基于二三維一體化的建筑設(shè)施應(yīng)急防范系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究＊

朱振華 肖崇星 翁海騰 邱瑞 公安部第一研究所

引言

本文中的建筑設(shè)施是指重要的公共建（構(gòu)）筑物（及其群體）和有特殊使用功能的高風險建（構(gòu)）筑物（及其群體），如機場、港口碼頭、鐵路車站、文物保護單位、政府機關(guān)辦公樓、重要物質(zhì)儲備庫等對國家經(jīng)濟民生、安全穩(wěn)定有重大影響的建筑設(shè)施。鑒于建筑設(shè)施的重要作用和較高的社會關(guān)注度，易成為被破壞的重要區(qū)域，尤其是分布在城市的某些重要建筑設(shè)施和部位更易成為被破壞的首選目標，為提升建筑設(shè)施的應(yīng)急防范水平，除在人力防范方面加大安保力量部署、加強制度建設(shè)，物資防范方面完善警示設(shè)施、增設(shè)重要關(guān)口阻擋裝置外，技術(shù)防范是應(yīng)對破壞方式不斷變化、風險隱患提前預(yù)知的一個行之有效的重要方式。

本文結(jié)合實戰(zhàn)業(yè)務(wù)需求，開展了基于二三維一體化的建筑設(shè)施應(yīng)急防范系統(tǒng)的研究與設(shè)計，研究了建筑設(shè)施應(yīng)急防范系統(tǒng)總體架構(gòu)，提出了系統(tǒng)核心功能實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了一套基于二三維一體化的建筑設(shè)施應(yīng)急防范原型系統(tǒng)，為加強建筑設(shè)施防范提供了技術(shù)業(yè)務(wù)支持。

一、業(yè)務(wù)需求分析

目前，在建筑設(shè)施應(yīng)急防范建設(shè)方面，部分地區(qū)已開展了防范重要建筑設(shè)施系統(tǒng)模塊建設(shè)，并發(fā)揮了積極的作用。但總體來看還處在基礎(chǔ)查詢展示功能的信息系統(tǒng)階段，與建筑設(shè)施應(yīng)急防范實戰(zhàn)化應(yīng)用方面存在較大差距，亟需滿足實戰(zhàn)化需求的建筑設(shè)施應(yīng)急防范綜合性應(yīng)用系統(tǒng)，具體為：

（1）通過實景技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為用戶提供一個相對真實的建筑設(shè)施可視化操作體驗。

作為現(xiàn)實中的個體，建筑設(shè)施以可視化的方式進行逼真展示成為用戶的基本訴求，通過實景技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)對建筑設(shè)施的逼真展示，用戶可身臨其境地直觀獲知建筑設(shè)施的基本特點、周邊信息，并能在系統(tǒng)中對其進行可視化操作，提升用戶的操作使用體驗，進一步加強對建筑設(shè)施的精細化管理水平。

（2）為滿足應(yīng)急處突的業(yè)務(wù)需求，需在現(xiàn)有文本預(yù)案的基礎(chǔ)上構(gòu)建電子化、流程化的預(yù)案管理，并具備預(yù)案推演功能。

應(yīng)急預(yù)案在突發(fā)事件處置過程中，對控制事態(tài)發(fā)展、穩(wěn)定群眾情緒等工作發(fā)揮重要作用?，F(xiàn)有的應(yīng)急預(yù)案存在以下三個突出問題：一是現(xiàn)有應(yīng)急預(yù)案多為文字形式，展現(xiàn)方式不直觀，修改維護較為繁瑣，使預(yù)案作用大打折扣；二是預(yù)案內(nèi)容單一，缺少人員、資源、時間、空間等方面統(tǒng)一整合，降低了預(yù)案功能性；三是在預(yù)案中不能根據(jù)方案流程規(guī)定動態(tài)展示各要素對象變化，無法體現(xiàn)處置行動進展的過程。需在現(xiàn)有文本預(yù)案的基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)字化的預(yù)案管理，并具備預(yù)案效果推演功能。

（3）針對建筑設(shè)施安全防范的業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建滿足風險預(yù)警及評估的分析功能。

風險預(yù)警及評估是防范化解重大風險的基礎(chǔ)。由于襲擊破壞事件的不確定性、多變性、復(fù)雜性，需利用預(yù)測和分析方法對建筑設(shè)施安全風險等級進行評估，對風險發(fā)生及時預(yù)警，給防范于未然預(yù)留出時間，才能降低襲擊破壞的風險。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

在系統(tǒng)總體設(shè)計部分，本文提出基于二三維一體化的建筑設(shè)施應(yīng)急防范系統(tǒng)架構(gòu)。二三維一體化是指在系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程中，提供目標建筑設(shè)施的二維平面地圖和三維模型立體地圖展示頁面，方便業(yè)務(wù)人員對目標建筑設(shè)施的多維度需求。

其中基于二三維一體化的建筑設(shè)施應(yīng)急防范系統(tǒng)架構(gòu)采用“五橫三縱”結(jié)構(gòu)，總體架構(gòu)如圖1所示。

五橫包括了建筑設(shè)施應(yīng)急防范系統(tǒng)的五個邏輯分層，從下到上依次為基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和展示層。

基礎(chǔ)設(shè)施層是為整個系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐。包括計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源及數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用發(fā)布容器等基礎(chǔ)應(yīng)用軟件。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)運行所需的數(shù)據(jù)資源，包括結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運行所需的管理數(shù)據(jù)。其中：結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括建筑設(shè)施信息、建筑設(shè)施專題信息、預(yù)案管理信息及預(yù)案知識庫信息；非結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括建筑設(shè)施三維模型、基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)、建筑設(shè)施視頻信息及圖片信息；系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)權(quán)限信息、用戶管理信息、系統(tǒng)日志信息等。

服務(wù)層是系統(tǒng)功能實現(xiàn)所依賴的核心支撐服務(wù)，包括基礎(chǔ)支撐服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)。其中：基礎(chǔ)支撐服務(wù)面向底層核心能力提供系統(tǒng)內(nèi)部服務(wù)，包括GIS服務(wù)與接口、預(yù)案服務(wù)與接口、風險預(yù)警服務(wù)、消息服務(wù)及身份管理服務(wù)；業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)面向上層應(yīng)用能力提供業(yè)務(wù)服務(wù)，包括建筑設(shè)施綜合查詢服務(wù)、二三維一體化服務(wù)、POI查詢服務(wù)、預(yù)案制作服務(wù)、預(yù)案管理服務(wù)、預(yù)案推演服務(wù)、預(yù)案符號管理、風險評估預(yù)警服務(wù)、消息推送服務(wù)、模型管理服務(wù)、預(yù)警規(guī)則配置服務(wù)、用戶管理服務(wù)、日志管理服務(wù)等。

應(yīng)用層是依托服務(wù)層提供的能力面向?qū)嶋H業(yè)務(wù)需求實現(xiàn)的系統(tǒng)核心功能，包括首頁、建筑設(shè)施信息管理、建筑設(shè)施綜合信息查詢、建筑設(shè)施一鍵上圖、建筑設(shè)施二三維可視化展示、預(yù)案制作、預(yù)案推演展示、預(yù)案符號管理、預(yù)案管理、知識庫管理、專家?guī)旃芾?、防范督?dǎo)檢查、模型預(yù)警管理、預(yù)警信息下發(fā)、預(yù)警信息反饋、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)管理、用戶管理、日志管理等。

展示層是系統(tǒng)對外展示的形式，根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)角色提供系統(tǒng)兩種展示形式，一是PC端，主要面向負責業(yè)務(wù)管理及決策的用戶提供PC端的業(yè)務(wù)查詢及分析系統(tǒng)；二是APP端，主要面向負責一線采集及應(yīng)急處置的用戶提供移動端的輕量級應(yīng)用?；诮y(tǒng)一的后臺服務(wù)能力、數(shù)據(jù)支撐能力，打造“云+端”的應(yīng)用展現(xiàn)模式。

三縱則是包括了標準規(guī)范體系、安全保障體系、運維保障體系。

三、基于二三維一體化的

建筑設(shè)施應(yīng)急防范系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（一）三維實景構(gòu)建技術(shù)

本文三維實景構(gòu)建技術(shù)主要是基于Cesium可視化開源JavaScript庫（CesiumJS）。Cesium是一個基于WebGL的開源三維虛擬地球引擎，提供對多種二維、三維空間內(nèi)的地理信息數(shù)據(jù)的可視化支持，包括標準DEM、DOM、DLG、DSM等，以及各類國際標準的OGC地圖服務(wù)。

三維實景構(gòu)建技術(shù)主要涉及精細三維模型、簡易三維模型的構(gòu)建及可視化。精細三維模型對建模要求高，需精細刻畫建筑模型外部特征，具有真實的外部紋理，模型尺寸結(jié)構(gòu)完全按照真實建筑構(gòu)建，主要是針對單個建筑設(shè)施。本文采用3dsMax標準建模方式，構(gòu)建單一建筑設(shè)施的精細三維模型。

城市簡易三維模型主要是針對大范圍如城市范圍的三維場景，為降低建模成本，采用帶有高度的城市建筑矢量面數(shù)據(jù)，通過獲取建筑設(shè)施所在城市的建筑矢量面數(shù)據(jù)，結(jié)合建筑物高度信息，拉高到對應(yīng)的高度生成簡易三維模型。

將二維GIS和三維GIS融為一體，有機結(jié)合二維電子地圖的宏觀性、整體性、簡潔性和三維虛擬場景的局部性、現(xiàn)實性、直觀性的優(yōu)點，既克服了二維電子地圖的抽象多樣性和三維虛擬場景的漫游方向的迷失感，取兩者所長，又實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、可視化、分析功能等多方面的二三維一體化應(yīng)用，可保證二維和三維GIS技術(shù)的無縫融合，在同一視圖范圍內(nèi)實現(xiàn)二維矢量數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)的聯(lián)動一體化操作和一屏可視化展示。

（二）應(yīng)急預(yù)案動態(tài)推演技術(shù)

應(yīng)急預(yù)案是根據(jù)歷史經(jīng)驗，對潛在的或可能發(fā)生的突發(fā)事件的類別、影響程度而事先制定的應(yīng)急處置方案，包括針對此類事件應(yīng)該派遣的應(yīng)急救援力量，如何選擇人員疏散路線等信息。應(yīng)急預(yù)案是一個應(yīng)急處置行動進展的過程，通過制定預(yù)案可在發(fā)生突發(fā)公共事件時，能夠迅速、有效地進行行動處置，降低事件造成的損失。動態(tài)推演是以動態(tài)方式處理預(yù)案組成對象，以模擬實體目標隨時間的變化，所產(chǎn)生的行為和事件等的可視化方法，采用動態(tài)模擬的方式可直觀盡可能真實地展示根據(jù)預(yù)案方案流程規(guī)定中各對象變化的過程。

本文中應(yīng)急預(yù)案的表現(xiàn)形式包括圖形文本符號、業(yè)務(wù)要素符號。圖形文本符號包括常見的點、線、面矢量圖形，箭頭類標繪符號及文本說明的標記符號；業(yè)務(wù)要素符號是指以圖片示意的方式展示預(yù)案中的各類業(yè)務(wù)要素符號。通過將代表預(yù)案要素的各種符號標繪到地圖上，形成預(yù)案態(tài)勢圖，通過預(yù)案態(tài)勢圖可以直觀了解針對不同建筑設(shè)施而設(shè)置的預(yù)案相關(guān)基礎(chǔ)地理信息及預(yù)案要素的分布。

基于制定好的預(yù)案，可通過時間軸的形式按照預(yù)案方案流程規(guī)定將預(yù)案要素進行動態(tài)的時序顯示，依托綜合全面的地理環(huán)境信息和態(tài)勢信息，以數(shù)據(jù)、文本、圖形、動畫等多種方式對預(yù)案進行動態(tài)推演，生動形象顯示預(yù)案態(tài)勢及演進過程。

（三）基于模型庫的風險預(yù)警評估技術(shù)

風險預(yù)警評估指基于歷史真實發(fā)生的突發(fā)事件，在對當前風險因素信息識別、分析的基礎(chǔ)上，對風險發(fā)生的可能性及損失/影響程度進行綜合評判。襲擊破壞事件的不確定性、多變性，需利用預(yù)測和分析方法對建筑設(shè)施安全風險等級進行評估。模型庫是對已掌握的各種預(yù)測和分析方法的集成，是進行風險預(yù)測及評估的有力工具，通過此項技術(shù)可對破壞事件的產(chǎn)生、發(fā)展及影響分別建立風險預(yù)測和評估，便于應(yīng)急管理和決策。

由于建筑設(shè)施的風險管理涉及的因素較多，對建筑設(shè)施的風險預(yù)警評估需獲取盡可能多的數(shù)據(jù)，如建筑設(shè)施周邊的視頻、車輛、人員活動等信息，以及內(nèi)部管理信息、業(yè)務(wù)屬性信息等?；谝陨蠑?shù)據(jù)，結(jié)合歷史事件的統(tǒng)計分析，通過機器學習、多維可視化分析、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析挖掘等技術(shù)，構(gòu)建多個維度的風險預(yù)測及評估模型庫，可有效預(yù)測或追蹤破壞行為。

四、系統(tǒng)功能實現(xiàn)

基于上述二三維一體化的建筑設(shè)施應(yīng)急防范“五橫三縱”系統(tǒng)架構(gòu)，本文開發(fā)實現(xiàn)了基于二三維一體化的建筑設(shè)施應(yīng)急防范系統(tǒng)。系統(tǒng)基于J2EE的三層B/S體系架構(gòu)來實現(xiàn)，該體系架構(gòu)具有輕客戶端、重服務(wù)端、安全性高、跨平臺、可操作性較強等特點。同時，系統(tǒng)采用目前較為成熟的前后端分離技術(shù)架構(gòu)模式，從而使系統(tǒng)具有良好的可擴展性及可維護性。

系統(tǒng)功能上提供了建筑設(shè)施管理、建筑設(shè)施信息上圖、建筑設(shè)施信息統(tǒng)計、權(quán)限管理等功能，以滿足不同用戶的需求。也提供了建筑設(shè)施預(yù)案管理、建筑設(shè)施風險評估及預(yù)測預(yù)警等功能，實現(xiàn)重點建筑設(shè)施的多角度、全流程、跨維度等協(xié)同管理。系統(tǒng)部分界面如圖4、圖5所示。

結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠提升建筑設(shè)施精細化管理、可視化能力及一體化協(xié)作機制等，具體如下：一是系統(tǒng)能實現(xiàn)從建筑設(shè)施關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的實時接入到基于建筑設(shè)施風險預(yù)測預(yù)警的快速分析，基于建筑設(shè)施數(shù)據(jù)流中獲得有業(yè)務(wù)意義的價值信息，將預(yù)警信息快速推送給業(yè)務(wù)處置人員，供業(yè)務(wù)人員分析處置。二是該系統(tǒng)多維度直觀展示建筑設(shè)施的二三維內(nèi)外部信息，方便業(yè)務(wù)人員實景化查看。三是該系統(tǒng)提供了建筑設(shè)施風險預(yù)案處置流程，提升業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)人員的風險處置能力。四是系統(tǒng)提供預(yù)警信息的下發(fā)、預(yù)警信息簽收、預(yù)警信息反饋閉環(huán)管理，從技術(shù)和業(yè)務(wù)層面實現(xiàn)業(yè)務(wù)的上下協(xié)同聯(lián)動。

下一步將進一步完善和梳理建筑設(shè)施相關(guān)技術(shù)及業(yè)務(wù)流程，優(yōu)化本文提出的基于二三維一體化的建筑設(shè)施應(yīng)急防范體系架構(gòu)。同時對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健壯性和可視化界面進行優(yōu)化，為相關(guān)業(yè)務(wù)人員提供更加穩(wěn)定、流暢、實戰(zhàn)性強、界面友好的優(yōu)質(zhì)系統(tǒng)。

五、結(jié)語

本文設(shè)計了一套滿足實戰(zhàn)需求、較為綜合的建筑設(shè)施應(yīng)急防范系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)在具備應(yīng)急防范基本功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了二三維一體化展示；其次，系統(tǒng)具有豐富要素的電子化預(yù)案管理，實現(xiàn)了預(yù)案動態(tài)推演效果；最后，系統(tǒng)對建筑設(shè)施相關(guān)數(shù)據(jù)進行智能分析，構(gòu)建了一套風險預(yù)測及評估模型庫，實現(xiàn)了對建筑設(shè)施風險評估及預(yù)測預(yù)警的功能。通過本系統(tǒng)的建設(shè)，進一步提升了對建筑設(shè)施的精細化管理水平，大幅提高了應(yīng)急預(yù)案可行性和時效性，可為相關(guān)業(yè)務(wù)人員開展重要建筑設(shè)施應(yīng)急防范及處置突發(fā)事件提供有力技術(shù)保障。