面向县(市)的地震应急处置辅助决策系统研究*
2019-11-06郭红梅尹文刚
张 莹，郭红梅，尹文刚，赵 真
(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.武警警官学院，四川 成都 610213)
0 引言
随着近年来城镇化水平的快速提高，城镇数量和规模不断扩张，城镇化主体地区出现了集中于地震高风险区的态势[1]。在人口密集的城镇，震后高效有序的应急处置尤为重要。在防震减灾工作管理体系中，县(市)防震减灾工作部门是开展城镇地震应急处置的基础执行层，处于最基础和关键的地位[2]，而在实际应急处置过程中却存在一些问题和困难。首先，相对于国家、省级层面的地震应急处置，县(市)地震应急处置有其独有的特点。国家、省级层面的地震应急处置是针对受震害事件影响的全部地区，从处置范围及内容等方面都较为宏观[3]，而县(市)仅作为受震害事件影响的局部地区，在地震应急处置的基础执行层面，地震应急处置方案应相对具体且具备较强的可操作性。此外，不同县(市)所处的自然地理、社会经济等环境不同，有各自的区域特点。发生在不同自然地理环境中的地震，其成灾过程也具有明显的差异，例如，在地形地貌为高原山地的地区地震有诱发次生地质灾害的可能，相对平原盆地地区需要开展针对性的应急处置。各地的社会经济环境更是地震应急处置规模的决定性因素，例如，对人口密集地区投入的救援队伍数量将远大于人口稀少地区。因此，在制定地震应急处置方案时，还应考虑这些因素的影响。而地震应急预案作为当前县(市)防震减灾工作部门开展地震应急处置工作的主要依据，在各地区各层级的内容却基本相似，存在缺乏针对性和可操作性等不足[4]。
本文立足于解决县(市)地震应急处置工作中的实际问题，通过提炼影响各处置阶段的主要因素，构建不同烈度下基于多因素的地震应急处置模型，在此基础上设计，并以国家可持续发展实验区四川省丹棱县为例，研发面向县(市)的地震应急处置辅助决策系统，通过该系统，地震发生后能在快速评估的结果基础上，结合实际灾情信息等，在不同处置阶段，为县(市)防震减灾工作部门提供具有区域特性且操作性较强的地震应急处置方案，为地震应急处置的科学决策等提供有效的辅助决策建议[5]。
1 基于多因素的地震应急处置模型
通过提炼影响县(市)地震应急处置的主要因素，构建不同烈度下基于多因素的地震应急处置模型。
1.1 地震应急处置主要影响因素提炼
地震灾情越重，应急处置过程中的新增影响因素就越多、越复杂[6]。因此，本文假设一个遭受严重破坏性地震灾害的县(市)，按应急响应、应急救援、安置救助、恢复生产自救4个应急处置阶段，分震情、灾情、自然环境和社会经济4大类，提炼影响应急处置的主要因素，如图1所示。
图1 县(市)地震灾害应急处置主要影响因素Fig.1 Main influencing factors of emergency response on earthquake disaster in county (city)
为后续构建基于多因素的地震应急处置模型，还需参考相关规范，结合实际定性或定量标准细分各种影响因素。以震情类影响因素为例，细分结果如图2所示。
图2 震情类影响因素细分Fig.2 Subdivision of influencing factors about seismic regime class
根据中国地震烈度表[7]对烈度进行分级；以相关人员在室率研究结果[8]为依据，划分地震发生时间为白天和晚上；按地震震级规定将余震分为3级，3.0～<4.5级为有感地震；4.5～<6.0级为中强地震；6级及以上为强震[9]。各种因素下不同的分级将对应不同的处置要点。
1.2 基于多因素的地震应急处置模型构建
地震应急预案根据震级等对地震灾害进行分级，对应不同的响应级别，较适用于国家、省级层面开展宏观的处置[10]。不同于地震震级，地震烈度作为对地震破坏程度的综合度量[11]，在同一次地震中因地而异，对于仅是受震害事件影响局部的县(市)开展应急处置更加适用。因此，结合主要影响因素，通过分析各地震应急处置阶段的处置要点，构建不同烈度下基于多因素的地震应急处置模型。
在此，以震后烈度为Ⅷ度县(市)的应急响应阶段为例，对模型进行说明。震后烈度处于Ⅷ度的地区建筑物多有损坏，少数破坏，可能造成人员伤亡[12]，依靠当地救援力量，开展以自救互救为主的人员搜救是应急处置的重点。其中，应急响应阶段从“地震发生”到“震后2 h左右”结束，需要进行医疗和专业救援队伍调配、救援物资调集，准备人员搜救送医、安置受灾群众，组织灾情排查及报送，维护社会秩序等应急处置[13]。在处置过程中，往往受当地地形地貌、人口密度、经济发展水平，震后极端天气情况、人员伤亡数、无家可归人数、建筑物破坏情况、地震发生时间等因素的影响。处置模型(部分)如图3所示。
图3 Ⅷ度地区县(市)地震应急响应阶段处置模型(部分)Fig.3 Response model for emergency response stage of earthquake in county (city)with Ⅷ intensity (partial)
通过对不同烈度在不同阶段的处置要点分析，构成不同烈度下基于多因素的地震应急处置模型。地震发生后，可根据地震烈度分阶段从模型中提取处置要点，结合地震应急基础数据、灾情上报数据、灾情快速评估结果等信息对其进行完善，生成对应烈度的地震应急处置方案。
2 系统总体设计
在模型构建的基础上，对地震应急处置辅助决策系统的架构、功能等进行总体设计。
2.1 系统架构设计
为满足安全性和时效性方面的需求，系统采用三层式C/S架构，从逻辑层面分为数据服务层、业务支撑层及应用展现层，如图4所示。
图4 系统架构Fig.4 System architecture
系统在所需软件和硬件组成的支撑平台上运行。数据服务层为业务支撑层提供系统实现功能所需的数据，分结构化和非结构化数据2类。结构化数据一部分为系统运行的系统数据，一部分为系统分析模型的参数与算法等；非结构化数据主要包括系统产出的处置方案文档模板文件和系统运行的外部配置文件等。业务支撑层以服务模块的形式为应用展现层提供数据处理和计算服务。应用展现层将地震应急评估、地震应急处置、系统管理等各类功能模块化，为用户提供与系统进行交互访问的操作界面。
在系统构建过程中，按照国家、行业等相关标准规范体系进行设计，根据运行维护体系监控系统的运行情况，通过信息安全保障体系保障系统的安全运行。
2.2 系统功能设计
地震应急处置辅助决策系统由地震应急评估、地震应急处置、系统管理等功能模块构成。功能结构如图5所示。
图5 系统功能结构Fig.5 System functions structure
2.2.1 地震应急评估模块
地震发生后，从全国地震速报信息共享服务系统(EQIM)自动获取地震三要素，触发应急评估模块，启动快速评估。根据已有的地震烈度、人员伤亡、建筑物破坏等评估模型产出评估报告及相关的专题图，并将结果存入数据缓存区，供应急处置模块调用。
2.2.2 地震应急处置模块
地震应急处置模块通过环境因素、烈度因素和时间因素管理分别实现对各类影响因素的增删查改等操作。同时，针对具体的处置过程，提供对处置行为、处置方案、处置流程和默认值的管理功能。在处置行为管理中可根据实际情况修改各类影响因素下对应的处置行为要点，实现对处置要点的不断更新。在处置方案管理中可查看、下载、编辑已产出的方案，并按地震事件对方案进行分类和归档。通过处置流程管理，可查看处置进度。应用默认值管理功能，可设定各类影响因素的默认参数值。
震后能调用地震应急评估模块的快速评估结果，结合从灾情上报系统获取的实时灾情信息、地震应急基础数据库等，完善基于多因素的地震应急处置模型中的处置要点，在不同处置阶段产出符合县(市)特点，且具备较强操作性的地震应急处置方案。
2.2.3 系统管理模块
用户权限管理可根据设置的安全规则或策略，实现新建或删除用户、配置用户权限、查询用户相关信息等功能，确保系统使用中的安全性。资源管理主要对系统功能进行管理，对于符合系统接口规则的组件，可通过资源管理载入系统，对于不必要的组件也可移除。
2.3 系统业务流程设计
为实现系统各部分功能，各模块需按一定的顺序运行，并实现相互间的调用，完成对业务功能的处理。因此，在明确系统架构及功能的基础上，设计系统业务流程，如图6所示。
图6 系统业务流程Fig.6 System business procedure
地震发生后，首先通过应急评估模块中的地震烈度评估功能快速判定县(市)所处烈度；然后，应用应急处置模块生成对应烈度下的处置流程，再按流程中的不同处置阶段从基于多因素的地震应急处置模型中提取各类影响因素，并通过应急基础数据库、灾情快速评估结果、上报的灾情信息及第三方信息等获取相关影响因素的值，构成并动态更新不同阶段的处置要点；最后，调用预设的各阶段应急处置方案模板，将处置要点按规则填入模板的对应位置，将内容进行合成后，输出分阶段的应急处置方案。
3 系统实现与运行效果
3.1 系统实现
作为一种应急技术平台，系统应具备较好的稳定性、较快的运行速度且便于兼容。因此在开发模式方面采用当前较为成熟和主流的技术，系统实现关键技术包括：
1)COM建模技术
针对基于多因素的地震应急处置模型分层分级建立模型库，实现专业模型库与系统的集成。由于COM技术便于组织管理且与模型开发语言无关[14]，采用COM技术进行模型库建设，将模型按照不同烈度分类，各烈度的处置模型再按照处置要点划分为不同子模块，开发完成的模型以DLL动态链接文件的形式生成，依据模型库结构进行模型入库。
2)插件技术
传统的系统架构具有模块相对独立、平台结构紧凑等优点，但在进行系统重用和扩展时需要进行大量复杂的修改[15]，难以适应应急技术系统数据来源、功能模块不断发展的需求。为满足系统的可扩展性需求，采用基于插件的设计思想进行开发。插件配置文档主体部分统一以“
3)消息中间件接口技术
地震发生后，系统需从全国地震速报信息共享服务系统(EQIM)自动获取地震三要素，快速触发应急评估及处置功能，同时需通过灾情上报系统获取实时灾情信息，完善处置要点。在建立系统接口时，应确保消息能在系统间及时且可靠稳定的传输。相比其他接口技术，消息中间件技术主要通过消息传递来完成系统间的协作和通信，能适应不同的操作系统及网络环境。作为一种点对点的机制，同时支持消息同步和异步2种传送方式，使消息能够在任何时刻进行传输或转发，保证了传输过程的准确、可靠和及时性。因此，采用消息中间件技术建立系统间的接口，将地震三要素、灾情信息等设置为消息队列，实现消息的有效传输。
4)唯一标识的模块开发模式
为适应地震应急对时效性的需求，提高系统功能模块运行效率，在开发过程中对各模块设置了唯一的“UUID”标识码特性，保证各模块在系统运行时的唯一性，确保震后应急处置方案的快速产出。
基于Eclipse集成开发环境，结合上述系统总体设计及关键技术等，以国家可持续发展实验区四川省丹棱县为例，采用JAVA语言进行地震应急处置辅助决策系统的研发，系统运行主界面如图7所示。
图7 地震应急处置辅助决策系统主界面Fig.7 Main interface of emergency response assistant decision-making system of earthquake
3.2 系统运行效果
设定丹棱县境内发生6.5级地震为假想测试地震，触发应急评估模块，评估建筑物破坏、人员伤亡、经济损失等主要受灾情况，并判定所处地震烈度，以灾情简报的形式输出，如图8所示。
图8 灾情简报Fig.8 Disaster situation briefing
应急处置模块通过调用评估结果等，可在不同处置阶段对应的时间节点自动产出应急处置方案，以地震应急响应阶段为例的处置方案(部分)如图9所示。
图9 地震应急响应阶段处置方案(部分)Fig.9 Response scheme in emergency response stage of earthquake (partial)
除明确需要启动的应急响应级别外，根据基于多因素的地震应急处置模型，方案将各项处置内容具体化，提出需要优先开展救援的学校、重点处置和排查的危险源、地质灾害点、公路等目标，根据无家可归人数，初步估算生活物资需求等重要信息。随着实际灾情信息的获取，将动态更新不同阶段的处置要点，使方案更贴近实际，为防震减灾工作部门的应急处置工作提供更切实可行的参考和建议。
4 结论
1)针对县(市)防震减灾工作部门在应急处置过程中依据的地震应急预案针对性和可操作性不足等问题，以不同烈度为基准，构建基于多因素的地震应急处置模型。
2)在基于多因素的地震应急处置模型基础上，对地震应急处置辅助决策系统进行总体设计，并以国家可持续发展实验区四川省丹棱县为例，完成系统的研发，实现按烈度、分阶段快速产出具有区域特征且兼具较强操作性的地震应急处置方案，研发结果可为县(市)防震减灾工作部门提供1套地震应急处置辅助决策系统平台。
3)由于县(市)地震应急处置还受除本文提炼的因素外其他诸多因素的影响，且不同因素之间还存在相互影响和关联的可能，对应的处置要点也将随着实际情况进行调整，因此，下一步还需不断完善基于多因素的地震应急处置模型。同时，还需通过在实际地震中的应用，进一步发现地震应急处置辅助决策系统存在的问题，对系统进行改进，使其能更好地适用于县(市)地震应急处置工作。
