基于GIS平台,将震害预测、地震灾情快速评估技术研究、城市地震现场不同建筑物结构类型以及废墟类型搜救行动方案研究、现场搜救指挥部署的决策模型研究、地震现场搜救策略和方法研究、压埋人员情况研究等研究成果进行系统集成,以叠加分析、网络分析等空间分析为基础,结合相关专题数据模型,利用空间决策技术建立基于GIS的城市地震现场搜救指挥辅助决策系统。具体目标是:①为地震现场搜救指挥人员提供灾情以及救援队人员信息和装备信息的检索、查询; ②辅助指挥人员进行指挥部选址和路径设置; ③综合考虑建筑物结构类型、废墟类型、压埋人员情况、安全条件、搜救设备条件、医疗设备条件、人员条件等因素在搜救行动实施过程中所起的作用,自动生成不同环境条件下的现场搜救行动方案建议; ④提供灾情以及救援队人员信息和装备信息的动态追踪和反馈; ⑤指挥人员可以根据反馈的灾情信息对搜救方案进行修改和优化; ⑥平时可以管理、维护和查询救援队的各种基础信息和资料。

根据软件的目标定位,将整个软件划分为六大功能模块及其子模块。六大模块可以分为四大部分:基础功能、搜救准备、现场管理、历史信息。软件总体结构如图1所示。

图1 城市地震现场搜救指挥辅助决策软件总体结构图

(1)基础功能

提供管理、查询、维护等各类功能,包括:①文件管理。主要实现对文件的常规操作,如地图文件和数据文件的打开、保存、另存为、添加等常规操作,以及地图设置、图面设置、打印预览、打印地图等输出操作; ②地图工具。主要实现对地图的编辑操作,如视图无级缩放、动态标注、视图书签、属性查询、空间位置选择、图形选择、属性选择、选择集切换、工具条控制、图层编辑等; ③系统管理。用于切换不同身份的用户,按不同的权限实现对软件的维护功能; ④系统帮助。提供软件的使用帮助说明,包括软件的启动条件和使用权说明。

(2)搜救准备

该模块的作用是帮助现场指挥人员了解灾情并辅助其进行指挥决策,为搜救工作做好准备。包括:①震灾查询。包括建筑物震害查询、生命线震害查询、次生灾害源查询等等; ②压埋人员分布模拟。根据建筑物震害情况、发震时间和灾区人口条件,快速模拟出压埋人员的分布情况; ③指挥部选址。结合灾区地震地质条件、建筑物震害、交通条件、压埋人员分布等情况,快速选择出最佳指挥部地址,并在图上标注出来; ④路径设置。根据交通系统震害情况,利用最佳路径分析得出救援队员出行路径; ⑤搜救方案制定。根据建筑物结构类型、废墟类型、压埋人员情况、安全条件、搜救设备条件、医疗设备条件、人员条件等因素在搜救行动实施过程中所起的作用,系统自动给出比较科学的搜救方案建议; ⑥搜救方案修改。根据反馈的灾情信息,指挥人员可以对搜救方案进行修改、优化。

(3)现场管理

该模块的功能是动态跟踪现场灾情信息、工作信息、装备信息、后勤信息等,把各种信息动态地标注出来。并且自动提示换班时间和后勤补给等。

(4)历史信息

该模块提供有关本次救援事件和历史救援事件的各种信息的存储和查询。主要包括灾情、人员信息、装备信息、设备信息、保障信息、灾区地理信息、救援事件、行动、任务信息等。

搜救指挥辅助决策模型可以分为两大类:灾害模型和决策模型。

灾害模型主要包括:建筑物震害预测模型、生命线震害预测模型、次生灾害模型、地震灾情快速辨识模型、压埋人员分布模拟模型等。

决策模型主要包括:搜救资源需求量模型、现场搜救指挥部署决策模型、不同建筑物结构类型以及废墟类型搜救行动方案模型等。

本文模型库的实现是采用基于COM规范创建ActiveX DLL方法,整个模型库就是一个动态链接库。各个模型的开发是把模型从代码中独立出来,每个模型都生成自己的DLL文件,利用面向对象设计的封装特性进行调用。这样模型库就是开放的,可以非常方便地利用已有的成果。由于震害预测模型等已经相对成熟,因此可以直接使用。软件开发时我们主要开发了压埋人员分布模拟模型、搜救资源需求量模型、现场搜救指挥部署的决策模型、不同建筑物结构类型以及废墟类型搜救行动方案模型。

压埋人员分布模拟是软件的核心之一,在此就压埋人员分布模拟模型进行简要介绍。

城市地震人员伤亡绝大部分是由建(构)筑物倒塌引起的(马玉宏等,2000a)。本文定义地震压埋率为在发生地震时,某建筑物或构筑物倒塌或严重破坏时造成的压埋人数与该建筑物内总人数的比值。压埋人员分布的影响因素如图2所示。从上可知,压埋率乘以地震时建(构)筑物内的人数则为该建(构)筑物倒塌或严重破坏时造成的压埋人数。

图2 压埋人员分布影响因素

不同时刻、不同用途的建筑物内人数是变化的。根据建筑物昼夜使用情况的不同,本文把建筑物分为四大类。第一类是昼夜连续使用的建筑物,如三班制厂房、不中断运行的公用建筑、医院病房、全日制托儿所等; 第二类为正常工作制下使用的建筑物,如厂房、学校、办公楼、幼儿园等; 第三类是居住型建筑物,如住宅、宿舍、旅馆等; 第四类为非正常服务的建筑物,如二班制厂房、饭店、酒楼、文化娱乐设施、商业服务建筑等。考虑冬季和夏季的不同以及节假日和工作日的不同,分别对每类建筑物建立以时间t为自变量的动态模型。例如,第一类建筑物夏季工作日的人口分布模型为

N(t)={0.9αsin((t-7)/2)·π+b,(7≤t≤8);

0.9a+b,(8≤t≤11);

0.1αcos((t-11)/3)·2π+b+0.8a,(11≤t≤14);

0.9a+b,(14≤t≤17);

0.9αsin[((t-17)/4)· π+(π)/2]+b,(17≤t≤19);

b,(19≤t≤7).(1)

式中,a和b分别为流动人员数和常住人员总数(不变)。

基于马玉宏等(2000b)总结的人员伤亡经验公式,可以推出压埋率的公式如下。

白天发生地震时:

H=0.0098e^0.5(1-7)F;(2)

夜间发生地震时:

H=(0.0126I+0.008)/(I+0.25)e^0.75(1-7)F.(3)

以上两式中,H为压埋率,I为地震烈度,F为破坏率。

根据以上所得到的地震压埋率和人员分布函数,两者相乘便可以得出发震时建筑物内人员压埋的大致数量。再结合建筑物的分布,可以得出整个区域地震压埋人员的分布情况。

考虑到系统的兼容性、稳定性和响应速度等要求,在系统软件配置方面尽量考虑了技术成熟和通用的产品; 在开发模式上,考虑到地震现场搜救指挥辅助决策系统的特点,采纳了较为稳定的系统构架形式,即C/S体系结构,这种系统架构形式能保证现场搜救指挥决策的快捷与准确。具体的技术方法如表1所示。

表1 系统实现的技术方法

采用ESRI ArcGIS9.1作为系统开发的整体建设平台,实现系统界面的统一规划与管理。采用COM(即组件对象模型)技术将各个功能模块所特有的一些不同的计算方法和计算模型以动态连接库(.dll文件)或可执行文件(.exe文件)的形式从程序中独立出来,通过在程序上预留的接口,按照一定的标准访问这些外挂文件,从而增加了整个程序的灵活性。本文中城市地震现场搜救辅助决策软件各模块中用到的模型动态连接库文件(.dll文件)或可执行文件(.exe文件)首先在VB的代码中通过类的实例化调用,然后嵌入ArcGIS9.1平台上进行模块的集成调试和错误处理。最后利ArcGIS9.1自带的界面定制功能设计完成软件界面和菜单项(ESRI,2004)。

笔者研发的城市地震现场搜救指挥辅助决策系统基本上实现了总体设计中所描述的全部功能。以四川自贡市区资料为试验数据,软件功能如下。

(1)基础功能

包括了文件管理、通用地图工具、系统管理和系统帮助。

(1)搜救准备

系统集成了震害预测等已有成果,可以查询建筑物震害情况、生命线震害情况、次生灾害源分布情况等。在此基础上,结合人口分布数据,系统可以给出压埋人员分布情况(图3)。结合压埋人口分布情况、灾区地震地质条件、交通条件等,在指挥部选址模型的支持下系统可以给出最佳指挥部地址。根据交通系统震害情况,系统可以给出救援队员出行路径(图4)。在震害情况和压埋人口分布一目了然的情况下,搜救工作点的划分和先后顺序也就可以确定。在指挥人员选定搜救工作点后,系统将自动显示工作点的详细灾害信息,然后自动给出搜救方案建议,包括搜索方法、人员调配、物资调配等(图5)。系统生成的方案不太符合实际情况时,指挥人员可以对搜救方案进行修改。

图3 压埋人员分布(颜色越深表示压埋人数可能越多)

图4 路径设置

图5 搜救行动方案建议

(3)现场管理

系统可以动态跟踪显示现场灾情信息、工作信息、装备信息、后勤信息等,并且以文本提示框和声音的形式提示人员换班和后勤补给等。现场管理界面如图6所示。

图6 现场管理

(4)历史信息

系统可提供本次救援事件和历史救援事件的各种信息的存储、查询、数据统计、资料输出等。主要包括对灾情、人员信息、装备信息、设备信息、保障信息、灾区地理信息、救援事件、行动、任务信息等的查询和数据统计以及资料输出。