地震烈度協(xié)同評估模式研究與設計1

楊天青 姜立新 席 楠 張維佳 文鑫濤

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

引言

破壞性地震，尤其是重、特大破壞性地震致災迅速、成災面廣、災種多、災情重，易造成各種次生災害。這些災害的成因、種類、規(guī)模、成災特征各不相同，災情演變十分復雜。一方面，無法單獨依靠某一種途徑或某一部門形成高效的災情快速獲取網(wǎng)絡，另一方面，也無法單獨依靠某一領域或某一行業(yè)的專家對這些災害發(fā)展演變趨勢做出較為客觀的評估。因此，在當前嚴峻的地震形勢下，建立依靠多途徑災情匯集和多學科專家共同參與的協(xié)同評估工作環(huán)境尤為迫切。

目前，中國地震局通過“十五”數(shù)字觀測網(wǎng)絡項目和“十一五”社會服務工程項目，初步形成了中國地震局應急指揮中心縱向連接應急管理部、31個省級指揮中心和部分市縣指揮中心（或臺站）的4級聯(lián)動，橫向連接專家協(xié)同單位、地震專業(yè)協(xié)同單元的3層協(xié)同地震應急聯(lián)動協(xié)同網(wǎng)絡支撐技術平臺（姜立新等，2012），為建立地震災害協(xié)同評估工作環(huán)境提供了必要的基礎設施支撐條件（平臺基礎）。但是，具體應急協(xié)同工作模式和工作方法尚未明確。為進一步發(fā)揮協(xié)同工作平臺在應對重、特大地震時的優(yōu)勢作用，集中多指揮部、多學科專家的技術力量和經(jīng)驗，提高震后初期對地震災害規(guī)模判定的準確性，本文以地震烈度評估為主要研究對象，從協(xié)同評估模式、協(xié)同方式、評估方法支撐等關鍵環(huán)節(jié)展開研究，初步設計了1套基于地震行業(yè)專家資源協(xié)同工作的地震烈度快速評估模式，并建立了相應的原型系統(tǒng)。

1 地震烈度評估現(xiàn)狀

根據(jù)近年來歷次中強地震烈度評估的經(jīng)驗總結，并按照評估內容和時間順序，可大致將地震烈度評估劃分為地震烈度快速評估、地震烈度修正評估和地震烈度現(xiàn)場評估3個階段。地震烈度快速評估主要依據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計的地震烈度衰減模型（汪素云等，2000；周中紅等，2010；譚明等，2011；王曉軍等，2012），快速估計地震可能造成的影響范圍（李樹楨，1995），一般在震后15分鐘內完成；地震烈度修正評估是指在地震烈度快速評估之后、正式發(fā)布地震現(xiàn)場調查烈度之前，根據(jù)實時獲取的各類災情信息、震情信息以及震源破裂信息等，并結合專家經(jīng)驗對快速評估結果進行不斷修正的過程（帥向華等，2009；陳鯤等，2011；王曉青等，2015；楊天青等，2016）；地震烈度現(xiàn)場評估是指地震現(xiàn)場工作隊到達現(xiàn)場對實際震害進行抽樣調查之后，開展的評定實際地震烈度分布的過程1中國地震局震災應急救援司，2015.中震救發(fā)［2015］53號_關于印發(fā)《地震烈度評定工作細則》和《地震災害評估工作細則》的通知.。

綜上所述，在地震烈度評估過程中，地震烈度快速評估和地震烈度修正評估主要依靠經(jīng)驗統(tǒng)計模型、學科專業(yè)知識和專家經(jīng)驗，在一定的技術系統(tǒng)支持下，由后方指揮部產(chǎn)出，其結果直接作為震后應急指揮決策的重要參考依據(jù)，同時也是開展地震現(xiàn)場烈度評定的參考資料。因此，提高地震烈度快速評估與修正評估的效率和評估結果的準確性，對制定科學有效的應急救援決策建議具有重要的意義。

按照目前的應急烈度評估工作模式，在接收到正式地震速報參數(shù)后，各任務承擔單位立即啟動相關技術系統(tǒng)，開展烈度評估及相關學科科技產(chǎn)出工作，產(chǎn)出結果統(tǒng)一以文件的形式共享到文件共享平臺上2中國地震局，2015.中震函［2015］236號_關于加強局屬單位應急科技產(chǎn)品產(chǎn)出和報送工作的通知.。工作模式是分頭工作、共享結果文件，相互之間的協(xié)同工作主要依靠文件交互實現(xiàn)。從文件交互以及再利用的角度分析，往往需要人工查找打開文件、關鍵信息提取、信息輸入、方法重建以及文件重建等步驟才能完成交互結果的分析與利用，時間成本大且容易出錯，很難滿足震后應急工作對響應時效的要求，同時也不利于學科知識和評估方法的集成與利用。

2 協(xié)同評估模式

協(xié)同工作的實質和目的是利用多媒體計算機和通信技術建立協(xié)同工作的環(huán)境，人們可在此環(huán)境中相互合作，共同工作于1個產(chǎn)品、研究領域、項目，或求解1個學術上的難題（李人厚等，1997）。按照人們所處的地點和工作時序，協(xié)同工作模式可分為同時同地、同時異地、異時同地和異時異地4種情況（圖1）。

基于協(xié)同工作理念，地震烈度協(xié)同評估工作的模式設計將地震烈度快速評估與修正評估任務按照烈度評估工作時序、協(xié)同工作地點設計成地震烈度快速評估模式、單用戶修正評估模式、多用戶修正評估模式和指揮大廳專家協(xié)同評估模式。

地震烈度快速評估模式是指震后初期開展的基于歷史地震烈度衰減模型計算得到的地震烈度分布的模式，也稱“盲估”，影響該階段評估效率和準確性的因素主要有烈度評估算法模型對本地區(qū)地震烈度衰減速度的概括能力、計算機的響應能力、地震速報以及評估基礎數(shù)據(jù)的準確性等因素。

單用戶修正評估模式是指單用戶利用經(jīng)驗知識或實時獲取的災情等開展單點烈度評估修正工作，即傳統(tǒng)的烈度評估修正工作模式。影響該階段響應效率和評估結果準確性的因素與初評估模式一樣，主要衡量單點的響應能力。

多用戶修正評估模式是指分布在不同地區(qū)的應急人員針對同一地震事件開展的烈度修正工作，即將分布在不同地點的應急人員修正結果在同一工作平臺中展示并集成。影響該階段工作效率的主要因素包括協(xié)同工作平臺是否具備便捷的溝通方式、信息共享途徑是否通暢、信息共享規(guī)范是否統(tǒng)一、數(shù)據(jù)的準確程度以及平臺界面的易用性等。提高該過程的執(zhí)行效率是提高地震烈度協(xié)同評估工作效率的關鍵環(huán)節(jié)。

指揮大廳專家協(xié)同評估模式主要指在指揮大廳內外的專家直接或通過視頻會議，面對面分析與修正烈度評估結果的協(xié)作模式，可能是處于同一地點的直接面對面，也可能是處于不同地點通過視頻會議的面對面，本文統(tǒng)一將其歸為同時同地的專家協(xié)同評估模式。

圖1 地震烈度協(xié)同評估模式 Fig.1 Illustration of seismic intensity collaborative assessment model

根據(jù)震后應急工作的特點，上述4種工作模式并非嚴格按照時間和地點的絕對對應關系劃分，并且不同模式之間可能存在一定的時間交疊。因此，從1種工作模式轉變到另1種工作模式，無法單純依靠時序進行控制。根據(jù)震后應急專家協(xié)同工作機制1中國地震局震災應急救援司，2015.中震救函［2015］33號_關于印發(fā)《震后應急對策專家協(xié)同工作機制》的通知.，協(xié)同專家組組長可根據(jù)震后應急工作的實際需求，控制不同模式之間的切換，充分發(fā)揮專家特長對地震災害規(guī)模進行判斷。例如，在震后30分鐘內完成快速評估后，需要專家協(xié)同判定地震災害規(guī)模時，可通過平臺召集相關專家進入?yún)f(xié)同評估模式。

3 協(xié)同方式設計

通過“十五”中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡項目和“十一五”國家地震社會服務工程項目建設，我國已經(jīng)基本建成了國家、省、地市三級指揮部互聯(lián)、部門聯(lián)動、專家協(xié)同的全國應急技術系統(tǒng)體系架構（姜立新等，2003，2011，2012），為開展地震烈度協(xié)同評估提供了有力的架構支撐和網(wǎng)絡環(huán)境保障，同時，依托該體系架構設計了視頻會議和文件共享2種指揮部之間的地震烈度評估協(xié)同工作途徑，在過去十余年的地震應急處置中得到了廣泛應用。但是，隨著近年來地震應急科技水平的穩(wěn)步提高，震后快速產(chǎn)出的科技成果逐漸豐富，僅靠上述2種協(xié)同方式已無法發(fā)揮當前的應急科技水平，嚴重制約應急處置效率。這主要體現(xiàn)在以下2點：一是視頻會議作為應急過程協(xié)同的1種途徑，其傳輸內容無法直接作為地震烈度快速評估與修正依據(jù)；二是文件共享作為傳統(tǒng)的技術系統(tǒng)產(chǎn)出結果交換方式，在文本和圖片共享中比較直接易用，但在評估結果對比分析以及再利用方面過程復雜，必須通過人工提取、數(shù)字化以及文件重構等過程才能使用，時間成本大。

充分考慮當前地震烈度評估任務的特點（分階段、分布式）和專家協(xié)同工作機制，依托全國地震應急體系架構，設計了地震烈度協(xié)同評估平臺，協(xié)同方式如圖2所示。在地震烈度協(xié)同評估平臺中，除保留常用的文件共享外，還利用消息引擎實現(xiàn)了評估結果數(shù)據(jù)多點同步和協(xié)同溝通即時通訊等協(xié)同過程控制方式，實現(xiàn)了基于同一地震烈度評估虛擬環(huán)境下多指揮部或多學科專家的協(xié)同評估工作環(huán)境。當重、特大破壞性地震發(fā)生后，中國地震局應急指揮中心立即啟動地震烈度協(xié)同評估，中國地震局應急指揮中心、發(fā)震省地震局應急指揮中心以及其他局直屬單位依托該協(xié)同評估平臺開展烈度快速評估與修正工作。其中，發(fā)震省的指揮中心作為特殊的協(xié)同節(jié)點，一方面作為中國地震局應急指揮中心發(fā)起的地震烈度協(xié)同評估參與節(jié)點，開展在線協(xié)同評估；另一方面作為省地震局應急指揮中心協(xié)同評估管理節(jié)點，通過匯集并轉發(fā)下屬地市收集的災情信息至中國地震局應急指揮中心，為烈度修正提供災情依據(jù)，并通過轉發(fā)中國地震局應急指揮中心的協(xié)同評估結果至地市節(jié)點，指導其應急救災行動。依托該平臺可以快速實現(xiàn)以下烈度協(xié)同評估過程：

（1）依托平臺集成的烈度評估方法或自定義的評估方法，快速完成地震烈度快速評估；

（2）將各協(xié)同評估方產(chǎn)出的烈度評估結果矢量文件以及其它數(shù)據(jù)結果，直接通過數(shù)據(jù)同步的方式加載到該平臺的地圖窗口中，專家可以在該平臺中便捷地完成不同評估結果之間的在線對比分析以及局部修正；

（3）通過平臺中集成的即時消息通訊功能，評估專家之間進行實時溝通；

（4）在線查看通過文件交換的圖片及文檔信息。

圖2 地震烈度協(xié)同評估平臺協(xié)同方式示意圖 Fig.2 Schematic diagram of collaborative platform for seismic intensity assessment

地震烈度協(xié)同評估平臺采用協(xié)同消息引擎實現(xiàn)業(yè)務流程協(xié)同和消息溝通。協(xié)同消息引擎主要依據(jù)地震烈度評估業(yè)務邏輯及其規(guī)則，將與用戶相關的消息按照業(yè)務邏輯以及任務驅動控制來評估其流轉方向。主要通過設計任務線程管理、任務狀態(tài)管理、消息推送以及消息緩沖隊列等，將地震烈度協(xié)同過程中相關的評估過程消息、結果同步消息、協(xié)同指令消息、數(shù)據(jù)更新消息、網(wǎng)絡診斷消息以及交互溝通消息在不同的任務模塊或線程之間流轉，實現(xiàn)基于同一地震事件的在線協(xié)同烈度評估。

4 地震烈度評估方法支撐

為了更好地發(fā)揮地震應急科技成果在地震烈度評估中的作用，地震烈度協(xié)同評估平臺不僅從用戶協(xié)同的角度設計了多用戶之間合作或協(xié)作開展震后地震烈度評估的功能，還集成了以下比較成熟且常用的地震烈度快速評估方法，集成的評估方法及地震烈度評估過程如圖3所示。

（1）不同地區(qū)地震烈度衰減模型：集成了常用的橢圓地震烈度衰減模型及其參數(shù)調整接口。

（2）歷史地震災情參考：基于1900年以來的災害地震數(shù)據(jù)庫，提供震中周邊歷史地震災情在線展示，為本次地震災害規(guī)模判斷提供參考。

（3）基于破裂長度的線源衰減修正：默認集成了龍鋒等（2006）建立的華北地區(qū)面波震級-破裂長度（MS-L）回歸關系，并提供模型參數(shù)及其破裂長度修正接口。在此基礎上，利用線源衰減關系模型快速生成地震烈度影響場。

（4）速報災情修正：集成了基于12322短信和微信上報的災情信息匯集結果，作為烈度修正的參考信息。

（5）基于余震序列修正影響場震中和方向：集成了近年來基于余震序列快速判斷影響場震中以及長軸方向的主要研究成果（楊天青等，2015；鄭韻，2015），實時接入EQIM地震速報結果，實現(xiàn)基于余震信息的影響場動態(tài)修正。

（6）人機交互修正：集成ARCMAP地圖編輯插件，實現(xiàn)對地震烈度評估結果矢量文件的在線編輯修正。

圖3 地震烈度評估流程 Fig.3 Flowchart of seismic intensity assessment process

5 地震烈度協(xié)同平臺原型實現(xiàn)

根據(jù)上述設計思路，基于MVC開發(fā)模式，采用C#開發(fā)語言在.net Framework環(huán)境下開發(fā)實現(xiàn)地震烈度協(xié)同評估平臺原型，GIS相關功能模塊采用ArcGIS Engine9.3開發(fā)實現(xiàn)。原型系統(tǒng)的主要功能模塊包括評估數(shù)據(jù)整合、協(xié)同評估控制、評估模型管理、評估計算和評估結果管理等，如圖4所示。為了震后應急評估功能的完整性，原型系統(tǒng)的評估計算和評估模型也包括了人員傷亡評估和建筑物損失評估等內容。地震烈度協(xié)同平臺的主界面如圖5所示。

圖4 平臺主要功能模塊 Fig.4 The main function module of the platform

數(shù)據(jù)整合模塊主要完成多源接入數(shù)據(jù)的處理和整合。協(xié)同評估數(shù)據(jù)來源包括從測震速報平臺上獲取的地震參數(shù)信息和余震信息、地震應急基礎數(shù)據(jù)庫中的人口經(jīng)濟數(shù)據(jù)、地震背景數(shù)據(jù)和次生災害數(shù)據(jù)等，并從國家協(xié)同控制平臺上實時接收其它各類災情信息，包括現(xiàn)場的實際災情信息，其它協(xié)同部門獲取的相關災情信息等。

協(xié)同評估控制模塊按照約定的協(xié)同工作流程和并發(fā)協(xié)同控制策略，實現(xiàn)多指揮部、多學科專家的協(xié)同評估過程控制。

評估模型管理對各類評估模型（烈度衰減模型、地震烈度長短軸修正模型、基于余震的影響場震中修正模型、地震破裂長度計算模型，也包括人員傷亡評估模型、建筑物易損性矩陣等各類評估模型）實施參數(shù)化管理，預留修正接口。

評估計算模塊主要包括地震烈度評估，同時也包括建筑物破壞狀態(tài)評估、人員傷亡數(shù)量評估、經(jīng)濟損失評估等。

評估結果管理實現(xiàn)各類評估結果的分類匯總管理，提供多種評估結果查詢方式。

圖5 地震烈度協(xié)同評估平臺主界面 Fig.5 The main interface of seismic intensity collaborative assessment prototype platform

6 應用討論

地震烈度協(xié)同評估平臺原型自2016年1月在中國地震局應急指揮中心的應急技術平臺中安裝試運行以來，響應了15次5—6級地震，8次6級以上地震。其中，在2017年8月8日四川九寨溝7.0級地震中，利用該平臺快速完成1次烈度快速評估、3次烈度修正評估，很好地滿足了評估對策專家對地震烈度快速評估與修正的響應時效需求，提高了應急處置決策的效率。目前，由于缺乏指揮部之間以及學科專家之間明確的協(xié)同機制，多用戶依托該平臺協(xié)同評估的工作效率還需要通過進一步的管理機制保障才能進行有效驗證。