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基于GIS的应急预案过程动态推演模拟技术研究
2010年8月4日    评论:    分享:

    来源:互联网

    作者:张 欣 钟耳顺

 

    摘 要:采用图形标绘的方法表达应急预案中的相关要素,并为标绘的图形符号添加各种动画来模拟预案要素随时间的动态变化;采用预案态势演播工具播放预案。

 

   现代社会中难免会出现各种各样的突发事件,如各种刑事案件、自然灾害、人为事故等,这些事件通常会带来严重的人员和财产损失。制定合理、有效的应急预案可以在突发事件发生时快速地作出处理决策,减少事件带来的危害。同时,突发事件的处理时效性要求非常高,处理过程涉及大量的数据,这些数据既有属性数据又有空间数据。GIS 可以支持大数据量以及影像数据,处理速度快,可靠性、稳定性高,支持复杂的图形符号等,因此,在应急事件的处理中,离不开GIS 技术的有效支持。

 

    基于GIS 的应急预案动态推演模拟技术主要是借助于GIS 技术、计算机技术等对应急预案制定的救援过程进行模拟演练,检验预案的合理性和有效性,并对预案进行进一步完善,以保证在突发事件发生时能够迅速、有效地采取应对措施。

 

    1、基本概念

 

    1. 1  应急预案

 

    应急预案是根据历史经验编制的针对可能的重大事件或灾害的应急措施,包括针对此类事件应该派遣的应急救援队伍、车辆、如何选择人员疏散路线等信息。应急预案是一个救援行动进展的过程,制定预案的目的主要是在发生突发公共事件时能够迅速、有效地开展救援行动,减少事件损失。

 

    应急预案库中存储了许多制定好的预案,在重大事件发生时,根据事件信息等关键词可以在预案库中检索、组合,得到几个初始的处置预案供指挥人员参考、选择,指挥员根据实际情况,快速作出处理决策。同时,对突发事件的响应执行过程可以进行检验,根据实际的处理过程对预案进行评价和完善。

 

    1. 2  动态模拟

 

    动态模拟是指以动画的方式处理动态模拟对象,以模拟实体目标随时间的变化、所产生的行为和事件等的可视化方法。动态模拟的结果以计算机动画的方式来体现,但是,动态模拟与计算机动画有所区别: ①它们所用的背景不同,计算机动画具有一个或者多个固定的背景图像,动态模拟的背景是GIS 中的地图; ②计算机动画常以夸大的手法进行目标的处理,而动态模拟对象的各种动作行为是建立在真实的地理信息基础上的。因此,采用动态模拟的方式表达应急预案过程更加合理。

 

    1. 3  复合图形符号

 

    地图符号为空间地理信息的抽象符号,用于表达地理实体,地图符号是经过专门设计和事先约定的,可以反映地物、现象和地学过程及其位置和数量特性。地图符号主要包括点、线、面等。复合图形符号是指一组由实际地物要素抽象出来的更加复杂的图形符号,这些符号主要是复杂的要素或要素运动变化的抽象,如飞机、汽车、人员、爆炸点、救援队伍前进方向等符号。复合图形符号主要包括点、线、面、文本等类型,符号的显示风格主要包括颜色、大小、方向、衬线、填充、渐变等。通过复合符号制作工具可以制作各种复合图形符号,以满足实际的需要。

 

    1. 4  图形标绘

 

    图形标绘是指将代表预案要素的各种复合图形符号标绘到地图上,以表达预案要素的实际内容及空间位置。地图是空间信息的重要表达形式,GIS 系统中可以直观地浏览地图信息,标绘的复合图形符号可以表达预案中的各种要素。标绘的复合图形符号所在的图层被称为标绘图层,将标绘图层叠加在底图(地图) 上形成了预案态势图。通过预案态势图可以直观地了解预案相关基础地理信息和预案要素的分布。

 

    2、预案推演模拟

 

    2. 1  符号动画

 

    在地图上标绘复合图形符号可以表现应急预案处理过程涉及的众多要素;同时,为了体现预案的执行过程随时间的变化,可以为图形符号添加各种动画体现动态性,如救援队伍到达事故现场进行救援、爆炸事故现场人员的紧急疏散等。图形符号动画类型主要包括移动、闪烁、缩放、变形、显隐等。

 

    1) 移动。通过符号位置的移动可以直观表现实体要素的运动路线、运动速度、运动的时间等信息。在添加移动动画时,需要在地图上绘制移动路线,这条路线由多个移动点( X1 , Y1 , T1 ) ,( X2 , Y2 , T2 ) , , ( Xn , Yn , Tn ) 组成, ( X , Y) 值为坐标点, T 为实体运动到该点的时间,每一个移动点的坐标和时间被存储下来, 根据这些已知移动点的信息采用内插方法可以计算实体要素在移动时任意时刻的位置。

 

    2) 闪烁。在闪烁动画的执行时间内,使符号颜色按照规定的时间间隔交替变化, 或者交替地出现和隐藏。闪烁动画主要用于体现一些重要的要素,或者正在发生变化的要素,如事故附近重要的人防工程、正在燃烧的建筑物等。

 

    3) 缩放。在缩放动画的执行时间内,符号的大小可以按照规定的频率放大和缩小, 符号可以由大向小或由小向大缩放,同时可以对缩放的倍数进行设置。缩放动作可以体现要素属性随时间的变化,如表现爆炸的炸点图形符号缩放可以使爆炸过程更加形象、生动。

 

    4) 变形。在变形动画的执行时间,符号的形状产生变化, 变化的具体情况根据符号变形点( X1 , Y1 ) , ( X2 , Y2 ) , , ( Xn , Yn ) 的坐标变化确定。不同的图形符号变形点个数不同,在变形动作的程序实现中,主要存储变形动作的开始、结束时间、各个变形点变化后的坐标位置。在变形动画播放时,根据这些变形点的坐标采用内插算法得到图形符号每一个时刻的坐标位置,然后在该位置重新绘制出来。

 

    5) 显隐。在显隐动画的执行时间,符号出现或者隐藏。显隐动画可以表现被毁伤或者离开的实体要素,如意外发生的爆炸属于突然出现的要素。在程序实现中,主要采用符号的绘制或者不绘制来体现显示或者隐藏。

 

    6) 属性变化。在动画的执行时间,即某一时刻符号的属性发生变化,如颜色、衬线色等,主要表现预案要素随时间推移的性质改变,如战役中我军攻陷敌军阵地,阵地指挥所的符号通常由蓝色变为红色。

 

    7) 符号改变。在动画的执行时间,符号本身改变,以表示要素信息发生本质的改变。

表1  符号动画的参数表
表1  符号动画的参数表

 

   每一个图形符号可以添加多个动画,这些动画可以是同种类型或者不同类型的,因此可以表现更加丰富的预案态势信息。

 

    2. 2  动态地图推演

 

    为了使预案推演模拟过程更加逼真,可以采用图形符号动画和地图推演相结合的方式模拟预案过程。在GIS 系统中,可以把当前地图窗口的显示范围称为一个地图场景。在应急预案推演模拟过程中,不同时段关心的地图场景会发生变化,因而需要在特定的时刻将地图场景切换为感兴趣的场景。在推演模拟数据的制作过程中,预先存储一些地图场景,在规定的时间将地图窗口快速切换到存储的某一个场景,使预案数据的推演过程更加形象、生动。每一个地图推演场景需要存储场景名称、场景的执行时间、地图中心点、地图比例尺等参数。

 

    3、预案态势演播工具

 

    3. 1  播放预案数据

 

    在基础地图上标绘的各种复合图形符号是应急预案要素的抽象表达,添加的符号动画可以表现预案要素随时间的变化,这个标绘和添加动画的过程称为预案数据的制作过程。通过态势演播工具可以播放预案数据,直观地查看预案的整个过程。演播命令主要包括播放、暂停、停止、设置播放速度。

 

    3. 2  播放声音文件

 

    为了增加预案数据的真实性,在推演模拟之前编辑脚本文件,可以为播放过程添加脚本命令,如播放声音命令,在推演过程中加入音效效果。

 

    3. 3  时间比例尺设置、

 

    播放预案数据之前可以设置播放的时间比例尺。时间比例尺是表达预案数据播放时间和真实时间比例的,时间比例尺越大,预案推演模拟速度越慢,有利于查看预案的局部过程;时间比例尺越小,预案推演模拟速度越快,有利于查看预案的总体过程。在播放预案数据时,可以根据需要设置时间比例尺。

 

    3. 4  查看任意时刻态势

 

    在播放预案时,播放滑动条根据播放的进度自动调整滑块位置。因此,根据滑动条的当前位置,可以了解预案播放的进度;在没有播放的情况下,拖动播放滑动条可以在地图上查看任一时刻的预案态势。

 

    4、预案模拟数据组织方案

 

    一个完整的预案模拟数据由基础数据、预案数据、时序脚本数据3 部分组成。基础数据主要包括行政区划、道路交通、水系、植被、居民点、建筑物等,通过这些数据可以了解某地区的地理环境,进行地理空间分析,基础数据可采用SuperMap SDX 进行存储。数据集、数据源是SDX 使用的重要概念,数据集是由同种类型数据组成的数据集合,如点数据集、线数据集、文本数据集、CAD 数据集等。数据源是由各种类型的数据集组成的数据集集合。

 

    预案数据是应急预案推演模拟的核心数据,它采用CAD 数据集进行存储,同时各个复合图形符号的动画信息采用二进制形式和图形符号统一存储。CAD 数据集是一种复合数据集,支持各种复合图形的标绘,如应急救援工作中涉及的爆炸点、救援车辆、救援人员、选择的疏散路线等。

 

    时序脚本数据也是一个CAD 数据集,脚本数据中存储一系列的脚本命令,如播放语音文件命令、地图场景命令。一个命令就是一条数据记录,这些记录内容主要包括命令类型、开始时间、结束时间、具体命令参数等,不同命令的命令相关参数是不同的,这些参数采用二进制形式存储。

 

    5、应 用

 

   城市居民防空疏散预案的制定对人民防空工作至关重要,对该预案进行模拟是了解整个居民疏散预案过程和检验预案合理性的有效方法。作者采用本文提出的预案推演模拟方法,制作了一个城市防空应急预案模拟数据,该预案数据基于城市的影像和矢量地图制作。预案模拟的主要过程是:某大楼遭空袭打击;事件发生后,防空警报拉响;医疗、消防、武警、公安、防化、交警等根据需要迅速赶往现场进行处理、救援工作;查找附近的防空设施,选择最佳疏散路线,对居民进行紧急疏散。具体过程如图1 所示。

图1  防空袭居民疏散预案模拟
图1  防空袭居民疏散预案模拟
Fig. 1  Simulation of the Emergency Plan 

    在制作该预案过程中,通过标绘图形符号表现预案中的各个要素,然后为图形符号添加各种动画体现要素的行为变化,如采用移动动画表现救援队伍赶往事故现场进行救援的过程。另外,图形符号的移动路线是基于地图上的路网数据设计的。

 

    通过研究表明,在人所获取的各种信息中,通过视觉而得到的占60 %以上[4 ] ,因此,将应急预案过程进行可视化的展现对了解预案、查看预案合理性等都具有重要意义。但是,目前许多应急预案是一些文档性质的说明文件,这种文件内容不够直观。应急预案中的许多要素是与地理位置关联的,并且要素会随时间发生变化,可视化地展现这些信息就成为制定、分析预案时的迫切需要。

 

    6、结 语

 

    预先制定应急预案可以对突发事件快速作出反应,是减少生命财产损失的重要途径。采用GIS 技术进行应急预案过程的动态模拟可以直观、全面地了解预案过程,根据GIS 中的空间、矢量、影像数据还可以分析预案的合理性,这对应急预案研究也是一个重要的技术支持。

 

    本文对突发事件应急救援过程的模拟技术进行了研究,提出的应急预案模拟方法已经在应急救援软件系统中得到了实现。需要指出的是,本文提出的方法不仅可以模拟应急预案救援过程,也可以应用于战场态势推演;不仅可以模拟现在的、将来的态势,也可以对过去的各种随时间变化的态势进行模拟。

 

    参 考 文 献

 

    [1 ]  何忠焕,边馥苓. GIS 系统中二维地图推演技术的研究[J ] . 武汉大学学报·信息科学版, 2005 , 30(1) :69271

 

    [2 ]  李仁杰,张军海,刘劲松,. 城市居民防空疏散调度模拟系统设计与实现[J ] . 测绘通报,2005 (4) :53255

 

    [3 ]  靳肖闪,张国富,李军,. 基于GIS 的应急调度关键技术研究与实现[J ] . 计算机工程,2004 ,30 (20) :1802182

 

    [4 ]  江斌,胡毓钜. 地图视觉化———现代地图学的核心[J ] . 地图,1995 (2) :327

 

    [5 ]  吴鹏,祝江汉,邱涤珊,. 作战态势推演系统研究[J ] . 装备指挥技术学院学报, 2005 ,16 (2) :38242

 

    [6 ]  周书民,徐洪珍,刘玲. 分布式消防预案演示系统的设计与开发[J ] . 计算机系统应用,2004 (12) :56257

 

    [7 ]  Geoff rey M J , Dunrie A G, Andrew M K. Designand Implementation of a Space2Time IntelligenceSystem for Disease Surveillance[J ] . Journal of Geo2graphical Systems ,2005 (7) :7223

 

    第一作者简介:张欣,博士生,主要研究方向为地理信息技术开发与应用。

标签:GIS应急预案推演军事
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