基于云計算技術(shù)的應(yīng)急管理研究

楊月江，田立勤，張志遠(yuǎn)

(華北科技學(xué)院 計算機學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

世界各地突發(fā)事件頻發(fā)，威脅著所有人的生命和財產(chǎn)安全。對突發(fā)事件實施有針對性的、高效的應(yīng)急處理已成為重要課題，也成為社會協(xié)調(diào)發(fā)展的根本保障。

突發(fā)事件應(yīng)急處理包括應(yīng)急決策、應(yīng)急預(yù)案、預(yù)警監(jiān)測、資源保障、救援命令的執(zhí)行等多個緊密環(huán)節(jié)，突發(fā)事件是隨機性的、難以預(yù)測的。為了得心應(yīng)手的應(yīng)對突發(fā)事件，必須依靠現(xiàn)代技術(shù)支撐，以便迅速正確的完成應(yīng)急決策和應(yīng)急處理工作。

因此，強化應(yīng)急信息的采集、處理和應(yīng)用，讓信息技術(shù)覆蓋整個應(yīng)急管理的全過程，做到提前預(yù)防，準(zhǔn)確評估事件的發(fā)展趨勢，及時有效正確決策，對應(yīng)急資源實施有效調(diào)度，成為關(guān)鍵問題。

云計算技術(shù)的出現(xiàn)為應(yīng)急管理提供了新思路，成為最有效的應(yīng)急管理輔助手段。在應(yīng)急管理中借鑒云計算的核心思想、關(guān)鍵技術(shù)和運行模式，可以有效提高應(yīng)急管理的科學(xué)性。本文探討了云計算技術(shù)在應(yīng)急決策和應(yīng)急預(yù)案中的應(yīng)用效果，并以云計算技術(shù)在消防救援和校園應(yīng)急中如何應(yīng)用，與傳統(tǒng)方式比較，取得了什么成果展開研究探索。

1 基于云計算技術(shù)的應(yīng)急決策支撐系統(tǒng)

云計算可以促進應(yīng)急決策支撐系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，可以集合應(yīng)急決策知識庫支撐的信息資源，形成應(yīng)急決策知識庫支撐的集成系統(tǒng)。云計算支持通過互聯(lián)網(wǎng)形成一個清晰的應(yīng)急支撐知識鏈，每個鏈接可以集中控制某一個環(huán)節(jié)且質(zhì)量優(yōu)先，造就標(biāo)準(zhǔn)一致，管理統(tǒng)一、應(yīng)急決策知識庫的支撐模式。

基于云計算環(huán)境的應(yīng)急決策知識庫是通過Internet建構(gòu)一個可共享的應(yīng)急決策知識庫支撐云。其終端用戶通過網(wǎng)絡(luò)捕獲應(yīng)急決策信息，決策信息對應(yīng)急決策使用者完全透明，用戶可以從源服務(wù)云得到應(yīng)急決策龐大信息資源，基于云計算的應(yīng)急決策支撐模型如圖1所示[1]。

圖1 基于云計算的應(yīng)急決策支撐模型

依據(jù)實際應(yīng)用，以云計算為基礎(chǔ)的應(yīng)急決策知識庫支撐系統(tǒng)內(nèi)部為三層結(jié)構(gòu)，即信息資源層、中間層、服務(wù)層。在一體化組織結(jié)構(gòu)中，最底層是信息資源池層，包括物理信息資源池和軟件信息資源池。

物理信息資源池層由應(yīng)急決策類數(shù)據(jù)庫、知識類信息庫、儲存設(shè)備、服務(wù)器等組成，該層是系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，本層全部設(shè)備以及應(yīng)急技術(shù)比較成熟。

軟件信息資源池層實際上即是一個物理信息資源池集成層，由相同或相似信息資源池構(gòu)成，包括存儲信息資源池、計算信息資源池、軟件信息資源池等，其主要目的是將多種資源結(jié)構(gòu)的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫集成到相同類型的信息資源池中，形成應(yīng)急決策支撐庫的協(xié)作知識。

中間管理層是應(yīng)急決策知識庫支撐系統(tǒng)的中心層，主要負(fù)責(zé)云計算的各種軟、硬件資源統(tǒng)一管理，協(xié)調(diào)調(diào)度等多項任務(wù)，使整個系統(tǒng)安全、高效的運行。該層包括資源、任務(wù)、用戶以及安全管理等模塊單元，運行該層，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)完善保障、可靠服務(wù)、高效經(jīng)濟的應(yīng)急決策知識庫支撐結(jié)果。

服務(wù)層在頂層，是應(yīng)急決策知識庫支撐系統(tǒng)的完成層。該層包括應(yīng)急決策支撐界面、檢索、訪問等內(nèi)容。采用人、機交互方式，幫助應(yīng)急決策資源的提供者，有針對性地了解應(yīng)急決策者具體的需求，準(zhǔn)確服務(wù)，應(yīng)急決策支撐系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

圖2 基于云計算的應(yīng)急決策支撐結(jié)構(gòu)

實例分析。某日，滿載汽油的列車行駛至某隧道內(nèi)時燃燒爆炸。發(fā)生事故時，汽油大量涌出隧道，隧道口外20米范圍的可燃物被引燃，燒烤巖石造成爆裂。次日凌晨2時，又發(fā)生爆炸，大量汽油泄出洞口，火勢猛烈，隧道頂板石塊不停爆炸。應(yīng)急專家組經(jīng)過緊急勘察，制定部署了三套應(yīng)急方法。

方法一，將隧道兩洞口炸塌窒息滅火。方法二，堆疊沙袋封閉洞口窒息滅火。方法三，降溫監(jiān)控，讓汽油自己燃盡。

利用云計算技術(shù)分別對這三套應(yīng)急方法進行評價決策。第一確定權(quán)重云，第二確定評價云，第三確定應(yīng)急方法的評價云，第四進行云相似性對比及方法選優(yōu)。

方法一的評價云在良和中之間，偏向良；方法三的評價云在良和中之間，偏向中；方法二的評價云在優(yōu)和良之間，偏向優(yōu)。因此，方法二是最好應(yīng)急方法。

云計算應(yīng)急決策方法充分利用專家群體數(shù)據(jù)，符合思維和認(rèn)識規(guī)律，形成更為合理的決策結(jié)果，便于發(fā)揮信息技術(shù)的輔助決策功能，使應(yīng)急決策有了新的更加有效的科學(xué)途徑。

2 基于云計算技術(shù)的應(yīng)急預(yù)案

基于云的應(yīng)急預(yù)案信息化，提高了事故處理方法的高效性和適用性?；谠朴嬎愕膽?yīng)急預(yù)案與傳統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案相比，其架構(gòu)有顯著區(qū)別，主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施支持模式和軟件安置模式有較大差別。采用符合云計算要求的開源集成化系統(tǒng)與中間件的組合，建構(gòu)虛擬化操作系統(tǒng)及中間件平臺、自助式的網(wǎng)絡(luò)管理，系統(tǒng)的敏捷性和處置技能更加強大。

2.1 云存儲應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)庫

基于云計算技術(shù)，建立分層存儲系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)分類，既可以滿足子部門正常運轉(zhuǎn)的存儲需求，又能為應(yīng)急預(yù)案供給數(shù)據(jù)信息以及儲存支撐。存儲設(shè)備虛擬化后，產(chǎn)生了各個部門的私有云，各部門自行管理。當(dāng)某個部門的資源存儲不夠時，允許按照IaaS模式提供跨部門信息存儲服務(wù)。在處理突發(fā)事件時，應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)迅速調(diào)度各部門的信息數(shù)據(jù)，形成應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)庫。建立應(yīng)急預(yù)案的私有應(yīng)急信息存儲云，該存儲云為應(yīng)急預(yù)案提供信息資源[3]。

2.2 應(yīng)急預(yù)案虛擬化模型

云服務(wù)的一項關(guān)鍵技術(shù)就是數(shù)據(jù)虛擬化。在云服務(wù)應(yīng)急預(yù)案管理制度中，廣泛分布的數(shù)據(jù)，應(yīng)急管理界線的不確定，事件的突然或演變特征等，使數(shù)據(jù)儲存方式以及節(jié)點具有一個廣泛的異構(gòu)特性，因此數(shù)據(jù)的存儲、查詢以及應(yīng)用必須通過虛擬化來實現(xiàn)。多模式數(shù)據(jù)對象和資源存儲的方法，從若干方面描繪了多模態(tài)數(shù)據(jù)的生命周期、演化和語義關(guān)聯(lián)等特征，在分析儲存以及信息計算資源的分布、訪問方法和提供服務(wù)能力的基礎(chǔ)上，聯(lián)結(jié)云計算條件下社會其他資源共享和利用的思想，云存儲模式進一步優(yōu)化，用來支持智能分類和存儲服務(wù)評估的虛擬化。

2.3 云環(huán)境下共享信息資源

經(jīng)過擴展云計算系統(tǒng)，在各部門系統(tǒng)閉塞的基礎(chǔ)上，搭建云服務(wù)的私有平臺，全部私有云平臺以標(biāo)準(zhǔn)化、個性化、敏捷化、服務(wù)化為目標(biāo)，建立互聯(lián)系統(tǒng)，在服務(wù)管理系統(tǒng)下，主體管理之間的多重一一對應(yīng)的關(guān)系轉(zhuǎn)換為開放的合作模式。根據(jù)協(xié)作競爭模型對各個部門的云服務(wù)要求進行管理，實現(xiàn)了多個目標(biāo)最優(yōu)模型支撐下的資源整合利用，進而高效地處置了個性化與標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。經(jīng)過云計算系統(tǒng)，組織起分散在不同部門的資源，不僅是實現(xiàn)共享資源和集群式計算模式的需要，同時也是實現(xiàn)多智能體業(yè)務(wù)協(xié)作的重要手段。

2.4 云協(xié)作和決策支撐

在應(yīng)急預(yù)案的管理流程中，開展基于聚類計算的應(yīng)急預(yù)案大數(shù)據(jù)分析，開展緊急應(yīng)急行動，根據(jù)PaaS和IaaS的應(yīng)急預(yù)案服務(wù)模型，可以根據(jù)發(fā)展情況在不同層次與不同地區(qū)集成云計算系統(tǒng)，根據(jù)需要提供計算和分析能力。應(yīng)急預(yù)案體系要求各個部門和相關(guān)的應(yīng)急單位相互配合，一起控制緊急事件，基于云存儲系統(tǒng)和云計算系統(tǒng)的云協(xié)同系統(tǒng)，不僅需要同一區(qū)域的同級部門之間的協(xié)作，更需要跨部門、跨層次的協(xié)作。不同部門單位的私有云、公有云和外部云相互支持，成立一個有機應(yīng)急服務(wù)小組，不同的參與者作為服務(wù)應(yīng)用程序相互合作，為應(yīng)急預(yù)案使用管理部門提供個性化、標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一決策支撐[4]。

基于云的應(yīng)急預(yù)案生成方法，在應(yīng)急預(yù)案輸入界面輸入預(yù)案名稱、編寫人、日期、版本信息、事故類型與地點、響應(yīng)級別等關(guān)鍵詞。再輸入應(yīng)急處理方法、事故類型和損害程度、應(yīng)急機構(gòu)、預(yù)警與預(yù)防、信息報告流程、應(yīng)急物資保障等。通過人機交互，填寫應(yīng)急預(yù)案的關(guān)鍵要素，根據(jù)項目名稱，導(dǎo)入對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案內(nèi)容。系統(tǒng)得到提交的預(yù)案后，自行完成信息化預(yù)案與文本預(yù)案的轉(zhuǎn)換，將輸入的要素導(dǎo)入到信息化預(yù)案庫中，通過人機交互，確定該預(yù)案中可調(diào)用的應(yīng)急資源類型。

3 建模與預(yù)測

運用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立應(yīng)急物資需求量估算模型，通過一系列檢驗，模型精度比較高。在建模中，采集了10個城市的歷史應(yīng)急救災(zāi)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 10個城市受災(zāi)人口數(shù)及應(yīng)急物資需求量歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計

建模并預(yù)測如下：

(1)

(2)

(3)

RMSE值越小，結(jié)果越精準(zhǔn)，Ens值離1越近，結(jié)果有效性越高；R2值離1越近，與實際需求量越吻合。

運用以上模型，對某城市某日3個時刻進行應(yīng)急物資需求量的預(yù)估。輸入相應(yīng)的系數(shù)和來自大數(shù)據(jù)的受災(zāi)人數(shù)，預(yù)估結(jié)果如表2所示，經(jīng)過比較預(yù)估值與實際的應(yīng)急物資需求量基本吻合[5]。

表2 某城市在不同時間點的應(yīng)急物資需求估算

4 云計算下的火災(zāi)救援應(yīng)急架構(gòu)

將云計算的理念用于火災(zāi)消防數(shù)據(jù)處理，完成大數(shù)據(jù)的有效存儲與共享，再與火災(zāi)消防數(shù)據(jù)整合，可高效完成消防救援、決策協(xié)助、防控風(fēng)險等應(yīng)急救援指揮目標(biāo)。

大數(shù)據(jù)和云計算緊密相連，單臺計算機無法處理大數(shù)據(jù)，需應(yīng)用分布式計算體系結(jié)構(gòu)，特點是海量的數(shù)據(jù)挖掘，這依賴于云計算的虛擬化技術(shù)和云存儲、分布式數(shù)據(jù)庫與處理[6]。

充分利用云計算的優(yōu)勢，設(shè)計火災(zāi)消防應(yīng)急管理過程，采用分層次的方法理念進行大數(shù)據(jù)存儲、優(yōu)化查詢和數(shù)據(jù)的可控性及可靠性保證設(shè)計，基于云計算火災(zāi)應(yīng)急數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示[7]。

圖3 基于云計算火災(zāi)救援結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)節(jié)點包括主節(jié)點與工作節(jié)點。邏輯上僅有一個主節(jié)點，為的是保存元數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)文件夾，存儲數(shù)據(jù)塊、索引等。工作節(jié)點承擔(dān)特定的作業(yè)計算和儲存。數(shù)據(jù)寫入器承擔(dān)數(shù)據(jù)分劃、安置和復(fù)制，各個不同的工作節(jié)點的儲存系統(tǒng)分別寫入不同數(shù)據(jù)片，數(shù)據(jù)分區(qū)的信息資源儲存在元數(shù)據(jù)中。當(dāng)運行操作數(shù)據(jù)需求時，數(shù)據(jù)處理引擎最先處置主節(jié)點上的元數(shù)據(jù)，取得與之進行交互的工作節(jié)點信息，徑直訪問工作節(jié)點，這樣，控制流和數(shù)據(jù)流就被分開，顯著地減少了主節(jié)點所承擔(dān)的負(fù)載[8]。

制定基于云計算的消防救援預(yù)案，要揭示火災(zāi)撲救及火勢發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，要全面符合消防救援的實戰(zhàn)要求，根據(jù)消防功能要求和應(yīng)急預(yù)案制定、應(yīng)用進程中必須思索的各個因素，方案必須突出可操作性和針對性?；谠频南啦襟E見圖4所示。

圖4 基于云的消防方案編制

基于云計算的消防，改善了原有消防的不足，使消防日常演練和在實戰(zhàn)中部署消防力量、制定方案更具有針對性。云計算為在不同火災(zāi)階段制定消防策略和方案提供了科學(xué)有力依據(jù)。

云計算消防系統(tǒng)應(yīng)用案例。西安某油庫發(fā)生火災(zāi)，兩個油罐著火，大量成品油泄漏，工作人員立即報警。西安支隊指揮中心向總隊指揮中心發(fā)出增援請求，總隊指揮中心同時向公安部消防局指揮中心發(fā)出跨區(qū)域救援請求，一場跨區(qū)域的滅火救援行動在第一時間展開。經(jīng)過近九小時的協(xié)同奮戰(zhàn)，油庫大火終于被撲滅。在此過程中，通過基于云計算的消防救援指揮系統(tǒng)，實現(xiàn)了接警、調(diào)度、輔助決策、調(diào)度方案、跨區(qū)域調(diào)度、移動指揮、運行記錄等各個環(huán)節(jié)的可視化，通過云調(diào)度，最大限度地提高滅火救援效率。

5 云計算技術(shù)在學(xué)校應(yīng)急管理中的探索

學(xué)校發(fā)生了突發(fā)事件，怎樣有效疏散人員、如何把信息迅速通知到有關(guān)人員，以云計算作為應(yīng)急系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)規(guī)范的處置程序。系統(tǒng)能夠預(yù)判突發(fā)事件，篩選出火災(zāi)、暴力侵害、打架斗毆、食品衛(wèi)生、實習(xí)車間及實驗室事故等可能性較大的校園突發(fā)事件。

5.1 傳統(tǒng)學(xué)校應(yīng)急系統(tǒng)

傳統(tǒng)的學(xué)校應(yīng)急信息系統(tǒng)的組成如圖5所示[9]，其中，應(yīng)急數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)重點是數(shù)據(jù)的共享與交換以及公共服務(wù)，應(yīng)急管理應(yīng)用系統(tǒng)是一個集成應(yīng)用系統(tǒng)。

圖5 學(xué)校一般應(yīng)急系統(tǒng)框架

5.2 基于云計算的學(xué)校應(yīng)急系統(tǒng)

云計算模式下學(xué)校的應(yīng)急管理結(jié)構(gòu)如圖6所示[10]，系統(tǒng)將虛擬儲存系統(tǒng)和硬件進行池化處置，其處理水平和敏捷程度都優(yōu)于傳統(tǒng)的構(gòu)建方法，收費方法采取出租，用戶通過大屏幕、手持終端或PC機訪問平臺應(yīng)急管理的各種功能。

圖6 云計算模式下學(xué)校應(yīng)急平臺

基于云的應(yīng)急系統(tǒng)包含了安全應(yīng)急、安全教育、安全廣播、安全監(jiān)控、安全檢查、安全管理、車輛監(jiān)控、訪客管理、門禁管理、即時信息等功能，系統(tǒng)以云為支點，把人防、技防和物防有效結(jié)合，實現(xiàn)了校園應(yīng)急全覆蓋、全量化、全記錄、全過程的數(shù)字化管理新格局。

云計算校園應(yīng)急平臺應(yīng)用案例。某校采用云計算應(yīng)急平臺一段時間以后，發(fā)現(xiàn)以下安全隱患。

學(xué)生刷卡出現(xiàn)異常現(xiàn)象16例，平臺顯示已刷卡，但未向家長發(fā)送短信；發(fā)現(xiàn)有8人次學(xué)生不到校、不請假；發(fā)現(xiàn)其他學(xué)校的學(xué)生2次借本校學(xué)生的卡進入學(xué)校；學(xué)生2人次不刷卡就離開學(xué)校。發(fā)現(xiàn)水、電隱患19起，重大安全隱患是地下車庫充電樁自燃；安防系統(tǒng)安全隱患4起，監(jiān)控系統(tǒng)1起，報警故障2起，巡邏報警失效1起；消防設(shè)備存在20起安全隱患。學(xué)生安全隱患21起，多為學(xué)生糾紛、矛盾所致，重大安全隱患5起。

6 結(jié)論

(1) 云計算技術(shù)能夠提高突發(fā)事件的感知靈敏度，研判風(fēng)險的準(zhǔn)確度和應(yīng)急反應(yīng)的及時度。

(2) 云計算技術(shù)可以實現(xiàn)風(fēng)險預(yù)警監(jiān)測、保障應(yīng)急指揮、支持智能決策、自救互救和輿情引導(dǎo)等各種應(yīng)急能力的迅速提升。

(3) 應(yīng)急管理信息化建設(shè)是構(gòu)建應(yīng)急體系的基礎(chǔ)性工程，更是提升應(yīng)急能力的根本之路。

(4) 應(yīng)急管理必須準(zhǔn)確把握信息化建設(shè)目標(biāo)，科學(xué)謀劃，系統(tǒng)思維，進一步推進應(yīng)急指揮體系、風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，補齊短板，為應(yīng)急管理信息化打牢堅實基礎(chǔ)。

(5) 用好信息技術(shù)武器，提高預(yù)警監(jiān)測能力、決策指揮能力、實戰(zhàn)救援能力，讓信息化成為推進應(yīng)急管理現(xiàn)代化的強大引擎。