分布式灾害应急协同研判系统的设计与实现

肖宏宇,杜志强,朱 庆,王 薇,林月冠

（1.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756；3.民政部 减灾应急工程重点实验室，北京 100124）

我国是世界上自然灾害频发，且遭受影响最为严重的国家之一[1]。我国的自然灾害呈现种类多、分布广、频率高、损失重等特点，而应对重大自然灾害更具有多目标、多因素、群决策等特点[2]，这些特点导致灾害应急决策过程极其复杂，决策后果影响深远。应急灾害风险评估准确性不足，抗震救灾及其他有关领域专家组应急决策滞后，都会对初期科学应对灾害造成不利影响。究其原因是地方政府和基层组织的应急反应系统不完善甚至不存在，灾害发生时中央与地方信息脱节或存在重大偏差，同时，灾害发生后在统一地点组织多专业、多领域、多层次专家召开灾情研判会议耗时耗力，应急反应能力严重不足。由此可见，建立一套中央与地方之间完整、准确、高效的应急灾情研判系统，以及政府部门与专家组之间快速、协调、有效的协同工作环境，对最大程度地减少人员伤亡、减轻经济损失和社会影响至关重要。

1 协同研判系统

计算机支持的协同工作（computer support cooperative work，CSCW）技术的出现使得信息社会中人们工作方式的群体性、交互性、分布性和协作性得到极大的提升[3,4]，而基于网络基础设施，不仅可以实现信息资源共享、支持处理与大规模协作过程中的数据共享，也可以有效实现异质和地理上分散环境的通讯[5]。这些都为中央与地方减灾部门之间实现快速信息互通、快速资源共享、快速协同行动创造了条件。同时，基于网络技术的分布式协同研判方式也已成为复杂灾情问题多层次决策的主要趋势。

针对国家、省级减灾中心灾害研判分析过程中相互间缺乏灾情信息交流、灾情标绘信息误差大、先制图后研判导致决策应急性不足等问题，以网络环境为支撑，设计实现了分布式灾害应急协同研判系统。通过建立协同工作运行环境，强化灾情标绘操作互通、互联、互操作能力，加速标绘信息的交流，提高标绘信息的可靠性与实效性[6]。同时，参照主流的地图协同标绘原理，采用了“主席-听众”的管理模式，使各领域专家等多角色之间充分进行沟通，有效开展协同标绘与研判分析工作，及时完成防灾减灾策略制定。

目前，灾害应急管理过程中的协同研判主要包含2种不同的业务层面[7]。第一个层面为广义的协同研判，也称为大综合层次，需要灾害现场数据、天空地数据等都参与到协同过程中，多学科专家都参与到过程中，是一个多层次、多类型综合性的协同研判过程；另一个层面为狭义的协同研判，主要是在研判过程中，多工种、上下游之间的协同与研判。分布式灾害应急协同研判系统主要针对第一个层面的协同研判，因此，采用适应于综合减灾业务的“主席-听众”协同研判模式。图1展示了该模式的具体结构以及“主席”和“听众”的任务和权限。

“主席-听众”模式也适用于中央与省级减灾中心的多层次协同。系统获取并共享灾害事件信息，各级指挥人员可以协调使用所需要的灾害遥感影像等资源。在国家级和省级指挥中心进行不同层次和不同中心之间的多层次协同或跨部门协作，同时进行多事件协调、计划与管理。

图1 “主席-听众”协同研判模式

2 系统设计

2.1 系统总体框架

分布式灾害应急协同研判系统在综合减灾信息服务标准体系的支撑下由研判层和交互层2个功能层以及1个数据层组成，系统总体框架见图2。

图2 分布式灾害应急协同研判系统总体框架

2.2 功能模块设计

1）交互功能层。主要包括6个模块。其中，数据接入模块负责接入标绘过程所需的灾情现场数据、遥感底图数据、基础地理数据、电子地图数据等，主要包括TIF、IMG、SHP、DWG等数据格式；数据处理模块负责对接入的数据进行格式转换、投影变换、拓扑重建、透明度处理等操作；数据管理模块负责以工作空间文件、数据源文件的形式管理不同层级的数据，以及对标绘过程中的图层进行管理；分布式协同标绘环境构建模块面向多客户端用户，负责构建灾害应急协同标绘环境，包括完整统一的标绘命令、标绘工具和图元信息等；协同交互模块负责协调客户端与服务器之间的通信连接、数据传输、信息发送和请求响应等操作，为多源信息一体化显示模块提供数据交互、同步功能；多源数据一体化显示模块将遥感数据、测量数据、统计数据等多种数据源的数据在二维窗口进行有序组合，并进行一体化显示，实现灾情信息和标绘信息的直观表达。

2）研判功能层。主要包括5个模块。其中，任务调度管理模块实现用户间的沟通和讨论，获得工作区、工作流、任务描述等信息，进行标绘与研判任务调度管理；灾情研判分析模块从资源管理与案例库构建模块中读取每个时刻的研判信息，并进行分析统计；研判资源管理与案例库构建模块负责读取研判过程所需的基础地理数据、遥感影像、地方上报数据、历史案例库、应急决策综合知识库等，并提供给灾情研判分析模块，同时将研判结果、过程记录数据进行存档，生成历史案例库；应急救灾决策推理与优化模块负责集成救灾决策应急模型、救灾资源需求模型、救灾资源应急调度多目标优化模型、应急救灾方案评价知识模型、灾民紧急疏散计算机仿真模型等，在不确定、不完整、时变信息条件下推理得到救灾方案，为应急救灾提供类型、数量、时间排序、空间分布等灾害应急救灾需求建议方案；研判过程记录模块负责读取资源管理与案例库保存的研判过程操作记录，生成灾情研判分析报告。

3 关键技术

3.1 任务区划

灾情协同标绘的首要工作是对遥感影像进行任务区划分，标绘人员根据统一任务分配确定作业区域，对区域内的损毁目标进行标绘。灾情标绘与研判的对象是房屋、道路、基础设施等承灾体，以及滑坡、泥石流、堰塞湖等致灾因子，这些对象均具有个体完整性、群体关联性、分布不均匀性的特点。通过坐标、分块大小、分块数目等参数定义的影像分块分区方法和通过比例尺、经纬度控制的影像分幅分区方法均会对标绘对象造成个体完整性破坏和关联信息损失，并且不适合高清遥感影像提供的小范围研判目标的任务区划分。

利用掩膜多边形方法进行影像任务区划，灵活的多边形绘制既可以避免重要地物被分隔，也可以将关联对象集中归类，对无关信息进行剔除，同时适应了标绘对象群分布不规则的特点。掩膜多边形任务区划方法中，掩模是由0和1组成的二进制图像，1值区域被处理，0值区域被屏蔽[8]。通过绘制不规则多边形构建目标区域掩膜图像，此图像和遥感底图叠加，利用图像算数运算乘法原理实现目标提取，结果影像图落在掩膜区域内的为原值，落在区域外的均为0，如图3所示，运算方法如下：

图3 掩膜多边形受灾目标区分割

3.2 并发控制

分布式灾害应急协同研判系统的一大特点是动态性，主要体现在灾情标绘数据的实时上传和共享。由多个业务员同时访问和操作共享必然会引起并发控制的问题，这种问题的解决主要从控制级和领域级着手，前者关心的是对冲突的预防，后者关心的是如何解决已产生的冲突[9]。

并发控制机制通常包括事务协议加锁协议、串行协议、令牌环协议等[10]。“主席-听众”模式即是一种令牌环协议，通过设置“主席权限”和“听众权限”来区分用户的不同角色。分布式灾害应急协同研判系统的共享数据由数据源文件承载，业务员通过添加共享数据源文件获取对应作业员的标绘进展、成果、评判标准等信息。“听众权限”的业务员只能对共享数据进行查看，无法编辑修改标绘数据，需要修改共享数据的业务员通过向“主席权限”角色发送请求，获得权限后可以进行标绘信息修改。该方法是一种控制级的冲突解决办法，旨在通过管理模式减少冲突的产生。

但是，受专业知识背景、工作经验等因素的影响，业务员对同一受灾区目标损毁程度的评判存在差异，差异偏大将导致数据的不一致，此时，需要对有冲突的操作进行手工干预[11]。可以通过发送疑似案例，进行可信度判定、协商判定、仲裁评定消除冲突。其中，可信度判定是指依据用户在防灾减灾领域的专业知识背景区分提供信息人员的可信度，进行优先级排序，首选可信度高的人员提供的信息；协商判定是指由信息提供人员之间进行协商讨论，提交有共识的可信度最高的信息；仲裁评定是指把不同领域专家带入讨论，由他们进行评定。

3.3 协同标绘

分布式灾害应急协同研判系统最重要的内容就是协同工作条件下灾情信息的标绘与标注。系统以工作空间、数据源、数据集3个层级的方式管理标绘数据，其中，工作空间由数据源组成，数据源由数据集组成，数据集分为点、线、面、文本、影像、CAD等多种格式类型，在多源数据一体化显示时，1个数据集即为1个图层。

在协同标绘过程中，具有标绘权限的角色在标绘对象上增加、删除、修改、移动点、线、面等矢量图形，以及图标、文字等标注符号，绘制数据在数据集中自动保存，一定时间后数据集所在的数据源文件通过网络反馈给服务器，服务器处理请求后在数据库进行备份，并向其他业务员发送消息[12]。当协作对象接收到网络数据后，对网络数据进行解析，如果是符号处理操作并且本身具有显示权限，则将上传的数据源文件加载进本地工作空间，并在本机进行相应的图形符号操作。

4 实验与结论

4.1 实验数据与环境

以1台配备四核处理器、16 GB内存、1 TB空间硬盘的服务器为WMS服务器，在多台配备Inter(R)Core(TM) i7-3520M 2.90 GHz CPU和NVIDIA NVS 5 200 M显卡、8 GB内存的图形工作站上进行实验。以某时相芦山地震宝盛乡的遥感影像、1︰400万基础地理矢量数据、网络服务数据等为实验数据。

4.2 实验步骤

分布式灾害应急协同研判系统在国家级节点（民政部国家减灾中心）和省级节点（江西、云南、甘肃、辽宁、湖北等减灾中心）进行部署。国家级节点分别在内网和外网部署该系统，内外网之间物理隔离，且分别部署系统必要的存储设备、计算设备、网络设备、安全设备和工作站等硬件；省级节点仅在外网部署该系统。国家级节点与省级节点均用外网通过VPN或Internet进行通讯。

标绘过程为：主席位通过分布式灾害应急协同研判系统任务调度管理模块划分任务区，并指定责任人。实验划分为“任务区：村落1”、“任务区：村落2”、“任务区：村落3”、“任务区：村落4”共4个标绘任务区；内业人员根据统一任务分配确定作业区域，通过分布式协同标绘模块对区域内的损毁目标进行标绘，不同业务员之间利用协同交互模块，通过查看其他区域来了解相应作业员的工作进度和评判标准；对于不能确定损毁程度的目标，通过发送疑似案例向专家进行咨询。

灾情研判阶段，主席位将共享标绘成果统一加载到分布式灾害应急协同研判系统，形成完整、统一的宝盛乡受损房屋标绘成果，由专家组依据标绘标注信息进行灾情综合研判。图4所示的宝盛乡受损房屋协同研判过程中， a图为任务划分阶段，主席位对灾害协同研判大任务进行任务分区；b图为协同标绘阶段，业务员针对“任务区：村落1”进行的标绘结果，以及主席位汇总任务区1至4标绘成果后的结果；c图为灾情研判阶段，宝盛乡北部沿河区域局部放大图。结果表明，宝盛乡沿河北部受损房屋密集，且存在2处严重受损区域，需要制定紧急救援策略。

图4 宝盛乡受损房屋协同研判

4.3 结 论

协同工作已经成为国家各级防灾减灾中心处理综合减灾业务问题的重要特征，建立一个快速、稳定、可靠的分布式灾害应急协同标绘与研判平台，对提高灾情综合研判能力具有重要意义。实验表明，分布式灾害应急协同研判系统能够满足灾害应急响应过程中对多用户进行远程灾害影像图标绘操作和灾情研判分析的需求；能够实现灾害研判分析过程中灾情信息的快速交流；主席位根据需要实时加载标绘结果，能够实现标绘与研判同时进行，提高了防灾减灾策略制定的应急性。

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