突发性水污染事件应急预案的可视化平台研究

1、第34卷第5期2013年10月首都师范大学学报(自然科学版Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition No5Oct,2013突发性水污染事件应急预案的可视化平台研究梁大鹏胡卓玮(首都师范大学资源环境与旅游学院,北京100048摘要分析应急预案可视化的必要性和可行性,并结合水污染应急业务流程和需求提出应急预案可视化方案通过对应急预案进行结构化表示,结合GIS 对各种地理数据和业务属性数据进行综合、分析、管理,以EV-Globe 空间服务平台为基础,利用面向对象编程技术、三维建模技术以及三维可视化技术等,实现了应急预案可

2、视化平台,该平台实现了预案的可视化表达以及预案效果推演等功能关键词:应急预案,可视化,推演中图分类号:X52收稿日期:2013-03-060前言近年来,我国突发性水污染事件频发,不仅造成了巨大的经济损失和生态环境的极大破坏,甚至还可能严重威胁公共安全以及社会稳定各级政府、各行业主管单位都根据相关标准规范制定了大量的应急预案,但是这些应急预案大部分以纸质文档或电子文档存储,信息形式化程度低,查询和检索很不方便;大部分预案缺乏灵活性、可扩展性和可维护性;处置过程自动化程度不高;应急辅助决策支持的科学性和智能性有待提高等本文所设计实现的应急预案可视化平台,通过分析应急响应流程图,对突发性水污染应急预

3、案关键节点进行结构化表示,形成若干顺序执行或者并行执行的事件,在智能分析的基础上对这些事件进行的可视化处理,实现了应急预案的可视化表达、预案效果推演等,预案的可视化表达实现了预案事故现场场景的重现、事故预警和应急救援资源配置与调度的可视化,预案的推演过程中,应急人员和应急装备被模拟使用,模拟出事故发生时可能会出现的情况,并做出相应的应急准备,并在模拟中找出现有应急预案的不足为应急决策者提供决策分析支持与决策可视化工具,提高灾害应急救灾预案的可行性、准确性与快速反应能力1应急预案分析1.1应急预案框架结构通过对多套文本应急预案内容进行分析得出应急预案主要包括适用范围、组织体系、应急响应过程、应急

4、资源、预案其他内容等五部分组成1适用范围:是应急预案启动的既定条件,定义应急预案所适用的突发事件类型和场景,是触发该预案执行的应急事件所具有的关键属性,比如事件类型、事件级别、发生场景、发生原因等2组织体系:定义应急响应过程参与单位和个人的组织关系,包括他们的权责与角色,如部门、人员、角色、职责等3应急响应过程:完成突发事件应急响应要进行的全部任务的集合,包括预测预警、应急处置、后期处置等内容4应急资源:应急过程所涉及的所有应急保障对象的集合,包括应急人员、应急设备、应急物资等,应急资源的状态将直接影响到应急过程的执行5预案其它内容:如预案目标、预案原则等说明1应急响应过程是多机构和多部门之间

5、的共同参第5期梁大鹏等:突发性水污染事件应急预案的可视化平台研究 图1应急预案的总体结构图与,相互协作的一个过程所以应急预案需要明确定义应急响应系统的组织机构,主要包括职能部门划分,角色定义,人员管理等在实际应急响应中,又可以根据事故的严重程度,对职能部门进行再扩展,继续分解为小组或者分队等在应急响应过程中,应急人员充当某种角色,参与到应急工作中,每个角色(如指挥官、联络员都有相应的职能和责任同时,随着突发事件的发展,组织机构也可能发生变化,包括职能部门的变化,人员调整,角色变化等在应急响应过程中所需要的各种资源的集合,包括人力资源(如消防人员、医疗救护人员、公安人员等、应急设备(如救护车、消

6、防车、吊车、应急通讯车等、救援物资(如药品、血浆、帐篷、食品等等一个完整的应急预案需要针对所有可能的突发事件说明所需的各种应急资源,应急资源的状态将直接影响到应急工作的执行应急过程即突发事件的应急响应过程,是完成某类突发事件应急处置任务的流程应急过程是由一系列的任务所组成,任务之间存在着一定的约束关系,这种关系定义了任务的执行顺序和执行条件应急过程实际上是其中的任务按照这种约束关系而先后执行或并行执行的过程基于上述分析,采用实体关系模型对应急预案进行建模,得到应急预案模型如图2所示 图2应急预案模型1.2突发性水污染事件应急预案概述突发性水污染事件突发性水污染事件,是指发生突然、污染物在较短时

7、间大量非正常排放或泄漏、对水体环境造成严重污染并影响人民群众生命安全和国家财产损失的恶性事故其主要原因有水上交通事故、企业违规或事故排污、公路交通事故、管道破裂等突发性水污染事件的特点主要有发生、发展、危害的不确定性、流域性、影响的长期性和应急主体不明确性2根据事件类型、事件发生地类型、污染物毒性、是否进入水体等信息,按照突发性事件严重性和紧急程度,由高到低划分为:特别重大水污染事件(级、重大水污染事件(级、较大水污染事件(级、一般水污染事件(级四个级别,分别用红、首都师范大学学报(自然科学版2013年橙、黄、蓝四种颜色表示水污染事件的发生直接影响人民群众的生命健康安全和社会稳定,突发性水污染

8、应急预案即是针对突发性水污染事件,预先制定好的应急方案,主要包括抢救方案、救援方案、监测方案、善后处理方案、信息发布及舆情引导方案等,应急预案的目的是为了在突发性水污染事故发生后,能以最快的速度,调动各部门发挥最大的效能,有序地实施现场救援、污染监测等应急预案的制定必须要综合污染物影响程度和范围、水量条件、河道条件、监测能力和应急资源等情况来制定2应急预案的可视化方案国内外的一些研究机构和学者提出将地理信息技术、全球定位技术、遥感技术、计算机图形学、灾害预测与演变模拟技术、图形图像显示技术等技术,应用于应急预案的执行过程中,根据突发事件的处置流程,在事态发展实时信息的基础上,将文本预案开发成一

9、系列可以随突发事件演化过程而顺序或并行执行的应急操作程序,根据事态发展自动分析预警级别、响应级别等应急节点,提示应急策略,优选处置方案,能够辅助决策者决策,大大提高了突发事件应急处置的效率1,3,4,52.1应急预案可视化要素应急预案的可视化要素是将预案中各个要素进行抽象化,形成可以进行显示的要素模型,主要有点、线、面、体几何要素和文本描述要素,如表1所示2.2应急预案的智能分析应急预案的制定必然要考虑一些突发因素,比表1应急预案的可视化要素表可视化要素特征说明具体体现点要素表达空间范围内的一个点位,具有定位特征事发地点、应急单位分布点、应急资源分布点、各监测站点等线要素表达空间范围内沿某个方

10、向延伸的线状或带状现象边界线、救援线路、交通网络、线状河流、等值线等面要素表达空间上具有连续两维分布的现象突发事件的影响范围、数值模拟结果、居民区、水面、运动箭头等体要素表达三维空间上具有连续分布的现象人员、树木、建筑物、船舶、车辆、桥梁等图片要素辅助进行预案要素说明情况展示、统计图等文本要素辅助进行预案要素说明要素的名称、简介、描述等如应急资源的调度问题,依靠GIS强大的空间分析功能,可以分析的得出最优的资源调度方案,并可以根据一些突发情况进行智能调整,如道路临时中断,拥堵等水污染的扩散问题,依靠数学模型的模拟分析功能,可以得出水环境内污染程度和污染面积等信息,并可以在水流加快、风向改变等情

11、况下进行智能调整,重新计算污染程度和面积当突发性水污染事件发生后,应急救援人员以及应急资源必须在最短的时间内到达事故现场,为了达到这个目标,需要以事件发生所在地的道路网络图为基础进行最短路径的分析,为应急指挥中心提供决策支持道路网络中两点之间的最短路径和长度最短在概念上并不完全相同,从网络模型的角度看,最短路径分析就是在指定网络中两结点间找一条阻碍强度最小的路径,本文称之为最优路径根据阻碍强度的不同定义,最短路径不仅仅指一般地理意义上的距离最短,还可以引申到其它的度量,如时间、费用、线路容量等7当前,大多数路径分析算法是基于Dijkstra思想而进行优化的,其采用的是贪心法的算法策略,具体算法

12、描述如下:创建两个表,OPEN表保存所有己生成而未考察的节点,CLOSED表中记录已访问过的节点,以离事件发生地最近的一个道路节点为起始点1访问路网中离起始点最近且没有被检查过的点,把这个点放入OPEN组中等待检查2从OPEN表中找出距起始点最近的点,找出这个点的所有子节点,把这个点放到CLOSE表中3遍历考察这个点的子节点求出这些子节点距起始点的距离值,并放这些子节点到OPEN表中4重复2、3这两步直到OPEN表为空或找到目标点数学模型本身并不是文本应急方案的一部分,但其分析结果会对应急方案产生影响6,因此,在可视化方案体系中,数学模型是可视化预案生成的基础之一,起着重要的作用水污染事件的数

13、学模拟可分为4个步骤:问题的确定、模型选择、模型参数确定、模型求解问题的第5期梁大鹏等:突发性水污染事件应急预案的可视化平台研究确定即确定要模拟的水污染事件涉及的物理量以及它们之间的相互影响和变化规律模型选择是根据水污染事件发生的水体类型(河流、湖泊、河口、港湾等、污染源类型(点源、非点源、污染物性质等选择相应的水质数学模型模型参数确定是事故模拟的关键步骤,主要是确定模型中的扩散系数、降解系数等模型求解是对模型进行简化求出解析解或用数值方法求出数值解水污染数学模型运算所生成的结果文件有其特定的格式,首先可将结果文件转换生成可读的文本文件,分析文本文件的组织方式,才能准确无误地把它转换成相应的数

14、据库文件,并将其存储在GIS数据库中通过建立模拟数值与颜色之间的对应关系,将模拟结果转换成图形图像(如等值线、等值面,用以对其时空分布的状态以及动态演进过程进行直观展示通过对污染区域进行格网化分析,统计污染区域的面积,并将其可视化处理,实现污染物的定量统计分析功能2.3应急预案的可视化表达将预案要素(包括预案结构化要素,智能分析结果,环境信息,事故现场模拟或监测视频里的可视化要素进行抽取,然后通过特定的可视化形式使其在GIS地图上有组织、完整、形象地展现给用户而且可视化的应急预案是与事发地点的地理信息紧密关联的,在地理系统上可以直接辅助进行应急指挥决策表2选取部分预案要素进行说明表2应急预案可

15、视化处理预案要素可视化要素实现效果场景模拟体要素在视域判断的基础上,快速模拟事故发生、救援的过程事故信息展示图片和文字显示事故的基本信息包括时间、地点、事故类型、事故起因、接警人等事故预警面要素根据事故基本信息进行事故等级的自动判断,不同事故等级采用不同的颜色进行标注基础地理要素点、线、面、体和文字显示道路、医院、消防站、学校、商场、居民点等基础地理信息要素分布应急资源分布图片、体要素和文字显示应急资源的分布、数量等信息水环境数学模拟线、面要素显示污染扩散分布和污染区域面积情况应急人员、应急资源的配置和调度线、面要素通过最短路径分析,显示应急人员、应急资源的配置和调度路线3平台的设计实现3.1

16、平台体系结构本平台架构基于NET平台,采用面向对象思想进行系统分析设计,以GIS系统的可视化功能为依托,综合运用三维模型、三维可视化技术,将应急预案的各关键要素直观地展示给用户根据系统功能内容,平台采用三层体系结构,分别为数据层、表现层、应用层其中,数据层为表现层提供所需的各种数据,表现层为应用层提供各种功能的接口,应用层为系统提供各种可视化的功能平台体系结构图如图3所示3.2平台数据库设计事故发生后,应尽可能地为应急救援指挥中心提供所需的各种信息,因此应急平台系统至少应包括专家数据库、救援单位数据库、基础矢量数据库、应急人员数据库、应急物质数据库、污染物数据库、应急监测数据库等同时为了综合运

17、用图文声像等要素实现预案执行流程的直观化、形象化,数据库还应该包括多媒体库、模型库等1专家数据库应包括专家的姓名、专业、研究方向、工作单位、联系方式等信息 图3平台体系结构2救援单位数据库相关行政、交通、消防、医院、水利、监测等可用于应急救援工作的组织机构资料,包括单位名称、地址、负责人、联系方式、级别等3基础矢量数据库行政区划、道路、居民区等分布情况,包括道路名称、级别、路况,居民区人口、负责人、联系方式等4应急人员数据库记录应急人员信息,包括姓名、年龄、单位、工号、联系方式等首都师范大学学报(自然科学版2013年5应急物质数据库存储应急设备(如救护车、消防车、吊车、探测仪、应急通讯车等、救

18、援物资(如药品、血浆、帐篷、食品等的分布、数量、归属单位、负责人、联系方式等6污染物数据库收集各种污染物的名称、物理化学性质、毒性、中毒急救措施、泄露处置措施等7应急监测数据库记录日常水质监测和应急水质监测的成果数据,可为应急救援工作提供信息支持,便于应急预案的调整记录包括监测指标、监测结果、监测日期、监测单位、标准级别等信息8多媒体库储存相关图片、声音、视频等9图标库对应不同的地物类型,使得地物标注醒目、直观形成应急指挥图,使指挥思路、意图更加明晰10模型库储存三维模型的类型、位置、大小等信息同时,数据库还应该满足用户数据增加、删除、修改、查询等操作,便于对数据进行及时的更新、输出和备份等3

19、.3平台功能设计根据平台的总体设计,平台主要实现的功能模块有两个,分别是应急预案的可视化表达和预案效果的推演主要包括以下功能:1地图基本操作:图层叠加、快速定位、地图缩放等2场景模拟功能:通过三维模型或者视频对事故发生现场和救援现场进行模拟显示3三维场景加载模块:通过对事故突发区域的三维场景加载显示、方便应急人员熟悉周围场景4基础地理信息可视化:包括道路信息、居民点、学校、医院等信息5最优路径分析功能:根据交通网络模型中各顶点之间的长度、时间或费用等属性,通过最短路径算法,解决交通网络模型中源点到其他顶点的最优路径问题在应急预案中主要有救援最优路径分析、物质调配最优路径分析6应急物质分布可视化

20、:展现应急物质的分布情况,包括详细储备地点、种类、数量、负责人等7应急人员分布可视化:展现救援力量的分布情况,包括工种、人员数量、负责人等,如果需要可以具体到个人信息8数学模型结果可视化:将数学模拟结果与颜色对应起来,通过等值面、统计图表的方式定性和定量展示9数据库管理功能:包括数据库中表格及数据的增加、删除、更新、查询等预案效果的推演是指随着时间的逐渐变化,在外部因素的干预下,预案的执行过程、实施效果、影响范围以及变化趋势等应急预案推演分为两部分:事件的执行和场景的切换将应急预案流程中可以进行可视化处理的要素拆分为一系列事件,并将这些事件按照时间序列排列在事件执行轴线上,通过可视化的编辑界面

21、设置或调整各项事件模拟参数以更改模拟效果同样,把应急过程中的相应的场景镜头状态排列在场景切换轴线上,镜头的设置可以方便切换场景,更改场景的焦点,从而生动形象表现应急预案执行的全部过程主要包括以下内容1救援线路效果模拟通过最短路径算法、GPS定位技术和可视化技术,表现随着时间的推移,救援队伍到达的位置和救援人员的基本情况等2物质调配效果模拟通过最短路径算法、GPS定位技术和可视化技术,表现随着时间的推移,救援物资的配送、发放、储备情况及各类物质的需求情况等3数学模型结果模拟通过数学模拟的模拟,表现随着时间的推移,污染物的扩散范围、污染程度、污染面积统计等4平台功能展示4.1三维场景加载效果图4中

22、主要有水面、河道、桥梁的三维模型要素,以及文字要素辅助说明 图4三维场景加载效果图4.2事故基本情况展示及预警图5中主要是道路的线要素、以及红色预警信第5 期 梁大鹏等： 突发性水污染事件应急预案的可视化平台研究 息面要素 圆是动态的圆， 由内向外扩散并循环重 形象表现预警信息向外扩散的过程 并在显示区 复， 域弹出突发事件基本信息窗口， 对该突发事件的基 本属性进行展示 图7 最优路径分析结果显示及资源调配示意图 4. 5 水环境数学模拟结果可视化 根据突发事件的类型， 首先根据河道矢量图层， 图5 事故基本信息展示及预警 构建河道水面格网， 然后根据数值模拟结果数据对 格网上的各个交点进行

23、插值， 计算出格网各点的浓 度值 根据图例所示的 8 中颜色及阈值区间， 建立浓 度值与颜色值之间的映射关系， 对各个格网交点进 形成结果如图 8 所示 行颜色赋值， 4. 3 应急资源分布展示 突发事故发生之后， 必然要考虑各种应急资源 的分布， 如图 6 所示， 用十字号表示医院 通过对场 景镜头的拉远控制， 展示距突发事故发生区域一定 范围内的应急资源分布情况 双击图标弹出改图标 所代表的应急资源属性信息， 包括名称、 类型、 负责 人等信息 图8 数值模拟结果可视化 5 图6 应急资源分布展示 结束语 本文根据水污染突发事故应急工作的需要 ， 通 对应急预案进行结构化表 过分析应急响应

24、流程图， 示， 同时结合智能分析技术， 实现在突发因素情况下 预案的及时调整， 最终再将应急响应流程图中可以 进行可视化处理的要素通过不同的表现形式进行可 视化表达， 数据库的设计对预案的可视化起着关键 的数据支撑作用 应急预案的可视化平台可以帮助 应急指挥人员快速启动应急响应程序 ， 全面、 准确地 获取相关信息， 科学有效地做出指令决策 文 献 4. 4 最优路径分析及资源调配标示 应急事故发生后， 需要尽快派消防队和医院人 员赶赴现场， 通过本文的最优路径算法， 分别计算两 队人员到达事发地点最近的医院和消防站的位置和 他们到达的最优路径 如图 7 所示， 蓝色线路即为最 优路径， 并通

25、过箭头标绘展现一种应急人员和应急 资源向事发地点进行流动的趋势 参 考 1 李红臣， J 2006， 4） ： 29 34. 2（ 邓云峰， 刘艳军 应急预案的形式化描述 中国安全生产科学技术， 2 丁贤荣， GIS 2003， 2） ： 203 31（ 徐健等， 与数模集成的水污染突发事故时空模拟， 河海大学学报（ 自然科学版） ， 206. 3 孙颖， J 黄全义 基于 ArcGIS 的消防灭火数字预案系统中应急工具箱的制作 测绘信息与工程，2007，32（ 1） ： 21 22. 4 孙勇， D 2007. 荣莉莉 突发事件应急预案形式化描述方法研究 大连： 大连理工大学， 69 首都师

26、范大学学报（ 自然科学版） 2013 年 5 张超， J 2010， 5） ： 154 6（ 裴玉起， 邱华 国内外数字化应急预案技术发展现状与趋势 中国安全生产科学技术， 155. 6 童庆， J 2007， 20） . 47（ 张敬谊， 陈诚 基于 GIS 系统的可视化应急方案研究 计算机工程与应用， 7 董涌江 GIS 网络分析功能的实现 三晋测绘， J 2003， 4） ： 19 21. 10（ Research on the Visualization Platform of Emergency Response Plan for Emergency Pollution Incide

27、nt Liang Dapeng Hu Zhuowei （ College of Resource Environment and Tourism，Capital Normal University，Beijing 100048） Abstract The necessity and feasibility of emergency response plan visualization were analyzed Combined with the process and demands of various water pollution emergency operations，the v

28、isualization scheme of emergency response plan was proposed First of all，representations of emergency response plan were structured Then various geographic data and property data were synthesized，analyzed and managed Furthermore，based on EVglobe spatial services platform， emergency response visualiz

29、ation platform was achieved by using objectthe oriented technology，threedimensional modeling and threedimensional visualization technology，which could accomplish the visualization of plan as well as the plan effect simulation Key words： emergency response plan，visualization，simulation （ 上接第 51 页） Construct the Model of Employe