基于GIS的城市消防指挥支持模型及其应用

赵伟民

摘要：随着经济和社会的高速发展，迫切需要提高城市消防指挥系统的智能化、自动化水平。本文建立了基于GIS的城市消防指挥支持模型，详细描述了基于GIS的城市消防指挥支持系统实现方法。演习试验表明，GIS的城市消防指挥支持系统可将消防响应时间缩短1/3。

Abstract： With the rapid development of economy and society， it is an urgent need to improve the intelligence and automation level of city fire command system. In this paper， the GIS-based city fire command support model is established， and the implementation method of the GIS-based city fire command support system is described in detail. Exercise tests shows that the GIS city fire command support system can shorten the fire response time by 1/3.

关键词：GIS；城市消防；指挥支持

Key words： GIS；city fire fighting；command support

中图分类号：TU998.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0057-03

0 引言

由于发生频率高、突发性强、涉及面广，火灾已经成为最常见和危害最大的城市灾害，每年都会造成大量财产损失和人员伤亡。据统计，2015年全国共接报火灾33.8万起，伤亡2854人，直接财产损失39.5亿元。其中城市发生火灾10.4万起，约占30.7%，包括天津港8.12特大火灾爆炸事故、东营8.31化工厂爆炸等多起重大事故。

救援及时性和准确性，是衡量消防作战能力的重要指标，直接关系到人民生命财产安全。然而，传统的消防指挥存在人工接警效率低、核实信息真伪困难大，指挥技术装备落后、临场指挥主要凭经验和直觉等诸多不足。另一方面，随着经济和社会的高速发展，我国的城市规模不断扩大，人口密度持续增长。相应地，消防部门的防控范围也成倍数增长，各式各样的建筑结构导致消防防空和作战支援环境恶劣复杂，对消防工作增加了难度。因此，迫切需要建立集信息查询、方案制定、力量调派、决策支持等一体的城市消防管理决策和指挥支持模型，提高消防警力调配的充分性和合理性，使各级消防队伍在消防作战中能够得到充分支持。

地理信息系统GIS（Geographical Information System）是在计算机硬件、软件支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述，并运用系统工程和信息科学理论，科学分析和管理有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需要信息的技术系统。城市消防指挥决策过程需要大量的地理数据，例如火场周围环境、应急力量的分布和配置、道路状况等。因此，将GIS引入城市消防指挥支持领域，利用计算机技术、微电子技术、智能管理技术等将消防资源、建筑物特性、消防管控区域等消防特征信息与地表空间位置互联，提高消防空间数据的分析、处理能力，实现可视化查询、管理、分析和调用，可极大提高指挥决策效率。

1 基于GIS城市消防指挥支持模型

城市消防指挥支持系统是辅助指挥员利用数据和模型解决非结构化和半结构化指挥和决策问题的交互式计算机系统，通过人机交互方式帮助和改善指挥决策制定的有效性。

1.1 系统工作原理

城市消防指挥支持系统的基本结构如图1所示，包括用户交互层、管理软件层和数据库层。

GIS系统主要是为指挥支持系统提供各种形式的图形与属性数据、数据格式转换工具、空间数据库管理，以及图形操作、空间分析等功能。

模型库是指挥支持系统的核心，根据各种理论模型，分析、处理数据库层的各种数据，理顺各因素之间内在的联系和关系，促进问题的解决。例如，采用矢量数据空间分析和栅格数据空间分析方法，建立空间分析模型，解析地理位置数据的空间信息，为消防指挥提供决策支持。

方法库为模型库提供了算法上的支持，实现了模型和方法的分离存储。知识库存放各种专家的经验、知识等，通过综合和检验专家的经验和知识，进一步提高指挥支持系统的智力水平。

1.2 基于GIS数据的支持模型

城市消防作战从接警定位，到赶赴火场灭火支援，直到完成灾后救援任务，需要经历的工作流程主要包括：接警、信息真伪校核、火场定位、火灾（其他灾害事故）位置及周边情况查询，消防力量的调派，快速支援方案制定（选择最短路径），火场（其他灾害事故现场）侦察、灭火作战指挥和实施。

如图2所示，基于GIS数据的支持模型由火警定位、消防力量调派、消防力量快速支援、消防作战信息支持和抢险救援信息支持应用等五个模型组成，利用GIS数据实现接警定位、火场地图浏览、出警路径分析和警戒缓冲区分析；实现基于消防力量调派模型的消防力量调用，提高作战力量运用合理性；规划消防站点与火场的最佳路径，缩短力量机动时间；弥补已有系统在火灾现场信息支持功能的不足，基于专家系统制定火场侦察、力量部署、战术方案选择、作战计算等智力支持；优化抢险救援询问侦察方案布置、抢险救援处置程序方法。例如，基于GIS的火灾现场作战信息支持模型应用原理，如图3所示。

1.3 GIS空间分析模型

空间分析是GIS区别于其他图形信息系统的主要特征。

1.3.1 空间量算

空间量算是GIS基本空间分析方法，包括主要包括几何、形状、质心和距离等特征参数的量算。在城市消防中应用最广泛的是几何量算和距离量算。例如，对消防辖区的面积、企业厂区面积、灾后影响区域、消防站到火场距离、火场到周围消火栓的距离等，均需进行精确量算。对一维的线状地物，几何量算包括长度、曲率和方向的量算，而对二维的面状地物，则包括面积、周长、形状和曲率等的量算。

1.3.2 缓冲区分析

缓冲区分析是地理信息系统的重要空间分析功能之一，在等方而有着广泛的应用。

缓冲区分析就是解决邻近度问题的重要空间分析工具，缓冲区分析就是在点、线、面实体周围建立缓冲区多边形的过程，包括点实体、线实体和面实体等三种缓冲区分析，可用于指导城市的消防站选址、消防栓布局、危险源企业选址等。例如，利用事故后果计算模型计算，以油罐作为点实体对象，计算基于GIS的死亡、重伤和轻伤等人员伤害半径，并地图跟踪层分别生成死亡、重伤和轻伤区域，从而迅速确定受火灾或爆炸影响的建筑物或人群，并根据影响等级制定防护或疏散方案。另外，还可获得需要冷却的邻近油罐。

1.3.3 网络分析

网络分析通过考察基于GIS的城市网络元素的空间属性数据和非空间属性数据，对网络的性能特征进行多方面的分析计算，例如交通网络、城市基础设施网络等。

路径分析是消防指挥支持系统中应用最广泛的网络分析模型，核心是求解最佳路径，即求解网络中两个指定的结点间阻碍强度最小的路径。Dijkstra算法是GIS系统最常用的最佳路径求解算法。考虑到道路交通信息所带来的各种迟滞因素，在Dijkstra算法的基础上，采用层次分析法对交通路况进行综合评定，并进行量化处理，将权值作为Dijkstra模型输入，以力量机动时间作为路径优劣的评价标准，提高了最佳路径搜索算法的科学性。

2 应用实例

根据GIS消防指挥支持模型，分别以SuperMap、Super IS、Oracle和CCGIS作为系统应用层、网络、数据库和三维模型开发平台，开发城市消防指挥支持系统。

2.1 系统实现

整个系统由城市路网、查询管理、消防专业处理、消防预案管理、力量派遣等5个模块组成。

路网模型是GIS的核心功能模块，是城市路网数据库及其管理系统，既为路线优化奠定空间信息输入基础，也路线优化输出提供显示载体，并以地图标示的方式进行呈现。由于城市建设的动态变化的，因此路网模型属于动态模型，当路网改变时，需要对已有的网络拓扑进行相应的修改。

对象有属性类型和属性值，称为典型属性数据。本系统以典型属性数据作为检索数据和默认值，简化了对象的属性管理。另外，为了实现快速查询响应，采用数据库的分区和索引机制来提高检索效率，选用数值型字段作为系统检索属性，如电话号码、报警时间、建筑物坐标等。管理和查询界面如图4、图5所示。

消防专业处理模块主要提供消防GIS图形作业和显示功能，采用多用户并发协作作业模式，多用户可将本地图形文件中的图元上传到数据库、将数据库中的空间对象下载到本地图形文件、刷新本地文件以保持和其他用户同步。多作业处理算法如图6所示，用户进行作图操作时触发监听程序，完成作图并写入数据库时，监听程序通知其他用户作相应的改变。

消防预案管理模块直接为出警调度专家系统提供调度方案，如图7所示。借助GIS的图形表示功能，消防预案管理模块可实现图形化操作。因此，本系统在制作消防预案时，可综合运用图形、文字和语音等多种表述方式，消除信息盲区，提高预案的合理性、可用性和直观性。另外，数据库提供了多种消防预案模板。

力量派遣模块综合GIS数据库、专家知识库，利用信息管理模块将信息输入专家系统，使用消防专业图形单元模块呈现结果，将火灾区域和火灾等级实时显示在调度结果界面，并以GIS专题图的形式实时浏览。

2.2 系统测试

通过集成GIS、城市信息网络和通信系统，将各种类型的应急指挥与调度集成为完整的管理体系，通过共享指挥平台和基础信息，实现统一接警、集中指挥、联合行动，实现了自动接处警、灾情智能评估、指挥控制自动化和网络化、集群化调度派遣、辅助功能智能联动、信息实时动态更新等，显著提高消防指挥的快速反应与科学决策能力。图8所示模拟某地发生火灾时，消防指挥支持系统给出的调度方案，其中某中队是最佳支援力量，红色路径表示该中队到底火场的最短路径。图9所示为火场作战指挥沙盘。演习试验表明，消防响应时间可缩短1/3。

3 结论

建立高效、实用的消防城市指挥信息支持系统是提高消防部队作战效能的迫切要求。GIS空间数据库具有地理信息检索、查询和显示功能，可为消防指挥提供空间信息支持。因此将GIS应用于消防指挥领域，在空间数据库和专家知识库相融合的基础上定义和生成消防指挥支持模型，可有效提高消防指挥的快速反应与科学决策能力。

参考文献：

[1]吴信才.地理信息系统设计与实验[M].电子工业出版社，2009.

[2]朱雾平.基于GIS的城市火灾应急空间决策支持系统和仿真模型[D].中国科学技术大学，2004.

[3]陈文伟.决策支持系统及其开发[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]余明，艾延华.地理信息系统导论[M].清华大学出版社，2009.

[5]张敬宗.GIS技术在消防自动受警信息系统中的应用[M].北方工业大学出版社，2004.

[6]卢战伟，杨国平，等.警用GIS中网络分析的功能设计与实现[J].测绘学院学报，2003（21）.