交通生命线应急调度决策支持系统研究与实现

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
近年来，自然灾害及突发事件频发，且有逐年上升的趋势，诸如 2007 年秘鲁大地震、2008 年缅甸的强热带风暴和飓风汉娜、2010 年在海底和智利先后发生的大地震，2011 年日本大地震和核泄漏事件、2012 年飓风“桑迪”肆虐和印尼 7.2级大地震、以及 2013 年超级台风“海燕”重创菲律宾等。在国内，由于我国有广阔的疆域，时常会发生自然灾害，尤其是地震灾害的发生更为频繁，这是由于我国处于世界两大地震带中（环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位），我国是发生地震灾害最多、最严重的国家之一。如 2008 年 5·12 汶川地震、2010 年青海玉树地震、2013 年芦山 7.0 级地震等。因此，在目前经济全球化和“中国梦”的背景下，如何加强政府应对各类突发灾害的能力，如何提高救援人员、人民群众应对突发灾害的能力，己成为一项紧迫而重大的任务。当灾害发生后，道路交通是保障救援的最重要形式，但它比较显著的脆弱性，造成道路交通通行能力下降，与其相反的是，交通需求量激增，在这种情况下，很容易造成交通瘫痪，给抢险救援造成影响，使其无法进行，以致于灾情的进一步恶化而在展开应急救援的每一个环节，均需要选取合理的、可靠的、安全的应急救援路径，，能够有效节省应急救援时间，提高应急救援效率。在应急救援路径规划的研究中，大部分都是常态下的应急救援路径选择方法，或着是对应急救援路径规划通过系统建模，并通过相应的模拟验证，但没有实际进行应用。在交通应急调度系统设计与开发中，并没有大众化的使用。在突发灾害下，道路交通网络发生了很大的变化，常态下的方法不适合突发灾害下的情况，而且道路交通的参与者众多，如果有大众化的、可靠的交通生命线应急调度决策支持系统，就能使救援效率大大提高。自然灾害类型较多，本文仅对地震灾害展开研究。
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1.2 国内外研究现状
在路网建模领域内，国内外研究人员已经取得丰硕的研究成果[1-5]，道路在空间结构上呈现出网状结构，使用点、线和面来表达模拟路网上的各种对象，很容易想到利用图论来解决道路网络建模问题[6-8]。在图论模型中，最简单就是用无向图来表示道路交通网，其中路口用图论上的点表示，路段用图论中的弧段来表达，连通矩阵表达路口中的连通限制。无向图中不能表达道路的行使方向等交通信息，为此利用有向图来解决这类问题，节点之间采用两条弧段表示[9]。随着城市化进程加快，传统道路交通网模型已经不能满足实际道路交通的需求，2005 年 Feng J 等人利用一个复杂的节点表达道路叉口的转弯限制，解决交通路网数据的冗余问题[10]。2008 年 Zhu Q 等人提出一种三维道路交通网络模型，突破了传统二维道路交通网络模型的局限性[11]。2009 年李金名等人在研究第三方物流配送的问题中，建立道路交通网影响因子的路网模型，该模型对物流配送提供了有效的数据支持，降低了数据搜索冗余[12]。2010 年 Demir E 等人构建了聚类超图模型，减少道路交通网数据存储量，提高了道路交通网的搜索效率[13]。
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第 2 章 系统相关技术介绍

当今有很多相关 GIS 产品可供二次开发，如 ESRI 公司出的 ArcGIS Engine 和ArcGIS Server、超图公司的 SuperMap Objects 和 SuperMap iServer、开源 GIS 平台等。开源 GIS 对用户公开其规范及源代码，具有互操作性强、可扩展性、可移植性强等特点，适合大众化的交通生命线震后应急调度系统，因此系统选用了以开源GIS 为基础，以 WebGIS 作为交通生命线震后应急调度决策支持系统开发的模式，再利用 ASP.NET 和 C#进行算法和模型的实现。因此系统所涉及到的相关技术有OpenGIS 规范 、 GeoServer 平 台 、 PostgreSQL/PostGIS 数据库 、 ASP.NET 、OpenLayers、JavaScript 及互联网信息服务（IIS）等。

2.1 WebGIS
WebGIS 是一种建立在 Internet 或 Intranet 框架下的用来保存、分析、发布及共享的应用信息系统。WebGIS 改变了传统 GIS 获取数据、传输数据、发布数据、共享数据和应用的方式。WebGIS 是网络技术应用于 GIS 开发的产物。它使 GIS 在Web 功能下得到扩展，成为大众都可使用的工具。WebGIS 的出现使 GIS 大众化、空间数据的共享成为现实，其优点具体表现在：1）大规模降低使用及开发成本，逐步取代 GIS 桌面系统。2）利用 WebGIS 容易实现数据分发。3）WebGIS 采用网页操作取代传统窗口操作，简单易用。4）WebGIS 处理能力大大提高。5）WebGIS 可以根据用户的请求，向用户动态提供所需的空间服务。6）跨平台性好。7）互操作能力强。WebGIS 的开发过程需遵循一些操作规范，如开放地学数据互操作规范（OpenGIS），因此在开发 WebGIS 时数据可以互操作和共享。
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2.2 OpenGIS 规范
OpenGIS（开放的地理数据互操作规范）由美国 OGC（开放地理空间信息联盟）提出[56]，开放式地理信息系统是指在网络环境中提供对不同类型的地理数据和地理数据处理方法的共享服务。OpenGIS 的几何信息分为点、边缘、面和几何集合四种。下面介绍其主要的两个服务：Web 地图服务（WMS），指能够根据用户的请求返回栅格数据和矢量数据。WMS 支持网络协议 HTTP，所支持的操作是由 URL 定义的。它主要有 3 个重要操作：返回服务级元数据（GetCapabilities），返回地图影像（GetMap），返回地图要素信息（GetFeatureinfo）。Web 要素服务（WFS），对地理要素进行插入操作、更新操作、检索操作、删除操作。该服务通过超文本传输协议的客户端请求，然后返回地理标识语言（GML）数据。GML 是基于 XML 的数据格式，它是表现数据的一种形式。WFS支持桌面程序的条件查询、空间几何关系的查询、属性域的查询。返回要素结构（DescribeFeatureType），返回 GML 规范的文档数据（GetFeature）。在 WFS 请求中，OpenGIS 利用 Filter 来实现数据的筛选。OGC（Open Geospatial Consortium）的出现，使许多商家进行了联合，推动全球范围内的 GIS 数据行业标准化进程。
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第 3 章 系统模型....12
3.1 震后应急调度的理论基础.........12
3.2 震后道路损毁风险评估模型[61].........13
3.2.1 模型概述..........13
3.2.2 算法设计..........15
3.3 基于 A*算法的震后应急调度路径规划模型....19
3.4 基于 A*算法的背离路径集和 K 次渐优路径...........25
3.5 本章小结...........27
第 4 章 系统需求分析与总体设计 ........28
4.1 需求分析...........28
4.2 总体设计...........30
4.3 本章小结...........36
第 5 章 系统详细设计与实现........37
5.1 系统开发环境....37
5.2 地图服务发布....38
5.3 系统各模块详细设计与实现.....41
5.4 本章小结....61

第 5 章 系统详细设计与实现

5.1 系统开发环境
系统以芦山 7.0 级地震数据作为系统实例，其矢量地图数据、影像数据和灾害数据来源于民政部减灾中心及“863”课题组成员。提供的矢量地图数据为 shp 格式，是北京四维图新科技股份有限公司的导航数据，包括以下几个图层：居民区、行政界线（省、县）、河流（线）、水系（面）、道路、兴趣点（POI）、乡。影像数据为雅安地区的遥感影像。灾害数据包括灾害点（震中、道路阻塞点、堰塞湖、坍塌滑坡点）、地震烈度、设防烈度、次生地质灾害数据等由民政部减灾中心直接提供。如表 19 为主要地图数据列表。在服务器端还用到了北半球 UTM-47 投影坐标，其代码为 32647。目的是在路径选择时，用平面坐标进行计算。系统使用 Proj4 进行坐标转换。格式化各图层，在 GeoServer 中使用的是 SLD 样式，是一种 XML 语言。因为自己编写比较麻烦，可以使用 Udig 工具来创建，在 GeoServer 中 SLD 编码一定要使用 GBK，否则标注等会出现乱码现象。系统地图配色方案参考了《地理信息公共服务平台电子地图数据规范 GH/Z 9011-2011》和 Google 地图的配色方案。将发布好的地图用 OpenLayers 进行展示，图 11 所示为地图发布的结果图，左部分为普通地图展示，右部分为遥感地图展示。

结 论

地震发生后，快速、可靠的选择应急调度路径，灾情的发布，震后道路损毁风险评估及风险预测对于应急救援具有重要意义。本文利用 WebGIS 和数据库相关技术，根据用户需求，设计和实现了交通生命线震后应急调度决策支持系统，系统为用户提供了灾情查询、用户标绘、震后道路损毁风险评估、应急调度路径规划以及数据管理等功能，为震后应急救援提供辅助支持。主要有如下几个方面的研究成果：
1）通过对交通生命线震后应急救援决策支持系统的研究设计，拟订了基于GeoServer+OpenLayers+PostgreSQL+PostGIS+ASP.NET+JavaScript+C#的交通生命线震后应急调度决策支持系统的解决方案。
2）研究分析了交通生命线震后应急调度决策支持系统的模型体系，研究了地震烈度、设防烈度及次生地质灾害等震害因子的震后道路损毁风险评估模型；研发了以路段行程时间、路段安全性和路段灵活性为目标函数的震后应急调度路径规划模型以及基于 A*算法最优路径条件下的背离路径集及 K 次渐优路径求解模型。
3）通过底层构造实现了最短路径分析、震后应急救援最优路径分析和最佳救援位置分析；研究对路网数据的构造、更新方法，建立了通过 PostgreSQL 数据库对路网数据修改与更新的机制。
4）开发实现了交通生命线应急救援决策支持系统。
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参考文献（略）