露天矿地质灾害应急救援智能调度系统研究*

王金安，陈梦雨，周家兴，马海涛

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；3.中国安全生产科学研究院，北京 100012)

0 引言

露天矿山(包括煤矿、金属矿)开采过程中，时常发生滑坡等地质灾害[1]。灾害发生后的应急处置涉及灾害评估、救援力量调度。然而，复杂的地质环境及致灾机理对地质灾害应急调度造成许多不确定的影响，增加地质灾害应急处置难度[2]。在应对突发地质灾害时，应急管理具有时效性这一特点[3-4]，且贯穿整个应急管理过程，这就需要在短时间内完成信息的交互，以达到灾害救援的最优调度。目前我国在露天矿地质灾害应急指挥调度方面处于探索阶段，急需形成理论完备、功能齐全、高效运行的应急指挥调度体系。

近年来，随着信息技术的发展，ArcGIS、移动Web、百度地图API接口等在各省市的应急管理平台应用十分广泛[5]，如基于WebGIS的广东省突发地质灾害应急管理平台[6]、基于百度地图API的地震应急处置应用[7]、基于百度地图API的石家庄应急避难场所信息管理系统[8]、基于三维GIS的云南地质灾害应急指挥平台[9]等，这些平台的建成，为各省市的应急管理提供极大的便利，提高应急工作效率，体现信息技术在应急工作中的可行性。

抚顺西露天矿位于抚顺市城区的南部、抚顺煤田的西南部，拥有百余年的开采历史，形成东西长6.6 km，南北宽2.2 km，垂直深420 m的大矿坑，扰动面积超15 km2。由于西露天矿区开采与抚顺城市发展和建设处于历史同期，形成抚顺市“城中有矿，矿上有城”错综复杂的城市空间布局。西露天矿区工程地质、水文地质条件异常复杂，存在水质污染、滑坡、地裂缝等多种不良环境与地质灾害，对西露天矿周边城市建筑物和基础设施造成不同程度的损害和影响。因此，对抚顺西露天矿区地质灾害综合防治，既是国家迫切需要解决的重大科技问题，也是抚顺市城市发展和人居安全的重大关切[10]。

针对抚顺西露天矿特殊的地质条件和周边城区特点，本文从地质灾害发展的特征和规律出发，结合矿区灾害救援力量分布，研究露天矿地质灾害应急救援智能调度系统，旨在为矿山安全及防灾减灾体系建设提供实用工具，并为类似条件下开展地质灾害应急救援智能指挥与调度提供参考和借鉴。

1 智能调度系统总体设计

1.1 总体设计思路

抚顺西露天矿应急救援智能调度系统利用HTML调用百度地图API构建应用主体框架，以B/S(浏览器/服务器模式)体系构架进行系统开发，通过使用百度地图API预留的路径分析接口，使用JavaScript语言，依次计算出每种最优调度路线，并直观地表现在界面上，操作界面设计风格沿用百度地图原始风格，具备缩放平移和地图种类切换功能，方便用户完成基本地图操作；开发数据输入和主程序触发功能区，用户能够填写灾害类型、影响规模等信息，根据这些信息生成最优调度方案及避灾路线。

1.2 系统架构设计

本文设计的应急救援智能调度系统以模块式运行，在应急调度模块部分中，每个模块能够单独完成各自的职能，但主要的工作方式则是协同工作。在系统的御灾保障体系模块部分，各模块独立存在、互不影响。

在本系统平台的应急与救援过程中，每个模块以及模块的子模块，大多数以鼠标直接点击的方式运行。但部分模块会弹出子对话框，其往往需要运用到大量参数，而这些参数中有相当一部分有继承性即需要重复输入的。当需要将模块与模块衔接起来，使其协同工作时，不免会产生以下问题：一是系统的基本运行流程问题；二是模块与主界面间的数据交流问题；三是模块与模块间的交流问题。

该系统平台的主要流程是由具体的灾害情况及规模等因素决定的。系统内的基本运行流程为：首先获得地质灾害地点及规模等先验信息，然后依次进行影响区的范围确定、救援力量调度、救援装备调度、应急避难与安置以及案例入库与信息上报，如图1所示。

图1 地质灾害应急救援智能调度平台系统流程Fig.1 Flow chart of intelligent dispatching system for emergent rescue of geological disaster

模块间以及模块与主界面间的数据传输问题通过“模块→主界面→模块”的方式来实现。系统启动后在主界面“doc类”对象下建立1个临时的数据存储对象URL，启动子模块后，通过子模块获得必要的参数，在关闭子模块时数据返回主界面下的这个对象并存储。当子模块内需要应用某个数据时，系统在启动子模块前自动把数据发送到子模块，从而实现整个程序的数据交流。

1.3 系统功能

调度系统平台的模块是把应急救援与智能调度工作体系中的相同或相似的功能部分组集在一起成为1个小整体，且模块设计是系统的结构设计和功能设计的基础。基于此，实现系统的模块划分。1个模块包含若干子模块或子窗口，独立完成设定的功能。

抚顺西露天矿及周边影响区应急救援智能调度系统可分为2大模块，即御灾保障体系模块和应急救援调度模块。

1)御灾保障体系模块划分为影响区设防区划、救援力量分布、救援装备分布、避难场所与安置点分布、地质灾害链5个子模块，如图2所示。

图2 御灾保障体系模块主要功能Fig.2 Main functions of disaster prevention and guarantee system module

2)应急救援调度模块划分为灾害点定位与评估、救援力量调度、救援装备调度、应急撤离与安置4个子模块，该部分模块相互协助，共同完成1次应急救援调度任务，各模块划分及相关功能介绍如图3所示。

图3 应急救援调度模块主要功能Fig.3 Main functions of emergency rescue dispatching module

另外，为增强程序的适用性，在进行模拟灾情下的应急救援智能调度中，各模块又被设计成可以独自进行运作的子系统，能够不依赖其他模块而单独完成任务。例如：当操作人员发起1次应急救援与调度任务时，此时不需要再进行灾情地点与规模评估等工作，但是操作人员需要随机点击1处位置或者输入1组影响区范围数据，就可以进入相对应的调度模块，从而获得已完成的调度任务[11]。当然，操作者及影响区内居民也可自由访问与了解当下各区域的灾害防治与应急方面的信息，从而有效提高群测群防能力。

2 数据库搭建

为使抚顺市各应急救灾技术力量得到统一调度(如数据分类、数据传送、数据存储等)，实现从信息共享、风险研判、联合同动、应急处置4个方面相互协调配合，本调度系统建立地理数据库(抚顺市百度地图等)、地质灾害链数据库(地裂缝、断层的分布等)、救援力量装备信息库(生命救援力量、医疗救援力量、风险监测力量、治安管控力量、工程抢险力量等)。数据库体系模型如图4所示。

图4 数据库体系模型Fig.4 Database system model

3 系统模块设计

调度系统是在百度地图API二次开发接口上，采用JavaScript语言集成开发的。本系统的底图是实时更新的百度地图，在该地图上可实时显示城区街道的运行状况，也可通过转动鼠标滚轮对地图进行放大与缩小。通过点击并拖动右上角的全景插件到地图的指定位置，可进行街景的观看。

3.1 御灾保障体系模块

该模块包括影响区设防区划、救援力量分布、救援装备分布、避难场所与安置点分布与地质灾害链5个子模块。

1)影响区设防区划子模块

影响区设防区划主要介绍现今西露天矿边坡影响范围内不同区域的居民社区分布、居民数量以及各类基础设施的分布情况，从而有针对性地对各区域进行设防。

2)救援力量分布子模块

该模块根据在应急救援工作中承担任务的不同，分为主要医院分布、消防力量分布、武警力量分布、军队力量分布、交警力量分布、公安力量分布、专业(专家)力量分布7个部分。

3)救援装备分布子模块

根据各种救援装备及设备在应急救援工作中的作用不同，该模块分为工程抢险装备、生命救援装备、指挥与保障装备及侦察监测装备4个部分。

4)避难场所与安置点分布子模块

应急救援智能调度体系中，根据避难场所及安置点的基本特征及性质[12]，可将西露天矿周边城区影响区内的应急避难场所分为2类以及矿区内部起到临时应急避难场所的1类。

5)地质灾害链子模块

根据抚顺西露天边坡及领域内的相关地质资料、生产建设情况和区域相关地质灾害历史记录情况[13]，该模块分为因果型灾害链、重现型灾害链及同源型灾害链。

3.2 应急救援调度模块

该模块包括灾害点定位与评估、救援力量调度、救援装备调度、应急撤离与安置4个子模块。

1)灾害点定位与评估子模块

通过现场监测系统发现某区域发生地质灾害后，第一时间将灾情及险情传至系统。随后，该模块根据已获得的信息对所发生的灾害类型、灾害等级、影响程度及需要调度的救援力量及设备等进行计算与确定，从而有针对性地为后续模型提供数据资料。

2)救援力量调度子模块

完成灾害点定位与评估子模块的相关数据录入后，会自动计算出影响区范围及次生灾害隐含区域，系统将根据上述信息与数据，分析所需救援力量的种类及数量，进行比对与最优筛选，操作人员只需分别点击子模块菜单中的医护力量、消防力量、公安交警力量等按键，便可进行各救援力量的应急与救援规划[14]。

3)救援装备调度子模块

同救援力量调度相似，系统根据现场受灾情况，分别对所需各类救援设备数量进行计算与确定。

4)应急撤离与安置子模块

在整个地质灾害应急与救援调度工作中，受灾人员的及时且安全转移是最核心的环节[15]。为此，该应急调度平台设置专门的应急撤离与安置子模块，系统将会根据确定的灾害点区域和受灾人数等数据，计算获得最优化受灾人员撤离路线和撤离安置点方案。

4 系统功能实现与操作

本文在西露天矿东北帮处虚拟1次大型滑坡案例，利用开发构建的露天矿地质灾害应急救援智能调度系统对该虚拟案例进行模拟，验证系统灾害评估、应急救援调度和应急撤离与安置3大功能的智能化以及有效性。

假设20XX年X月X日X时，抚顺西露天矿东北帮处发生大型滑坡。进入应急救援智能调度系统，步骤如下(如图5)：

图5 灾害评估流程Fig.5 Flow chart of disaster assessment

1)进行地质灾害地点的定位。点击地质灾害定位的功能按键，下拉菜单中会出现输入式定位及点击式定位2种按键(图5方框1)，根据实际情况选择定位方式，分别以直接输入灾害点的经纬度坐标或者在地图上点击坐标点的方式进行灾害点确定。本次模拟采用点击式定位方式在地图上确定露天矿东北帮发生灾害位置。

2)点击灾情估算评估按键(图5方框2)。在对话框中，依次输入灾情种类(滑坡)、灾害体积(100万m3)，并点击灾害估算评估按键，得出灾害等级和影响区半径。文本框中生成本次灾害的影响半径为150 m。完成上述操作后，退出该对话框，在灾害影响区内显示受灾信息：受损楼房2栋，均为南阳路永安台街道办事处附近商户住宅，受灾人数200人，灾害现场可能被困人数9人。

3)单击次生灾害评估功能按键。在灾害影响区范围内显现次生灾害的影响范围为9 m2，受灾人数约为45人，图5方框3中圆圈内线条为可能导致的地下管线泄漏区域。点击信息上报的功能按键，对现场灾害信息“20XX年X月X日X时，在辽宁省抚顺市西露天矿区域(北纬123.92，东经41.86)附近，发生大型滑坡，总方量约为100万m3，影响区半径约为150 m”进行快速上报。

4)点击主菜单中的救援力量调度按键，进入如图6所示的救援力量调度界面。该模块启动之初，后台系统将自动将灾害点定位与评估子模块中的计算影响区范围及次生灾害隐含区域显现，用于应急救援力量(医护人员、消防队、军队武警人员、公安交警人员、防灾减灾专业人员)调度与规划。分别点击该子模块中的各类救援力量调度的功能按键后，系统根据上述信息与数据，完成各类救援力量的数量配置及调度路线的比对和优化筛选，其中医护人员分4批从抚顺矿务局医院、抚顺中医学院、抚顺市中医院和露天矿医院共调度200名；消防队员从抚顺市消防控制中心调度100名；军队武警人员从抚顺市武警支队共调度100名；公安交警人员分2批从抚顺市公安局新抚分局站前派出所、抚顺市交警支队共调度50名；防灾减灾专业人员从抚顺市应急管理局共调度5名。

图6 救援力量调度路线Fig.6 Dispatching routes of rescue force

5)点击主菜单中的救援装备调遣按键，进入如图7所示的救援装备调遣界面。在该子模块中，分别点击对应的救援装备(工程抢险装备、生命救援装备、指挥与保障装备、侦察监测装备)调遣的功能按键，系统将根据上述信息与数据，完成各类救援力量的数量配置及调度路线的比对和优化筛选，其中工程抢险装备从消防支队共调度11台挖掘机、2台消防车、2台铲车、33台自卸卡车、2台吊车；生命救援装备从抚顺矿务局医院、抚顺中医学院、抚顺市中医院和露天矿医院分4批共调度2台生命检测仪、破拆撑顶装备5台、搜救犬3条、救护车4辆；指挥与保障装备从抚顺市公安局交警支队共调度应急指挥车2台、应急发电车2台、应急照明车2台、应急照明发电机组5台、应急通讯车2台、燃油供应车2台；侦察监测装备从抚顺市应急管理局共调度应急测绘车1台、气象应急车1台、无人机1架、边坡雷达2台、普适型监测设备24台。

图7 救援装备调度路线Fig.7 Dispatching routes of rescue equipment

6)点击主菜单中的应急撤离与安置按键。出现如图8所示的应急撤离与安置界面,根据灾情变化迅速调整疏散方向，前往抚顺市劳动公园东北门，形成最佳逃生路线，指引人们安全快速地撤离灾源地。

图8 应急撤离与安置路线Fig.8 Emergency evacuation and resettlement routes

通过上述虚拟案例的测试，本系统结合物联网、大数据等信息技术，能够完成数据的采集、上报、评估及救援力量的调度，从而实现科学有序的应急救援调度。

5 结论

1)应急救援智能调度系统以地理数据库、地质灾害链数据库、救援力量装备信息库为基础，根据灾害现场的具体情况及区域内整体的应急救援水平，提出科学可靠的应急调度方案。

2)御灾保障体系模块涵盖影响区设防区划、救援力量分布、救援装备分布、避难场所与安置点分布、地质灾害链等基础资料，为应急救援智能调度提供救援所需数据支撑。

3)应急救援调度模块在地质灾害发生后，实现灾害的快速定位与评估，调集最优的救援力量和设备，指挥受灾人员撤离、次生灾害应对与再部署等工作。

4)当地质灾害发生时，启动系统可以快速进行地质灾害点的定位，录入灾情和险情信息，对灾害规模和等级进行快速评估，实时上报灾害信息；点击系统的应急救援菜单，可以生成救援力量、救援装备的最佳配置和调度；灾情发生后，该系统可自动规划撤离路径和指定避灾场所，保障受灾区人员的安全撤离和妥善安置。应急救援智能调度系统操作简单，系统子模块之间相互独立，可实现模块间的相互协调。系统预留接口，用户可根据需求实现功能的增减，如根据现场监测信息适时预警，实现从临时决策向科学决策的转变。