高速公路应急资源动态调度系统研究与实现＊

杜 柯 高 曙 陈先桥 黄徳启

（武汉理工大学计算机科学与技术学院1） 430063 武汉） （武汉理工大学智能交通研究中心1） 430063 武汉）

0 引 言

国民经济的快速发展带动了交通事业的日益发展和人流、物流、商品流的快速流通，国内高速公路数量也急剧增加.我国交通部提出“十二五”末我国国家高速公路路网将基本建成，高速公路总里程将达108000km，将覆盖90%以上的20万以上城镇人口城市.高速公路数量和交通流量的大幅度增加将导致交通事故的发生次数和交通事故伤亡人数也越来越多.我国目前交通事故中约有2／3 的重伤人员因为得不到及时救护而死亡，只有约15%的受害者可以及时获得及时抢救.因此，采取有效合理的交通管制方法、建设高效完整的高速公路应急救援系统、及时获取有效的事故信息、快速科学的调度应急资源对于降低事故的伤死率、减少事故导致的人力物力经济损失、减缓交通拥堵压力、提高高速公路安全运营管理效率是十分必要和迫切的［1］.本文介绍了系统算法的研究实现、系统设计和实现以及调度方案评估.

1 高速公路应急资源动态调度系统算法研究和实现

1.1 应急资源的首次配置与调度的单事故指派模型

应急资源的首次配置与调度的单事故指派模型以当前事故应急的响应时间最短为目标，即按照救援机构到达事故地点的最短距离和救援机构所拥有的应急资源数量来派遣救援机构和调度应急资源.设救援机构i∈L 配置ri应急车辆，L 为救援机构集合；当前事故点f 需要nf应急车辆，f ∈N，N 为路网节点集合：λif为从i 到f 的最短距离；xif为从i 调度到f 的应急车辆数.则调度模型为［2］

1.2 应急资源动态调度最短时间响应指派模型

第一次采集事故信息容易发生采集事故信息不完整或事故动态变化对资源需求发生变化等情况.应急资源的动态配置与调度的最短时间响应指派模型以满足资源需求的变化为目的，以事故多次补充应急资源调度的最短应急响应时间为目标，根据救援机构到达事故点的最短距离和救援机构所拥有的应急资源数量来派遣救援机构和调度应急资源.由于首次应急资源调度满足了事故应急的大部分需求，而当前事故多次补充应急资源可当作在同一位置发生的又一事故，所以该模型与应急资源的首次配置与调度的单事故指派模型使用了相同的模型.设当前事故点f 由于事故处理过程中资源需求的变化（事故点也看作f）需要再次调度nk辆应急车辆.则

1.3 高速公路应急资源动态调度算法实现

根据高速公路事故突发性强和随机性大的特点，结合系统首次采集事故信息不完整，事故的发展过程对应急资源动态调度的影响，事故灾害过程对应急资源的动态需求变化和不同阶段对应急资源的不同需求，考虑到事故处置中以响应时间最短为主要目标，资源调度成本考虑较少，因此本系统算法根据应急资源的动态调度最短时间响应指派模型为重点研究对象.

设定ArcGIS Server的最近设施分析算法中最近设施的默认数量为l，则系统中可调度的机构个数即为l，机构拥有资源的数量为u，并且根据网络分析中最近设施分析算法得出可调度的最近机构的名称，假设s个供选择调度的机构为集合M，当前事故点s（∀s∈N，N 为地图所有图层要素范围内的点），由于事故的动态发展和变化需要再次调度资源数量为n，dis表示从i 到s 的最短距离，yis表示从i调度到s的应急车辆数，则

根据采集到的事故信息，首次确定调度的资源类型和数量，发布调度指令并获取交通事件的处置状态，查询机构拥有资源信息是否满足救援需求，如果满足应急需求，则进行调度方案评估和存储，如果调度资源数量不足则进一步补充资源.调度算法流程见图1.

图1 高速公路应急资源的优化配置算法流程图

算法具体实现主要有3个关键部分：

1）确定调度的应急资源种类和资源数量交通事故发生后，高速公路管理人员接到报警后进一步对事故信息进行确认和核实，询问并保存事故地点、人员伤亡情况、事故有无车辆碰撞、有没有起火等信息，从而确定应急资源类型.本系统研究的应急资源包括救护车、消防车、路政巡逻车、交警巡逻车、吊车、清障车和平板车.根据表1判断需要调度的应急资源的种类和数量，事故特点不同决定选用应急资源动态调度方法的差异性.其中救护车每伤亡2人1台，根据火势大小和是否有危险品泄漏确定消防车数量，有危险品泄漏调用两辆消防车，火势大小和消防车数量匹配见表2，消防车总数等于有无危险品泄漏和火势大小所需要的消防车之和.

表1 事故级别和应急资源匹配表 辆

表2 火势大小和消防车数量匹配表 辆

2）确定派遣机构类别 本系统研究的高速公路应急救援机构类别包括交警部门、医疗部门、消防部门、养管部门、公路部门5个部门.根据资源类型通过表3确定救援机构类别.

表3 机构类别及其拥有的资源类型

3）调度算法实现 首先设置调度的机构个数集合，然后利用ArcGIS Server最近设施分析算法从L 个机构集合中选择距离事故点最近的一个机构，并使用类Closestfacility成员函数ResourceIsEnough（）判断该机构拥有的某资源数量是否满足应急需求，如果不满足，则继续利用最近设施分析算法从L 个机构集合中选择一个机构，该机构是排除上一个选择机构后距离事故点最近的机构，以此类推，直到能够满足事故应急需求，其中函数ResourceIsEnough（）采用结构体数据结构实现.如果处置过程中资源需求发生变化，则修改更新事故信息，利用ArcGIS Web 控件FloatingPanel进行调度资源类型数量的修改，以便快速补充调度资源.利用CSS ID 选择符和javascript函数设置FloatingPanel控件显示位置，同时将资源类型和资源数量信息以table形式嵌入FloatingPanel控件中显示，可以随时弹出、移动和缩回，实现救援资源的动态修改和快速补充.

2 高速公路应急资源动态调度系统设计与实现

2.1 系统功能设计

系统设计开发采用3 层结构的基于B／S 模式开发.以Oracle 11g为后台数据库管理平台，对基础数据库和空间数据库进行统一管理，利用ArcMap工具实现地图切割、地图图层添加、图层颜色形状设置、图层属性添加、修改、删除和查询、标签属性显示、网络分析、地图文档生成等功能；利用ArcCatalog 实现GeoDatabase地图数据源生成和管理、网络数据集制作、地图服务发布和管理等功能；利用ArcToolbox实现地图切割功能.系统包括应急资源动态调度模块和方案评估管理模块，实现事故信息采集、事故地点的准确定位、调度路径的快速生成、调度机构和调度资源的可视化显示和调度方案的科学合理评估.

1）应急资源动态调度模块 采集事故信息事故发生后，接警人记录报警人提供的报警信息如路线名称、事故地点等，并且随着事故的进一步确认和发展，完善事故信息.

生成调度方案 通过分析事故信息（包括事故发生的形态，事故级别，伤亡情况等），按照一定匹配规则得出需要派遣的应急机构和调度的资源数量，并在电子地图中显示调度资源的最短路径、调度机构名称等信息.同时随着事故信息的进一步确认及其动态发展情况，进一步生成新的调度方案，补充新的应急资源.

查询、管理事故信息和管理机构信息 根据单一条件或组合条件查询事故信息和机构信息，并对事故信息和机构信息进行编辑、添加和删除.

评估调度方案 应急救援以追求响应时间最短、应急资源需求满足程度最高、应急成本最小为目标，从定性指标和定量计算（包括应急响应时间、应急成本等）2个方面对生成的调度方案进行评估，对存在问题的部门和人员提出相应的改进措施，以完善调度方案.

归档事故信息 将科学合理且实施效果好的调度方案存储到数据库，作为系统以后生成调度方案的参考，为进一步提高高速公路的管理水平提供依据.

2）评估管理模块 将已经制定的计划以列表显示，查看计划内的各调度方案的成绩，并可进一步制定针对一个或者多个调度方案新的评估计划，评估计划和评估指标可以进行查找、编辑和删除.

2.2 系统开发平台ArcGIS介绍

地理信息系统（GIS），是对有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统.常见的GIS系统中，美国ESRI公司的ArcGIS以强大的空间分析功能成为最常用的GIS软件之一.ArcGIS 桌面客户端产品包括ArcInfo、ArcView、ArcEditor等，这些客户端有统一风格的桌面应用ArcMap、ArcCatalog 和Arc－Toolbox.ArcGIS Server是GIS和网路技术结合的产物，为广域网中实现高性能的GIS 功能提供了新的解决方案［3－6］.ArcGIS Server功能分为两大部分，一部分是它本身是一个完整的、集成的服务器端地理信息系统，另一部分为开发者提供了兼容.NET 和Java的Web 应用程序开发框架（ADF）.

2.3 系统实现

高速公路应急资源动态调度系统中网络数据集创建是系统实现网络分析的前提，.MXD 地图文档生成、地图服务发布是地图可视化显示的基础，最近设施分析、缓冲区分析、Callback回调机制是系统显示调度路径和调度方案的关键，在此基础上利用ASP.NET 开发环境，调用ADF API接口，实现系统各种功能.

1）.MXD 地图文档生成 利用ArcMap工具打开已包含网络数据集的Geodatabase文件，添加网络分析的路径分析、最近设施分析功能，并在内容表中选中标签要素（label featrues）显示各属性要素的名称.

2）地图服务发布 通过ArcGIS Manager或ArcCatalog发布和管理地图服务.

3）地图显示和操作 通过ArcGIS Web控件Map控件绑定地图服务即可显示地图，通过使用Navigation 和ZoomLevel控件实现地图的移动和缩放功能.

4）最近设施分析 查找距离某地方最近的医院、机构等其他公共设施.可分为5个步骤.（1）绑定主机名、主机用户名、登录密码、发布的地图服务名，借助ADF 提供的API函数NAServer－Proxy（）获取ArcGIS Server发布服务的地图资源数据.（2）获取用户需要分析的地点名称，根据地点名称遍历地图所有图层的要素获得该地点的地图坐标.（3）通过类NAServerClosestFacilityParams的对象cfParams设置最近设施分析参数.（4）载入需要分析的地点坐标和分析的设施的坐标.（5）通过函数Solve（）分析到达事故点的最近设施，并保存分析结果.

5）缓冲区分析 ArcGIS Server Web ADF的开发没有提供缓冲区的算法，在ArcObjects中实现缓冲区需要调用ItopologicalOperatork 接口.在ArcObjects中几何对象是COM 对象，在ADF Web Controls中几何对象是ValueObjects，需要使用ArcGIS Server提供的Convert进行转换.系统在MapResourceManager控件中采用新建Graphic Layers内存图像进行缓冲图形的描绘.

6）Callback回调机制 从客户端通过XMLHttp方式调用服务器断的代码，即AJAX 技术.回调的基本过程是：客户端发出请求、服务器端响应请求并处理、服务器端以字符串的格式返回客户端、客户端使用javascript函数接收字符串、指定控件被更新.

系统实现界面如图2所示.

图2 动态调度界面

3 结束语

基于现有的国家、省部级等应急处置系统和交通应急管理与处置系统，以未来交通应急管理与处置信息化、智能化、高效化为目标，立足于高速公路交通流量大、车速快、事故伤亡率和经济损失大的特点，围绕交通安全需求，总结国内外先进经验，提出了高速公路重特大交通 事故的应急资源动态调度算法，设计了高速公路应急资源调度方案，并借助ArcGIS Server为.NET 平台提供的应用程序开发框架（ADF），实现了基于ArcGIS Server的高速公路应急资源动态调度系统软件，为高速公路应急事故处置提供辅助决策支持.

［1］濮居一.高速公路重大事故应急救援资源调度方法研究［D］.南京：东南大学，2008.

［2］秦小虎.城市交通紧急事件处理与安全系统模型及应用研究［D］.重庆：重庆大学，2005.

［3］何正国，杜 娟.ArcGIS Server开发从入门到精通［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［4］吴功和，丛明日.基于ArcGIS Server 的分布式GIS应用［J］.测绘科学技术学报，2006，23（1）：52－55.

［5］朱顺应.交通流参数及交通事件动态预测方法［M］.南京：东南大学出版社，2008.

［6］车颖涛.时间约束下的应急资源调度模型及算法研究［D］.郑州：河南大学，2007.