基于云环境的云南地震灾害快速评估与信息服务系统在巧家MS5.0 地震中的应用

郑 川，李兆隆，贾召亮，曹彦波

（云南省地震局，昆明 650224）

0 引言

云南是地震活动最为频繁、地震灾害最为严重的省份之一，云南防震减灾事业面临严峻的挑战。地震应急指挥协同服务能力是地震社会服务能力建设的核心内容[1]，在新一轮强震活跃期内如何保证地震灾情信息及时、准确地服务于各级部门，便于各成员单位部署抗震救灾工作，派遣救援力量、调配救灾物资，这对各级地震应急指挥中心应急响应和处置提出更高要求和挑战，也是地震应急公共服务的关键内容。因而，地震灾情信息快速精准研判和信息服务能力显得尤为重要。针对云南应急指挥技术使用中存在问题和云南地震应急面临的新形势新需求，在指挥中心现有基础上对地震应急指挥技术系统进行优化完善。本文将从指挥系统现状、系统构架、系统功能模块、模型理论、数据基础等方面，结合巧家5.0 级地震实例，综合分析和总结云南地震灾害快速评估与信息服务系统优化成果和存在的不足。

1 现状分析

云南地震灾害应急指挥中心经过“十五”期间建设，依托“西南行业专项”、省十项重点项目、省互联互通平台建设等项目，对云南省应急评估模型本地化研究、新架构评估原型软件设计、评估软件公有云迁移、移动端信息推送等内容进行了前期研究与试验。已经建成的传统意义上较为成熟的应急指挥技术系统，在历次省内外破坏性地震应急和快速评估中均发挥了关键作用。然而，随着云南省地震局地震应急指挥技术系统运行时间的持续增长，软件系统的设计架构、应用功能、运算效率、产品产出已不能满足当前技术发展和应急需求，在一定程度上影响了地震应急处置工作和指挥大厅各项功能的使用。汶川、玉树、芦山、鲁甸地震后，政府、社会、公众对地震应急处置的关注度达到空前，对现场灾情信息，灾害的快速评估、辅助决策信息，应急响应和救援信息等各类地震应急信息的需求更强烈，时效性要求更高，各级政府和民众对应急响应期内的科技产品服务内容、表达形式、产出速度的要求也在不断变化提升，这就对各级地震应急指挥系统提出更高要求和挑战。现有的地震应急指挥技术系统已不能满足新形势下的社会对地震应急信息服务的新要求，主要表现在：基础硬件开始老化，其计算性能、效率衰减严重，运行中出现大量的问题，维护难度、频率上升，严重影响软件系统的服务能力；现用软件系统基本是全封装式的开发，系统封闭，不能满足功能快速更新、多平台复用、移动访问、灵活迁移部署等新的应急工作需求；计算能力与计算效率较低，无法满足震后高速产出评估、决策支持资料的需求；缺少原生信息服务功能，没有对政府、地震系统、社会公众等不同用户的信息服务能力；软件对平台环境的要求较高，造成软件系统庞大，不同地区的迁移部署困难。因而，为满足地震应急救援服务技术体系标准与要求，结合新的应急需求与应用技术，对评估系统模型、算法、应急产品等多个方面进行了优化完善，拓展软件功能，丰富地震应急服务。

2 云南地震灾害快速评估与信息服务系统

2.1 系统构架

云南地震灾害快速评估与信息服务系统设计使用B/S 结构完成主体功能界面，系统设计主要使用了面向对象的设计方法基于Visual Studio 2017，数据库管理系统选用SQL Server 2012，数据库设计工具选用POWERDESIGNER 开发、公有云平台 (阿里云) 为硬件支撑平台，互联网为部署应用网段，开放式服务接口为功能实现形式。系统基于ArcIMS和ADO.NET 构建基于Web 的评估结果快速浏览系统，通过ArcIMS 进行地图的浏览、定位。对各个模型，根据业务需求生成相应的专题地图，通过ADO.NET 进行数据库查询。以往评估系统架构大多采用封闭式的架构，到后期会遇到兼容性差、不可扩展的问题。基于这点，本系统采用开放式架构，基于web 页开发，不需要安装任何软件，只需上网登录操作页面，易获得性和便利性就会大大提高。节点用户也可根据自身需求编写代码，增加软件的扩展性。

本系统和其他业务系统的通信依赖于系统总线，从测震系统获取地震的基本信息，启动评估计算，计算中向总线反馈实时计算情况，根据需要向辅助决策系统及时发送计算情况消息，启动辅助决策的计算。总线设计是为了提高扩展性，系统设计使用了通用接口技术。一方面，总线上运行的服务可使用多种协议进行通行组合，不管使用任何技术实现的服务组件，都可以无缝集成到企业服务总线上；另一方面，消息的接口是标准的XML 定义的，XML最大的特点就是高扩展性。通过对系统模块的划分和模块设计的通用性，使得模块具有很高的复用性，间接地提高系统的可靠性和稳定性。评估计算在整个软件构架中属于应用服务层，整个系统又分为后台模型计算服务和前端控制管理。模型计算服务主要负责各个评估模型的计算和结果存储，前端控制管理工具负责对模型评估计算参数的动态调整并重新请求相关计算。整体软件技术系统构架主要分为5 个层面系统构架：用户层、应用层、应用服务层、基础服务层、数据层（图1）。

图1 软件技术系统构架图

2.2 系统功能模块设计

云南地震灾害快速评估与信息服务系统能自动接收地震信息，短时间内完成自动评估、信息服务、结果自动打印等工作，在运算速度、资源使用效率、信息服务形式、日常运维难度等方面均得到了较大的提高。软件功能采用软件即服务模式进行设计[2]，为使得用户便捷地使用软件系统，系统在应用服务层提供7 个主体功能模块，利用工作流方式进行差异化组合完成（表1）。

1）应急管理模块：通过对应急评估过程进行流程配置，进行资源优化，灾情信息管理，完成评估产出结果的自动化打印。

2）快速评估模块：可通过自动获取和手动输入的方式获取地震三要素，根据不同区域特征灵活选择评估模型，控制产出专题图、文档（word、html）产出，管理计算所需弹性资源，完成地震灾害预评估；根据震后余震序列、专家意见、有感范围修正影响场范围，对评估进行动态修正，重新产出修正后评估结果，查询和下载产出的应急产品（表2）。

表1 系统功能模块表

3）应急数据管理模块：采用逐级更新的方式，完善地震应急基础数据库，达到共建共用的目的（图2）；对所有的原始、过程和结果数据统一存储和管理，根据需要选取不同时段的数据库进行数据查询和评估计算。

4）远程展示模块：采用DataView 技术，借助图形化的手段，清晰有效地传达震区基本信息和预评估结果信息（图3～4），让指挥决策者快速获取震区的基本信息和预评估结果。相比于传统图表和文本，数据可视化技术在美观性，灵活性，多维性，识别性等方面有巨大的优势。

表2 应急产品列表

5）接口管理：用于管理在接入内部系统API 或第三方API 时在系统内调用验证代码调试，接口在无授权情况下拒绝请求，保证系统安全性，通过接口授权可将系统接口外放到其他系统调用。

6）信息服务模块:基于用户类别的差异化信息推送与服务权限，为用户提供个性化信息服务（图5）。根据不同对象的不同关注点，对原有的评估报告重新设计和配置；根据关注点，如有的人关注决策信息，有的人关注基础地理资料，有的人关注震情灾情信息等，将用户建立用户组，有针对性的推送信息，实现个性化服务。

7）系统管理模块：用于对系统用户的使用权限及日志进行管理。一般权限用户只可进行评估结果查询、数据查询、数据上报；高级权限用户可以对系统所有功能进行操作，包括地震触发、数据版本控制、产出结果模板、模型控制等操作。

2.3 模型理论基础

地震灾害损失预评估工作一个系统工程，涉及到评估模型、基础数据、软件集成应用等诸多内容[3-4]。评估模型作为指挥技术系统中的核心之一，参与计算的烈度衰减评估模型、人员死亡评估模型、人员受伤评估模型、经济损失评估模型、地震应急响应、救援力量及物资等评估模型。系统优化过程中着重模型的优化选择，在收集到的数量众多的模型中，根据计算条件进行初步筛选，将无法实际运用于系统中的模型淘汰，而将剩余可用的模型进行对比后选优，即将经过初步筛选过后剩余的评估模型根据理论分析和实际震例两方面进行对比验证，留下其中较为适合云南区域特征的模型，并在软件系统中实现多模型可选功能。

图2 数据更新机制图

图3 基本信息展示

图4 评估数据展示

图5 信息服务主要内容

评估模型之间有一定的相互关系，且根据关注重点不同优先获得某些模型的计算结果，则需要能够对评估模型有效管理。系统采用动态链接库的方式[5]，每个计算模型为一个单独的模块，通过配置文件管理各模块的计算顺序和相互关系。模型的计算涉及空间和属性数据，空间数据的访问通过ArcEngine 连接SDE 引擎来完成，属性数据的访问通过ADO 连接数据来实现。系统通过一个总控模块读取配置文件，并根据配置文件设置读取和载入各个评估计算模块，在接收到计算请求后依次进行计算。根据模型优选出以下评估模型作为云南区域地震震害预评估模型理论基础。

2.3.1 烈度衰减模型

对于巧家5.0 级地震影响场的评估计算方法，采用云南地区本地化的烈度衰减评估模型进行设定地震影响场计算，算法如下：

长轴：Ia=6.595 3+1.346 7M-4.5952Lg(Ra+26)

短轴：Ib=4.891 5+1.218 2M-3.6029Lg(Rb+14)

式中，Ia、Ib 分别为长、短轴烈度；M 为震级；Ra、Rb 表示烈度为Ia、Ib 时长、短半轴的长度。

2.3.2 人员伤亡评估

对于巧家5.0 级地震人员死亡评估方法，采用滇东北地区地震烈度-震亡比模型进行人员死亡评估，对于地震造成的人员受伤估算，采用云南地区各烈度地震伤亡人数及比率进行人员受伤评估，模型参数表如表3～4。

表3 滇东北烈度-震亡比参数表

表4 地震死亡与重伤、死亡与轻伤的比例

2.3.3 经济损失评估

对于巧家5.0 级地震造成的经济损失估算，根据云南地区最高烈度计算震后总经济损失的模型进行计算，模型参数如表5 所示：

表5 云南地区经济损失计算模型参数

2.3.4 地震次生地质灾害评估

地震地质灾害评估模型是描述由于地震造成的某一烈度破坏下产生崩塌、滑坡、泥石流次生灾害的危险性及危害性[6]，模型评价单元为90 m 格网数据，进行云南区域内地震地质灾害风险等级判定（表6）。

表6 地震地质灾害风险等级

2.3.5 需紧急安置人数

对于巧家5.0 级地震需紧急安置人数的计算，采用国家标准《地震现场工作第4 部分：灾害直接损失评估》（GB/T 18 208.4—2011）算法

式中：a 为户均居住面积；b 为户均人口；c 为所有住宅房屋的毁坏面积；d 为非简易房屋的严重破坏面积；e 为非简易房屋中等破坏面积与简易房屋破坏面积之和；f 为死亡人数。

2.3.6 救援力量及物资需求评估

对于巧家5.0 级地震救援力量及物资需求的计算，根据中国地震局地质研究所聂高众研究员提出的公式[7]，按照区域特点及震级大小进行经验性评估。

救援力量需求=灾区总人口×震级系数，

抗震救灾救援力量上限为100 000 人。5 级以下地震，一般以灾区当地驻军和武警消防为主，基本不需要外地的救援队伍，震级系数如表7。

表7 救援力量计算模型参数

帐篷(顶)=帐篷计算系数×待转移安置人数×季节系数

帐篷计算系数为0.1，季节系数：春季（1.0）、夏季（0.8）、秋季（1.0）、冬季（1.2）。

2.4 数据基础

数据是震害预评估工作的核心内容，高质量的数据可为系统的预评估计算提供可靠依据[8]。地震应急基础数据库中数据是一个庞大的Shapefile 格式的关系型数据集[9]，原有的C/S 评估系统直接调用原始的基础数据，会出现较大的访问延迟和运算时繁琐而耗时的查询操作。为了进一步提升系统软件预评估计算速度，本系统使用的数据为适应算法上的优化，将原数据结构及存储方式必须进行相应的调整。改变点、线、面基础矢量数据的存储方式，以节点坐标数据方式直接入库存储，使用唯一编码与属性数据进行关联；将行政区划、经济、人口等数据进行公里格网赋值预处理，避免因过于精细的空间运算对整体软件系统造成影响；对滑坡风险、坡度、地表形态等栅格数据进行公里网格统计预处理，将原空间运算统计过程直接变更为查询统计过程，进一步减少空间运算的时间消耗。经过公里网格预处理的数据可以采用单表多列方式进行数据存储，将原本需多次空间运算的计算过程，缩减为一次空间运算，简化系统运算流程，提高系统运行稳定性。

2.5 系统运行情况

2019 年11 月完成应急指挥技术系统部署调试后，安排业务人员对系统安全性、稳定性、兼容性、联动性等功能验收测试，于2019 年12 月通过验收后在全省地震系统内部推广使用。目前省级用户35 人、州市县区用户213 人，移动推送端213 人，模拟全省地震679 个，产出应急文档和图片33 271 份，真实地震2 次，推送文档1 086 份。

3 实例应用

2020 年5 月18 日21 时47 分59 秒，云南省巧家县（27.18°N，103.16°E）发生MS5.0 地震。地震发生后，云南地震应急指挥技术系统在获取地震三要素信息后，实现指挥中心灯光系统、视频会议系统、评估系统、打印系统的自动控制开启，并在2 min内产出预评估结果，5 min 内将评估结果自动打印和信息实时推送。

3.1 2020 年巧家5.0 级地震概况

震区地处云贵低纬高原，云南省东北部、昭通市西南部。受金沙江河谷深切割和药山山峰的影响，形成了高山深切地形，地形地貌复杂，以山地为主，山地面积占全县总面积的98.9%，地势东南高、西北低。巧家全县河流均属金沙江一、二级支流，过境河流主要有金沙江、牛栏江、以礼河。境内最低海拔517 m，位于金沙江和牛栏江交汇处；最高海拔4 041 m，位于药山顶峰。震区属山地季风气候，年均气温21.0 ℃，年平均降雨量822.7 mm。地震造成云南省昭通市巧家县5 个乡镇和鲁甸县1 个乡镇不同程度受灾，4 人死亡（巧家县3 人，鲁甸县1 人，2 人因为地质灾害死亡），28 人受伤（巧家县26 人，鲁甸县2 人），直接经济总损失约10 430 万元。

3.2 预评估结果

预计最高烈度为Ⅵ度，长轴方向为NE 向，Ⅵ度及以上区域总面积385 km2，共涉及人口9.5 万人。预计本次地震共造成个别人员死亡、受伤约数十人，需转移安置约2 万人，直接经济损失约2.3 亿元，需要帐篷约2 千顶，需要救援力量数百人。存在发生小规模滑坡的可能性，有些零星的落石、塌方现象，个别地方可能造成短暂的交通破坏。

3.3 结果对比

根据云南省地震局最终发布的地震灾害损失评估报告，将2 套快速评估软件估算结果和实际结果进行了对比[10]（表8）。从评估结果看，软件模型计算值和实际值存在一定的差距。从评估响应上来说，快速评估结果时效性强、响应速度快，缺点是精度低，但在震后灾情黑箱期内，快速预评估产出灾情初判结果，在一定程度上能为指挥决策者提供提醒式信息服务。随着时间的推移，指挥部获取到的灾情信息逐渐增多，通过余震序列、震感反馈等信息的接入，会对预评估结果进行动态修正，修正后的地震灾害损失评估结果更能接近实际值（图6），对于压埋人员搜救、重点救援区域确定、紧急交通管制等具体工作的部署更具参考性。本文将近年来云南区域发生的破坏性地震应用云南地震灾害快速评估与信息服务系统进行了评估计算，对比人员伤亡与经济损失评估值与真实值（表9），可知人员伤亡预评估结果与实际结果较为接近，经济损失结果虽然还存在一定差距，但未出现数量级差异，从对比结果可以看出系统的实用性得到较大提高。

3.4 结果差异原因分析

预评估结果与实际损失结果存在差异是多方面的原因。基础数据的精度、软件系统的集成、评估模型的科学性都会影响到快速评估结果的精度。结合震区实地情况，对比云南近年来破坏性地震灾害损失，此次巧家地震人员伤亡相比云南省其他地区偏重，但相较昭通地区历史地震伤亡偏轻，地震灾害损失总体偏轻。一方面，本次巧家地震震中属于2014 年鲁甸6.5 级地震恢复重建区；另一方面，近年来，在大力推进脱贫攻坚同时，云南省先后组织实施了农村民居地震安全工程、农村危房改造工程、中小学校舍安全工程和全面改薄工程。这些工程的有效实施，大大提升了灾区房屋建筑抗震性能。灾区80%以上居住房屋为新建或加固改造过的砖混结构，地震中少数轻微破坏、多数基本完好，减灾效果明显。破坏较重的是已改为生产用房的少数老旧墙抬梁土木结构。另外，各行业基础设施未形成大范围连片破坏，地震灾害直接经济损失相对较轻。从此次巧家5.0 级地震及滇东北地区地震人员伤亡灾害特征来看，该地区次生地质灾害会造成一定的人员伤亡，而人员伤亡评估模型分区研究中，对次生地震地质灾害引起的人员伤亡暂无明确的影响因子参与评估计算。今后在系统完善中将进一步加强次生地质灾害对人员伤亡与经济损失的研究，并将相关研究成果应用于预评估计算中，不断提高评估结果的精度和可靠性。

表8 实际损失结果与预评估结果对比表

图6 预评估、动态修正影响场和真实地震影响场对比图

表9 云南地区近年破坏性地震灾害评估结果与实际结果对比表

原有评估系统与现有评估系统预评估结果存在差异。两套评估软件系统产出成果从时间尺度上来说，系统均达到了地震灾害快速预评估的要求，但明显可以看出，基于云环境的B/S 构架的快速评估系统时效性得到了较大提升，已达到“分钟级”的产出速度，且产出的应急产品从质量和数量均优于原有c/s 构架的快速评估系统；从产出的评估结果看基于云环境B/S 构架的快速评估系统产出的评估结果与实际损失评估结果更接近。评估结果的差别主要取决于评估模型的差异和参与计算数据的精细度所致。

4 认识与讨论

云南地震应急指挥技术系统采用服务接口的方式，降低软件功能更新、变更、复用的难度，减少对数据库的直接访问，减轻数据建库维护、更新、复用等工作量；使用公有云计算资源，减少硬件性能限制与维护成本；以互联网地图为底图，采用弹性计算、动态集群分布式并行计算，改变了以往软件的线性计算方式，大大提高了评估速度；使用公网开放式服务，更多地利用成熟的公网API 服务，丰富软件系统的附加功能与数据需求，并且可以为不同地区间的软件融合与功能远程调用提供基础，使软件系统的多地区迁移部署更为便捷；针对不同震级、不同用户设计地震应急科技产品，应急产品的质量与数量得到了较大改善。通过优化后，云南地震灾害快速评估与信息服务系统虽然在时效性与准确性方面得到了一定提高，但在应急产品的精细化、丰富度、标准化、服务性等方面还需要进一步完善。

地震应急基础数据库是应急指挥技术系统的基础，社会、经济在快速发展，人口流动、城乡建筑发生着快速改善，应进一步加强对应急基础数据库的细化更新工作，加快互联网+、大数据、动态热力数据与地震应急评估的基础研究，同时利用好每年地震重点危险区实地调查数据。多项措施并举将有效提高地震灾害损失快速评估结果的准确度，强化应急指挥中心信息化服务工作能力。

结合巧家5.0 级地震和指挥中心多年地震应急经验可以看出，指挥中心技术系统建设是一项长期推进的工作，需要我们加强基础数据库建设、模型本地化研究、新技术引入等方面的工作，同时利用好专家的应急经验进行结果的动态修正，确保地震灾害预评估结果快速、准确地服务于地震应急科技保障工作。