大坝强震应急决策支持系统设计与实现

摘要：

为提高水库大坝应对强震事件的应急反应能力，减少应急决策的随意性和盲目性，设计并开发一套大坝强震应急决策支持系统。对该系统进行详细的功能需求分析，完成系统整体框架结构的设计，同时对系统的主要功能、系统结构体系、数据库和功能流程等进行深入研究。系统结构的核心包括数据库、模型库、方法库和知识库，采用浏览器/服务器（B/S）架构与客户端/服务器（C/S）架构相结合的模式进行开发，实现了综合信息管理、强震动分析预警、决策支持和应急管理等主要功能。综合信息管理子系统整合了大量有关大坝和地震的信息，为决策提供了丰富的基础数据;强震动分析预警子系统能够实时监测强震信号，对大坝震后可能的危险情况进行预警;决策支持子系统根据预警信息和综合信息，为应急决策提供科学的决策依据;应急管理子系统可以根据决策结果，制定并执行应急响应计划。此外，界面设计简洁直观，易于操作，进一步提升了系统的实用性和用户的使用体验。研究成果可以为大坝强震安全构筑工程安全防护措施外的一道技术防线，有助于降低因大坝强震事件带来的灾害风险，保护水库大坝及下游人民的生命财产安全。

关键词：

大坝强震; 应急决策; 决策支持系统

中图分类号： P319.56 """""文献标志码：A ""文章编号： 1000-0844（2024）05-1234-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230511002

Design and implementation of an emergency decision support

system for strong earthquakes affecting dams

MEI Wenjian， GUO Yonggang

（College of Water Conservancy and Civil Engineering， Xizang Agricultural and Animal Husbandry University， Linzhi 860000， Xizang， China）

Abstract：

To enhance the emergency response capability of reservoir dams during strong seismic events and reduce randomness and uncertainty in emergency decision-making， an emergency decision support system for dam earthquake response was designed and developed. The system underwent a thorough functional requirements analysis， which informed the design of its overall framework. In-depth studies were conducted on its key functions， structural system， database， and functional processes. The core structure of the system includes a database， model library， methods library， and knowledge base. The system was developed using a hybrid of browser/server （B/S） and client/server （C/S） architectures， facilitating comprehensive information management， seismic analysis and early warning， decision support， and emergency management. The information management subsystem integrates extensive data on dams and earthquakes， providing a solid foundation for decision-making. The seismic analysis subsystem monitors seismic signals in real time， offering early warnings for potential post-earthquake hazards to the dam. The decision support subsystem utilizes warning alerts and comprehensive information to provide a scientific basis for emergency decisions， while the emergency management subsystem devises and implements response plans based on these decisions. Moreover， with its user-friendly interface， the system significantly enhances practicality and user experience. This research contributes to a technical defense system that extends beyond structural safety measures for dam seismic safety， helping to reduce disaster risks from seismic events and protect the lives and properties of people downstream of reservoir dams.

Keywords：

strong earthquakes affecting dams; emergency decision-making; decision support system

0 引言

大坝一旦遭遇强震冲击，可能会导致结构破坏、坝体滑移等问题，进而威胁水库安全，甚至可能引发溃坝、洪水等次生灾害［1］。这样的情况可能会对灾区造成更大的损失和人员伤亡。由于大坝强震事件难以预测且影响巨大，应对时往往依据事先制定的文本预案［2］，这可能导致应对措施的不完备和滞后，从而影响应对效果。随着越来越多的大坝建设和投入使用，面临的强震威胁日益增加，强震问题已然成为大坝安全的一个关键问题。为了提高地震应急响应的技术水平和管理能力，国内外学者相继开发了城市地震灾害预测与辅助决策支持系统［3］、地震应急辅助决策支持系统［4］、毕节市震后应急决策支持系统［5］、地震灾害管理的空间决策支持系统［6］、地震预警服务决策支持系统［7］和港口城市地震预警决策支持系统［8］等多种决策支持系统。这些系统主要侧重于城市和社区级别的地震应急响应，包括提供震害预测、损失评估、提供应急决策支持，以及规划和协调救援资源等功能。这些系统能够在地震后迅速对城市地震灾情的规模、影响范围、灾损等情况进行评估，并据此提出一系列科学的救灾和调度方案，协助指挥人员实施各种地震救灾行为。然而，值得注意的是，水利工程地震灾害与城市地震灾害在应对策略上存在显著差异。与城市地震灾害相比，水利工程地震灾害有以下两个特点：首先，它的影响范围大、成灾严重，灾害的严重程度使得修复和控制工作变得困难，例如，一旦发生对水利工程有破坏性影响的强震，水库下游地区就会直接受到洪水的威胁；其次，可能出现隐蔽性的滞后灾害，比如大坝破坏后可能会有一段时间的延迟才会溃坝发生洪水，这给灾害应对带来了额外的挑战［1］。

尽管这些系统的主要目标都是为了更好地应对地震灾害，但大坝的强震应急决策支持系统更专注于地震对大坝本身的影响，以及可能引发的次生灾害。在方法上，大坝的强震应急决策支持系统需要依赖更多特定的设备和技术，例如实时监测地震活动和大坝结构响应的强震监测仪器，用于监测大坝结构安全状况的结构安全监测设备，以及用于模拟大坝在地震下响应的计算机仿真模型等。因此，相比于城市地震灾害应对策略，需要为水利工程地震灾害设计一套更具针对性的决策支持系统。这个系统需要考虑到水利工程的特殊性，包括可能的次生灾害和隐蔽性的滞后灾害，以及由于灾害发生的突然性和不可预知性带来的挑战。只有这样，才能有效应对水利工程的地震灾害，尽可能降低灾害带来的损失。

本文通过对大坝强震安全的研究，提出一个新的大坝强震应急决策系统，并设计其系统功能、框架结构、数据库及功能流程。该系统主要用于指导大坝的运营决策，特别是在面临强震冲击时，它在预防、响应到恢复这一灾害应对全过程中都能发挥重要作用，帮助决策人员做出科学、合理的决策。此研究的创新之处在于，将应急决策支持系统应用于大坝强震场景，提供了一种全新的应对大坝强震的应急决策方法，对大坝安全保障有重要的理论和实践意义。通过建立大坝强震应急决策支持系统，为构建大坝强震处理体系、生成大坝震后应急决策支持提供了技术支撑。

1 系统总体设计

1.1 设计原则

首先，系统设计以保障大坝安全需求为导向，旨在大坝发生强震等紧急情况时能够作出快速反应和分析，为相关部门和人员提供及时的预警决策支持，以保障大坝的安全稳定运行。其次，在应急决策中，实际情况可能随时发生变化，因此系统必须具有灵活性和适应性，能够结合不同地震类型、大坝结构特征、地质特征和环境因素等实际情况及时做出合适的决策。最后，依据可扩展性和可维护性原则，在设计系统时，充分考虑到未来可能会出现或需要适应的情况，以便系统能够随时满足不同的需求。

1.2 系统需求分析

大坝强震应急决策支持系统的主要任务是震后获取大坝结构上的实时地震监测数据，以提供对其安全状况的快速安全预警和决策支持。因此，该系统需要具备基础数据信息管理与多源数据整合、监测预警、信息通报与共享、大坝结构仿真与震后安全预测、决策生成与发布、应急联动及震后处置等功能。

（1） 搭建综合数据信息管理与整合平台。用于集成与存储大坝强震相关的多个数据源的数据，并对系统的基础数据进行管理、维护和更新，为相关部门和人员提供准确有效的信息，从而保障流域大坝震后的快速反应和统一决策。

（2） 开发监测预警功能。通过布设在大坝结构上的强震监测仪器对强震信号进行实时监控和采集，对大坝异常情况进行实时预警，并向相关人员发送预警信息以及时发现和处理大坝异常情况［9］。

（3） 提供信息通报与共享平台。实现流域系统间的数据共享，避免各个大坝及各级部门之间的信息不对称，便于对流域梯级电站大坝强震进行安全监测和集中分析管理，从而确保震后信息的准确性和实时性。

（4） 实现大坝结构仿真与震后安全预测功能。通过将强震监测信息与模型库、知识库中的分析算法相结合，对震后大坝结构的安全状况进行仿真，预测大坝震后的响应状况［10］，为决策者制定决策提供依据。

（5） 生成快速应急决策。根据知识库中历史案例的数据信息和已有分析结果、大坝结构仿真与预测训练的结果，对震后大坝安全进行评估，并运用专业知识、行业标准进行综合评估，生成决策，将分析结果以报告形式提供给决策部门，辅助决策者快速发布指令，采取有效的应急措施。

（6） 实施应急联动及震后处置。这是大坝震后处置的重要环节，在震后应立即上报，相关部门联动成立应急指挥中心，并对流域大坝进行震后应急处置，组织人员疏散到安全地带。同时，组织救援人员进行应急救援和抢险工作，以保障人员和设施的安全，减轻灾害损失，降低风险。

1.3 框架结构设计

在确定和评估了系统需求的基础上，设计了大坝强震决策支持系统的总体结构框架。该框架自下而上依次为：基础平台层、数据层、业务支持层、应用服务层、用户层和页面层，每个层次的具体内容如图1所示。在系统开发过程中，采用了组件式开发模式，利用模块化设计方法，将客户端、服务器以及桌面应用程序分别分解为多个模块，并为每个模块定义清晰的接口。这样，可以独立开发功能组件，方便后续接入新的决策模块。

2 系统主要功能

2.1 系统功能分析

大坝强震应急决策支持系统作为保障大坝在强震下安全的一项重要信息技术手段，能够集成地震监测、大坝监测、地质和水文等多种信息，具有实时预警和震害评估等功能。根据应急系统的需求以及工作流程的特点，该应急决策支持系统具备以下几个功能：

（1） 综合信息管理功能。将流域大坝的设计图纸、技术资料、大坝周边环境、大坝运行数据、大坝强震监测数据和大坝水库水文数据等信息编入不同的数据库中［11］，实现对这些信息的管理、维护和更新。

（2） 模型仿真与震后安全评价预警功能。将流域坝址区域的地形地质信息、监测信息等相关资料输入到系统模型中，通过系统内置的计算分析、预测预警等模型，对大坝结构在地震作用下的响应进行仿真，模拟大坝震后的结构形态，以快速分析和评价大坝震后的危险度，对事件事态做出预判，为决策部门制定应急决策方案提供数据支持。

（3） 决策支持功能。系统根据相关检测数据、大坝震后结构模拟结果和大坝安全评估技术，结合历史案例资料及专家模型进行综合研判，快速做出科学化、程序化的应急响应，辅助管理部门对大坝强震应急处置工作的决策与指挥。

（4） 应急指挥功能。当一次对大坝结构有影响的地震发生后，立即上报。根据生成的快速评估报告中安全评价等级及灾情简报等相关信息，统筹各个部门成立应急指挥部。根据系统提供的辅助决策报告来制定应急物资的调配方案、各部门工作的协调方案、救灾人员的组织方案等应急决策方案，从而能够快速有序地疏散和处置下游人员和财产。系统的总体功能结构如图2所示。

2.2 系统结构体系

2.2.1 综合信息管理子系统

综合信息管理子系统分为综合信息管理、监测管理、基础信息管理和地理信息系统（Geographic Information System，GIS）管理平台4个模块。

（1） 综合信息管理模块。该模块能够对存储工程、库区相关资料的工程档案信息，存储工程信息数据的地理信息，以及台站资料、工程震害资料等信息进行录入、查询、统计等操作。

（2） 监测管理模块。该模块不仅能够实现对动态监测数据的整合、统计、分析，还能够通过图表等方式对监测数据进行可视化展示［12］。

（3） 基础信息管理模块。该模块可以维护、管理和更新网站信息以及人员对应的权限。

（4） GIS管理平台模块。利用GIS技术强大的可视性和三维展示特性，对地震信息、烈度信息、坝址区地质构造和地震震中的断层分布等信息进行可视化展示和分析。

2.2.2 强震动分析预警子系统

强震动分析预警子系统是本系统的基础数据来源，它利用事先布设在大坝结构上的强震监测仪器对强震信号进行实时监测和采集［13］，然后自动分析和预警判断。该子系统主要分为强震管理、强震触发采集、强震动预警评估3个模块。

（1） 强震管理模块。由于强震仪时刻处于待触发状态，随时等待强震信号的触发，因此，该模块的主要任务是设定触发监测仪器的指标和方法，以便在强震发生时能迅速、准确地记录下整个地震动过程［14］。

（2） 强震触发采集模块。该模块可以利用触发后的强震仪器拾取到强震信号，并在界面上实时展示。此外，它还可以动态绘制地震响应波等图形，并将信息同步存储到监测动态数据库中。

（3） 强震动预警评估模块。该模块调用系统模型库的计算分析模型及预测预警等模型，通过输入相关地质信息和地震动信息，对大坝结构在地震中的响应进行数值模拟。通过分析结果可以快速评估震后大坝的危险程度，并对可能的危险情况进行预测和预警。

2.2.3 决策支持子系统

决策支持子系统是在大坝强震动发生时，借助案例库中筛选出的相似案例的分析结果和判断结果，结合震害快速评估的结果、应急预案，以及专家的指导意见进行建模、分析与决策的系统。决策支持子系统分为案例管理、应急方案生成、应急预案管理、应急决策生成4个模块。

（1） 案例管理模块。该模块能对历史案例进行管理，存储的案例信息是应急方案生成模块的数据来源。

（2） 应急方案生成模块。该模块能够根据目标案例的震害信息，对历史相似案例，使用设计好的案例检索算法进行筛选，并按照相关程度倒序排列，同时能够查询到该案例经过分析、提炼后的结果及大坝震害评价。

（3） 应急预案管理模块。此模块能创建和管理应急预案，同时支持用户定期维护和更新应急预案。

（4） 应急决策生成模块。通过对多方面的数据、资料和建议的汇总，该模块可以对当次大坝强震事件作出及时准确的应急方案。

2.2.4 应急管理子系统

应急管理子系统是一个对应急信息进行及时发布，并与各个部门联合行动，对应急相关人员及抢险物资进行调度指挥的应急善后处置系统。该子系统由应急相关人员信息管理、抢险物资信息管理、应急信息发布，以及抢险指挥调度4个模块构成。

（1） 应急相关人员信息管理模块。该模块负责查询、修改和统计应急人员的信息，通过对人员的统一身份认证和权限管理，以确保信息的涉密性。

（2） 抢险物资信息管理模块。该模块负责查询、修改和统计抢险物资的信息。

（3） 应急信息发布模块。该模块通过网络、卫星通信设备等通讯手段实时通报和共享大坝震害的关键信息，与现场抢险人员共享数据信息。

（4） 应急资源调度模块。该模块能统一指挥调度相关部门、应急人员和抢险物资，提高协同配合能力，便于整合应急资源，保证震后应急抢险工作的顺利进行。

3 系统设计与实现

3.1 决策系统数据库设计

建立决策系统数据库是实现大坝强震应急支持决策系统的核心要素［15］，同时也是模型建设和人机交互的基础。在决策系统数据库中，我们可以创建综合数据库、空间信息库、模型库、知识库、方法库，以及应急数据库等，并将相关信息存储到对应的子数据库中。数据库不仅存储原始数据，也为决策提供信息支持。在大坝强震出险时，系统可以迅速调用数据库中的相关信息，为应急决策支持系统提供数据支持。面对海量数据，大坝强震决策支持系统的实用性和有效性尤为重要，通过数据预处理、数据存储和管理、数据挖掘和模型构建、决策规则和模型集成、实时监测和反馈、可视化和决策评估等步骤，决策系统能够从海量数据中提取有用的信息和知识，这有助于支持决策者作出准确和及时的决策。因此，建立一个高效、功能全面的决策系统数据库，对于大坝强震应急支持决策系统的成功实施至关重要。

决策系统数据库的设计示意如图3所示。

3.2 系统功能流程设计

本文设计的应急决策支持系统能实时采集和分析大坝强震动监测数据，并进行安全预警和防范处理。当突发大坝强震事件，可以在人机交互界面中输入强震的相关信息，查询相似案例及相关应急处理预案，以辅助决策。

当布设于大坝上的数字强震监测仪监测到地震信号异常时，系统会调用模型库和方法库中的相关模型和对应的分析评估方法，综合评估大坝震后的形态和安全性，判断是否发生了强震事件。如果判定大坝强震事件未发生，系统会持续监测，并调用知识库中的震害评估标注信息进行比对分析，同时发出预警信息，输出防范处理方法；若判定大坝发生了强震事件，则需要在系统中输入强震事件的相关信息进行查询，系统将使用最近邻（K-Nearest Neighbor，KNN）检索算法计算该案例与案例库中所有案例的相似度，并按相似度降序排列输出相似案例。通过查看高相似度案例的标签或决策结果，并与当前事件的信息进行比对，判断是否符合当前事件的特性。如果不符合，将进行其他特征的查询，直到找到相关案例。系统会同时使用基于案例推理（Case-Based Reasoning，CBR）与规则推理（Rules-Based Reasoning，RBR）的方法生成预案检索信息，运用框架表示法对文本预案进行结构化处理，抽取核心属性生成应急处置预案，并综合考量多方面数据、资料和建议的汇总，得出最终应急决策方案。系统功能流程如图4所示。

3.3 系统开发工具

鉴于大坝强震数据涉及海量空间和属性数据，系统需要具备高效的数据存储、传输、处理和可视化能力。因此，在系统配置时，优先选择技术上成熟或通用的产品，并参照表1所列的技术方法。系统基于.NET面向对象程序开发平台，使用C#作为程序设计编程语言。在开发模式方面，系统采用了浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）架构与客户端/服务器（Client/Server，C/S）架构的结合，以适应不同的应用场景。B/S架构跨平台的特性为信息互动平台提供了重要的信息发布形式，而C/S架构的快速响应能力保证了对强震信号实时监测、采集和分析的执行。选择ArcGIS 10.2作为企业级GIS应用平台，并使用ArcGIS空间数据引擎（ArcGIS Spatial Data Engine，ArcSDE）和SQL Server作为数据库平台。通过ArcSDE管理的GIS数据可以存储在SQL Server数据库中，实现空间数据和属性数据的关联，从而高效地管理和查询数据。

3.4 系统实现

3.4.1 强震动分析预警系统

强震动分析预警系统集强震动数据采集、分析、预警于一体，采用C/S系统体系结构开发以提高系统的性能和响应速度，保证了强震信号的实时监测、采集和分析。图5为该系统界面。

3.4.2 GIS管理平台

综合信息管理子系统集成了GIS管理平台，通过对Arcgis Engine进行二次开发，支持对地震信息、烈度信息、地震震中断层分布，以及与强震相关的水利工程等详细信息进行查询和显示。图6展示了地震及断层分布信息查询界面。

3.4.3 案例管理模块

该模块对大坝强震事件的相关案例进行收集和归档。用户可以根据案例编号、案例名称等关键词。以及事件类型、事件等级等分类对收集的案例进行多条件组合检索，以便快速获取所需案例信息。案例管理列表界面如图7所示。

3.4.4 应急方案生成模块

应急方案生成模块根据输入的目标案例信息，对相同事件类型的历史案例的大坝位置、大坝类型与规模、抗震能力和损失程度等因素逐一计算，得出局部相似度，最终计算出总体案例相似度，并由高到低进行排列。决策者可以查看列表中历史案例的详细信息，以及对所选历史案例生成待优化应急方案进行挑选。图8展示了应急方案生成列表界面。

3.4.5 应急资源调度模块

应急资源调度模块以消防部门的消防车调度为例，将获取到的事件点与救援点数据输入到应急资源调度模型中，生成调度方案，并在前端页面进行展示，从而指导应急管理部门和救援人员进行决策和行动［16］。应急资源调度界面如图9所示。

4 结论

本文根据大坝强震应急决策支持系统的需求，设计并实现了一套由综合信息管理、强震动分析预警、决策支持和应急管理等多个子系统构成的完整系统。通过对系统总体设计、主要功能、系统设计与实现等方面进行的探讨，可以得出以下结论：

（1） 本系统设计以保障大坝安全需求为导向，以灵活性和可扩展性为主要原则。在系统需求分析阶段，充分考虑了用户需求和系统功能，在保证了系统可靠性及实用性的同时，还具备很强的可扩展性。

（2） 本系统主要包括综合信息管理、强震动分析预警、决策支持、应急管理等多个子系统。其中，强震动分析预警子系统可以快速、精准地进行强震动预警和分析，为决策支持和应急管理提供基础数据来源。决策支持子系统可以帮助用户在大坝遭遇强震灾害的情境下进行案例分析和决策生成，提高决策效率和准确性。应急管理子系统可以调度指挥应急资源和发布生成应急方案，保障应急响应的快速和有效实施。

（3） 在系统设计与实现阶段，采用B/S与C/S结合的总体架构模式，使用了SQL Server和ArcSDE数据库平台分别存储属性和空间数据，以及C#语言和GIS技术等多种技术和工具。通过对决策系统数据库设计、系统功能流程设计和系统实现等多方面的探讨，成功地实现了系统及其子系统的各项功能。

综上所述，本文设计并实现的大坝强震应急决策支持系统，为大坝强震应急决策提供了技术支撑。但是，在预警指标的确定、应急资源调度算法方面仍需进一步完善，系统的功能和性能需要进一步优化。在未来，随着科技进步和数据采集能力的提升，这种系统的预测精度和决策效率有望进一步提高，从而更好地服务于大坝的运营和管理，保障人民生命财产的安全。

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（本文编辑：贾源源）