城市震害应急管理单元(Yang,Huang,2006)是指为减轻地震灾害造成的损失和影响,对一定范围内的社会要素,按照其地域特征进行划分的独立单元。城市震害应急救助基本单元是指为高效地开展震后现场应急救助,在城市震害应急管理基本单元内,以伤员集中运输分类站和搜救任务区基地为中心,并以该分类站和基地的服务范围为边界的现场应急救助区。

科学的地震应急医疗救助需要快速判断应急管理单元内的各种救援资源的需求类别和需求数量。结合震后应急医疗救助的过程,应急医疗救助的资源需求类别主要分为:

(1)应急医疗队:医生、护士等;

(2)应急医疗设备:手术台、麻醉机、呼吸机、病房、病床、担架等;

(3)应急医疗常用物资:药品、纱布、绷带和手术刀等;

(4)其他:志愿者等。

根据伤员的分类(Jan de Boer et al,1989),震后伤员的救助过程如图1所示。图中I,,I,III,IV分别表示伤员受伤程度:立即死亡和在去往医院的途中死亡(IV); 有生命危险,需立即治疗(III); 无生命危险,需住院治疗(II); 受伤,不需要住院治疗(I)。

本文主要从以下几个资源载体分析应急医疗救助中某种应急医疗资源的需求量:

(1)本地医院或临时医疗中心;

(2)伤员集中分类站;

(3)灾区诊所;

(4)其他。

根据上述分析,建立城市震害单元化应急医疗资源需求模型:

Q=∑⁴_i=1q_i-(1-d)C.(1)

其中:Q为某种应急医疗救助资源的实际最小需求量; q_i为第i个资源载体对某种应急医疗资源的理论需求量,例如,q₁为本地医院或临时医疗中心对某种应急医疗资源的理论需求量; d为震后某种应急医疗资源的损失率; C为震前应急管理单元内某种应急医疗资源的实际总量;(1-d)C为震后应急管理单元内某种应急医疗资源的实际总量。

图1 伤员救助过程
Fig.1 Process of the casualty assistance

(1)本地医院或临时医疗中心:在医院或临时医疗中心的能力范围之内治疗各类病人,以危重病人(III)和住院病人(II)为救治重点。所以,本地医院或临时医疗中心对某种应急医疗资源的需求量为

q₁=λ₁Sh₁.(2)

其中:S为受伤人数总数; h₁表示重伤率和中伤率之和; λ₁为比例系数,其表示如下:

λ₁=(a₁₁ a₁₂ a₁₃ … a_1n

a₂₁ a₂₂ a₂₃ … a_2n

a₃₁ a₃₂ a₃₃ … a_3n

a₄₁ a₄₂ a₄₃ … a_4n).(3)

其中:a_ij表示第i个需求类别中第j个需求量的比例系数。例如,a₁₁表示应急医疗队中对医生需求量的比例系数。a_ij的确定与地震发生的地区,气候以及应急管理单元内的医疗水平等因素有关 Zhitao Wu,Fuping Yang,et al.2009.Medical Resources Demand Model for Urban Seismic Disaster Response and its GIS Implementation,The 2nd International Conference on Risk Analysis and Crisis Response.。如果没有特殊说明,在下文中λ_i(i=1,2,3)和S的意义同上。

(2)伤员集中分类站:主要以通过专业培训的医生护士和部分志愿者为主,其主要任务是稳定伤员伤情、急救、伤员分类和确定运输先后顺序。通过图1可以看出,伤员集中分类站在整个医疗救助过程中起到承接的作用,对该区域某种应急医疗资源需求量的分析有着十分重要的意义。因此,我们提出伤员集中分类站系数和覆盖区域的概念。伤员集中分类站系数是指在遭受到同等强度的地震破坏时,所表现出来的应急救助强度大小,这个参数的大小直接取决于该应急管理单元内的社会经济属性特征,如人口密度和建筑物密度等,而与地震本身的强度大小无关。伤员集中分类站覆盖区域是以伤员分类站为中心的不规则的多边形区域,为了简单起见,在本模型中,伤员集中分类站覆盖区域为以伤员集中分类站为中心,以R为半径的圆。R的大小根据建筑物分布和地震发生的时间、震级等具体情况确定。所以,伤员集中分类站对某种应急医疗资源的需求量为

q₂=∑ⁿ_i=1k_iλ₂S_i.(4)

其中:k_i为第i个伤员集中分类的分类站系数,S_i为第i个伤员集中分类站覆盖区域内的人员伤亡总数。k_i由下式确定:

k_i=f(B_i)f(W_i).(5)

其中:f(B_i)为基数,f(W_i)为修正系数。f(B_i)可由如下公式得到

f(B_i)=p_iw_i+b_i(1-w_i).(6)

其中:p_i为第i个伤员集中分类站覆盖区域内的人口密度; b_i为第i个伤员集中分类站覆盖区域内的建筑物密度; w_i为权值; 所以公式(4)变为

q₂=λ₂S∑ⁿ_i=1[p_iw_i+b_i(1-w_i)]f(W_i)

=λ₂Sh₂.(7)

其中:n为应急管理单元内伤员集中分类站的总数,其余参数的意义同上。

(3)灾区诊所:主要以治疗不需要住院的轻伤(I)伤员为主。灾区诊所对某种应急医疗资源的需求量为

q₃=λ₃Sh₃.(8)

其中h₃为轻伤率。

(4)其他:现场急救与避难所等。其医疗救护主体主要由当地相关医院派出的医生和护士组成,同时包括一定数量志愿者救护队。现场急救主要以个别医生和护士为主,避难所中专业医生和护士主要负责中度及其以上伤员的治疗,志愿者救护队负责轻伤病人(如尚能独立行走,意识清楚伤员)的治疗。由于其不确定性,所以用q代替。

因此,公式(1)变为

Q=∑⁴_i=1q_i-(1-d)C

=∑³_i=1λ_ih_iS+q-(1-d)C.(9)

式中参数的意义同上。

基于GIS平台,建立城市震害单元化应急医疗救助辅助系统,实现信息的快速传递和高效处理。地震发生时,根据地震的规模、影响范围等情况,迅速为应急指挥部提供一套完整的应急医疗救助方案并与应急搜救系统、应急消防系统等整合为一套合理的震后应急方案。具体目标:

(1)建立一套完整的数据库系统,实现各部门之间的数据共享。

(2)为地震现场指挥人员提供应急管理单元内人口分布,道路状况,建筑物分布,医疗资源(如医生、护士、应急药品、医疗器械及设备等信息)的查询服务。

(3)地震发生后能够快速准确地评估应急管理单元内的应急医疗资源合理分配已有的资源,以及外界救援力量到达时科学利用外来资源。

(4)能够准确快速地提供医疗队救援行进的最佳路径和工程队道路抢修的最佳方案等。

(5)在伤员转移运输方面,根据现场反馈信息,提供合理的伤员运输、转移和路径选择的方案。

(6)指挥人员根据现场实时反馈的信息,对医疗救助方案进行修改和优化。

基于GIS的城市震害单元化应急医疗救助辅助系统,具有快速提供应急对策信息和实时处理、分析、显示和集成震害信息等的功能。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和开发模式上尽量采用技术成熟和通用的产品,具体的技术方法见表1。

表1 系统实现的技术方法
Tab.1 Technical solution of the system

为了系统具有良好的响应速度,同时考虑到提高系统的可扩展性,基于层级设计思想,系统采用三层 C/S 模式体系结构。这种系统架构形式能保证应急医疗救助决策的快速与准确。系统的体系结构如图3所示。

图3 系统的体系结构
Fig.3 System structure

以快速、科学、高效的辅助应急救助为目的,在充分整合现有震害预测、资源需求、路径分析等应急救助相关理论的基础上,该系统设计的功能包括:基本操作模块、震害预测模块、应急医疗资源需求模块、伤员运输转移模块、交通系统维修模块、网络分析模块和辅助决策模块等。相关功能模块以重庆邮电大学为应急管理单元,设计开发了相应的初步试验系统。重庆邮电大学约有20 000人,其中校医院有专业医生29人,病床50张,周围诊所有医生6人,病床14张。各模块的具体功能如下:

(1)基本操作模块

该模块包括文件管理、用户管理、权限管理、地图基本操作、基本信息查询,例如:人口分布信息,建筑物分布信息,医疗资源(包括医生、护士、应急药品、医疗器械及设备等)等信息的查询以及其他辅助功能(如系统维护、帮助等)。

(2)震害预测模块

对每个应急管理单元进行灾情预估,然后根据地震灾害损失评估模型,评估震灾带来的损失情况,例如:人员伤亡的数量与地理分布,伤员集中分类站的空间分布,建筑物的倒塌及道路状况等。图4所示的曲线为该应急管理单元内不同震级下人员伤亡的基本情况。

(3)应急医疗资源需求模块

根据城市震害单元化应急医疗资源需求模型及其GIS集成应用,做出应急医疗资源需求量的决策。例如,本地医院需要多少医生、护士以及外界力量到达后科学分配这些资源到本地医院或临时医疗中心或伤员集中分类站等。系统界面如图4所示。

图4 应急医疗资源需求模块
Fig.4 Module of emergency medical resources demand

根据伤员的分类和伤员运输、转移的模型以及伤员集中分类站实时的反馈信息,快速准确地确定伤员运输和转移方案。

(5)交通系统抢修模块

首先,根据震害预测模块,确定震后道路或桥梁连通的概率。然后根据道路或桥梁的重要性,次生灾害产生的危险性和抢修道路或桥梁的时间成本等,确定震后道路或桥梁抢修的顺序。最后利用网络分析模块,确定工程队抢修的最优路径并及时地将维修信息反馈到指挥中心。

(6)网络分析模块

根据交通系统抢修模块的实时反馈信息,利用该模块,实时分析得出医疗队从指挥中心到伤员集中分类站或者现场救援场地的最佳路径以及伤员集中分类站或者现场救援场地到本地医院或者临时医疗中心的最佳路径。系统界面如图5所示,其中绿线为医疗队到达伤员集中分类站的最佳路径,红线为工程队抢修道路的最佳路径,蓝线为绿线路径超过道路最大通行量后的备用的医疗队行进路径。

(7)辅助决策模块

生成各种统计报表及专题图,供应急指挥部决策。例如,根据震后人员伤亡评估模型,计算出各个建筑物内大体的人员伤亡情况,生成震后人员伤亡的专题图(图5中柱状图)。

图5 网络分析和辅助决策模块
Fig.5 Network analysis and auxiliary decision-making module