基于GIS的机场应急救援演练系统开发与应用研究

王文俊，张迎军，金雪松，王景霞，陈　勇

(中国民航管理干部学院，北京 100102)

0　引言

为了有效应对民用运输机场突发事件，民航局于2011年9月9日起施行《民用运输机场突发事件应急救援管理规则》。为进一步规范民用运输机场应急救援演练督导工作，提升机场应急救援演练水平，民航局于2013年12月17日印发《民用运输机场应急救援演练督导工作规范》。但是，目前全国各个机场在应急救援演练工作的规章落实上还存在一定差距，一些薄弱环节和问题仍然普遍存在。与此同时，民航各单位领导干部、中层管理人员在应急处置能力和指挥能力方面也缺乏有效的培训手段，民航系统迫切需要能够发现应急救援问题，并能够有效提高应急能力的手段和工具[1-4]。

为使各机场、相关单位充分了解《民用运输机场突发事件应急救援管理规则》和《民用运输机场应急救援演练督导工作规范》的内涵，使其更好地与督导组配合，协调并推进督导工作，更新、完善应急救援预案，有效组织应急救援演练工作，在国家对应急救援相关要求基础上，结合民航应急救援督导工作的实际业务规划[5-7]，提出机场应急救援演练系统的设计与建设方案。

目前，应急领域关于应急救援系统、演练系统、培训系统的研究成果较多。王杨[8]等运用真实地震模拟和快速地形绘制技术，真实表现地震受灾过程和场景，完成以计算机仿真技术与地震专业救援演练业务相结合的地震演练仿真系统；张青松[9]等构建机场应急救援GIS 空间数据库，实现应急资源数据库的数字化管理，建立应急资源调配模型，确定调配最佳方案；李牧声[10]等提出1个民航机场应急救援管理系统的设计方案，并基于GIS的ArcGlS Engine开发包，采用C/S模式，实现机场应急预警、预案管理、应急事件指挥、模拟演练等功能；徐辉[11]等根据企业应急救援工作的特点和要求，对应急救援指挥系统体系结构、设计原则和功能模块进行分析和论述，并实现对应急机构、应急物资、应急基础信息、应急通信和应急辅助决策的自动化监控和管理；王昱[12]将GIS与港口管理相融合，设计港口突发事件辅助决策与应急指挥系统，系统由危险源日常管理、救援保障资源管理、应急指挥综合管理、应急辅助决策分析和虚拟仿真应急演练等应用模块组成；刘文革[13]等重点研究基于WebGIS的煤矿事故救援系统的技术架构和关键技术，开发将应急信息管理、应急演练、应急救援等业务融为一体的救援系统，并对系统建设的数据库和主要功能模块进行介绍；曹国建[14]等通过采集和分析扬州区域所涉及化学品企业、危险化学品种类与分布、应急资源等相关信息，采用Access建立数据库，并基于Visual Basic设计和开发了危化品信息查询、危险源管理、地图信息查询、应急资源管理等系统模块；郑金光[15]等根据医院应急救援队培训工作实际，综合运用数据库、多媒体、网络集成等技术，围绕救援队能力建设，研究设计应急演练培训系统，为传统的救援培训引入信息化工具。综上所述，现有研究成果中，针对民航，特别是机场应急救援演练系统的研究较少，而机场应急救援演练系统的建设，可进一步推动民航业数字化、一体化救援体系的建设。

1　机场应急演练现存问题和系统功能需求

1.1　机场应急演练存在问题

我国民用机场应急救援演练领域主要面临如下问题：

1)“演大于练”，演练效果不佳且成本较高，尤其每3年1次的综合演练。

2)目前机场仍采用传统演练模式，先进的技术手段在演练过程和演练监控中应用较少，很难为救援能力评价提供全面客观的数据支持。

3)目前机场没有统一的应急演练标准，也缺乏对应急救援演练过程的评价体系，无法及时发现演练过程中的问题，进而无法对薄弱环节进行改进，导致实际救援中仍然存在问题，不能较好地降低事故损失、提高应急处置能力。

4)机场在应急救援培训方法和手段上缺乏创新，情景模拟和计算机仿真等先进技术和方法应用较少。

1.2　系统功能需求

针对上述问题，拟借鉴GIS的先进技术和方法，研究机场应急救援演练系统，进而降低演练成本，提高救援人员对救援程序的熟悉程度；研究更加全面的、针对演练过程的数据采集、传输、组织和存储技术，将先进技术用于演练督导过程，为完成多视角演练过程的实时播放和回放提供技术支持，为演练评价的量化分析提供更加客观全面的数据支撑；根据演练数据，研究民航事故应急救援能力的评价体系和方法，提高救援能力评估的科学化管理水平。具体系统功能需求如图1所示，包括：

1)提出基于应急预案的过程仿真模型。基于该模型的仿真系统可对应急救援应急预案所涉及的角色和指令传递，进行有效过程模拟及展示；借助系统逻辑严谨的组织和人性化的界面，相关文字和图片信息被有序组合，实现现场视频、系统操作动态痕迹、单兵和团体信息的有序对比排列，准确掌握演练进度和趋势。

2)提出基于演练过程的救援能力专家评价体系，包括评价指标体系、评价模型和评价方法，并设计相应的评价实现技术。相关评价技术依据对各演练参与者的动作干预，综合分析判断；情景按预定顺序或条件自动触发，演练进程自然展开，演练参与者被随时发生的情景带动，参演者的动作被自动记录和评估。演练后，对演练过程和自动生成的评估结果进行观察，予以综合性的专家评估，演练问题及时汇总，缺陷一目了然。

3)在技术层面提出合理的分层体系结构，为实现多源数据的采集、传输、存储、管理和展示提供支持，准确定义层次数量、各层功能以及层次之间的接口关系等。

4)设计基于移动互联网的多源数据采集集成装置。集成关键技术包括：设计适用于救援演练现场的多源数据采集和信息交互移动终端设备；设计相关移动终端的集成控制系统，包括视频稳像和高精度卫星定位技术；提出一体化数据采集及信息交互软件模型。

5)设计提出基于GIS地图的多源数据同步定位播放和点播回放方法。研究具有民航特色的场景建模技术，构建示范机场法定救援范围内空间数据和救援设施分布的GIS概要地图，根据GPS定位信息，设计基于该地图的救援资源轨迹跟踪及角色指令、音频、视频同步更新方法。

图1　系统功能需求Fig.1　System functional requirements diagram

2　系统分析与设计

2.1　系统业务流程描述

引入情景模拟评估，按照突发事件应急救援的时间顺序，模拟、演练和评估各救援主体在不同时间采取的应对措施，实现自动化、专业化相互结合的评估。在全面的系统业务流程分析基础上，可知系统业务流程包括情景设定、演练过程监督、演练回放、演练评估、情景模拟教学等5个方面。

2.1.1情景设定

情景设定包括机场运行环境、应急救援资源、突发事件本身。在航空业的演练情景设定中，涉及的具体事故情景较多，其中最为业界所关注的莫过于航空器坠毁。因此，在初次设计演练情景时，首先选择的蓝本应为航空器在机场内的坠毁，一旦设定了情景，则演练目的必然是救援力量以最快的速度赶到现场，尽最大努力抢救人的生命。

由于所设定事故情景情况严重，涉及的演练范围不仅包括传统的运行指挥、消防、医疗、公安等部门，还包括组织外部的重要相关者，如地方政府、民航主管部门等。而通常情况下，由于演练对参加人员的限制，一般仍以机场工作人员为主，必要时，邀请外部人员参与演练。在情景设定中，诸如事发航空器机型、所载人员、机上运载危险品、事发位置、事态等关键信息是必须重点考虑的，通常在系统开发中，给予一定的设定弹性。

由于演练围绕的是1个从开始到结束的闭合事件，因此应急演练的启动、终结条件是需要事先设定的，如果要进一步细化演练，情景事件过程中的关键分支环节，也是必须设定的，通常中间过程的关键分支环节可用随机方式加入演练进程，以避免演练过程的呆板、机械。

2.1.2演练过程监督

以航空器坠毁为例，其典型过程通常可设定如下：①航空器坠毁于跑道端(周边)；②航空器起火，机组开始撤离；③指挥中心接警并启动最高响应级别；④各救援单位赶赴现；⑤现场处置；⑥事态分支；⑦在一定条件下，结束现场救援；⑧部署安置和后续事宜。

对环节①、环节③、环节⑤、环节⑦中细化关键信息，并加大其评价权重；对环节⑥，根据航空器起火进展、风向等情况考虑现场处置措施；对每个环节，都细化规定动作、规定信息。

2.1.3演练回放

对演练过程进行回溯，可支持评估和指导。一般可以按照事件线索、角色线索、救援小组线索展开，1次回放按照以上3方面的单1方面或者其组合开展，可以细化到对1个具体信息、具体行动、具体协作的回放和分析。通常，借助自动化的系统平台，能实现全方位记录，覆盖演练过程中各种用户的使用痕迹，高级督导系统还需考虑用户的分类和特征，以应急决策角度为例，在应急决策过程中，有的处置者偏于保守，有的偏重于更高的风险承受。

2.1.4演练评估

系统性的评估一般通过设定相关评估标准来实现。在评估过程中，采用督导专家评估与系统自动化评估相结合实现，机场应急救援演练通常分为综合组、现场运行指挥组、地面运输保障组(包括航站楼)、飞行区组、消防组、医疗组、公安组、空管组、航空公司组等，每组按照演练检查单和评估表进行评估。

2.1.5情景模拟教学

当演练系统经过多次实际应用，在相关演练数据积累到一定程度后，对于发现的共性问题及好的经验做法，结合民航已发生的航空事故，整理编制成若干个典型案例，用于情景教学。

2.2　系统功能框架

依据应急救援演练系统的业务流程，系统功能框架主要包括资源管理、救援演练、演练回放、演练评估、演练教学、系统管理等6个子功能模块，如图2所示。

图2　系统功能框架Fig.2　System function structure diagram

2.3　系统技术架构

依据总体架构要求，整个系统平台可分为感知层、网络层、存储层、平台层和应用层，如图3所示。

1)感知层：主要涉及应急救援过程中各类感知设备的管理，主要包括视频设备、移动终端、GPS设备、对讲机等监测和通讯设备，为应急救援过程中指令下达和各类信息的采集提供支持。

2)网络层：通过网络将应急演练系统里各个层级的用户连接起来。在进行应急演练时，保证机场各个参演单位、部门、民航各监管部门能够在系统内进行信息传递和交互。

3)存储层：负责应急救援相关数据的存储管理，主要包括预案信息库、物资资源信息库、应急队伍信息库、地理信息数据库、演练视频信息库等，本层的数据存储为其它各层进行应急救援服务提供重要的数据支撑。

4)平台层：界于存储层与应用层之间，为各类应用的服务提供底层的支撑服务，主要包括指挥调度服务、GIS服务、GPS服务、图像显示服务和视频转换服务等。

5)应用层：负责提供用户需求的各项业务应用操作，主要包括信息管理、演练督导和演练评估3大部分，从而实现对机场应急救援工作的检查、演练、督导、评估的全过程管理。

图3　系统技术架构Fig.3　System technical architecture diagram

2.4　系统实现技术特点

2.4.1基于GIS技术构建应急演练系统

利用GIS实现民用机场应急救援演练过程中各种资源、人员的定位及行动轨迹的展示，如消防车和战斗员、医疗救护车和医护人员的位置和行动轨迹。同时，借助机场应急救援方格网图，可实现应急救援车辆、人员、物资等救援路径方案选择和分析，提供辅助决策的功能。

2.4.2采用基于组件的开发和分层技术

信息化系统的开发过程因系统规模的不同而有所不同，目前大部分是基于组件的开发模式，如果将应用程序比作1个积木的话，那么组件就是积木的每1个模块，组件独立存在，共同构建应用系统。组件可以是应用系统的1个功能模块，也可以是应用系统的子系统。这些组件在开发及部署上均保持相对的独立性，比较常见的基于组件开发模式的管理工具有maven、Ant等。在系统升级维护方面，更具有针对性，可实现应用系统的局部定向更新；组件具有复用性，通过多种信息交换渠道实现应用程序之间的共享；分层技术的产生解决了子系统之间的依赖关系，降低系统的耦合度，简化系统升级、维护的工作，根据应用系统的业务逻辑和业务规则，将组件划分成不同层级。

2.4.3基于J2EE开放标准

标准和开放是设计和开发机场应急救援演练系统的基本原则。系统在结构上，具有扩展性和灵活性，支持各种相应的软硬件接口，能够与多种系统互联互通。J2EE提供了1套企业级Java应用框架，使用多层分布式应用模型，将应用逻辑按功能划分为组件，各个应用组件根据所在的层，分布在不同的机器上。

2.5　系统开发环境

采用JAVA语言和MyEclipse环境进行开发。在与其他同类编程语言的比较中，JAVA具有不受平台限制、运行效率高、安全性好、可扩展性强等特点；MyEclipse作为1个成熟的开发环境，大大提高开发系统的效率，保证系统的完整性。

3　系统应用

3.1　系统功能实现情况

目前，系统已经在全国范围内重点挑选的大、中、小不同级别的10多个机场进行测试和应用，如图4所示。

1)从民航各级管理部门的角度，机场应急救援演练系统作为演练过程评判平台，通过记录演练过程，对演练步骤执行情况和预案脚本指令进行对比，实现对机场应急演练工作的科学评判，相关管理部门可依据系统情景库随机抽取生成应急演练脚本和调理方案，对机场演练过程进行督导，检验机场演练中各角色执行过程与预案贴近程度。

2)从机场的角度，机场应急救援演练是模拟演练平台，机场应急救援总指挥、机场消防指挥官、公安指挥官、医疗指挥官及其他救援人员通过系统，可以熟悉应急救援宏观层面的规则、程序、方法，通过有的放矢的演练，来提升突出事件应对能力和处置能力。

3)从民航应急救援演练资源管理的角度，利用空间地理信息技术，通过电子地图静态展示机场建筑内部结构、机场跑道、消防设施地理位置；动态展示参与救援演练人员、车辆移动轨迹，资源的使用情况以及设备的运行状况，可为应急救援演练行动指挥提供决策依据，为演练效果评判提供数据支持。

4)从民航应急救援演练技术的进一步研究角度，通过应急救援演练过程数据的记录和积累，可进一步深挖行业考核指标，进而构建相关的应急演练业务规范和信息化标准体系。

图4　应急救援演练系统应用Fig.4　Emergency rescue drill system actual application

3.2　系统下一步发展方向

1)机场应急救援演练系统是个全新的系统工具，对于机场和民航各级监管部门，尚需一定的逐渐适应过程，而从系统的角度，尚需在不断实践中，进一步提高系统的操作性和人机友好性。

2)目前系统中突发事件情景库还需进一步补充和完善，增加民航业其他类型的突发事件，如劫机事件、航站楼群体事件等。

4　结论

1)深入分析机场应急救援演练业务流程，进而提出符合航空业典型事故情景的应急演练系统需求。

2)设计并实现基于GIS的机场应急救援演练系统，提出民用机场应急救援演练、培训全过程的信息化、集成化、标准化的技术路线。

3)为了更好地服务于机场应急救援演练，在情景库、系统操作性及人机友好性等方面进一步开展深入研究将是未来重点发展方向。

[1]王文俊, 熊康昊. 基于“情景-任务-能力”的民航应急管理体系建设[J]. 交通企业管理, 2015, 30(1):59-61.

WANG Wenjun，XIONG Kanghao. Based on the scenario - task - ability of civil aviation emergency management system [J]. Transportation Enterprise Management，2015，30(1)：59-61.

[2]国家安全生产监督管理总局. 国家安全监管总局关于进一步加强安全生产应急平台体系建设的意见[EB/OL].(2012-09-10)[2016-08-17]. http://www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_5330/2012/0910/177801/content_177801.htm.

[3]刘铁民. 突发事件应急指挥系统与联合指挥[J]. 中国公共安全(学术版),2005,(Z1):31-35.

LIU Tiemin. Emergency command system and joint command[J].China Public Security(Academy Edi-tion),2005,(Z1):31-35.

[4]黄宏纯. 应急管理科技支撑体系研究[D]. 武汉：武汉理工大学, 2013.

[5]刘铁民．重大事故应急处置基本原则与程序[J]．中国安全生产科学技术，2007，3(3)：3-6.

LIU Tiemin. Basic respond principle and procedure of the major incident [J]．Journal of Safety Science and Technology，2007，3(3)：3-6.

[6]刘铁民．应急体系建设和应急预案编制[M]．北京：企业管理出版社，2004.

[7]李湖生，刘铁民. 突发事件应急准备体系研究进展及关键科学问题[J]．中国安全生产科学技术，2009，5(6)：5-10.

LI Husheng，LIU Tiemin. The research progresses and key scientific problems on emergency preparedness sys-tem[J]．Journal of Safety Science and Technology，2009，5(6)：5-10.

[8]王杨，范植华. 地震救援演练仿真系统的研究[J]. 计算机仿真，2013，30(1):404-408.

WANG Yang，FAN Zhihua. Research on earthquake rescue drilling simulation system [J]. Computer Simulation，2013，30(1):404-408.

[9]张青松，董艺云. 基于GIS的民航突发事件应急演练方法[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2015，37(4):499-502.

ZHANG Qingsong, DONG Yiyun. Drill method of civil aviation emergency based on GIS [J]. Journal of Wut (Information & Management Engineering)，2015，37(4):499-502.

[10]李牧声，齐焕然，王奇. 民航机场应急救援管理系统的设计与实现[J]. 计算机工程与设计，2011,32(11):3692-3695.

LI Mushen，QI Huanran，WANG Qi. Design and realization of aviation emergency and rescue management system [J]. Computer Engineering and Design，2011，32(11):3692-3695.

[11]徐辉, 杨华运, 温晓虎,等. 企业应急救援指挥系统的研究[J]. 工业安全与环保, 2008, 34(10):48-50.

XU Hui，YANG Huayun，WEN Xiaohu，et al. Research on enterprise emergency rescue command system [J]. Industrial Safety and Environmental Protection，2008,34(10):48-50.

[12]王昱. 基于GIS 的港口突发事件辅助决策与应急指挥系统研究[J]. 交通信息与安全，2014，32(1):110-116.

WANG Yu. A Decision-making and emergency command system of port emergency defense based on GIS[J]. Journal of transportation information and safety，2014，32(1):110-116.

[13]刘文革，于雷. 基于WebGIS煤矿事故应急救援系统的研究[J]. 中国安全科学学报，2010，20(1):71-76.

LIU Wenge，YU Lei. Study on coal mine accident emergency rescue system based on Web GIS [J]. China Safety Science Journal，2010，20(1):71-76.

[14]曹国建，姚干兵. 危险化学品事故防控应急救援联动系统的开发与设计[J]．中国安全生产科学技术，2012，8(8)：116-120.

CAO Guojian，YAO Ganbing. Development and application of emergency rescue&linkage system in hazardous chemicals[J]．Journal of Safety Science and Technology，2012，8(8)：116-120.

[15]郑金光, 张文静, 杨炯,等. 应急演练培训系统的研究与设计[J]. 中国急救复苏与灾害医学杂志, 2016, 11(7):698-700.

ZHENG Jinguang，ZHANG Wenjing，YANG Jiong，et al. Research and design of emergency training system [J]. China Journal of Emergency Resuscitation and Disaster Medicine，2016，11(7)：698-700.