基于GIS的城市消防指揮支持模型及其應(yīng)用

趙偉民

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，迫切需要提高城市消防指揮系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化水平。本文建立了基于GIS的城市消防指揮支持模型，詳細(xì)描述了基于GIS的城市消防指揮支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。演習(xí)試驗(yàn)表明，GIS的城市消防指揮支持系統(tǒng)可將消防響應(yīng)時(shí)間縮短1/3。

Abstract： With the rapid development of economy and society， it is an urgent need to improve the intelligence and automation level of city fire command system. In this paper， the GIS-based city fire command support model is established， and the implementation method of the GIS-based city fire command support system is described in detail. Exercise tests shows that the GIS city fire command support system can shorten the fire response time by 1/3.

關(guān)鍵詞：GIS；城市消防；指揮支持

Key words： GIS；city fire fighting；command support

中圖分類號(hào)：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）30-0057-03

0 引言

由于發(fā)生頻率高、突發(fā)性強(qiáng)、涉及面廣，火災(zāi)已經(jīng)成為最常見和危害最大的城市災(zāi)害，每年都會(huì)造成大量財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全國共接報(bào)火災(zāi)33.8萬起，傷亡2854人，直接財(cái)產(chǎn)損失39.5億元。其中城市發(fā)生火災(zāi)10.4萬起，約占30.7%，包括天津港8.12特大火災(zāi)爆炸事故、東營8.31化工廠爆炸等多起重大事故。

救援及時(shí)性和準(zhǔn)確性，是衡量消防作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全。然而，傳統(tǒng)的消防指揮存在人工接警效率低、核實(shí)信息真?zhèn)卫щy大，指揮技術(shù)裝備落后、臨場指揮主要憑經(jīng)驗(yàn)和直覺等諸多不足。另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，我國的城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口密度持續(xù)增長。相應(yīng)地，消防部門的防控范圍也成倍數(shù)增長，各式各樣的建筑結(jié)構(gòu)導(dǎo)致消防防空和作戰(zhàn)支援環(huán)境惡劣復(fù)雜，對(duì)消防工作增加了難度。因此，迫切需要建立集信息查詢、方案制定、力量調(diào)派、決策支持等一體的城市消防管理決策和指揮支持模型，提高消防警力調(diào)配的充分性和合理性，使各級(jí)消防隊(duì)伍在消防作戰(zhàn)中能夠得到充分支持。

地理信息系統(tǒng)GIS（Geographical Information System）是在計(jì)算機(jī)硬件、軟件支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述，并運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)理論，科學(xué)分析和管理有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對(duì)規(guī)劃、管理、決策和研究所需要信息的技術(shù)系統(tǒng)。城市消防指揮決策過程需要大量的地理數(shù)據(jù)，例如火場周圍環(huán)境、應(yīng)急力量的分布和配置、道路狀況等。因此，將GIS引入城市消防指揮支持領(lǐng)域，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、智能管理技術(shù)等將消防資源、建筑物特性、消防管控區(qū)域等消防特征信息與地表空間位置互聯(lián)，提高消防空間數(shù)據(jù)的分析、處理能力，實(shí)現(xiàn)可視化查詢、管理、分析和調(diào)用，可極大提高指揮決策效率。

1 基于GIS城市消防指揮支持模型

城市消防指揮支持系統(tǒng)是輔助指揮員利用數(shù)據(jù)和模型解決非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化指揮和決策問題的交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過人機(jī)交互方式幫助和改善指揮決策制定的有效性。

1.1 系統(tǒng)工作原理

城市消防指揮支持系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括用戶交互層、管理軟件層和數(shù)據(jù)庫層。

GIS系統(tǒng)主要是為指揮支持系統(tǒng)提供各種形式的圖形與屬性數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換工具、空間數(shù)據(jù)庫管理，以及圖形操作、空間分析等功能。

模型庫是指揮支持系統(tǒng)的核心，根據(jù)各種理論模型，分析、處理數(shù)據(jù)庫層的各種數(shù)據(jù)，理順各因素之間內(nèi)在的聯(lián)系和關(guān)系，促進(jìn)問題的解決。例如，采用矢量數(shù)據(jù)空間分析和柵格數(shù)據(jù)空間分析方法，建立空間分析模型，解析地理位置數(shù)據(jù)的空間信息，為消防指揮提供決策支持。

方法庫為模型庫提供了算法上的支持，實(shí)現(xiàn)了模型和方法的分離存儲(chǔ)。知識(shí)庫存放各種專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)等，通過綜合和檢驗(yàn)專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，進(jìn)一步提高指揮支持系統(tǒng)的智力水平。

1.2 基于GIS數(shù)據(jù)的支持模型

城市消防作戰(zhàn)從接警定位，到趕赴火場滅火支援，直到完成災(zāi)后救援任務(wù)，需要經(jīng)歷的工作流程主要包括：接警、信息真?zhèn)涡：恕⒒饒龆ㄎ?、火?zāi)（其他災(zāi)害事故）位置及周邊情況查詢，消防力量的調(diào)派，快速支援方案制定（選擇最短路徑），火場（其他災(zāi)害事故現(xiàn)場）偵察、滅火作戰(zhàn)指揮和實(shí)施。

如圖2所示，基于GIS數(shù)據(jù)的支持模型由火警定位、消防力量調(diào)派、消防力量快速支援、消防作戰(zhàn)信息支持和搶險(xiǎn)救援信息支持應(yīng)用等五個(gè)模型組成，利用GIS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)接警定位、火場地圖瀏覽、出警路徑分析和警戒緩沖區(qū)分析；實(shí)現(xiàn)基于消防力量調(diào)派模型的消防力量調(diào)用，提高作戰(zhàn)力量運(yùn)用合理性；規(guī)劃消防站點(diǎn)與火場的最佳路徑，縮短力量機(jī)動(dòng)時(shí)間；彌補(bǔ)已有系統(tǒng)在火災(zāi)現(xiàn)場信息支持功能的不足，基于專家系統(tǒng)制定火場偵察、力量部署、戰(zhàn)術(shù)方案選擇、作戰(zhàn)計(jì)算等智力支持；優(yōu)化搶險(xiǎn)救援詢問偵察方案布置、搶險(xiǎn)救援處置程序方法。例如，基于GIS的火災(zāi)現(xiàn)場作戰(zhàn)信息支持模型應(yīng)用原理，如圖3所示。

1.3 GIS空間分析模型

空間分析是GIS區(qū)別于其他圖形信息系統(tǒng)的主要特征。

1.3.1 空間量算

空間量算是GIS基本空間分析方法，包括主要包括幾何、形狀、質(zhì)心和距離等特征參數(shù)的量算。在城市消防中應(yīng)用最廣泛的是幾何量算和距離量算。例如，對(duì)消防轄區(qū)的面積、企業(yè)廠區(qū)面積、災(zāi)后影響區(qū)域、消防站到火場距離、火場到周圍消火栓的距離等，均需進(jìn)行精確量算。對(duì)一維的線狀地物，幾何量算包括長度、曲率和方向的量算，而對(duì)二維的面狀地物，則包括面積、周長、形狀和曲率等的量算。

1.3.2 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是地理信息系統(tǒng)的重要空間分析功能之一，在等方而有著廣泛的應(yīng)用。

緩沖區(qū)分析就是解決鄰近度問題的重要空間分析工具，緩沖區(qū)分析就是在點(diǎn)、線、面實(shí)體周圍建立緩沖區(qū)多邊形的過程，包括點(diǎn)實(shí)體、線實(shí)體和面實(shí)體等三種緩沖區(qū)分析，可用于指導(dǎo)城市的消防站選址、消防栓布局、危險(xiǎn)源企業(yè)選址等。例如，利用事故后果計(jì)算模型計(jì)算，以油罐作為點(diǎn)實(shí)體對(duì)象，計(jì)算基于GIS的死亡、重傷和輕傷等人員傷害半徑，并地圖跟蹤層分別生成死亡、重傷和輕傷區(qū)域，從而迅速確定受火災(zāi)或爆炸影響的建筑物或人群，并根據(jù)影響等級(jí)制定防護(hù)或疏散方案。另外，還可獲得需要冷卻的鄰近油罐。

1.3.3 網(wǎng)絡(luò)分析

網(wǎng)絡(luò)分析通過考察基于GIS的城市網(wǎng)絡(luò)元素的空間屬性數(shù)據(jù)和非空間屬性數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能特征進(jìn)行多方面的分析計(jì)算，例如交通網(wǎng)絡(luò)、城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)等。

路徑分析是消防指揮支持系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)分析模型，核心是求解最佳路徑，即求解網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)指定的結(jié)點(diǎn)間阻礙強(qiáng)度最小的路徑。Dijkstra算法是GIS系統(tǒng)最常用的最佳路徑求解算法?？紤]到道路交通信息所帶來的各種遲滯因素，在Dijkstra算法的基礎(chǔ)上，采用層次分析法對(duì)交通路況進(jìn)行綜合評(píng)定，并進(jìn)行量化處理，將權(quán)值作為Dijkstra模型輸入，以力量機(jī)動(dòng)時(shí)間作為路徑優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提高了最佳路徑搜索算法的科學(xué)性。

2 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)GIS消防指揮支持模型，分別以SuperMap、Super IS、Oracle和CCGIS作為系統(tǒng)應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和三維模型開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)城市消防指揮支持系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)由城市路網(wǎng)、查詢管理、消防專業(yè)處理、消防預(yù)案管理、力量派遣等5個(gè)模塊組成。

路網(wǎng)模型是GIS的核心功能模塊，是城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)，既為路線優(yōu)化奠定空間信息輸入基礎(chǔ)，也路線優(yōu)化輸出提供顯示載體，并以地圖標(biāo)示的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。由于城市建設(shè)的動(dòng)態(tài)變化的，因此路網(wǎng)模型屬于動(dòng)態(tài)模型，當(dāng)路網(wǎng)改變時(shí)，需要對(duì)已有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行相應(yīng)的修改。

對(duì)象有屬性類型和屬性值，稱為典型屬性數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)以典型屬性數(shù)據(jù)作為檢索數(shù)據(jù)和默認(rèn)值，簡化了對(duì)象的屬性管理。另外，為了實(shí)現(xiàn)快速查詢響應(yīng)，采用數(shù)據(jù)庫的分區(qū)和索引機(jī)制來提高檢索效率，選用數(shù)值型字段作為系統(tǒng)檢索屬性，如電話號(hào)碼、報(bào)警時(shí)間、建筑物坐標(biāo)等。管理和查詢界面如圖4、圖5所示。

消防專業(yè)處理模塊主要提供消防GIS圖形作業(yè)和顯示功能，采用多用戶并發(fā)協(xié)作作業(yè)模式，多用戶可將本地圖形文件中的圖元上傳到數(shù)據(jù)庫、將數(shù)據(jù)庫中的空間對(duì)象下載到本地圖形文件、刷新本地文件以保持和其他用戶同步。多作業(yè)處理算法如圖6所示，用戶進(jìn)行作圖操作時(shí)觸發(fā)監(jiān)聽程序，完成作圖并寫入數(shù)據(jù)庫時(shí)，監(jiān)聽程序通知其他用戶作相應(yīng)的改變。

消防預(yù)案管理模塊直接為出警調(diào)度專家系統(tǒng)提供調(diào)度方案，如圖7所示。借助GIS的圖形表示功能，消防預(yù)案管理模塊可實(shí)現(xiàn)圖形化操作。因此，本系統(tǒng)在制作消防預(yù)案時(shí)，可綜合運(yùn)用圖形、文字和語音等多種表述方式，消除信息盲區(qū)，提高預(yù)案的合理性、可用性和直觀性。另外，數(shù)據(jù)庫提供了多種消防預(yù)案模板。

力量派遣模塊綜合GIS數(shù)據(jù)庫、專家知識(shí)庫，利用信息管理模塊將信息輸入專家系統(tǒng)，使用消防專業(yè)圖形單元模塊呈現(xiàn)結(jié)果，將火災(zāi)區(qū)域和火災(zāi)等級(jí)實(shí)時(shí)顯示在調(diào)度結(jié)果界面，并以GIS專題圖的形式實(shí)時(shí)瀏覽。

2.2 系統(tǒng)測試

通過集成GIS、城市信息網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)，將各種類型的應(yīng)急指揮與調(diào)度集成為完整的管理體系，通過共享指揮平臺(tái)和基礎(chǔ)信息，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接警、集中指揮、聯(lián)合行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)接處警、災(zāi)情智能評(píng)估、指揮控制自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化、集群化調(diào)度派遣、輔助功能智能聯(lián)動(dòng)、信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新等，顯著提高消防指揮的快速反應(yīng)與科學(xué)決策能力。圖8所示模擬某地發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防指揮支持系統(tǒng)給出的調(diào)度方案，其中某中隊(duì)是最佳支援力量，紅色路徑表示該中隊(duì)到底火場的最短路徑。圖9所示為火場作戰(zhàn)指揮沙盤。演習(xí)試驗(yàn)表明，消防響應(yīng)時(shí)間可縮短1/3。

3 結(jié)論

建立高效、實(shí)用的消防城市指揮信息支持系統(tǒng)是提高消防部隊(duì)作戰(zhàn)效能的迫切要求。GIS空間數(shù)據(jù)庫具有地理信息檢索、查詢和顯示功能，可為消防指揮提供空間信息支持。因此將GIS應(yīng)用于消防指揮領(lǐng)域，在空間數(shù)據(jù)庫和專家知識(shí)庫相融合的基礎(chǔ)上定義和生成消防指揮支持模型，可有效提高消防指揮的快速反應(yīng)與科學(xué)決策能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳信才.地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[2]朱霧平.基于GIS的城市火災(zāi)應(yīng)急空間決策支持系統(tǒng)和仿真模型[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2004.

[3]陳文偉.決策支持系統(tǒng)及其開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4]余明，艾延華.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M].清華大學(xué)出版社，2009.

[5]張敬宗.GIS技術(shù)在消防自動(dòng)受警信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北方工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[6]盧戰(zhàn)偉，楊國平，等.警用GIS中網(wǎng)絡(luò)分析的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（21）.