地震应急预案执行辅助系统研究①

郭红梅，陈维锋，张 莹，杨 斌

（1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；3.四川易利数字城市科技有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

地震应急预案是突发地震灾害应急救援的基础，它提供了应对地震灾害的基本规则，对不同等级地震的应对措施和各单位部门之间的组织协调关系等内容［1－3］。地震应急预案都按照一定的规范编制，在内容和形式上都比较统一，在实际的地震应急救援过程中发挥了应有的作用，但同时暴露出一些问题。其中主要是以文本为表现形式存储的预案存在许多缺陷，例如表现不够直观形象，操作查询不便，不能快速有效地提取所需信息，不能根据地震灾情发展情况自动关联有直接针对性的处置内容和方案等。将地震应急预案数字化是解决这些问题最直接有效的手段。

数字化地震应急预案就是利用计算机技术和网络技术，根据地震灾害事件的处置流程，在事态发展即时信息的基础上，形成全面、具体、针对性强、直观高效的应急预案，使预案的制定和执行过程达到可视化、智能化的水平［4］。地震应急预案执行辅助系统以应急预案数字化为基础，是地震应急预案的执行平台，对于有效综合利用各类信息，做出科学高效的决策有十分重要的作用。该系统的建设是推进形成地震应急快速反应、科学指挥和高效处置的应对机制与能力的重要措施。

1 地震应急预案数字化

地震应急预案数字化就是将使用自然语言描述的文本形式的地震应急预案转化成计算机能够理解和处理的具有结构和逻辑的形式，将目前地震应急预案的静态存储格式转化为应急预案的数字化存储格式，便于开发能够自动分析和执行的预案流程模块。地震应急预案数字化主要包括形式化描述和数字化建模。

1.1 地震应急预案形式化描述

本文使用本体理论实现预案形式化表示，采用上层本体和应用层本体的两层结构建模，实现应急预案知识的形式化描述。

上层本体模型依据地震应急预案领域知识，对地震应急相关的概念如地震事件、组织体系、应急响应过程等进行了一般抽象，建立与这些概念关联的行为、性质等属性，关于这些概念更具体的描述需要在应用层本体完成。应用层本体是对上层本体的扩展，针对特定地震事件，将应急预案涉及的基本知识、规则规定及其应急响应过程中有关的概念、属性和概念间约束关系等内容描述出来。

以“应急响应过程”为例，上层本体“应急响应过程”描述了地震事件随着时空变化的处理过程，响应过程由突发地震事件触发，可以分解为一系列子过程的任务。响应过程主要包括过程名称、子过程任务列表、响应开始条件和响应结束条件等属性，如图1所示。

应用层本体“应急响应过程”是指地震发生后，根据应急预案对不同阶段对应的不同处置任务的响应过程。在地震应急预案中分为临震应急响应、震后应急响应和应急期结束三个主要阶段：临震应急响应阶段包括接警、信息报告等，主要做好应急准备；震后应急响应是在应急期开始后，根据实际震情结合应急预案判定响应级别，再根据不同响应级别下对应的措施开展应急救灾工作；应急期结束是指地震现场应急工作基本完成，震情形势基本趋于稳定，应急工作基本结束。在进行形式化描述时，可以将这几个阶段抽象为不同的任务和子过程，如图2所示。

图1 应急响应过程属性Fig.1 The attribute of emergency response processes

图2 应急响应过程E－R图Fig.2 E－R figure of emergency response processes

1.2 地震应急预案数字化建模

地震应急预案数字化建模是在形式化描述的基础上，将目前地震应急预案的静态存储格式转化为数字化存储格式。本文通过将现有的预案分解为以Open＿XML格式作为分割标记的地震事件定义和描述、组织体系和应急响应程序等相互独立的模块，建立数字化模型。以地震事件定义和描述为例。

针对地震事件，定义一个全局类型变量Event来表示突发地震事件的信息，Event包括一个指明地震事件记录序号的属性eventID和两个表示地震受灾地区和受灾级别的子元素DQ和JB。用Open＿XML定义的地震事件对应的部分代码如下：

2 系统构建与业务流程

地震应急预案执行辅助系统在地震应急预案数字化的基础上，与各种已建成的地震应急指挥与信息服务技术系统集成，为各级地震应急指挥人员提供应急指挥行动辅导，提高应急预案执行的效率和应急指挥的有效性。通过地震应急指挥技术系统等应急支撑系统产生的地震影响场信息、人员伤亡、经济损失、建筑物破坏情况、重点单位分布信息、危险源分布信息、潜在地质次生灾害点信息、交通系统破坏、人口分布、经济分布等灾情信息进行综合分析，预测出最新时间的灾害发展状态以及资源需求，以集成为核心，应急预案为基础，针对灾害实际情况定制应急指挥、辅助决策等业务。系统的业务流程如图3所示。具体业务流程如下：

（1）对地震应急预案进行基于模板的规范化数字化编制和管理，覆盖应急预案的全生命周期。对通过专家评审的预案进行备案，没有通过的则需要重新修改编制。

（2）支持常态管理与应急应用两种不同的模式。

（3）在地震发生后，进入应急应用模式的临震预警模块。

图3 系统业务流程图Fig.3 System business processes chart

（4）应急模式下，首先通过地震速报信息共享与服务平台，即EQIM（EarthQuake Instant Messenger）系统实时获取地震事件三要素，根据地震应急预案的规定，自动预初判预警及响应级别，经人工确认实现应急预案的启动，实现分级响应。

（5）根据数字化的地震应急预案自动产生应急执行关键内容的可视化提示，结合灾区分布、人员伤亡、路桥损毁、救援请求、救援力量分布等灾情信息和救援需求情况提供初步、可实时调整的应急方案，完成扩大响应。

（6）应急方案的修改、审核和发布，指导相关部门人员开展应急工作直到应急结束。最后进入后期处理，通过对整个应急过程中产生和执行的方案以及结果进行录入和评估，给出应急预案优化提示并备案。

（7）平时执行常态管理功能，包括应急宣传、培训和演练等，以提高灾害防范意识和地震灾害应急准备能力，同时对演练结果和过程进行评估与备案。

3 系统总体框架与功能设计

3.1 系统总体设计

地震应急预案执行辅助系统是解决半结构化或结构化问题的交互式计算机信息系统，它把人的智能与计算机的计算能力集成和融合，以有效地提高应急预案的执行质量和效率。系统总体框架由数据层、接口层、逻辑层、应用层和表现层组成。其中，数据层用于存储和管理与执行地震应急相关的各种数据；接口层实现与相关技术系统的共享交换与接口管理；逻辑层在系统架构中的位置很关键，它处于数据层与应用层中间，起到了数据交换中承上启下的作用；应用层则用于提供系统的基本功能和模块之间的接口；表现层是用户与数据、模型等进行交流、交互的人机界面，直接展现出所需结果。地震应急预案执行辅助系统基于以上的思路进行构建，系统总体结构如图4所示。

图4 系统总体结构图Fig.4 The overall system structure diagram

（1）数据层

数据层包括业务数据库、应急预案库和案例／知识库三个基本的数据库。业务数据库中的业务信息主要是指在地震应急决策过程中需要用到的专业性信息资源，包括应急指挥系统产生的预评估结果、灾情上报系统获取的原始灾情信息和经分析处理后的灾情产品等；应急预案库中则包含了大量标准格式的数字化地震应急预案，在地震发生后可以直接进行调用或结合实际灾害情况综合分析从中得出可实时调整的应急方案，还可在应急结束后对应急结果进行评估，给出优化的应急预案再录入到应急预案库中；案例／知识库由大量的产生式规则知识和事实知识组成，包含了地震应急相关的各种专业知识和执行过程中积累的最佳实践和成功经验。

（2）接口层

接口层主要实现与地震应急指挥技术系统等相关系统的数据共享交换与接口管理，通过接口使这些外部系统与地震应急预案数字化系统实现集成。同时提供完善的信息安全机制以完成对信息的全面保护，保证在充分利用系统资源的前提下实现系统平滑的移植和扩展，在需要接入新的支持系统时提供快速、方便和准确的实现方式。

（3）逻辑层

逻辑层为地震应急预案的辅助执行制定了基本的操作功能，定义了一些基本的操作，包括预警分析、响应分析、联动分析和模块管理等。同时起到了数据交换中承上启下的作用，对于数据层而言，它是调用者，对于应用层而言，它却是被调用者。

（4）应用层

应用层是整个系统的核心层，主要辅助实现地震应急预案的执行与管理，包括：预案管理、常态管理、应急管理、标准库管理和系统管理五个部分。在常态下执行应急预案的常态管理；在应急状态下，应用层在运行过程中按照应急预案辅助执行功能的实现流程，全面调用数据库、模型库、方法库、知识库、预案库中的相关信息，最终生成合理的应急方案，辅助地震应急预案的执行。

（5）表现层

表现层可以根据实际需求对地震应急方案的执行和管理情况进行展示，相关信息可以通过GIS在地图上进行展示，也可以通过列表或文档形式进行展现。

3.2 系统功能设计

在总体设计的基础上，结合地震应急过程中的实际需要，地震应急预案执行辅助系统主要包括了以下几个基本功能：

（1）预案管理模块。主要作用是对预案进行数字化结构化管理，同时对预案的编制和修订进行版本管理和预案的全生命周期进行管理，包括：预案编制、预案入库、预案评审和预案发布，从而方便对预案进行调阅、查询和统计。

（2）常态管理模块。常态管理的主要作用是完成应急值守的日常工作，对预案演练进行管理，对与应急相关的信息数据进行日常维护管理更新等。

（3）应急管理模块。该模块的主要功能是当地震发生时按照应急预案要求实现对应急响应工作的管理，同时还要对需要扩大响应的地震事件进行管理，再根据响应结束要求进行结束响应的信息管理、发布和查询，按照应急预案对后期处置工作进行记录管理和查询。

（4）模板管理模块。模板管理模块的主要作用是对各类标准库进行日常维护管理，包括对案例库、知识库、模版库、范本库的添加、修改、删除、导入、导出、查询等功能。

（5）系统管理模块。系统管理模块主要完成系统管理的功能，包括：使用本系统的单位、部门、人员的管理，本系统的角色管理，即对使用者的角色、权限配置进行的管理，系统基础地理数据的更新及业务数据的备份和恢复，接口系统的配置管理等。

3.3 系统数据库构建

要实现高效有序的地震应急管理，有效、全面、及时的各类地震应急信息是辅助地震应急方案生成和执行的关键［5］。而实现各类数据的存储、处理、管理则需要通过建立数据库来实现。在地震应急预案执行辅助系统中，基础数据库的构建包括对各种资料的收集和整理、数字化、录入以及数据库的建设等。其流程如图5所示。

图5 数据库构建流程图Fig.5 Flow chart of Database construction

基础数据库的构建首先需要对各种基础数据资料进行收集和整理，基础数据包括社会经济数据、基础地理数据、地震基础数据、地震应急预案、救援力量和物资储备数据等。然后再进行资料分析、数据判读和数字化处理，并在统一数据库规范的基础上进行大规模的数据整合。为方便使用和存储，将数据分为空间数据和属性数据，并分别录入其中，最后按照系统选定的数据库类型将各类数据统一整合到以基础地理数据为平台的GIS系统中，建成基础数据库。

3.4 系统接口设计

在构建地震应急预案执行辅助系统时，为了得到地震应急指挥技术系统等已建成的技术系统对应急预案的支撑，需要在系统与各子系统间实现共享与接口管理。主要的外部接口包括：地震速报获取接口、快速评估结果获取接口、数据库查询接口、专题地图获取接口、预案方案发布接口、灾情文档获取接口和上报备案接口等，如图6所示。

图6 系统接口设计Fig.6 System interface design

其中，EQIM为地震速报系统，通过EQIM获取接口与系统集成可以快速获取地震速报信息；通过快速评估结果获取接口与系统集成可以快速提供影响场、灾情预评估结论等信息；地震应急基础数据库系统通过数据库查询接口与系统相联系；专题地图快速生成管理系统通过专题地图获取接口与系统集成，可快速获取地震应急专题地图；防震减灾素质教育系统通过预案方案发布接口集成到系统中，快速将通知公告发送到受灾地区；灾情快速获取与汇集处理系统通过灾情文档获取接口帮助系统快速获得各类现场灾情信息；最后，在应急结束后将应急方案通过上报备案接口进行备案。

4 基于GIS的系统实现

本系统采用ArcGIS Engine 9.3组件式GIS开发平台与面向对象的可视化Visual Studio C＃2008开发环境进行开发。

4.1 GIS技术在系统中的应用

为实现应急预案执行的智能化，首先要对应急预案进行数字化表示、结构化分解和流程分析，将地震应急预案表示成XML格式的数字化存储格式［6］。

GIS引擎通过解析XML格式的预案，将预案中相关的资源专题图层与各个业务应用系统的数据进行分类，通过GIS的不同图层可动态展现地震应急预案的资源演变情况。其中，除了GIS本身的基础图层外，还包括应急预案涉及到的影响场信息等实时信息资源。此外，在预案实施过程中各级指挥人员和救援人员通过GIS展现的各个图层能直观地监控预案涉及的资源演变状况、以及各个相关业务系统的运行状况和事件发展情况。

在地震发生后系统中的应急事件会被触发，同时会根据灾区实际受灾情况自动判定出响应级别，在地震应急预案对该级别地震灾害应对方案的基础上提取出涉及到的各个部门和单位的应急方案，明确任务和职责。而在地震应急方案执行过程中各单位可以根据GIS提供的与之对应的专题图更好的明确任务范围与工作重点。例如交通管理部门通过GIS能看到灾区交通破坏的相关图层展现了解地震现场的交通状况，发布疏导信息；现场指挥部门可以通过GIS查看受灾现场附近的地理环境了解路面、桥隧等结构物的信息和次生灾害信息，更好地指挥现场清理和救援等；指挥中心人员能看到整个预案实施的一个综合性的图层集，及时了解事态的发展，以便统一指挥和调度。

通过与GIS引擎的集成，地震应急预案执行辅助系统能更为直观地展示地震灾害的区域、程度等信息。此外，由于地震灾害中的不确定性和外部条件的千变万化，地震应急预案规定的情景与实际地震发生时的具体情况难以完全吻合，需要根据受灾规模和外部条件动态生成多个应急方案在GIS平台上展现，供指挥人员选择和修改。GIS平台借助数字化预案获取的相关信息，利用各种分析模型进行辅助决策分析，为指挥人员提供辅助决策信息。

4.2 系统运行实例

图7 地震应急预案执行辅助系统主界面Fig.7 The main interface of earthquake emergency plan executionauxiliary system

系统主界面主要由五个功能菜单组成，包括应急管理模块、预案管理模块、常态管理模块、模板管理模块和系统管理模块。如图7所示。

应急管理模块是系统的核心，本文重点展示了应急管理模块的使用。应急管理模块包括应急事件和应急方案两个子模块，在地震应急中发挥不同的作用。以北川县5.2级地震为例，相关单位人员收到此次地震发生的消息后，在应急事件子模块下选定此次地震事件，同时触发它，系统将根据实际受灾情况自动判定响应级别，再根据地震应急预案中对于该级别的地震灾害规定的应对措施和涉及到相关部门的职责，为各部门生成相对应的应急方案，接下来再下载灾情文档进行任务的分配，提高整体的应急处置效率。具体流程如图8所示。

点击应急方案则进入应急方案界面，如图9所示。

图8 自动生成应急流程图Fig.8 Emergency flowchart automatically generated by the system

图9 应急方案主界面Fig.9 The main interface of emergency action plan

在左侧边栏中列出了不同地区不同震级的应急方案，选定后具体的应急方案将显示在文档框中。右侧边栏列出了了灾情文档和震区专题图，其中震区专题图包括地震影响分布图、震中位置分布图、震中与主要城市分布图等专题地图，并列出了地震应急涉及到的不同部门和单位的详细应急方案供指挥人员选择。

5 结语

地震应急预案执行辅助系统以数字化地震应急预案为基础，加强了地震应急信息共享，对提高地震应急响应速度，改进地震应急指挥决策的合理性和科学性意义重大。但是这一领域目前处在起步阶段，缺乏相关的标准做支持。数字化地震应急预案的模板以及管理等都是自定义的。另外，基于地震应急预案的应急决策过程中源预案的适应性调整一般由决策人员或者领域专家来完成，这是比较困难的工作。在今后的工作中，可以结合人工智能的推理技术和实际应用背景展开进一步的研究，通过系统本身的一些规则来自动进行预案的适应性调整，再结合决策者和领域专家的知识和经验，将大大提高系统的有效性和可用性。

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