面向縣(市)的地震應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)研究*

張 瑩，郭紅梅，尹文剛，趙 真

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.武警警官學(xué)院，四川 成都 610213)

0 引言

隨著近年來(lái)城鎮(zhèn)化水平的快速提高，城鎮(zhèn)數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)張，城鎮(zhèn)化主體地區(qū)出現(xiàn)了集中于地震高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的態(tài)勢(shì)[1]。在人口密集的城鎮(zhèn)，震后高效有序的應(yīng)急處置尤為重要。在防震減災(zāi)工作管理體系中，縣(市)防震減災(zāi)工作部門是開(kāi)展城鎮(zhèn)地震應(yīng)急處置的基礎(chǔ)執(zhí)行層，處于最基礎(chǔ)和關(guān)鍵的地位[2]，而在實(shí)際應(yīng)急處置過(guò)程中卻存在一些問(wèn)題和困難。首先，相對(duì)于國(guó)家、省級(jí)層面的地震應(yīng)急處置，縣(市)地震應(yīng)急處置有其獨(dú)有的特點(diǎn)。國(guó)家、省級(jí)層面的地震應(yīng)急處置是針對(duì)受震害事件影響的全部地區(qū)，從處置范圍及內(nèi)容等方面都較為宏觀[3]，而縣(市)僅作為受震害事件影響的局部地區(qū)，在地震應(yīng)急處置的基礎(chǔ)執(zhí)行層面，地震應(yīng)急處置方案應(yīng)相對(duì)具體且具備較強(qiáng)的可操作性。此外，不同縣(市)所處的自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等環(huán)境不同，有各自的區(qū)域特點(diǎn)。發(fā)生在不同自然地理環(huán)境中的地震，其成災(zāi)過(guò)程也具有明顯的差異，例如，在地形地貌為高原山地的地區(qū)地震有誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害的可能，相對(duì)平原盆地地區(qū)需要開(kāi)展針對(duì)性的應(yīng)急處置。各地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境更是地震應(yīng)急處置規(guī)模的決定性因素，例如，對(duì)人口密集地區(qū)投入的救援隊(duì)伍數(shù)量將遠(yuǎn)大于人口稀少地區(qū)。因此，在制定地震應(yīng)急處置方案時(shí)，還應(yīng)考慮這些因素的影響。而地震應(yīng)急預(yù)案作為當(dāng)前縣(市)防震減災(zāi)工作部門開(kāi)展地震應(yīng)急處置工作的主要依據(jù)，在各地區(qū)各層級(jí)的內(nèi)容卻基本相似，存在缺乏針對(duì)性和可操作性等不足[4]。

本文立足于解決縣(市)地震應(yīng)急處置工作中的實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)提煉影響各處置階段的主要因素，構(gòu)建不同烈度下基于多因素的地震應(yīng)急處置模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，并以國(guó)家可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)區(qū)四川省丹棱縣為例，研發(fā)面向縣(市)的地震應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)，地震發(fā)生后能在快速評(píng)估的結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際災(zāi)情信息等，在不同處置階段，為縣(市)防震減災(zāi)工作部門提供具有區(qū)域特性且操作性較強(qiáng)的地震應(yīng)急處置方案，為地震應(yīng)急處置的科學(xué)決策等提供有效的輔助決策建議[5]。

1 基于多因素的地震應(yīng)急處置模型

通過(guò)提煉影響縣(市)地震應(yīng)急處置的主要因素，構(gòu)建不同烈度下基于多因素的地震應(yīng)急處置模型。

1.1 地震應(yīng)急處置主要影響因素提煉

地震災(zāi)情越重，應(yīng)急處置過(guò)程中的新增影響因素就越多、越復(fù)雜[6]。因此，本文假設(shè)一個(gè)遭受嚴(yán)重破壞性地震災(zāi)害的縣(市)，按應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急救援、安置救助、恢復(fù)生產(chǎn)自救4個(gè)應(yīng)急處置階段，分震情、災(zāi)情、自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)4大類，提煉影響應(yīng)急處置的主要因素，如圖1所示。

圖1 縣(市)地震災(zāi)害應(yīng)急處置主要影響因素Fig.1 Main influencing factors of emergency response on earthquake disaster in county (city)

為后續(xù)構(gòu)建基于多因素的地震應(yīng)急處置模型，還需參考相關(guān)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際定性或定量標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分各種影響因素。以震情類影響因素為例，細(xì)分結(jié)果如圖2所示。

圖2 震情類影響因素細(xì)分Fig.2 Subdivision of influencing factors about seismic regime class

根據(jù)中國(guó)地震烈度表[7]對(duì)烈度進(jìn)行分級(jí)；以相關(guān)人員在室率研究結(jié)果[8]為依據(jù)，劃分地震發(fā)生時(shí)間為白天和晚上；按地震震級(jí)規(guī)定將余震分為3級(jí)，3.0～<4.5級(jí)為有感地震；4.5～<6.0級(jí)為中強(qiáng)地震；6級(jí)及以上為強(qiáng)震[9]。各種因素下不同的分級(jí)將對(duì)應(yīng)不同的處置要點(diǎn)。

1.2 基于多因素的地震應(yīng)急處置模型構(gòu)建

地震應(yīng)急預(yù)案根據(jù)震級(jí)等對(duì)地震災(zāi)害進(jìn)行分級(jí)，對(duì)應(yīng)不同的響應(yīng)級(jí)別，較適用于國(guó)家、省級(jí)層面開(kāi)展宏觀的處置[10]。不同于地震震級(jí)，地震烈度作為對(duì)地震破壞程度的綜合度量[11]，在同一次地震中因地而異，對(duì)于僅是受震害事件影響局部的縣(市)開(kāi)展應(yīng)急處置更加適用。因此，結(jié)合主要影響因素，通過(guò)分析各地震應(yīng)急處置階段的處置要點(diǎn)，構(gòu)建不同烈度下基于多因素的地震應(yīng)急處置模型。

在此，以震后烈度為Ⅷ度縣(市)的應(yīng)急響應(yīng)階段為例，對(duì)模型進(jìn)行說(shuō)明。震后烈度處于Ⅷ度的地區(qū)建筑物多有損壞，少數(shù)破壞，可能造成人員傷亡[12]，依靠當(dāng)?shù)鼐仍α?，開(kāi)展以自救互救為主的人員搜救是應(yīng)急處置的重點(diǎn)。其中，應(yīng)急響應(yīng)階段從“地震發(fā)生”到“震后2 h左右”結(jié)束，需要進(jìn)行醫(yī)療和專業(yè)救援隊(duì)伍調(diào)配、救援物資調(diào)集，準(zhǔn)備人員搜救送醫(yī)、安置受災(zāi)群眾，組織災(zāi)情排查及報(bào)送，維護(hù)社會(huì)秩序等應(yīng)急處置[13]。在處置過(guò)程中，往往受當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?、人口密度、?jīng)濟(jì)發(fā)展水平，震后極端天氣情況、人員傷亡數(shù)、無(wú)家可歸人數(shù)、建筑物破壞情況、地震發(fā)生時(shí)間等因素的影響。處置模型(部分)如圖3所示。

圖3 Ⅷ度地區(qū)縣(市)地震應(yīng)急響應(yīng)階段處置模型(部分)Fig.3 Response model for emergency response stage of earthquake in county (city)with Ⅷ intensity (partial)

通過(guò)對(duì)不同烈度在不同階段的處置要點(diǎn)分析，構(gòu)成不同烈度下基于多因素的地震應(yīng)急處置模型。地震發(fā)生后，可根據(jù)地震烈度分階段從模型中提取處置要點(diǎn)，結(jié)合地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、災(zāi)情上報(bào)數(shù)據(jù)、災(zāi)情快速評(píng)估結(jié)果等信息對(duì)其進(jìn)行完善，生成對(duì)應(yīng)烈度的地震應(yīng)急處置方案。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)地震應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)的架構(gòu)、功能等進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足安全性和時(shí)效性方面的需求，系統(tǒng)采用三層式C/S架構(gòu)，從邏輯層面分為數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)支撐層及應(yīng)用展現(xiàn)層，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 System architecture

系統(tǒng)在所需軟件和硬件組成的支撐平臺(tái)上運(yùn)行。數(shù)據(jù)服務(wù)層為業(yè)務(wù)支撐層提供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能所需的數(shù)據(jù)，分結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)2類。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)一部分為系統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，一部分為系統(tǒng)分析模型的參數(shù)與算法等；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)產(chǎn)出的處置方案文檔模板文件和系統(tǒng)運(yùn)行的外部配置文件等。業(yè)務(wù)支撐層以服務(wù)模塊的形式為應(yīng)用展現(xiàn)層提供數(shù)據(jù)處理和計(jì)算服務(wù)。應(yīng)用展現(xiàn)層將地震應(yīng)急評(píng)估、地震應(yīng)急處置、系統(tǒng)管理等各類功能模塊化，為用戶提供與系統(tǒng)進(jìn)行交互訪問(wèn)的操作界面。

在系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，按照國(guó)家、行業(yè)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)運(yùn)行維護(hù)體系監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，通過(guò)信息安全保障體系保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

地震應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)由地震應(yīng)急評(píng)估、地震應(yīng)急處置、系統(tǒng)管理等功能模塊構(gòu)成。功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.5 System functions structure

2.2.1 地震應(yīng)急評(píng)估模塊

地震發(fā)生后，從全國(guó)地震速報(bào)信息共享服務(wù)系統(tǒng)(EQIM)自動(dòng)獲取地震三要素，觸發(fā)應(yīng)急評(píng)估模塊，啟動(dòng)快速評(píng)估。根據(jù)已有的地震烈度、人員傷亡、建筑物破壞等評(píng)估模型產(chǎn)出評(píng)估報(bào)告及相關(guān)的專題圖，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，供應(yīng)急處置模塊調(diào)用。

2.2.2 地震應(yīng)急處置模塊

地震應(yīng)急處置模塊通過(guò)環(huán)境因素、烈度因素和時(shí)間因素管理分別實(shí)現(xiàn)對(duì)各類影響因素的增刪查改等操作。同時(shí)，針對(duì)具體的處置過(guò)程，提供對(duì)處置行為、處置方案、處置流程和默認(rèn)值的管理功能。在處置行為管理中可根據(jù)實(shí)際情況修改各類影響因素下對(duì)應(yīng)的處置行為要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)處置要點(diǎn)的不斷更新。在處置方案管理中可查看、下載、編輯已產(chǎn)出的方案，并按地震事件對(duì)方案進(jìn)行分類和歸檔。通過(guò)處置流程管理，可查看處置進(jìn)度。應(yīng)用默認(rèn)值管理功能，可設(shè)定各類影響因素的默認(rèn)參數(shù)值。

震后能調(diào)用地震應(yīng)急評(píng)估模塊的快速評(píng)估結(jié)果，結(jié)合從災(zāi)情上報(bào)系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)災(zāi)情信息、地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)等，完善基于多因素的地震應(yīng)急處置模型中的處置要點(diǎn)，在不同處置階段產(chǎn)出符合縣(市)特點(diǎn)，且具備較強(qiáng)操作性的地震應(yīng)急處置方案。

2.2.3 系統(tǒng)管理模塊

用戶權(quán)限管理可根據(jù)設(shè)置的安全規(guī)則或策略，實(shí)現(xiàn)新建或刪除用戶、配置用戶權(quán)限、查詢用戶相關(guān)信息等功能，確保系統(tǒng)使用中的安全性。資源管理主要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行管理，對(duì)于符合系統(tǒng)接口規(guī)則的組件，可通過(guò)資源管理載入系統(tǒng)，對(duì)于不必要的組件也可移除。

2.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分功能，各模塊需按一定的順序運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)相互間的調(diào)用，完成對(duì)業(yè)務(wù)功能的處理。因此，在明確系統(tǒng)架構(gòu)及功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程Fig.6 System business procedure

地震發(fā)生后，首先通過(guò)應(yīng)急評(píng)估模塊中的地震烈度評(píng)估功能快速判定縣(市)所處烈度；然后，應(yīng)用應(yīng)急處置模塊生成對(duì)應(yīng)烈度下的處置流程，再按流程中的不同處置階段從基于多因素的地震應(yīng)急處置模型中提取各類影響因素，并通過(guò)應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、災(zāi)情快速評(píng)估結(jié)果、上報(bào)的災(zāi)情信息及第三方信息等獲取相關(guān)影響因素的值，構(gòu)成并動(dòng)態(tài)更新不同階段的處置要點(diǎn)；最后，調(diào)用預(yù)設(shè)的各階段應(yīng)急處置方案模板，將處置要點(diǎn)按規(guī)則填入模板的對(duì)應(yīng)位置，將內(nèi)容進(jìn)行合成后，輸出分階段的應(yīng)急處置方案。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行效果

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

作為一種應(yīng)急技術(shù)平臺(tái)，系統(tǒng)應(yīng)具備較好的穩(wěn)定性、較快的運(yùn)行速度且便于兼容。因此在開(kāi)發(fā)模式方面采用當(dāng)前較為成熟和主流的技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)包括：

1)COM建模技術(shù)

針對(duì)基于多因素的地震應(yīng)急處置模型分層分級(jí)建立模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)模型庫(kù)與系統(tǒng)的集成。由于COM技術(shù)便于組織管理且與模型開(kāi)發(fā)語(yǔ)言無(wú)關(guān)[14]，采用COM技術(shù)進(jìn)行模型庫(kù)建設(shè)，將模型按照不同烈度分類，各烈度的處置模型再按照處置要點(diǎn)劃分為不同子模塊，開(kāi)發(fā)完成的模型以DLL動(dòng)態(tài)鏈接文件的形式生成，依據(jù)模型庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型入庫(kù)。

2)插件技術(shù)

傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)具有模塊相對(duì)獨(dú)立、平臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但在進(jìn)行系統(tǒng)重用和擴(kuò)展時(shí)需要進(jìn)行大量復(fù)雜的修改[15]，難以適應(yīng)應(yīng)急技術(shù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源、功能模塊不斷發(fā)展的需求。為滿足系統(tǒng)的可擴(kuò)展性需求，采用基于插件的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行開(kāi)發(fā)。插件配置文檔主體部分統(tǒng)一以“”的方式組織各項(xiàng)段落，根據(jù)其中配置的內(nèi)容，即可在預(yù)定位置生成供系統(tǒng)調(diào)用的功能插件，對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展。

3)消息中間件接口技術(shù)

地震發(fā)生后，系統(tǒng)需從全國(guó)地震速報(bào)信息共享服務(wù)系統(tǒng)(EQIM)自動(dòng)獲取地震三要素，快速觸發(fā)應(yīng)急評(píng)估及處置功能，同時(shí)需通過(guò)災(zāi)情上報(bào)系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)災(zāi)情信息，完善處置要點(diǎn)。在建立系統(tǒng)接口時(shí)，應(yīng)確保消息能在系統(tǒng)間及時(shí)且可靠穩(wěn)定的傳輸。相比其他接口技術(shù)，消息中間件技術(shù)主要通過(guò)消息傳遞來(lái)完成系統(tǒng)間的協(xié)作和通信，能適應(yīng)不同的操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。作為一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的機(jī)制，同時(shí)支持消息同步和異步2種傳送方式，使消息能夠在任何時(shí)刻進(jìn)行傳輸或轉(zhuǎn)發(fā)，保證了傳輸過(guò)程的準(zhǔn)確、可靠和及時(shí)性。因此，采用消息中間件技術(shù)建立系統(tǒng)間的接口，將地震三要素、災(zāi)情信息等設(shè)置為消息隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)消息的有效傳輸。

4)唯一標(biāo)識(shí)的模塊開(kāi)發(fā)模式

為適應(yīng)地震應(yīng)急對(duì)時(shí)效性的需求，提高系統(tǒng)功能模塊運(yùn)行效率，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)各模塊設(shè)置了唯一的“UUID”標(biāo)識(shí)碼特性，保證各模塊在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的唯一性，確保震后應(yīng)急處置方案的快速產(chǎn)出。

基于Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合上述系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)等，以國(guó)家可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)區(qū)四川省丹棱縣為例，采用JAVA語(yǔ)言進(jìn)行地震應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)的研發(fā)，系統(tǒng)運(yùn)行主界面如圖7所示。

圖7 地震應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)主界面Fig.7 Main interface of emergency response assistant decision-making system of earthquake

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

設(shè)定丹棱縣境內(nèi)發(fā)生6.5級(jí)地震為假想測(cè)試地震，觸發(fā)應(yīng)急評(píng)估模塊，評(píng)估建筑物破壞、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等主要受災(zāi)情況，并判定所處地震烈度，以災(zāi)情簡(jiǎn)報(bào)的形式輸出，如圖8所示。

圖8 災(zāi)情簡(jiǎn)報(bào)Fig.8 Disaster situation briefing

應(yīng)急處置模塊通過(guò)調(diào)用評(píng)估結(jié)果等，可在不同處置階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)自動(dòng)產(chǎn)出應(yīng)急處置方案，以地震應(yīng)急響應(yīng)階段為例的處置方案(部分)如圖9所示。

圖9 地震應(yīng)急響應(yīng)階段處置方案(部分)Fig.9 Response scheme in emergency response stage of earthquake (partial)

除明確需要啟動(dòng)的應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別外，根據(jù)基于多因素的地震應(yīng)急處置模型，方案將各項(xiàng)處置內(nèi)容具體化，提出需要優(yōu)先開(kāi)展救援的學(xué)校、重點(diǎn)處置和排查的危險(xiǎn)源、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、公路等目標(biāo)，根據(jù)無(wú)家可歸人數(shù)，初步估算生活物資需求等重要信息。隨著實(shí)際災(zāi)情信息的獲取，將動(dòng)態(tài)更新不同階段的處置要點(diǎn)，使方案更貼近實(shí)際，為防震減災(zāi)工作部門的應(yīng)急處置工作提供更切實(shí)可行的參考和建議。

4 結(jié)論

1)針對(duì)縣(市)防震減災(zāi)工作部門在應(yīng)急處置過(guò)程中依據(jù)的地震應(yīng)急預(yù)案針對(duì)性和可操作性不足等問(wèn)題，以不同烈度為基準(zhǔn)，構(gòu)建基于多因素的地震應(yīng)急處置模型。

2)在基于多因素的地震應(yīng)急處置模型基礎(chǔ)上，對(duì)地震應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并以國(guó)家可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)區(qū)四川省丹棱縣為例，完成系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)按烈度、分階段快速產(chǎn)出具有區(qū)域特征且兼具較強(qiáng)操作性的地震應(yīng)急處置方案，研發(fā)結(jié)果可為縣(市)防震減災(zāi)工作部門提供1套地震應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)平臺(tái)。

3)由于縣(市)地震應(yīng)急處置還受除本文提煉的因素外其他諸多因素的影響，且不同因素之間還存在相互影響和關(guān)聯(lián)的可能，對(duì)應(yīng)的處置要點(diǎn)也將隨著實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，因此，下一步還需不斷完善基于多因素的地震應(yīng)急處置模型。同時(shí)，還需通過(guò)在實(shí)際地震中的應(yīng)用，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)地震應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)存在的問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使其能更好地適用于縣(市)地震應(yīng)急處置工作。