（计算机应用技术专业论文）环境污染应急系统中虚拟场景的研究与实现(1).pdf

摘要 环境污染事故属于一种失控的偶然事件，具有突发性、多样性、无组织性、 危害严重性等特点。然而，随着社会生产的快速发展，工业化大发展带来的环境 污染事故日益频繁出现，给当地生态环境和居民造成巨大的影响，环境污染对 社会的严重危害已成为当今世界最为关注的问题之一。目前，唯一有效的解决方 法就是建立快速高效的应急处理机制。本文首先论述了我们对环境污染应急系统 的研究与开发，它是基于w e b g i s 集成分散在各个部门的资源，实现数据共享， 利用三维真实感图形生成技术模拟环境污染事故的虚拟场景来协同应急决策的 一个环境污染应急系统。 在污染事故的虚拟场景中，污染气流的动态模拟无疑是其中的关键技术。自 然景物的模拟一直以来都是计算机图形学研究的一个重要内容，同时也是一个难 点所在。本文主要研究了自然景物中污染气流的生成算法及其在虚拟事故场景中 的实现技术。 在环境污染应急系统中，实时模拟出污染气流扩散过程显得尤其重要，因此， 为在模拟污染气流运动形态时能兼顾实时性和逼真性的要求，本文利用离散化的 思想，提出了一种基于粒子系统的快速、简捷地建立数学模型的方法；并运用此 方法实现了对废气排放和有毒、有害气体泄漏两种现象的建模。最后基于此模型 设计了一个污染气流的生成算法，该算法简化效果好，实现简单。 在三维场景的绘制过程中，本文主要是应用纹理映射技术以进一步达到实时 性的要求。利用基于图像的绘制技术来绘制背景，不仅可以获得视觉上大体的效 果，而且可以节省绘制时间；再利用粒子系统与纹理贴图相结合的方法来实现对 污染气流的动态模拟，可以大幅减少所用粒予数，从而减少大量的计算时间。从 实践效果看，基本上满足了实时性和逼真性的要求。 最后，总结了全文工作，并讨论了本课题今后的发展方向。 关键词：环境污染事故；应急系统；污染气流：粒子系统；纹理映射；虚拟场景 a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na c c i d e n ti sak i n do fo u to fc o n t r o la c c i d e n t i th a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s u d d e n n e s s ，m u l t i p l i c i t y ，n oo r g a n i z a t i o n ，g r a v eh a r ma n ds oo n h o w e v e r , w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o n ，t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n a c c i d e n tf r e q u e n t l ya p p e a r s i tb a d l yi n f l u e n c e st h el o c a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n d t h ei n h a b i t a n t n o w a d a y s ，t h eg r a v eh a r mo ft h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nt os o c i e t y h a sb e c o m eo n eo ft h eq u e s t i o n sw h i c ht h ew o r l dp a y sm o s ta t t e n t i o nt o a tp r e s e n l t h e o n l ye f f e c t i v e s o l u t i o ni st oe s t a b l i s ha ne f f e c t i v ee m e r g e n c yp r o c e s s i n g m e c h a n i s m i nt h i sp a p e rw ef i r s td i s c u s s e dt h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to fo u r e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ne m e r g e n c ys y s t e m b a s e do nt h ew e b g i si n t e g r a t i o n ，t h i s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ne m e r g e n c ys y s t e mr e a l i z e dd a t as h a r i n go fe a c hd e p a r t m e n t s r e s o u r c e s b e s i d e s ，i no r d e rt oc o o p e r a t ew i t he m e r g e n c yd e c i s i o n ，w eu s e dt h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c sp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yt os i m u l a t ev i r t u a ls c e n eo fe n v i r o n m e n t p o l l u t i o na c c i d e n t i nt h ev i r t u a ls c e n eo ft h ep o l l u t i o na c c i d e n t , t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fp o l l u t e d a i r f l o wi su n d o u b t e d l ya ne s s e n t i a lt e c h n o l o g y t h en a t u r a ls c e n e r ys i m u l a t i o ni s c o n t i n u o u s l y a l l i m p o r t a n t c o n t e n tt ot h e c o m p u t e rg r a p h i c sr e s e a r c h ，a n d s i m u l t a n e o u s l y i sav e r yd i f f i c u l to n e p r o d u c t i o na l g o r i t h mo ft h ea i r f l o wi n t e c h n o l o g yi nt h ev i r t u a ls c e n e t h i sp a p e rm a i n l yp r o p o s e dan o v e l t h en a t u r a ls c e n e r ya n di t sr e a l i z a t i o n i nt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ne m e r g e n c ys y s t e m ，i ti s v e r yi m p o r t a n t t o r e a l - t i m es i m u l a t et h ep e r v a s i o no ft h ep o l l u t e da i r f l o w t h e r e f o r e ，t os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ea n dr e a l i t yi nt h es i m u l a t i o n ，w eu s e dt h ed i s c r e t et h o u g h t ， a n dt h e np r o p o s e daf a s ta n ds i m p l em a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do nt h ep a r t i c l es y s t e m u s i n gt h i sm o d e l ，w ec o u l dd i r e c t l y e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt w o p h e n o m e n ao fd i s c h a r g i n gt h ew a s t eg a sa n dd i v u l g i n gt h ev i r u l e n to rn o x i o u sg a s f i n a l l yb a s e do nt h i sm o d e lw cd e s i g n e do n ep r o d u c t i o na l g o r i t h mo f p o l l u t e da i r f l o w t h es i m p l i f i c a t i o ne f f e c to ft h i sa l g o r i t h mw a sg r e a t l ye f f e c t i v e ，a n dt h er e a l i z a t i o n w a sv e r ys i m p l e d u r i n gd r a w i n gt h et h r e ed i m e n s i o n a ls c e n e ，w em a i n l yu s e dt e x t u r em a p p i n g t e c h n o l o g yt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m e b yd r a w i n gt e c h n o l o g yb a s e do n i m a g et or e n d e rt h eb a c k g r o u n d ，t h ev i s i o no ft h ee f f e c tc o u l db en o to n l yr o u g h l y o b t a i n e d ，b u ta l s ot i m ec o u l db es a v e d b e s i d e s ，c o m b i n a t i o no ft h ep a r t i c l es y s t e m a n dt h et e x t u r et or e a l i z et h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h ep o l l u t e da i r f l o w , l a r g e l y r e d u c e dt h en u m b e ro ft h ep a r t i c l ew eu s e d ，t h u sr e d u c e dt h em a s s i v ec o m p u t i n g t i m e s i np r a c t i c e ，i tb a s i c a l l ys a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t so f r e a l t i m ea n dr e a l i t y f i n a l l y ，a l lt h er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da n dt h ep r o s p e c to ft h ep r o b l e m si s p r e s e n t e d k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na c c i d e n t ；e m e r g e n c ys y s t e m ；p o l l u t e da i r f l o w ； p a r t i c l es y s t e m ；t e x t u r em a p p i n g ；v i r t u a ls c e n e 学位论文版权使用授权书 1 0 13 8 二5 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学 可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囫。 学位论文作者签名：旁p 恙支 俨6 年r 月潍l 指导教师签名默 删年j ，月p 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：铷笔丈 日期：芦镑r 月妒日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 环境污染应急系统概述 1 1 1 本项目背景 处于工业化发展加速期的中国，社会的稳定与公共安全已经成为国家可持 续发展过程的重中之重，然而随着社会生产的快速发展，工业化大发展带来的污 染源污染环境的问题非常严重“1 。当前，危险化学品使用范围的日益扩大，使得 在生产、使用、销售和储运过程中容易引发的有毒有害气体超标排放、危险品泄 漏、爆炸和火灾等突发性灾害性污染事故频繁发生，这类事故发生突然，破坏性 极大，容易对周边大气和水环境形成污染，破坏人民赖以生存的生态环境，严重 时会造成国家财产损失和人员伤亡。这是经济发展过程中一个不可忽视的问题， 已引起了我国各级环境管理部门的高度重视。然而，目前一旦出现环境污染事故 时，事故处理部门往往措手不急，结果造成事故引起的污染问题扩大化，甚至危 害人民生命财产，以及引起不必要的民事纠纷。因此做好环境污染事故的预防监 测、应急处理及善后工作，建立运行有效、行动快速的事故应急管理系统，是最 大限度减少损失的关键。该系统包括危险化学品辨识、污染状况的分析和评价、 污染源的分级管理和实时监控以及应急预案的制定等内容，能有效地抑制重特大 事故的发生、减少事故发生时所造成的损失，实现“预防为主”的方针，快速应 急监测和救援，全过程对突发性污染事故处理工作提供技术支持。 1 1 2 本项目领域国内外发展概况 突发性环境污染事故应急处理在各国引起了高度的重视，从立法到标准， 从日常管理到应急控制都有完善的组织机构和措施，尤其是发达国家的生态环境 应急系统建立早、运作时间长、效果显著。以美国为例，其应急系统最早可以追 溯到工业革命的1 9 世纪。在1 9 7 0 年美国环保局成立后，应急系统在联邦层面上 进一步得到加强。尤其是在“9 “”之后，环境应急系统与火警系统、反恐怖 系统等联合协调运作，得到了进一步加强。他们的很多经验和教训值得我们学习 和借鉴。 我国各级政府对此十分重视，在立法方面，国家环保局早在1 9 8 7 年就颁布 江苏大学硕士学位论文 了报告环境污染与破坏事故的暂行办法，原劳动部和化工部在1 9 9 6 年开始实 施“化学事故应急救援抢救系统”，批准处理8 个化学事故应急救援抢救中心； 国家经贸委于2 0 0 0 年9 月1 1 日发布第1 9 号令开始危险化学品登记注册管理 规定；国务院颁布的3 4 4 号令规定修改后的危险化学品安全管理条例于2 0 0 2 年3 月1 5 日开始施行；国家环保总局也分别在2 0 0 0 年、2 0 0 3 年发布了关于 切实加强重大环境污染、生态破坏事故和突发事件报告工作的通知和环境应 急手册。 环境保护法和报告环境污染与破坏事故的暂行办法对环境污染与 破坏事故规定了报告制度。该制度包含两部分内容：第一，因发生事故或其它突 发性事件，造成或者可能造成污染与破坏事故的单位必须立即采取措施进行处 理，通报可能受到污染危害的单位和居民，并且向当地环境保护行政主管部门和 有关部门报告，接受调查处理。第二，在出现严重环境事故威胁居民生命财产安 全时，当地环境保护行政主管部门必须向上一级主管部门和同级人民政府报告。 在机构建设方面，为了应对危机管理，国家环保总局于2 0 0 1 年底成立了环 境应急与事故调查中心。环境应急与事故调查中心还分别在国家环保总局南京环 科所、华南环科所内设华东、华南两个环境保护督察中心办公室。目前，国家环 保总局环境应急与事故调查中心仅有不足2 0 人的编制和非常有限的经费预算， 缺乏先进的技术装备，也缺乏相应的技术队伍作为应急管理的技术保障。从目前 的国家环保总局环境应急与事故调查中心的职能来看，仅仅是重大生态环境危机 的事故调查，虽然还担负着环境监察的职能，但远远没有达到环境危机的处理能 力。 因此，要防范和处理“突发性污染事故”，当前最为紧迫的就是建立起从 国家到地方各级“突发性环境事故应急系统”以及相关的立法和加强宣传教育。 1 1 3 本项目目前存在的问题 目前，已有一些围绕环境污染应急处置主题的开发方案，这些系统一般是基 于g i s 和传统的数据库技术开发的，已具备基本的空间数据管理能力和空间分 析能力【2 】，但是由于受技术和条件的限制，系统存在着一些不足，主要体现在几 方面： 【1 】g i s 系统设计和运行往往局限于环保部门内部，而环境污染应急处理是需 要公安、消防、气象、卫生部门相互协作的，由于系统难于和其他联动部门真正 实现信息实时共享，使得它对突发环境污染事故的预警敏感度低、对污染事故的 应急处理比较迟钝。 江苏大学硕士学位论文 【2 】随着我国第一个社会应急联动中心在南宁成立，应急联动的社会化信息资 源整合趋势日益凸显，污染应急系统在今后融入统一的社会应急联动平台时，成 本问题将非常突出i j j 。 【3 在环境污染处置过程中，应急措施的科学合理性至关重要。系统的应急措 旖仅仅是以对环境污染的理论分析评价为依据，预案内容虽然是专家预先确定的 条条框框，但不能与污染现场情况相匹配，也就会降低其实效性。 w e b g i s 是i n t e r n e t 技术应用于g i s 开发的产物，可以完善和扩展传统的地 理信息系统功能，使全社会范围内各领域、各部门之间的数据信息实现共享， w e b 将是今后g i s 软件发展的主要趋势之一【4 j 。 因此，基于w e b g i s 开发环境污染应急系统，可以集成分散在各个部门的资 源，实现数据共享，利用三维真实感图形生成技术模拟环境污染事故的虚拟场景， 可以用来协同污染应急决策，基于w e b g i s 的环境污染应急系统已成为信息技术 应用于环保领域的必然趋势和发展方向。 1 2 污染事故虚拟场景的研究 1 2 1 污染事故虚拟场景的意义 环境污染事故的发生具有一定的突然性，其发展又具有一定的连续性，对周 围生态环境具有很大的破坏性，严重时还会危胁到周边人员的生命安全。如何有 效地防止这些污染事故的发生，如何保证事故发生后能及时有效地发现并控制污 染，如何在事故发生后组织事故现场人员有效地撤离现场或让现场人员懂得如何 采取自救措旌，这些都是环境污染应急系统所要解决的主要问题。 过去都是采取理论分析的方法来确定污染的发生，然后制定控制其发生的方 法，而应急预案主要是根据理论分析结果结合以往案例来确定。环境管理人员只 能通过污染事故现场处理的经验累积来培养自己的应急处理能力，而广大居民只 能通过各种媒体的知识介绍才能掌握简单的自救能力，这些显然不能满足污染事 故预防和应急处理的要求。为了提高事故应急预案的科学性、合理性以及广大群 众的抗灾能力，就需要提供一种“真实的环境”来加深对污染事故知识的了解， 而这种“真实的环境”又不能象真实的污染事故那样对生态环境和人员造成伤 害。 虚拟现实技术的发展为创造这种“真实的环境”提供了技术上的保障，在环 境污染应急系统中建立一种近乎真实的“污染事故虚拟场景”，可以帮助环保人 员了解现场情况，制定确实可行的应急预案；同时，也可通过虚拟场景训练他们 江苏大学硕士学位论文 的环境管理能力和群众的自救能力。因此，“污染事故虚拟场景”的实现在环境 保护领域是具有比较重要的现实意义的。 1 2 2 污染气流模拟的必要性 在大家常见的大气污染事故场景中，给环境和公众带来的直接危害就是事故 产生的污染气流造成的，而且，现实世界中的污染气流流动的形式是多种多样， 随风流、障碍物的不同还会呈现不同的流动形态，其所到之处就有可能是污染影 响区域。因此，要想建立一个高度逼真的虚拟污染事故环境，就必须要对环境中 的污染气流进行完全逼真的、实时的模拟。所以，污染事故虚拟场景的首要任务 是除了逼真地显示现场地形、自然景物之外，更重要的是如何逼真地生成在虚拟 场景中占主导地位的动态污染气流。 高度逼真的环境污染事故虚拟场景不仅可帮助环保人员在最短的时问内制 定科学合理的应急措旌，尽可能地减少事故造成的损失，还可使宣传防护知识和 事故应急训练取得最佳效果。因此，污染气流的模拟和仿真是虚拟事故场景中的 一个必不可少的内容。 1 2 3 污染气流的特征 污染气流作为流体的一种，具有以下特征： 1 )易流动性和易变形特征。从力学特征讲，流体是一种受任何微小剪切 力作用时都能连续变形的物质。只要这种力继续作用，即使力的大小 没有变化，流体仍将继续变形。气体的分子距较大，分子问的吸引力 是微不足道的，因此，气体极易变形和流动。 2 )随机性和湍流特征。在一般情况下气流团的运动可分解为移动、转动 和变形运动三部分。三种运动综合起来，就会体现出气流的随机性和 湍流特征。湍流是一种确定性的随机现象，我们应该把确定性和随机 性结合起来研究湍流，而不能将湍流只看成随机性的一面。 3 )易扩散性。如果气流各处的密度不均匀，密度大处的气体将向密度小 处扩散，使气体密度趋向均匀，这种现象叫做气流的扩散现象。另外， 外力的作用和热运动也会引起气流的扩散。 由于污染气流具有上述特征，因此，在其模拟模型的研究中，必须在确定的 非线性模型基础上加入不确定外界条件的影响。 污染气流的以上特征使得对它的实时仿真和可视化具有很大的难度，而实时 江苏大学硕士学位论文 性的要求正是虚拟环境所必须的。模拟的难度主要表现在： ( 1 ) 在显示方面，由于污染气流外观形状极不规则，并可能随时间而发生变化， 没有光滑的表面，不存在明显的边界，从而无法用传统的方法进行绘制。 ( 2 ) 在运动控制方面，易流动及扩散特性也使在计算机动画中常用的运动控制 方法无法得以实施。 鉴于这些困难的存在，我们不得不寻求一种确实可行的方法来实现对污染气 流的实时模拟，同时提高气流运动的表现质量，使其具有很强的真实感，以满足 污染事故虚拟场景的需要。 1 3 本文完成的主要工作和内容组织 本文主要是对环境污染应急处理技术的研究，重点对污染气流的计算机仿真 算法及污染事故虚拟场景的实现技术进行了深入探讨，力求使污染气体动态模拟 在算法上有新的创新，从图形学的角度解决特殊效果生成问题。为此，本文的主 要内容组织如下： ( 1 ) 第一章首先论述了环境污染应急系统的开发背景、研究现状，指出了其 中存在的问题；然后对污染事故虚拟场景的意义、污染气流的特征和模拟 的必要性进行了探讨，最后，概括了本文完成的主要工作。 ( 2 ) 第二章简单论述了污染应急系统的处理程序，然后全面介绍了基于 w e b g i s 的环境污染应急系统的总体设计和功能实现情况，最后详细探讨 了系统实现的关键技术和创新点。 ( 3 ) 第三章利用粒予系统技术研究了污染气流的计算机仿真问题。首先根据 离散化的思想提出了一种简单快捷的建模基本方法，然后结合几个实例论 证了该方法的可行性，最后，给出了一个对污染气流的动态模拟的具体实 现算法。 ( 4 ) 第四章把上章研究的污染气流的生成算法应用到工业污染源废气排放 污染事故虚拟场景中，介绍了污染事故虚拟场景的实现过程，最后，给出 了几种实现结果，并结合系统的数值模拟演示功能进行了简单分析。 ( 5 ) 第五章是结束语，主要是总结全文的工作，并指出今后还需进一步深入 研究的工作。 本文的研究内容是江苏省社会发展计划项目“突发性环境污染事故应急监测 与救援预案管理的研究”( 项目编号：b s 2 0 0 5 0 4 8 ) 的重要组成部分。研究内容解 决了污染气流动态模拟的部分难点问题，为虚拟环境中特殊效果的生成提供了便 利的方法，同时也为污染应急决策提供了技术支持。因此，本文的研究既具有理 论意义，又具有实际应用价值。 江苏大学硕士学位论文 第二章基于w e b g i s 的环境污染应急系统 2 1 污染应急系统的主要内容 环境污染应急系统应包括应急监测体系、预防通报体系、救援防护体系等。 应急监测体系建设，需要保证应急监测人员、设备、交通工具、防护器材、通讯 联络工具的准备，以便在事故发生后，监测人员迅速到位，及时掌握污染种类、 浓度、影响范围、变化趋势等信息。预防通报、救援防护的系统建设需要各级政 府部门和社会各方面的紧密协作，需要包括环保、公安、消防、医疗卫生、交通、 通讯、武警甚至军队等部门在内的全国性协作n ，。 环 境 污 染 事 故 本系统的运行过程如下图所示： 向1 1 0 报警 向应急办报警 向1 1 9 报警 核实信息 先遣处理 应 急 委 员 会 公众宣传组广1 发布信息、指导防护 成 一 止 指 挥 部 派 出 小 分 队 调查报告 现场指挥 应急监测 工程抢险 组织求援 盖 口 后 处 理 监测评价组l | j 监测处置l + | 专题报告 事故 图2 1 环境污染事故应急程序 一、应急组织 为了应付各类突发性环境污染事故，必须建立相应的应急组织。根据实际情 况可设立如下几级应急指挥部： 1 )应急委员会，由当地政府和环保、公安、消防、卫生、水利、气 象等部门的负责人组成，主要职责是审定突发性环境污染事故防 范和应急计划，并协调落实，在处置重大突发性环境污染事故时， 设立临时应急指挥部，统一协调应急行动。 江苏大学硕士学位论文 2 ) 3 ) 应急办公室，它是应急组织中的常设机构，为便于日常工作，可 由环保部门各科室和监测站的负责人组成，主要职责是制定和落 实应急计划，建立技术储备，接受突发性环境污染事故的报警， 处置一般性污染事故，重大污染事故在报告应急委员会的同时作 先遣处理。 各应急专业组，包括监测评价、技术咨询、公安消防、医学救援、 水文气象和工程抢险等方面，在应急响应时提供各种专业支持。 二、应急通讯 突发性环境污染事故应急通讯系统包括事故报警、应急指挥、应急信息发布 三部分。其要求是：1 ) 报警系统平时应设立专用电话，并充分利用社会现有的 救援报警系统1 1 0 和1 1 9 ，做到2 4 小时畅通；2 ) 指挥系统应由对外界相对保密 的办公室电话、手机和对讲机组成，以避免应急期间，受外界干扰；3 ) 信息发 布系统可由广播、电视及通讯设施组成，在场外应急响应中需要应急区域内群众 配合时，向群众公告污染事故的状况和正在采取的应急措施。 三、应急防护和救援预案 在发生较大的突发性环境污染事故时，应急行动首要的工作是控制事故污染 源和防止污染造成对人群等重要保护对象的伤害。按防护和救援的不同要求，可 由污染预测模式将污染物可能波及的范围划分为救援区域、防护区域和安全区 域，设置相应的监测点位实时监控。环境污染事故应急防护和救援程序参见图 2 2 所示。 建立突发性环境污染事故应急预案，是为了防范于未然，在一旦发生污染事 故时，能迅速调取污染事故的预案材料，指导应急工作人员迅速采取有效的应急 措施。应急预案包括：1 ) 建立要害企业档案；2 ) 建立本地区环境优先污染物名 单；3 ) 建立本地区的重点污染源分布图；4 ) 建立突发性环境污染事故的场内、 场外应急预案等。 四、善后处理 当经过应急处置，已达到下列三个条件：1 ) 根据应急指挥部的建议，并确 信污染事故已经得到控制，事故装置已处于安全状态：2 ) 有关部门己采取并继 续采取保护公众免受污染的有效措施；3 ) 己责成或通过了有关部门制定和实施 的环境恢复计划，环境质量正处于恢复之中时，就可由应急委员会宣布应急状态 结束，进入善后处理阶段。 江苏大学硕士学位论文 善后处理事项为：1 ) 组织实施环境恢复计划；2 ) 继续监测和评价环境污染 状况，直至基本恢复；3 ) 有必要时，对人群和动植物的长期影响作跟踪监测；4 ) 评估污染损失，协调处理污染赔偿和其它事项。 应 急 指 挥 部 工程抢险队l | 控制事故污染源 监测评价组 医学救援组 划定防护区域 实时监控调整 监测救援区域的污 染程度防护区域的 环境质量及安全区 域的本底水平 监测结果 评价建议 救援区域 防护区域 安全区域 中毒人员的紧急抢救 未中毒人员及时疏散 应急工作人员的防护 指导水、气污染防护 负责污染食物的处理 会同工商等部门禁止 销售己被污染的食物 图2 2 应急防护和救援程序 2 2 环境污染应急系统的设计与开发 根据上述分析，在建立环境污染应急系统时，应本着实事求是、确实可行的 原则，贯彻执行如下指导思想： 1 ) 预防和应急相结合的原则 提高风险意识，强化预防措施，积极防止污染事故的发生；对已发生的污染 事故，力争减轻或消除其危害。做到事前预防、事中应急、事后监测并作出安全 评价。 2 ) 突出重点、分布实施 根据各地的产业结构、污染事故类型的特点，突出重点，有区别、有针对性 地优先建立风险性较大的突发性污染事故应急预案。 3 ) 政府牵头、协同作战 突发性污染事故一旦发生，一般靠某一部门或单位是无法快速有效地妥善处 江苏大学硕士学位论文 理的，因此，遇到重大突发性污染事故时，应由政府牵头，各部门协同作战，做 到责任到人，尽心尽责。 4 ) 有备无患、应急迅速 环境污染应急系统是主要针对突发性污染事故的，一旦发生事故，能迅速进 入应急状态，但在平时也能为环保的其它工作提供技术支持和良好服务。 2 2 1 系统总体设计 2 2 1 1 系统目标 将在线环境监测系统、移动监测系统、污染源管理系统等系统建构在 w e b g i s 平台上，形成一个基于w e b 的大气、水污染预测和应急处理的新的集成 应用系统。该g i s 系统主要实现两大功能： 1 建立一个大气、水污染实时监控机制。根据实时采集数据分析，在出现 大气、水污染时触发报警机制并选择相关应急处理方案。 2 建立一套大气、水污染预测机制。根据历史数据、特定环境参数等对隐 性污染源的发展趋势进行预测，并供相关单位进行决策参考和大气、水污染预防。 2 2 1 2 系统的总体结构 图2 3 系统总体结构 本系统是利用计算机网络和数据库技术，将对污染源监控产生的数据集成起 江苏大学硕士学位论文 来，综合运用i n t e r n e t i n t r a n e t 技术、g i s 技术、数据库技术和环境保护技术 的一个w e b g i s 系统。在系统软件中主要包含数据采集系统、数据传输系统、污 染源管理信息系统、污染分析评价系统和污染应急决策系统，这些系统既可以独 立运行，又可以共享信息资源集成运行，实现信息资源效益的最大化，其总体结 构如图2 3 所示： 2 2 1 3 系统的体系结构 系统采用浏览器服务器、客户机服务器混合模式的w e b g i s 系统，它是 由数据库、中间层服务器和浏览器组成的三层网络体系结构。如下图所示： 图2 4 系统的网络体系结构 客户端浏览器负责与用户交互，实现数据的采集和传送。固定点在线监测数 据通过i p 宽带网实时传送；移动点监测数据通过g s m 网络可以将现场g p s 数据、 数码相机的图像和实时监测数据动态地传送；通过p s t n 网可以将p a l 或n t s c 制式的摄像机的动态图像传回。 中间件服务器层主要由w e b 服务器和g i s 服务器组成。w e b 服务器通过 t c p i p 协议，管理跟浏览器、g i s 服务器之间的数据传输，w e b 服务器接受浏览 器传来的请求，进行用户权限等安全性检查，同时激活应用程序把请求转化成 g i s 服务器所能接受的形式，如用户要存取数据集，则把请求转化成s q l 的形式， 然后送到g i s 服务器。g i s 服务器若收到数据请求，就会通过o d b c 与后台数据 库进行链接，由数据库访问组件a d o 实现对数据库的操作；若收到操作请求，就 调用相应的应用模型，进行环境分析、预测和评价操作。g i s 服务器处理完后， 会把结果集返回给w e b 服务器。w e b 服务器把结果集进行处理并转换成浏览器能 江苏大学硕士学位论文 够接受的h t m l 文档形式后返回给客户端浏览器”1 。 数据库层实现数据的管理和存储，由空间数据库、环境数据库组成。空间数 据库主要用来存储系统所需的地理信息，包括污染源的分布图、城市行政区划图、 交通网等图层数据集。环境数据存储大量的属性数据及文档数据、模型数据。根 据污染源监管的需要，系统需要建立多个属性数据库，如危险化学品资料数据库、 监测数据库、监测人员库、应急设备库和气象数据库等；文档库用于存储环境标 准、环境法规、经验知识、生成的处理预案等信息。环境标准包括大气和水等环 境质量标准、污染物排放标准、环境保护基础标准、标准样品标准和环境保护方 法标准。环境法规包括环境保护基本法、环境单项法、地方环境保护法规。知识 库包括分析参量和规则两部分，规则一般是专家的启发性经验知识，表现了污染 现象与污染性质、原因之间的内在联系。预案库是针对国内外常见的污染事故， 通过不断地总结，形成的一套完整和科学的处理方法和手段。模型库则用来存储 污染物的扩散模型，系统建立了水污染扩散模型、大气污染扩散等模型，为污染 预测和应急服务。 2 2 1 4 环境污染数据的组织方式 环境系统是个复杂的、多层次的巨系统，其复杂性不仅表现在组成环境的 因素众多，还表现在其属性的多样性。如污染源监测数据不仅与其地理位置是紧 密相关的，具有很强的时间、空间特性，而且，它还具有如下五个不确定性”3 ： 监测点位的不确定性。污染源监测点位的设置并非固定不便，它与监测目 的、污染物种类、治污设施及排污口数量等因数密切相关。 监测项目的不确定性。不同类型的污染源都有明确的必测项目和选测项 目，但是受监测能力的制约，在目前情况下，这些项目还不可能全部监测，主要 还是依据监测目的针对性地确定监测项目。 监测频次的不确定性。污染源的排污过程始终处于动态变化之中，监测频 次越高就越能反映这种动态变化。但受监测能力限制，监测频次总是有限的。 执行标准的不确定性。污染源类型、污染源种类以及承接污染物的环境状 态千差万别，与之相适应，各类排放标准限值也必须是多元化的，且必须随着社 会经济的发展作适时调整。 数值范围的不确定性。不同污染物之问，同一污染物在不同污染源之间， 同一污染源、同一污染物在不同监测时段内，其监测数值往往相差很大。 因此，开发系统首先要考虑好系统中污染源数据的组织方式。此系统在数据 采集、管理、分析上与一般信息管理系统不同，具有空间、实时、动态、海量数 据等特征，需要引入动态数据类型、动态数据结构进行管理，这些新的要求使得 江苏大学硕士学位论文 传统的关系型d b m s 或者面向对象型d b m s 均难以有效地管理这些数据类型的数 据。对象关系数据库系统是面向对象技术与数据库技术的结合走向成熟的产物， 它提供对于复杂数据进行复杂查询的支持，从而能够更好地满足迅速发展的多媒 体应用、w e b 应用的需求。1 。 图2 5 环境污染数据结构模型 o r a c l e 8 i 数据库已经引入了面向对象的概念。所有的空间数据和环境数据都 可以存放在o r a c l e 数据库中，统一进行管理。空间数据采用o r a c l es p a t i a l 存储方案。o r a c l es p a t i a l 支持对象一关系模型，空间实体用o r a c l es p a t i a l 提供的地理实体对象m d s y s s d o _ g e o m e t r y 表示。此对象封装了表示空间地理实 体以及对地理实体的各种操作。所有地物以对象形式封装，系统组织结构良好、 清晰。由于一个地理实体用一个对象实例就可以表示，即在数据库中，一个地理 实体只是数据库表中一条记录的一项，所以，可以很方便地将存放在关系数据库 中的环境数据与空间数据关联到一起。o r a c l e 8 ii n t e r m e d i a 使用开放标准的s q l 语言，访问、操作、管理文本、图象等数据。它支持i n t e r n e t 应用的开发，能 够执行位置查询，支持i n t e r n e t 上先进的联机地理位置编码服务。 这样将空间地理数据、环境数据及多媒体数据等多种数据源集成到o r a c l e 数据库中不仅可以解决环境污染数据的存储与管理问题，还可解决数据完整性、 数据安全性等许多问题。 2 2 2 系统的功能实现 系统的服务器采用w i n d o w sn t 操作系统，客户机的操作系统采用w i n d o w s x p 或2 0 0 0 。数据库管理系统采用o r a c l e 8 i ，w e b 服务器采用m i c r o s o f ti n t e r n e t i n f o r m a t i o ns e v e r 。g i s 服务器是以a r c g i s 作为软件平台，利用n e t 作为开发 江苏大学硕士学位论文 工具，在其中加入应用模型而开发成应用系统。根据系统的目标和需求，整个系 统主要由数据采集传输子系统、污染源信息管理子系统、污染分析评价子系统、 污染应急决策子系统等四大功能模块组成。其主要功能有如下几方面 环境污染应急系统 i l j r 【数据采集传输- t 系统污染源信息管理子系统 污染分析评价子系统污染应急决策子系统 上上上 上一 l j l 一 llll llj i - 污 污行 行行污 数 数数 数统 染染染 染染染 据 据据据计动源趋 喜 削应 输 转 维 查报态搜势 故减急 入 换护询衣模索预 预力措 拟测 馨 案施 图2 6 系统功能模块结构图 2 2 2 1 数据采集传输子系统 通过在线、移动监测采集装置从监测现场采样、实时获取监测数据，并将数 据输入到系统中，由于采集设备的多样性和采样数据的动态性、异构性，需要一 个自动数据格式转换机制，系统需要启动数据规范化程序将采样数据转化为系统 要求的格式。数据传输结合采用电话线、i p 宽带网、g s m 公网传输方式，组网灵 活方便，传输速度快捷。监测数据的真实性如何将直接影响到后面对它的分析与 评价，甚至影响到采取的应急措施，因此，环境污染的数据采集传输系统是整个 “环境污染应急系统”正常运行的基础。 2 2 。2 。2 污染源信息管理系统 污染源信息管理主要是针对污染源的空间数据、环境属性数据的组织与处理。 污染源信息尤其是监测信息是动态的环境信息，它是环境监测中心常年的工作获 得的历史信息，并且随着时间的推移而不断更新，因此，系统在完成污染源的这 些数据录入工作后，首先要保证数据的一致隍和完整性，不同的部门和个人要通 过授权密码根据需要对这些数据进行增加、删除、修改与派生等编辑操作。系统 还可对一定时间范围内的数据进行各种汇总统计，实现实时监控信息的查询、统 计、汇总及报表输出，并针对终端的实时数据生成变化过程图，或根据某一污染 监控指标生成不同终端间的统计比较图。系统可根据建立的污染源空间位置与污 染源环境属性之间的对应关系，在污染源分布图上对污染源的环境属性数据进行 江苏大学硕士学位论文 直接查询、检索、排序，同时也可了解到污染源的多媒体信息( 照片、录象信息 等) ，使环境管理部门不出办公室就能及时了解所辖污染源的污染物排放情况。 2 2 2 3 污染分析评价子系统 对实时采取的监测数据，系统将根据环境标准，利用预测模型对采集数据进 行分析，判断是否有污染发生。若有污染发生则启动报警程序进行报警，同时调 用污染源搜索程序确定污染源。综合采用模糊聚类分析方法、数据挖掘方法和主 成分分析方法进行污染源搜索。根据污染发生地点，利用基础地理信息库、污染 源专用数据库、污染源扩散因子和气象参数对与污染有影响的单位进行排查，确 定污染源并给出各污染源对污染事故的影响概率。 当环境污染事故已发生时，系统就根据现场获取的污染源的污染类型、气象 参数、环境参数，智能选取扩散模型对重点监控的污染指标进行模拟，模拟其扩 散速度、范围和结果，然后对可能发生污染的地区及可能引发污染事故的污染源 提出预警。 其次，系统还可根据历史数据和时间、空间相关特性，利用时空趋势模型得 出环境污染增长和减少规律，预测环境污染的发展趋势及发生污染的概率分布状 态，从而为污染源规划决策和质量管理提供科学依据。 2 2 2 4 污染应急决策子系统 对于一般环境污染事故，系统会根据污染分析评价结果，针对不同的污染状 况，选择不同的污染源削减方案，重新生成污染源排放清单，对采用不同污染源 削减措施前后得到的相应预报数据进行静态和动态对比分析，由此来判断污染源 削减措施的合理性。这一工作可以重复多次，根据某一天的污染物浓度的时空分 布情况和控制指标及城市污染源分布排放情况来确定合理有效的污染源削减方 案。 在发生重大环境污染事故时，系统能迅速确定污染地点，明确污染物种类， 及时反向推定污染源强最大点，并在电子地图上直观地显示污染发生的地点、范 围，污染程度，污染源位置，监测点位置，重点保护对象，为决策者确定隔离范 围，防护范围，安全距离( 区域) 提供技术支持。系统还可根据现场获取传输来 的数据参数和多媒