基于二三维一体化的建筑设施应急防范系统关键技术研究＊

朱振华 肖崇星 翁海腾 邱瑞 公安部第一研究所

引言

本文中的建筑设施是指重要的公共建（构）筑物（及其群体）和有特殊使用功能的高风险建（构）筑物（及其群体），如机场、港口码头、铁路车站、文物保护单位、政府机关办公楼、重要物质储备库等对国家经济民生、安全稳定有重大影响的建筑设施。鉴于建筑设施的重要作用和较高的社会关注度，易成为被破坏的重要区域，尤其是分布在城市的某些重要建筑设施和部位更易成为被破坏的首选目标，为提升建筑设施的应急防范水平，除在人力防范方面加大安保力量部署、加强制度建设，物资防范方面完善警示设施、增设重要关口阻挡装置外，技术防范是应对破坏方式不断变化、风险隐患提前预知的一个行之有效的重要方式。

本文结合实战业务需求，开展了基于二三维一体化的建筑设施应急防范系统的研究与设计，研究了建筑设施应急防范系统总体架构，提出了系统核心功能实现关键技术，研发了一套基于二三维一体化的建筑设施应急防范原型系统，为加强建筑设施防范提供了技术业务支持。

一、业务需求分析

目前，在建筑设施应急防范建设方面，部分地区已开展了防范重要建筑设施系统模块建设，并发挥了积极的作用。但总体来看还处在基础查询展示功能的信息系统阶段，与建筑设施应急防范实战化应用方面存在较大差距，亟需满足实战化需求的建筑设施应急防范综合性应用系统，具体为：

（1）通过实景技术和虚拟现实技术，为用户提供一个相对真实的建筑设施可视化操作体验。

作为现实中的个体，建筑设施以可视化的方式进行逼真展示成为用户的基本诉求，通过实景技术和虚拟现实技术对建筑设施的逼真展示，用户可身临其境地直观获知建筑设施的基本特点、周边信息，并能在系统中对其进行可视化操作，提升用户的操作使用体验，进一步加强对建筑设施的精细化管理水平。

（2）为满足应急处突的业务需求，需在现有文本预案的基础上构建电子化、流程化的预案管理，并具备预案推演功能。

应急预案在突发事件处置过程中，对控制事态发展、稳定群众情绪等工作发挥重要作用。现有的应急预案存在以下三个突出问题：一是现有应急预案多为文字形式，展现方式不直观，修改维护较为繁琐，使预案作用大打折扣；二是预案内容单一，缺少人员、资源、时间、空间等方面统一整合，降低了预案功能性；三是在预案中不能根据方案流程规定动态展示各要素对象变化，无法体现处置行动进展的过程。需在现有文本预案的基础上构建数字化的预案管理，并具备预案效果推演功能。

（3）针对建筑设施安全防范的业务需求，构建满足风险预警及评估的分析功能。

风险预警及评估是防范化解重大风险的基础。由于袭击破坏事件的不确定性、多变性、复杂性，需利用预测和分析方法对建筑设施安全风险等级进行评估，对风险发生及时预警，给防范于未然预留出时间，才能降低袭击破坏的风险。

二、系统总体设计

在系统总体设计部分，本文提出基于二三维一体化的建筑设施应急防范系统架构。二三维一体化是指在系统功能实现过程中，提供目标建筑设施的二维平面地图和三维模型立体地图展示页面，方便业务人员对目标建筑设施的多维度需求。

其中基于二三维一体化的建筑设施应急防范系统架构采用“五横三纵”结构，总体架构如图1所示。

五横包括了建筑设施应急防范系统的五个逻辑分层，从下到上依次为基础支撑层、数据层、服务层、应用层和展示层。

基础设施层是为整个系统提供基础支撑。包括计算资源、存储资源、网络资源及数据库、应用发布容器等基础应用软件。

数据层是系统运行所需的数据资源，包括结构化业务数据、非结构化业务数据及系统运行所需的管理数据。其中：结构化业务数据包括建筑设施信息、建筑设施专题信息、预案管理信息及预案知识库信息；非结构化业务数据包括建筑设施三维模型、基础地图数据、建筑设施视频信息及图片信息；系统管理数据包括系统权限信息、用户管理信息、系统日志信息等。

服务层是系统功能实现所依赖的核心支撑服务，包括基础支撑服务和业务应用服务。其中：基础支撑服务面向底层核心能力提供系统内部服务，包括GIS服务与接口、预案服务与接口、风险预警服务、消息服务及身份管理服务；业务应用服务面向上层应用能力提供业务服务，包括建筑设施综合查询服务、二三维一体化服务、POI查询服务、预案制作服务、预案管理服务、预案推演服务、预案符号管理、风险评估预警服务、消息推送服务、模型管理服务、预警规则配置服务、用户管理服务、日志管理服务等。

应用层是依托服务层提供的能力面向实际业务需求实现的系统核心功能，包括首页、建筑设施信息管理、建筑设施综合信息查询、建筑设施一键上图、建筑设施二三维可视化展示、预案制作、预案推演展示、预案符号管理、预案管理、知识库管理、专家库管理、防范督导检查、模型预警管理、预警信息下发、预警信息反馈、统计分析、系统管理、用户管理、日志管理等。

展示层是系统对外展示的形式，根据用户的业务角色提供系统两种展示形式，一是PC端，主要面向负责业务管理及决策的用户提供PC端的业务查询及分析系统；二是APP端，主要面向负责一线采集及应急处置的用户提供移动端的轻量级应用。基于统一的后台服务能力、数据支撑能力，打造“云+端”的应用展现模式。

三纵则是包括了标准规范体系、安全保障体系、运维保障体系。

三、基于二三维一体化的

建筑设施应急防范系统关键技术

（一）三维实景构建技术

本文三维实景构建技术主要是基于Cesium可视化开源JavaScript库（CesiumJS）。Cesium是一个基于WebGL的开源三维虚拟地球引擎，提供对多种二维、三维空间内的地理信息数据的可视化支持，包括标准DEM、DOM、DLG、DSM等，以及各类国际标准的OGC地图服务。

三维实景构建技术主要涉及精细三维模型、简易三维模型的构建及可视化。精细三维模型对建模要求高，需精细刻画建筑模型外部特征，具有真实的外部纹理，模型尺寸结构完全按照真实建筑构建，主要是针对单个建筑设施。本文采用3dsMax标准建模方式，构建单一建筑设施的精细三维模型。

城市简易三维模型主要是针对大范围如城市范围的三维场景，为降低建模成本，采用带有高度的城市建筑矢量面数据，通过获取建筑设施所在城市的建筑矢量面数据，结合建筑物高度信息，拉高到对应的高度生成简易三维模型。

将二维GIS和三维GIS融为一体，有机结合二维电子地图的宏观性、整体性、简洁性和三维虚拟场景的局部性、现实性、直观性的优点，既克服了二维电子地图的抽象多样性和三维虚拟场景的漫游方向的迷失感，取两者所长，又实现数据存储、数据关联、可视化、分析功能等多方面的二三维一体化应用，可保证二维和三维GIS技术的无缝融合，在同一视图范围内实现二维矢量数据和三维模型数据的联动一体化操作和一屏可视化展示。

（二）应急预案动态推演技术

应急预案是根据历史经验，对潜在的或可能发生的突发事件的类别、影响程度而事先制定的应急处置方案，包括针对此类事件应该派遣的应急救援力量，如何选择人员疏散路线等信息。应急预案是一个应急处置行动进展的过程，通过制定预案可在发生突发公共事件时，能够迅速、有效地进行行动处置，降低事件造成的损失。动态推演是以动态方式处理预案组成对象，以模拟实体目标随时间的变化，所产生的行为和事件等的可视化方法，采用动态模拟的方式可直观尽可能真实地展示根据预案方案流程规定中各对象变化的过程。

本文中应急预案的表现形式包括图形文本符号、业务要素符号。图形文本符号包括常见的点、线、面矢量图形，箭头类标绘符号及文本说明的标记符号；业务要素符号是指以图片示意的方式展示预案中的各类业务要素符号。通过将代表预案要素的各种符号标绘到地图上，形成预案态势图，通过预案态势图可以直观了解针对不同建筑设施而设置的预案相关基础地理信息及预案要素的分布。

基于制定好的预案，可通过时间轴的形式按照预案方案流程规定将预案要素进行动态的时序显示，依托综合全面的地理环境信息和态势信息，以数据、文本、图形、动画等多种方式对预案进行动态推演，生动形象显示预案态势及演进过程。

（三）基于模型库的风险预警评估技术

风险预警评估指基于历史真实发生的突发事件，在对当前风险因素信息识别、分析的基础上，对风险发生的可能性及损失/影响程度进行综合评判。袭击破坏事件的不确定性、多变性，需利用预测和分析方法对建筑设施安全风险等级进行评估。模型库是对已掌握的各种预测和分析方法的集成，是进行风险预测及评估的有力工具，通过此项技术可对破坏事件的产生、发展及影响分别建立风险预测和评估，便于应急管理和决策。

由于建筑设施的风险管理涉及的因素较多，对建筑设施的风险预警评估需获取尽可能多的数据，如建筑设施周边的视频、车辆、人员活动等信息，以及内部管理信息、业务属性信息等。基于以上数据，结合历史事件的统计分析，通过机器学习、多维可视化分析、复杂网络分析挖掘等技术，构建多个维度的风险预测及评估模型库，可有效预测或追踪破坏行为。

四、系统功能实现

基于上述二三维一体化的建筑设施应急防范“五横三纵”系统架构，本文开发实现了基于二三维一体化的建筑设施应急防范系统。系统基于J2EE的三层B/S体系架构来实现，该体系架构具有轻客户端、重服务端、安全性高、跨平台、可操作性较强等特点。同时，系统采用目前较为成熟的前后端分离技术架构模式，从而使系统具有良好的可扩展性及可维护性。

系统功能上提供了建筑设施管理、建筑设施信息上图、建筑设施信息统计、权限管理等功能，以满足不同用户的需求。也提供了建筑设施预案管理、建筑设施风险评估及预测预警等功能，实现重点建筑设施的多角度、全流程、跨维度等协同管理。系统部分界面如图4、图5所示。

结果表明，该系统能够提升建筑设施精细化管理、可视化能力及一体化协作机制等，具体如下：一是系统能实现从建筑设施关联数据的实时接入到基于建筑设施风险预测预警的快速分析，基于建筑设施数据流中获得有业务意义的价值信息，将预警信息快速推送给业务处置人员，供业务人员分析处置。二是该系统多维度直观展示建筑设施的二三维内外部信息，方便业务人员实景化查看。三是该系统提供了建筑设施风险预案处置流程，提升业务关联人员的风险处置能力。四是系统提供预警信息的下发、预警信息签收、预警信息反馈闭环管理，从技术和业务层面实现业务的上下协同联动。

下一步将进一步完善和梳理建筑设施相关技术及业务流程，优化本文提出的基于二三维一体化的建筑设施应急防范体系架构。同时对系统的稳定性、健壮性和可视化界面进行优化，为相关业务人员提供更加稳定、流畅、实战性强、界面友好的优质系统。

五、结语

本文设计了一套满足实战需求、较为综合的建筑设施应急防范系统。首先，系统在具备应急防范基本功能的基础上，实现了二三维一体化展示；其次，系统具有丰富要素的电子化预案管理，实现了预案动态推演效果；最后，系统对建筑设施相关数据进行智能分析，构建了一套风险预测及评估模型库，实现了对建筑设施风险评估及预测预警的功能。通过本系统的建设，进一步提升了对建筑设施的精细化管理水平，大幅提高了应急预案可行性和时效性，可为相关业务人员开展重要建筑设施应急防范及处置突发事件提供有力技术保障。