基于政务外网的应急救灾物资调度系统设计

2018-11-22合肥工业大学计算机与信息学院刘扬蒋建国

网络安全和信息化 2018年11期

关键词：列表电子政务储备

■ 合肥工业大学计算机与信息学院刘扬蒋建国

编者按：笔者依托省电子政务外网，以灾害应急响应联盟、救灾物资分配和调度优化算法为核心算法和技术，设计了应急救灾物资调度系统，为政府应急部门科学决策、高效有序地应对重大自然灾害，提供一套示范性解决方案。

应急组织架构

对于多储备点、多发放点、多种救灾物资的应急调度问题，其难点在于如何在储备点救灾物资有限的情况下，解决各物资发放点对稀缺救灾物资需求的冲突问题，尤其是在灾害应急响应的初期。

图1 应急组织架构

当特大自然灾害（如地震、洪水等）发生后，把多个储备点的救灾物资融合在一起，如何快速有效的组成一个协作团队来响应各发放点的救灾物资需求，需要相关政府职能部门科学决策。灾害应急组织架构如图1所示。

然而，从哪些储备点调拨救灾物资到哪些发放点，现阶段，依然是领导或专家组根据的个人经验分配和调度，缺乏一个高效科学的救灾物资分配和调度集成系统，为此，我们设计了应急救灾物资调度系统，根据各部门提供的相关动态信息，为省政府应急办科学指挥和辅助决策提供智力保障。

省应急救灾物资调度系统框架和核心算法

1.系统框架

依托地方电子政务外网传输平台，采用Java Web后端编程技术、MySQL和百度地图API，并结合前端编程语言 HTML、CSS、JavaScript和JQuery等，以灾害应急响应联盟、救灾物资分配和调度集成优化算法为核心算法和技术，设计系统框架如图2所示。

（1）地图展示模块

地图展示模块默认为本系统的主页，通过调用百度地图APIs，将默认的应急储备点以矢量图形的形式直观、高亮地在地图上标记出来，且其中每一个矢量图形都可以通过鼠标单击从而弹出一个信息窗口，显示该储备点的一个概况。在这里，我们依托地方电子政务外网，提取储备点关键数据并存入数据中心。

图2 应急救灾物资调度系统框架

（2）储备库列表

储备库列表可以查看储备点的具体情况，包括级别、经纬度、所在城市、救灾物资列表和路由等信息。我们还可以通过进一步点击“修改信息”，从而对该储备点的信息进行编辑。

（3）最短路径模块

“最短路径”可以在下拉列表中选择对应的起点储备库和终点储备库，点击确认后，后台系统通过Dijkstra算法计算最短路径，将结果返回到前台，并通过调用百度地图 APIs, 将该生成的最短路径绘制在地图界面上，同时将该路径的距离和途经节点信息显示在左下角的页面中。

（4）用户登录子系统

用于本系统的注册管理、用户管理、系统管理等功能模块。

（5）路由信息子系统

在灾害应急响应网络中，每一个红色的矢量图形均代表一个储备点，点击系统导航栏处的“路由信息”后，即可浏览灾害应急响应网络。在该页面中展示的是所有的储备点和发放点之间的路由网络，从而可以为决策者的下一步处理提供依据。

（6）应急调度子系统

在救灾物资应急调度子系统中，我们将基于启发式和贪心的快速混合算法嵌入到这个功能中。选择一个发放点，在左侧的列表中输入救灾物资需求，确认后，系统会自动调用集成优化算法去搜索一个最优分配和调度方案，并在应急网络上标出。

（7）接口管理子系统

通过信息通报和报警模块，可以辅助职能部门做好平时的应急演练和战时的指挥调度，并且系统预留与异构信息系统之间的API接口。

2.核心算法描述

（1）算法建模

通过算法建模的方式，把应急救灾物资调度问题抽象成如下多目标优化模型：

第一，重大自然灾害发生后，同时存在多个需要响应的救灾物资发放点；

第二，应急专家根据受灾情况可以粗略估算出各发放点所需要的救灾物资种类和数量，并以整数计数，即救灾物资需求量是一个定量值；

第三，存在多个分布于不同地域的救灾物资储备点，且每个储备点拥有有限的救灾物资种类和数量(定量)，并以整数计数；

第四，同一种类的救灾物资由于地域等差异，从各储备点运输到各发放点分别有不同的运输成本（因为输送路径不同），并以整数计数；

第五，依据各储备点到各发放点的广义时间距离（比如行程时间，以整数计数）来设定应急响应时间。

（2）基于启发式和贪心的快速混合求解算法

图3 流程图

为解决上述应急救灾物资调度问题，在算法建模的基础上，我们设计了基于启发式和贪心的快速混合求解算法。首先建立辅助网络来减小问题的复杂度，然后从辅助网络中提取启发式信息，并提出一种基于贪心策略的搜索方法来快速寻找最优解。所提出的启发式快速求解算法流程图如图3所示。

调度系统运行验证

1.测试用例生成

将安徽某地区地图映射到应急调度系统中，每条路段上的数字为旅行时间（单位：小时），可根据百度地图的历史行程时间函数得到。储备点和发放点的位置由随机实例生成器随机定位到应急调度系统中。

实例生成器基于三种实验环境：分别生成3个随机实例，每个实例分别具有不同数量的储备点、发放点和救灾物资种类。此外，每个储备点拥有的救灾物资量，每个发放点的物资需求量，以及每种物资的单位时间单位运输成本均是随机生成的，而根据应急经验，每个发放点的最大应急响应时间设为12小时，救灾物资可以是食物、饮用水、帐篷、被子和其他日常必需品，还可是救援设备、工具和医疗器械等。

2.测试结果验证

将上述测试用例样本输入系统，点击“应急调度”即可进入救灾物资分配和调度模块，选择一个发放点，在列表中输入救灾物资需求，点击确认后，系统会自动调用集成优化算法去搜索一个最优分配和调度方案在应急网络上标出。可以看出系统从众多的储备点中，根据我们设计的启发式和贪心的快速混合算法，自动计算出最优的三个储备点向发放点进行应急救灾物资分配和调度。