程度和分布情况做出分析，确定城市区域的危险程度，搬迁 对城市公共安全影响较大的危险源到合适的区域，则更能有效避免公共安全事故 对人民生命财产的威胁。 综上所述，城市公共安全应急系统应包含的功能模块有： 可视化显示地理信息数据，更新所有当前事故信息的图形用户界面主模 块。 火灾、爆炸、泄漏等等各种不同的公共安全事故后果分析和模拟预 测模块。 与远程实时监控系统通信并处理报警信息的数据通信子模块。 事故接警处理模块。 存取危险源数据库数的数据库通信子模块。 2 l 为当前公共安全事故解析应急预案库，并在事故处理完毕后更新应急预 案库的应急预案分析管理模块。 分析空间数据库信息并结合安全应急数据库分析应急力量调度，人员疏 散的空间分析模块。 可视化空间信息的可视化子模块。 分析城市重大危险源分布的趋于危险性评价模块。 各模块之间相互关系如下图所示： 图3 1 公共安全应急系统各模块与数据库关系图 虽然建立了公共安全应急系统软件的基本框架，但可以看到，各灾害后果分 析和预测模块各自独立地与图形用户主模块通信，并且，通常采用各自不同的数 据存储和表达方式。这就为系统的建设和开发产生了不利因素，并且增加了系统 扩展的难度。下一章节试图建立一个统一的灾害后果分析和预测的软件框架。以 改善系统的健壮性和可扩展性。 3 2 灾害后果分析和预测模块框架设计优化研究 在公共安全领域的研究工作中，正如我们的城市公共安全应急软件体系，经 常需要构造一个基于g i s 的软件体系来实现各种应急响应和辅助决策的功能。随 着不同的应用，软件体系可能要涉及到火灾、爆炸、危险物质泄漏、地震、洪水 等不同的自然或人为灾害的预测、模拟和后果分析。并且，这是整个软件体系的 核心价值，因此为其设计一个健壮、可扩展的优化架构就十分有必要。然而，由 于我们研究的灾害涉及的领域十分广泛，并且在各领域工作的研究人员并没有统 一的标准可以遵循。因此，各领域开发的灾害分析和模拟的软件模块并不具备兼 容性和可扩展性。在公共安全的研究中，如何整合已有的资源和研究成果，构造 统一层面的应急响应体系，是一个重要的课题。本文尝试建立一个基于场模型的 空间数据模型作为统一的数据存储模型，并且定义各种灾害模拟的公共接口，建 立一个接口与实现分离的松散耦合的软件体系。使不同的灾害模拟模块可以共享 软件体系的空间数据操作和存储功能，另一方面使软件体系本身具有可扩展性。 这样的架构不仅在我们的城市公共安全应急预案中应用，在其他基于空问信息的 灾害预测分析和后果分析的软件体系中同样有其价值。耍建立这样的一套软件架 构，我们就不得不首先讨论空间数据的底层存储模型，为各类灾害模拟和后果分 析模块确定一个同意的存储模型。 空间数据模型 1 是关于现实世界中空间实体及其相互联系的概念，它为描 述空间数据的组织和设计空间数据库提供基本方法。而空间数据模型通常分为两 大类：场模型和对象模型。场模型将高程、降雨量、温度等空间信息看作为空问 采样后转到属性域的一个函数集合。如图： 图： 图3 2 以场模型表示的气象空间数据 对象模型则将空间信息描述为离散的、可标识的带有空间参考系的实体。如 空间物体 7 弋 i点状疡体线状物体面状物体复杂物体 爪爪爪爪 消 空 医公水铁绿湖居矿大 工 防站院路管路化泊民 山 学厂 站 带区 图3 3 以对象模型表示的城市空间数据 目前空间数据模型中基于对象模型的对象一关系数据库模型是空间数据库 研究的主要方向，0 g c 3 等标准化组织对此已有详细的标准，但对于场模型还有 待发展。在公共安全的灾害模拟和后果分析领域中，建模的主要是空间形态不固 定的对象，如火灾、洪水和危险物质泄漏，并且普遍具有连续的空间变化趋势， 如海拔、温度、气体浓度的变化。因此，应当采用场模型作为灾害模拟和后果分 析模块的公共空间数据存储模型。 3 2 1 灾害模拟和后果分析结果的空间数据存储模型 灾害模拟和后果分析的结果是按时间变化的空间数据，由于公共安全领域描 述的各类灾害普遍具有连续的空间变化趋势，因此以网格作为表示方法的场模型 是最为适合的空间数据模型。 快照模型 1 】 为了在g i s 平台上进行可视化表征，一个可行的空间数据模型就是按时间序 列以一定间隔保存这些空间数据的快照，即在给定时间点z 对应空间数据状态 墨利用这种直观的概念模型，就可以确定给定时刻任意位置或实体的状态。但 这种表示方法有3 个主要缺陷： 1 ) 每个快照都覆盖整个区域，如果两个连续快照的空间变化仅是总区域的 - - d , 部分，就会存在大量的冗余信息； 2 ) 由于快照的固定间隔采样，一些时间上短暂的变化可能在两个相邻快照 之间发生，从而无法获取这些信息； 3 ) 不能准确地确定任何独立变化所发生的时间。( 事件并非总是发生在截取 快照的时刻) 如图： 图3 4 基于时间轴的快照模型，s 为z 时刻的空间数据状态快照 时间网格存储模型 另一种替代的方法就是时间网格模型。这种模型并不独立记录每个具体时刻 的全局状态，而是针对每一个单独的网格产生对应的链表式结构，记录每次状态 改变的时间和属性值。网格模型仅存储特定位置相关的变化而避免了数据冗余， 同时避免了快照模型2 ) ，3 ) 两个缺点。如图： 图3 5 时间网格存储模型 因此，在我们实现的原型系统中采用了时间网格存储模型作为灾害模拟和后 果分析模块的空间数据存储模型。即对于随时问变化的动态连续场，我们有如下 的定义： 场中二维区域上连续分布的量，其场强分布以函数f ：dxt 表示，其中 d r 2 是有限二维区域，r 量是对应时间区间的自然数有限子集， ( d r ) r 是动态连续场场强的有效值集合。 这样，动态连续长是一个三元组m = ( d ，r ，刃，其中： d 是动态连续场中占据的平面区域； t 是动态连续场演变的时间区域； f 是dxt 为定义域，实数为值域的三元函数f ( x 。y ，t ) 。 当且仅当坐标( x ，y ) 对应的值f ( x ，y ) 在t 时刻发生变化时，生成一个节点记 录这个变化的时间和属性值并挂接在对应于该坐标所对应网格的状态链表的尾 端。 3 2 2 灾害模拟和后果分析模块的系统架构设计 确定灾害模拟和后果分析输出结果的空间数据存储模型后，为有效实现空间 计算结果的存储和其它进一步的空间数据查询功能，必须设计系统的灾害模拟和 后果分析的模块。另外，十分重要的一点是，使系统的灾害模拟和后果分析模块 具有良好的可扩展性。如下图所示，综合考虑，为各灾害模拟和后果分析模块建 立一个统一的系统接口模块是最佳的设计。 图3 6 系统接口模块与各具体的灾害模拟和后果分析计算模块 建立系统接口模块，一方面将所有灾害模拟和后果分析模块的公共功能封装 在系统内部，使灾害模拟和后果分析模块的设计者更专注于与具体灾害本身相关 的计算特性的设计，而不必关心计算结果的存储和后期空间数据的查询，降低了 系统的耦合性。另一方面统一了各种不同灾害模拟和分析的结果的存储和查询， 为用户或主体程序对不同的灾害提供一致的接口，而将这部分功能集成到系统主 体也增强了系统的健壮性。如图3 7 所示结构图，a 为系统接口模块，b 为具体 计算模块； ，、 系统接口模块内部结构 7 与上层系统的交互模块i 空问数据可视化 与空问数据库的交互模块 、 与具体计算模块的交互模块 ， 厂 具体计算模块内部结构 、 与系统接口模块的交互模块 模拟计算模块 lj 图3 7 ( a ) 系统接口模块内部结构示意图，( b ) 具体计算模块内部结构示意图 在通过与上层系统交互模块得到终端用户或上层系统的灾害模拟或后果分 析指令后，系统接口模块首先调用各具体计算模块与系统接口模块交互的子模 块，为灾害模拟和后果分析的具体计算设定各类参数值，然后调用各模块的模拟 计算子模块进行模拟计算，最后调用系统接口模块与空间数据库交互的子模块将 计算所得的空间数据信息统一存储。以备用户将来再现此灾害模拟的过程或者进 行更进一步的空间数据查询操作。并且，系统接口模块调用空间数据可视化模块 将计算所得的空间数据可视化的表现给用户。如