震后综合灾情信息平台设计与实现

王 涛 杨久东 侯金亮

(河北联合大学矿业工程学院， 河北 唐山 063009)

地震是威胁我国城市安全的重要灾害之一。当前科学技术很难实现准确的震前预报，因此在地震发生后，有这样一个系统能及时准确地发布震害情况，辅助支持救援是减轻地震灾害的重要途径。如果在地震后不能对灾害链作用下可能的灾情损失进行及时准确预测并采取有力的应急救援行动，则会导致地震损失的进一步扩大，造成更加严重的后果[1]。例如玉树地震后，救灾物资需求估计不够准确，大批救援车辆拥堵在西宁 — 玉树的公路上，影响了救援物资的送达。可见及时准确的灾情监测及发布是应急救援、减轻地震灾害的重要手段。综上所述，交通生命线震后综合灾情信息平台对震害灾情信息发布和应急救援具有重要意义。

1 系统开发工具的选择

由于系统涉及矢量图形、栅格图形、图片格式以及各种类型的GIS数据文件，这就需要有一个功能强大的数据库来管理这些数据文件。综合比较，设计中选用了PostgreSQL作为后台数据库，原因是该数据库能够对空间数据进行存储。系统平台开发采用ASP. NET+JavaScript的开发模式，采用BS结构，并结合Geoserver与OpenLayers等当今流行的开源GIS开发。其优点为：系统对客户端计算机的配置要求低，系统容易分发，提高了灾害处理与救援的工作效率；数据管理简单方便，在BS架构的软件只需要管理服务器就能向用户发布最新的救灾实时信息。

2 系统结构

交通生命线震后综合灾情信息平台的服务对象不仅包括救缓部门和医疗部门，还包括为普通民众获取灾情及为政府辅助决策，用户主要为处在灾区第一线的人员。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图

3 系统功能及道路数据结构设计

3.1 系统功能

交通生命线震后综合灾情信息平台是以GIS为技术支持，解决地震后灾情发布不及时、应急路线分析不准确的问题，且在第一时间对震后道路进行风险评估的专题应用型信息系统。系统共分为用户管理模块、地图基本操作、灾区信息数据查询功能、用户地图标绘、道路数据实时管理、交通网络应急调度和道路损毁风险评估这7个模块(图2)。

图2 系统功能结构图

(1)用户登录管理模块

该模块的主要功能是对不同权限用户的管理，将系统分为3种权限级别的用户：Guest用户、Common用户和Manage用户(图3)。Guest用户是大众用户和进入主页的默认用户，权限等级最低，只有地图浏览、地图空间查询及地图标绘的功能。Common用户比Guest用户高一级，主要权限包括Guest用户的全部权限及对交通网络应急调度和调度方案的动态评估。Manage用户级别最高，包括了上述的全部功能。

图3 系统流程图

(2)地图基本操作

该模块主要分为2个部分：地图视图操作和图层控制管理。地图视图操作模块包括地图的放大、缩小、自由缩放、漫游、全幅显示、刷新、鹰眼、测量距离及测量面积等。图层控制管理模块包括图层列表功能、图层选择性显示功能以及不同风格显示地图开关。图层列表功能：将已经加载到网页中的各图层数据以列表的形式显示，图层控制器结构见图4。

图4 图层控制器结构图

(3)灾区信息查询功能

该模块的查询功能主要包括：空间位置查询、重点关注区域查询、灾区实时路况信息和灾前灾后影像对比。

空间位置查询：查询用户所需地名的空间位置。

重点关注区域查询：①道路信息查询，包括道路受阻点的查询；道路运行情况查询；道路基本信息查询。②地质灾害点信息查询，包括按灾害类型查询；按县或乡镇查询；按灾害点名称查询。③地质灾害易发区信息查询，包括按易发区位置查询；按易发区等级查询。

灾区实时路况信息：查询用户所需路况信息，并将道路信息显示在地图上。

灾前灾后影像对比：显示灾前灾后的影像。

(4)用户地图标绘

该模块主要包括：态势标绘和自由标绘。态势标绘：用户可以利用操作面板上提供的态势标绘工具对灾情进行标绘。自由标绘：用户可以在地图窗口中根据自己需要自由标绘内容。

(5)道路数据实时管理

该模块是为灾害发生后道路数据修改设计的，其主要目的是实现灾害发生后实时反应道路运行情况，为救援活动提供交通和路径信息。

(6)交通网络应急调度

在处理灾情时，主要考虑的元素有道路、应急物资所在点、救援队所在点和灾情点，研究道路网络的连通性、救援路径分析。因此该模块主要包括：应急救援最短路径、应急救援最优路径和最佳救援位置确定。将整个道路网络看作网络分析中的网络，通过不断更新道路、桥梁等的破坏信息，对道路网络进行更新，对那些已经遭到破坏的道路或桥梁，将其看作阻塞点，这样只需在震后的道路网络基础上进行分析即可。当得到路径结果后，可以实时通报给救灾分队，并实时修正路线结果，实现救援时的应急指挥。

(7)震后道路损毁风险评估

该模块的功能主要包括：道路损毁风险评估和评估成果统计。道路损毁风险评估是建立损毁风险评估模型，综合考虑道路震害因子(如地震烈度、设防烈度)以及次生地质灾害对道路的损毁情况，最后以道路通行率进行表示并发布。评估成果统计即通行率的统计，按震区道路等级、路名及风险等级进行统计，最后以图表形式表示并发布。

3.2 道路数据设计

平台主要数据库是道路空间数据库，其数据库建模的思想是：以道路为建模核心并考虑轨道、桥梁、车站、隧道及其他交通设施信息，辅以道路交叉口作为复杂结点，并着重考虑应急救灾条件下突发事件对路网的影响[2]。具体是采用将道路的基本属性(如道路名称，道路长度)、静态交通属性(如：车道数量，通行车辆类型)及动态属性(如：车辆速度，拥堵情况，突发地质灾害事件)相互分离的方式来进行组织，把大量道路路段上的道路信息和交通信息等保存在道路上，以道路交叉口结点作为重要要素，使得结点适当复杂化，在加入路段约束、交通代价等信息的同时也荷载轨道、桥梁、车站、隧道等其他交通设施信息；同时，加入应急救灾条件下突发事件对于交通生命线的影响。交通生命线信息模型见图5。

图5 交通生命线信息模型

4 平台关键技术实现

4.1 交通网络应急调度

系统采用C#语言实现A*算法，主要包括3种路径：最短路径、最佳路径及最可靠路径。用户通过网页平台输入需要分析的位置或地点(如起点和终点)，通过Openlayers+geoserver得到坐标串，然后用C#写的A*算法分析路径，最后通过JSON数据返回给用户。 A*算法是在搜索过程中加入相关的启发信息，不断地指导搜索向目标方向进行，其搜索速度快，搜索效率高，是目前应用较为广泛的一种启发式搜索算法[3]。A*算法的关键之处在于对估价函数的设计，从当前节点考察下一个节点的估价函数为：f(n)=g(n)+h(n)，其中f(n)表示第n个节点的估价函数的总代价，g(n)表示从初始节点到第n个节点的各种代价之和，h(n)是从n节点到目标节点的估算代价。h(n)体现了A*搜索算法的启发信息，能否找到最短路径(最优解)，对h(n)的选择起关键性作用，这里对h(n)进行如下选取：

(5)

式中：pk— 各种代价，包括距离，可靠性，饱和度，旅行时间及通行能力；wk— 各种代价的加权之和。

交通生命线应急调度流程见图6。

图6 交通生命线应急调度流程图

在平台中实现截图如图7和图8所示，图7为没有添加道路阻塞点时，利用A*算法分析的路径，图8为添加了道路阻塞点后分析的结果，结果避开了阻塞点。

图7 无道路阻塞点路径分析结果

图8 有道路阻塞点路径分析结果

4.2 道路损毁风险评估

评估模型参考了中国建筑科学研究院工程抗震研究所陈一平、陈欣提出的震害预测模型[4]，它考虑的道路震害因子主要有：地震烈度、设防烈度、路基土、场地类别、地基失效与否、路基类型和路基高差。在中国震后受次生地质灾害影响比较大，因此加入了次生地质灾害评估模型，该模型参考了中国地质大学彭令、牛瑞卿提出的模型[5-6]。最终的道路损毁风险评估模型为：

式中：indi— 第i条道路的平均震害指数；Xij— 第i条道路第j个震害因子所对应的量化值；Yi— 第i条道路受次生地质灾害因素影响所对应的量化值；v— 道路通行率。

次生地质灾害风险评估等级分为4级：低危险区、中危险区、较高危险区和高危险区。根据道路所处的震后次生地质灾害对应区域，将次生地质灾害相应道路损毁的影响量化，同时也将道路震害因子如地震烈度、设防烈度等进行量化取值，在道路属性数据库中得到通行率，最后通过通行率进行分级。平台对统计部分首先进行查询得到数据，然后序列化成JSON数据，传输至客户端后用amcharts进行表达显示。道路损毁风险评估的实现见图9。

图9 道路损毁风险评估的实现

5 结 语

震后交通应急调度是救灾工作中的一个重要环节。本文针对震后救灾工作的需要，进行了基于OpenLayers+Geoserver的交通生命线震后综合灾情信息平台开发实践，平台经过调试，各项设计功能均已实现，可为用户提供实时灾情数据、可靠的路径分析及可能发生次生地质灾害路段预警，具有良好的可扩展性，是辅助应急救援的一种工具，是灾后应急决策支持系统的子系统，对于提高救援效率有现实意义。

[1] 李永义,李伯权,储浩.交通生命线系统震后应急调度模型及方法[J].南京工业大学学报:自然科学版,2011,33(1):33.

[2] 葛雷.新型路网模型及路径搜索算法研究[D].上海:同济大学,2008.

[3] 贾庆轩，陈钢，孙汉旭,等.基于A*算法的空间机械臂避障路径规划[J].机械工程学报，2010,46(13)：109-115.

[4] 陈一平,陈欣.公路路基路面的震害预测[J].工程抗震,1993(3):40-45.

[5] 彭令,牛瑞卿,赵艳南,等.区域滑坡灾害风险评估：以长江三峡库区秭归县为例[J].吉林大学学报：地球科学版,2013,43(3):891-901.

[6] 彭令,牛瑞卿,陈丽霞.GIS支持下三峡库区秭归县滑 坡灾害空间预测[J].地理研究,2010,29(10):1889-1898.