數(shù)字智慧方案基于災(zāi)害數(shù)字仿真的應(yīng)急管理融合研究

消

防

安

全

分

論壇

基于災(zāi)害數(shù)字仿真的應(yīng)急管理融合研究中國國際安全生產(chǎn)論壇ChinaInternationalForumonWork

Safety目錄／CONTENTS41 第一章

災(zāi)害本質(zhì)的解析2 第二章

災(zāi)害數(shù)字仿真3 第三章

應(yīng)急管理第四章

災(zāi)害數(shù)字仿真和應(yīng)急管理融合★國家“十五”科技攻關(guān)課題：小城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施防災(zāi)減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究（2002BA806B03）★國家“十五”科技攻關(guān)課題：城市公共安全綜合試點(diǎn)研究（2002BA803B04）各類自然災(zāi)害及工業(yè)事故等的突發(fā)事件頻繁爆發(fā)，引發(fā)了全球范圍內(nèi)對(duì)于公共安全問題的廣泛關(guān)注與思考，成為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定最重要的不確定因素。與公共安全面臨的巨大挑戰(zhàn)相比，以救災(zāi)和工程措施為主體的傳統(tǒng)減災(zāi)模式，已不能適應(yīng)新時(shí)期應(yīng)急管理的需要。國務(wù)院機(jī)構(gòu)改革方案中，應(yīng)急管理部的成立引起了社會(huì)各界的高度關(guān)注，實(shí)現(xiàn)多個(gè)涉災(zāi)部門整合，從宏觀角度把控，反映了國家對(duì)防災(zāi)減災(zāi)工作的高度重視。10個(gè)部門、13項(xiàng)職責(zé)合并，會(huì)涉及一段時(shí)期的磨合、融合，既有專業(yè)技術(shù)層面，也有理論認(rèn)知層面，長期形成的各行其是、條塊分割的信息交流及管理慣性，既不應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的統(tǒng)一力量，也不有效地配置分散的社會(huì)資源。一、災(zāi)害本質(zhì)的解析（一）工程措施與非工程措施為抵御災(zāi)害，人們采取了一系列防治和減輕災(zāi)害的措施，包括工程措施和非工程措施。工程措施，僅從工程實(shí)體和構(gòu)造角度，采取如修建堤壩、水庫；設(shè)置橡膠彈性支座、加固房屋；研制耐火材料、設(shè)置隔離帶等工程措施。非工程措施，通過工程以外的技術(shù)手段約束人類自身行為，以改善人與災(zāi)害之間關(guān)系，從而達(dá)到減輕災(zāi)害的一種措施，如安全規(guī)劃、監(jiān)測預(yù)警、災(zāi)害保險(xiǎn)等。（二）災(zāi)害成災(zāi)模式分析災(zāi)害產(chǎn)生的基本過程是某種致災(zāi)因子通過孕災(zāi)環(huán)境作用于特定承災(zāi)體而產(chǎn)生災(zāi)情。1、孕災(zāi)環(huán)境

能孕育產(chǎn)生致災(zāi)因子的自然環(huán)境，由大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈等組成。2、致災(zāi)因子

包括自然致災(zāi)因子，例如地震、滑坡、泥石流、臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、洪水、海嘯等，也包括環(huán)境及人為致災(zāi)因子，如戰(zhàn)爭、動(dòng)亂、核事故等3、承災(zāi)體 各種致災(zāi)因子作用的對(duì)象，可分為人類和財(cái)產(chǎn)兩大類。不安全條件然環(huán)境危險(xiǎn)的位置未設(shè)防的基礎(chǔ)設(shè)施安全法律不健全物資供應(yīng)匱乏應(yīng)急組織渙散動(dòng)態(tài)壓力根源孕災(zāi)環(huán)境氣候變化地貌變化地表變化承災(zāi)體人口數(shù)量經(jīng)濟(jì)收入自然資源海平面上升氣候變暖森林銳減地下采空人口膨脹工業(yè)化武器使用資源枯竭災(zāi)情受災(zāi)人口直接損失資源破壞動(dòng)態(tài)變化致災(zāi)因子地震滑坡臺(tái)風(fēng)火災(zāi)洪水圖1災(zāi)害成災(zāi)模式的概念模型災(zāi)害是脆弱性承災(zāi)體與致災(zāi)因子相互綜合作用的結(jié)果（三）災(zāi)害空間災(zāi)害空間不僅包括災(zāi)害源的空間布局、實(shí)質(zhì)環(huán)境條件、關(guān)鍵設(shè)施狀況、應(yīng)急救援力量等實(shí)體空間，而且涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域非實(shí)體因素，如人口分布、財(cái)產(chǎn)分布等。1、潛在災(zāi)害類型及分布依據(jù)歷史災(zāi)情庫和環(huán)境特征，從而識(shí)別可能發(fā)生的災(zāi)害類型以及空間分布，查明災(zāi)害類型、規(guī)模、潛在的威脅、影響范圍、成因和誘發(fā)因素。2、實(shí)質(zhì)環(huán)境狀況

實(shí)質(zhì)環(huán)境狀況是引發(fā)區(qū)域?yàn)?zāi)害的物質(zhì)基礎(chǔ)，是判別災(zāi)害潛力的依據(jù)。（三）災(zāi)害空間3、關(guān)鍵設(shè)施狀況 關(guān)鍵設(shè)施主要包括重要公共場所及水、電、氣、熱、交通、通信等生命線系統(tǒng)4、抗災(zāi)設(shè)施狀況 抗災(zāi)設(shè)施狀況是指消防、公安、交警、醫(yī)療、防疫、環(huán)境等在突發(fā)事件中起關(guān)鍵作用的應(yīng)急救援機(jī)構(gòu)和設(shè)施的數(shù)量和空間分布5、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素主要包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、流通結(jié)構(gòu)、人口分布等二、災(zāi)害數(shù)字仿真(一)災(zāi)害數(shù)字仿真模型的通用范式災(zāi)害數(shù)字仿真模型的通用范式災(zāi)害數(shù)字仿真模型是把現(xiàn)實(shí)災(zāi)害域(源域)的組成部分通過轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為數(shù)值災(zāi)害域(目標(biāo)域)中的一種結(jié)構(gòu)。對(duì)某種承災(zāi)體來說，僅當(dāng)環(huán)境要素超過某些值或低于另一些值時(shí)才能造成傷亡或損壞，即孕災(zāi)閥值，分為單一閥值和雙重閥值。假定某種承災(zāi)體有m(m≤n)種環(huán)境要素具有雙重孕災(zāi)閥值和n-m種環(huán)境要素具有單一孕災(zāi)閥值：因此對(duì)于某種承災(zāi)體，就存在特定區(qū)間，當(dāng)環(huán)境要素落在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，就會(huì)形成災(zāi)害，即承災(zāi)體的致災(zāi)區(qū)間：表示：在此基礎(chǔ)上，致災(zāi)因子可以用環(huán)境要素與孕災(zāi)閥值之間的偏差來承災(zāi)體在成災(zāi)過程中的作用可以從兩方面來考慮。一方面是它們本身的價(jià)值，另一方面是承災(zāi)體對(duì)各種致災(zāi)因子的抗災(zāi)能力。承災(zāi)體的矩陣為：災(zāi)情主要是承災(zāi)體與致災(zāi)因子相互作用的結(jié)果，仿真模型基本結(jié)構(gòu)應(yīng)符合:小城鎮(zhèn)災(zāi)害數(shù)字仿真與公共安全應(yīng)急決策系統(tǒng)否成功是災(zāi)害數(shù)字仿真理論系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試確定系統(tǒng)目標(biāo)與功能各功能模塊設(shè)計(jì)公共安全空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建編寫應(yīng)用程序公共安全應(yīng)急管理修改融合研究融合模型與模式融合技術(shù)保障融合制度保障公共安全應(yīng)急管理行政特性分析公共安全應(yīng)急管理三大核心層次公共安全信息管理公共安全空間規(guī)劃公共安全應(yīng)急決策災(zāi)害本質(zhì)的解析災(zāi)害數(shù)字仿真理論的技術(shù)支持災(zāi)害數(shù)字仿真理論內(nèi)容與程序?yàn)?zāi)害數(shù)字仿真通用模型的構(gòu)建危險(xiǎn)性分析危害區(qū)域損失預(yù)測與評(píng)估典型災(zāi)害的數(shù)字仿真技術(shù)災(zāi)害數(shù)字仿真平臺(tái)火災(zāi)地震洪災(zāi)（二）災(zāi)害數(shù)字仿真的內(nèi)容建立災(zāi)害數(shù)字仿真模型，以可視化手段模擬災(zāi)害發(fā)生蔓延過程，以動(dòng)態(tài)直觀的方式表現(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)象。通過災(zāi)害數(shù)字仿真模型，將基礎(chǔ)設(shè)施、建筑物和社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等承災(zāi)體信息與地表因素、氣象信息、水文信息和地質(zhì)信息等致災(zāi)因素連接起來。在解析災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展及傳播規(guī)律的基礎(chǔ)上，抓住災(zāi)害的共性問題，建立災(zāi)害危險(xiǎn)性分析模型、災(zāi)害波及范圍模型、災(zāi)害損失預(yù)測模型等模型組，并形成適用于各類災(zāi)害仿真模擬的綜合集成方法。數(shù)字火災(zāi)基于3S的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)數(shù)字城鎮(zhèn)虛擬重建基于C/S或B/S網(wǎng)絡(luò)技術(shù)空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（NSDI）

空間信息基礎(chǔ)設(shè)施(NSII)災(zāi)害危險(xiǎn)性分析模型災(zāi)害數(shù)字仿真模型構(gòu)建災(zāi)害損失預(yù)測模型仿真重構(gòu)技術(shù)VR-GIS

可視化平臺(tái)數(shù)字地震數(shù)字洪水?dāng)?shù)字災(zāi)害數(shù)字臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)字仿真災(zāi)害危害區(qū)域模型從先進(jìn)研究手段的可及性來看，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和相應(yīng)支撐軟件的飛速發(fā)展，在客觀條件方面為災(zāi)害數(shù)字仿真提供了一個(gè)有利的平臺(tái)

。災(zāi)害數(shù)字仿真的研究方法層次性單一災(zāi)種的仿真模型與數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的。災(zāi)害數(shù)字仿真問題可以分解成類似組件式的分。研究方法的重構(gòu)性不同地區(qū)有著不同的災(zāi)害現(xiàn)象，如受各種因素的限制，可以單獨(dú)研制某一災(zāi)害數(shù)字仿真，在必要的時(shí)候進(jìn)行組裝和擴(kuò)充。數(shù)值模擬分析方法基建社經(jīng)礎(chǔ)筑會(huì)濟(jì)設(shè)物信信施息息空間數(shù)據(jù)庫GIS

VR

等可視化平臺(tái)各類災(zāi)變因素地氣水地表象文質(zhì)因信信信素息息息可視化應(yīng)用修正仿真模型參數(shù)是否相似否修正災(zāi)變因素各類災(zāi)害數(shù)字仿真模型庫是歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)災(zāi)害數(shù)字仿真（三）災(zāi)害危險(xiǎn)性分析模型建 人筑 口類 密型 度社會(huì)經(jīng)濟(jì)S危險(xiǎn)源分布誘發(fā)因素A降雨強(qiáng)度風(fēng) 溫力 度風(fēng) 濕向 度環(huán)境事件E災(zāi)害危險(xiǎn)性分析分 規(guī)布 模密 大度 小歷史狀況H災(zāi)害強(qiáng)度構(gòu)建災(zāi)害危險(xiǎn)性分析指標(biāo)體系，根據(jù)相關(guān)因素對(duì)災(zāi)害損失的貢獻(xiàn)大小，建立危險(xiǎn)性分析模型。（四）災(zāi)害波及范圍模型災(zāi)害危害區(qū)域模型可表示為：災(zāi)害危害區(qū)域仿真流程圖災(zāi)害波及范圍實(shí)測值災(zāi)害波及范圍理論值所有受災(zāi)邊界點(diǎn)連線修改仿真參數(shù)否是否擬合是人員疏散、損失預(yù)測滿足成災(zāi)條件是強(qiáng)度衰減系數(shù)環(huán)境指數(shù)搜一點(diǎn)否計(jì)

索算

下fs(d)fe(x,

y,z)災(zāi)害強(qiáng)度R(x,

y,z)任意點(diǎn)坐標(biāo)P(x,

y,z)災(zāi)害源強(qiáng)度R(xi

,

yi

,

zi

)先輸入任意P點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算出P點(diǎn)災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)，再判斷其是否滿足成災(zāi)條件，形成的封閉區(qū)域即為災(zāi)害危害區(qū)域的理論值，如果存在災(zāi)害危害區(qū)域?qū)崪y值，則可以通過兩者的擬合比較，返回修正模型中的參數(shù)，再進(jìn)行循環(huán)運(yùn)算。（五）災(zāi)害損失預(yù)測模型以直接經(jīng)濟(jì)損失為例建立災(zāi)害損失預(yù)測模型，直接損失主要包括建筑物自身破壞、室內(nèi)財(cái)產(chǎn)和生命線等基礎(chǔ)設(shè)施的破壞損失。應(yīng)急管理包括預(yù)防、預(yù)備、響應(yīng)和恢復(fù)，四個(gè)階段相互銜接，共同構(gòu)成措施層，并通過對(duì)外圍災(zāi)害層的抵御，以確保目標(biāo)層的實(shí)現(xiàn)，即公共安全。恢復(fù)自然災(zāi)害生事件目標(biāo)層響應(yīng)公共安全公共衛(wèi)預(yù)備事件層預(yù)防措施層事故災(zāi)難全事件社會(huì)安應(yīng)急管理是針對(duì)公共安全事件進(jìn)行準(zhǔn)備、救援與恢復(fù)的管理程序和方法，包括公共安全信息管理、應(yīng)急決策和空間規(guī)劃三大核心層次。以信息管理為核心，處理長短結(jié)合信息聯(lián)結(jié)的基礎(chǔ)性議題；以空間規(guī)劃為核心，處理長期結(jié)構(gòu)性功能布局的戰(zhàn)略性議題；以應(yīng)急決策為核心，處理短期應(yīng)急性問題的戰(zhàn)術(shù)性議題。（一）公共安全信息管理決策者的最大困擾是信息超載。因此，建立信息的分類管理模型，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息和災(zāi)害信息的高效管理，是應(yīng)急決策和空間規(guī)劃的前提和基礎(chǔ)?；A(chǔ)信息管理 災(zāi)害信息管理（二）公共安全應(yīng)急決策(1)公共安全應(yīng)急決策的目標(biāo)與約束條件目標(biāo)取向：在盡量短時(shí)間內(nèi)控制事態(tài)發(fā)展，保證生命財(cái)產(chǎn)安全。約束條件：第一個(gè)約束條件是時(shí)間緊迫；第二個(gè)約束條件是信息有限；第三個(gè)約束條件是資源有限；第四個(gè)約束條件是技術(shù)支持有限。(2)公共安全應(yīng)急決策的內(nèi)容與流程應(yīng)急決策是信息殘缺基礎(chǔ)上的危機(jī)決策，可分為決策問題的界定、目標(biāo)設(shè)定、方案規(guī)劃、方案選擇等幾個(gè)階段。應(yīng)急決策者根據(jù)有限的信息，判定應(yīng)急對(duì)象的緊急程度，依此進(jìn)行啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案的應(yīng)急方案的過程決策，確定應(yīng)急范圍、程度；進(jìn)行人財(cái)物等資源分配和應(yīng)對(duì)措施制定。安全區(qū)劃定與路徑選擇(1)安全區(qū)劃定應(yīng)急管理的首要任務(wù)是將人員迅速地疏散安置到安全避難區(qū)，因此，應(yīng)快速確定安全避難區(qū)的范圍。根據(jù)上述確定的受災(zāi)區(qū)域，運(yùn)用GIS拓?fù)浞治龅募舨眠\(yùn)算（clip）獲得安全避難區(qū)。(2)路徑選擇本文應(yīng)用Dijkstra算法求得兩點(diǎn)之間的最短路徑，計(jì)算公式如下：長度最短的路徑不一定是耗時(shí)最短的，影響行車到達(dá)時(shí)間的因素很多，如車流量C、道路寬度W、時(shí)間段T、路面狀況R等等。本文通過引入道路阻抗值r(resistance)來對(duì)各種影響因素進(jìn)行修正。應(yīng)急資源調(diào)度決策應(yīng)急問題最顯著的特點(diǎn)表現(xiàn)在時(shí)間的緊迫性，決策者應(yīng)以最短時(shí)間內(nèi)完成調(diào)度方案，另外從經(jīng)濟(jì)角度考慮希望參與應(yīng)急的同類出救點(diǎn)最少，因此應(yīng)急資源調(diào)度目標(biāo)是出救點(diǎn)的數(shù)目最少，時(shí)間最短。T(φ)=max(

ti)，i

=d1

,

d2

,

…,

dk

,

而N(φ)為出救點(diǎn)排列集合{d1,d2,…,dk}中元素的個(gè)數(shù)。多資源多出救點(diǎn)應(yīng)急調(diào)度模型表示如下：式(4-3)（三）公共安全空間規(guī)劃公共安全空間規(guī)劃的內(nèi)容與原則結(jié)合道路交通條件，規(guī)劃抗災(zāi)設(shè)施的服務(wù)范圍和資源配置，用以調(diào)整危險(xiǎn)源、防護(hù)保衛(wèi)目標(biāo)、抗災(zāi)設(shè)施三者的空間布局，減小公共安全事件的影響范圍，進(jìn)而達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)提高安全性的目的。公共安全空間規(guī)劃的原則“以人為本”原則“容災(zāi)”原則整合性原則可持續(xù)發(fā)展原則(2)抗災(zāi)設(shè)施規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)與建構(gòu)模式救災(zāi)設(shè)施設(shè)施等級(jí)名稱簡要規(guī)劃設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)避難場所緊急型臨近道路、公園等距離居民區(qū)500m2左右，面積1-2m2/人過渡型學(xué)校、公園、廣場、體育設(shè)施、停車場、綠地有防火隔離帶,不小于5000

m2道路網(wǎng)絡(luò)救災(zāi)型緊急救災(zāi)及消防通道道路兩旁不應(yīng)有危險(xiǎn)源，橋涵具有足夠的抗震能力避難型避難輔助性道路消防機(jī)構(gòu)高層指揮市政府、消防局服務(wù)范圍涵蓋市區(qū)，5min的消防時(shí)間,1000～2000居民/消防隊(duì)員基層執(zhí)行消防支隊(duì)、消防站醫(yī)療機(jī)構(gòu)高級(jí)衛(wèi)生局、防疫站、急救中心服務(wù)范圍涵蓋市區(qū)，5min的急救時(shí)間,500～1000居民/醫(yī)生低級(jí)社區(qū)醫(yī)院、診所物資場所發(fā)放指定的過渡型避難場所設(shè)置于避難場所附近接收區(qū)域性物流中心如車站等通往發(fā)放地點(diǎn)交通便利治安機(jī)構(gòu)高層指揮市政府、公安局服務(wù)范圍涵蓋市區(qū)，5min的治安時(shí)間,1000～2000居民/警察基層執(zhí)行派出所、武警(3)救災(zāi)單元區(qū)域目標(biāo)與約束條件各類抗災(zāi)設(shè)施的空間區(qū)位和服務(wù)范圍所涵蓋的區(qū)域加以綜合則形成救災(zāi)單元區(qū)域，如圖4-6所示。(4)救災(zāi)單元區(qū)域優(yōu)化模型優(yōu)化目標(biāo)：約束條件

：四、災(zāi)害數(shù)字仿真和應(yīng)急管理融合災(zāi)害數(shù)字仿真和公共安全應(yīng)急管理需要融合，前者是后者管理的基礎(chǔ)，后者是前者模擬的目的。事實(shí)上，這一問題在當(dāng)前研究和實(shí)踐中被長期忽視。因此，本章重點(diǎn)研究災(zāi)害數(shù)字仿真和公共安全應(yīng)急管理的融合模型、融合模式、融合的技術(shù)及制度保障等問題。融合模型通過剖析災(zāi)害數(shù)字仿真和公共安全應(yīng)急管理之間信息流動(dòng)，建立災(zāi)害數(shù)字仿真和公共安全應(yīng)急管理的融合模型。波及范圍即為受災(zāi)范圍為資源配置提供依據(jù)災(zāi)害損失預(yù)測事件分級(jí)信息災(zāi)害危險(xiǎn)性分析災(zāi)害波及范圍災(zāi)害數(shù)字仿真

信息支持救災(zāi)單元區(qū)域規(guī)劃確定受災(zāi)范圍和應(yīng)急對(duì)象應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)決策公共安全應(yīng)急決策安全區(qū)劃定與路徑選擇應(yīng)急資源調(diào)度決策抗災(zāi)設(shè)施氣象水文信息災(zāi)時(shí)災(zāi)情抗災(zāi)設(shè)施規(guī)劃生命線工程公共安全空間規(guī)劃建筑物基礎(chǔ)公共安全信息管理融合模式及評(píng)價(jià)方法(1)融合模式分析研究分別從制度和技術(shù)保障兩方面研究災(zāi)害數(shù)字仿真和公共安全應(yīng)急管理的融合，綜合分析融合模式，提出制度和技術(shù)保障的研究內(nèi)容，建立融合保障模型。?融合的可持續(xù)發(fā)展模式