基于移动GIS的社区突发事件预警疏散系统设计

王德宇张子民周英曹端广

(山东建筑大学 测绘地理信息学院，山东 济南250101)

0 引言

随着城市建设步伐的加快，各种突发事件层出不穷。突发事件具有发生突然、发展速度极快以及不可预见的特点，不仅会威胁人民的生命安全，同时也会给该区域的经济发展和社会稳定带来巨大的影响，当前人类社会还无法完全预测和消除其对社会生活带来的种种威胁[1]。为了更好地应对突发事件，最大限度地减少灾害事件带来的损失，应该加强对突发事件“早发现、早行动”的能力。社区是是公民参与公共危机治理的重要平台，是危机治理的“最后一公里”[2]。虽然政府在突发事件预警与疏散中发挥主导作用，但社区作为应急管理联系群众第一线，在应急管理中的意义尤为重大[2]。对于以社区为组织单位的突发事件预警研究，早在1989年，世界卫生组织就提出了“安全社区”的理念，并制定了安全社区的国际认证标准。我国针对突发事件监测预警的研究起步比较晚，20世纪90年代以来，随着国内各类突发事件的不断发生，我国对应急管理的研究日渐增多，社区参与监测预警机制的研究也越来越受到重视，其研究内容和成果也在不断丰富。

近年来，地理信息在突发事件应急决策中作为基础数据源，在突发事件的预案制定、早期预警、交通分析、事中地形分析和灾后地图更新等方面发挥着重要的作用[3]，智能手机也成为突发事件交互中主要的通讯设备，二者融合起来即为时下流行的移动地理信息系统GIS(Geo-Information System)技术。移动GIS具有移动性和实时性，其作为基于位置服务LBS(Location Based Service)的核心部分，已经嵌入到许多LBS应用中[4]。国外对移动GIS的研究应用较早，主要有美国环境系统研究所ESRI(Environmental Systems Research Institute)公司的ArcGIS Mobile、ArcPad和欧特克Autodesk公司的Autodesk Onsite等。国内移动GIS由于起步较晚，再加上硬件技术与无线通信技术尚未成熟，移动GIS的发展相对较弱[5]。随着移动GIS的快速发展，空间信息逐渐成为可应用于突发事件动态决策支持的重要资源，利用GIS技术能够为应急指挥提供准确的空间位置信息，并为政府决策提供科学有效的依据。世界上的很多国家都在致力于突发事件的研究，如美国、日本、欧洲等已经用实践证明了GIS在突发事件应对处置过程中的重要作用，建立了较为完善的突发事件预警信息传播系统，并将移动GIS技术应用于实时救援[5-8]。目前，国内外相关的移动GIS在突发事件领域的研究有很多，如2000年3月，宾夕法尼亚医疗卫生和州政府合作，建立了基于ESRI公司ArcGIS地理信息系统平台的西尼罗河WN(West Nile)病毒监测系统[6]，可以对疾病爆发作出及时响应。KEVANY[7]给出了GIS及其相关的空间分析技术，并将此分析技术应用到了美国“9·11事件”的应急响应、救援和恢复工作中。FULI等[8]提出将地理信息与推特Twitter技术相结合，使自组织信息网络能够支持紧急情况下的决策和集体行动，完成了以地理信息系统为中心的基于社交媒体的动态决策支持系统的设计和开发。丰江帆等[9]通过对移动GIS关键技术的研究，提出了在地震灾害现场应急指挥系统中，综合利用数据缓存、终端位置驱动与服务器推送技术，来改善移动终端与数据中心的数据管理方式。柴莹莹[10]针对传统的灾害监测体系中存在的现场数据获取困难和效率低以及现有的应急平台指挥不及时等问题，研究了基于移动GIS的灾害监测体系。为了能够有效地提高应急管理部门的应急效率、快速对应急事件做出反应，廖明等[11]以地理信息公共服务平台为基础，利用安卓Android、网络地理信息系统WebGIS等技术手段开发出了一套应急服务地理信息系统。

基于上述研究，文章提出利用移动GIS研究了社区突发事件预警疏散，模拟了在某种突发状况(如地震、火灾)下社区人群的疏散场景，并开发了一个突发事件预警与疏散信息传播系统，在第一时间通过系统将疏散信息快速、有效地传递给灾难影响范围内的群众。

1 突发事件预警疏散概述

1.1 突发事件预警

突发事件预警是城市社区应急管理工作的基础，是突发事件处置的首要环节。虽然目前我国城市社区在应急管理实施方案中安排了危机预警工作，但不少城市社区应急管理预警机制不健全，预警信息不发布或发布不及时，缺乏对危险关键控制点的实时监测，导致突发公共事件预警能力不足[12]。突发事件发生时人们往往处于恐慌之中，人群中恐慌情绪的蔓延十分迅速，一般在极短的时间(几分钟)内就可以从几个人的恐慌演变为人群整体的恐慌[13]，所以疏散信息的及时发布就显得极为重要。在突发事件发生后，社区管理人员应在最短的时间内，将尽可能多的社区受灾群众疏散和撤离到安置区域，并制定科学合理和成本最小的决策调度方案[14]。因此，提高突发事件预警与疏散信息的传播效率可以有效降低突发事件带来的损失、减少突发事件的负面影响。

1.2 基于移动GIS技术的突发事件疏散

根据影响范围可以将突发事件划分为两种类型:(1)影响范围较小的小规模突发事件(如小区某栋楼发生火灾)；(2)影响范围较大的大规模突发事件(如地震、森林火灾、洪水)。不同类型的突发事件需要采取不同的撤离方案:对于小规模的突发事件，只需从危险区域离开即可，而对于大规模的突发事件，则要撤离到指定的安全地带(如避难场所)。

基于移动GIS技术，当发生小规模突发事件时，社区管理者需要将撤离通知与危险区域范围(构成危险区域多边形的移动GIS地理围栏)推送给受自己管辖的社区居民，供社区居民在地图上可视化查看。当发生大规模事件时，社区管理员需要综合考虑社区周边的应急资源、社区人员构成以及交通状况等因素，制定出疏散方案选中要撤离到的避难场所，将撤离通知与要撤离到的避难场所的位置信息(经纬度)一同推送给受自己管辖的社区居民。社区居民接收到推送通知与目标撤离地点后，通过移动GIS的最短路径规划与全球定位系统GPS(Global Positioning System)导航进行快速撤离。最短路径规划采用经典的最短路径算法Dijkstra算法，是目前多数系统解决最短路径问题采用的理论基础[15]。最短路径Dijkstra算法中，每段路线的权值为道路长度，因此求出的最短路线是基于距离远近的选择而得出的最佳路径。实际中在选择最佳路径时，除了要考虑路线长短，还要考虑每段道路的拥堵程度，所以利用通行时间最短作为选择依据最为合理。通行时间属性通过距离和通行速度的商值确定，系统通过解析实时交通数据RTIC(Real Time Traffic Information)获取道路的通行速度，以道路网中路段长度作为通行距离[16]。

2 突发事件预警疏散系统需求分析

2.1 管理人员需求分析

在突发事件发生时，为了实现对社区居民及避难场所的科学管理、应急时的有效调用，及时为社区居民提供疏散方案，供管理人员使用的突发事件预警与疏散信息动态传播系统主要包括如下功能:账号管理(用户登录、个人信息查看、个人信息修改)、基础数据管理(住区居民管理、避难场所管理)、地图调度(地图显示、地图浏览)、应急指挥管理(制定疏散方案、疏散方案传播)。社区管理人员系统总体功能如图1所示。

图1 社区管理人员系统总体功能图

(1)用户登录 服务器可以接收用户的登录请求，根据用户请求中的用户名、密码与保存在数据库中相关信息做匹配，如果登录信息与服务器中的信息一致，则用户登录成功，如果信息不一致，则登录失败。

(2)个人信息查看及修改 用户在登录后可以查看当前的个人信息，并有权限对其进行修改。

(3)社区居民管理 社区管理者对本社区的居民信息只可进行查询操作，不具备增加、删除、修改的权限。对社区居民的查询有两种方式:①以列表的形式查看住区居民的详细信息，包括姓名、性别、手机号、详细住址和当前所处状态(包括安全状态和危险状态)等；②在地图上查看受自己管辖的居民的空间分布情况，在疏散过程中可以获取每个社区居民的实时位置。

(4)避难场所管理 社区管理人员对管辖范围内的避难场所可进行查询和修改操作，既可以在地图上查看避难场所的空间分布情况，又可以在灾难发生时，社区管理人员选定要撤离的避难场所后，输入要撤离到该避难场所的人数，此时，该避难场所的当前可容纳人数就会减少相应的数量。

(5)地图显示 在地图上实现避难场所、社区居民空间位置以及突发事件影响范围的二维可视化显示，是系统的核心模块之一，提供一定的辅助决策功能。

(6)地图浏览 可对地图进行旋转、平移、缩放、定位等一系列操作。

(7)制定疏散方案 社区管理者可以根据避难场所空间位置、当前可容纳人员数量以及突发事件影响空间范围等客观因素选择最终要撤离到的避难场所。

(8)疏散方案传播 将最终制定的疏散方案推送给社区管理者管辖范围内的所有社区居民。

2.2 社区居民需求分析

普通居民功能有账号管理(包括用户登录、用户注册、个人信息查看、个人信息修改)、地图调度(地图显示、地图浏览)、实时位置上传、实时状态更新、路径规划、GPS导航。社区居民系统总体功能如图2所示。

图2 社区居民系统总体功能图

(1)用户注册 用户在注册时需要填写姓名、性别、手机号码和详细住址信息，系统可以利用高德地图提供的地理编码功能，将用户填写的住址信息转换为经纬度，另外，用户还需要从社区管理者列表中选择自己社区的管理员。

(2)状态更新 当没有发生灾难时，居民为安全状态，灾难发生时，状态更改为危险状态，在撤离到避难场所范围内后重新恢复为安全状态。状态更新是系统借助高德地图提供的地理围栏实现的，用户无需进行任何操作。

(3)实时位置上传 当社区居民处于突发事件影响范围内时，就会向社区管理者持续发送实时位置，方便管理者在撤离过程中实时掌握居民的撤离状态。

(4)路线规划 用户在接收到撤离方案之后即可发起路线规划请求，借助高德地图获取从当前位置到达避难场所的最优路径。

(5)GPS导航 在撤离的过程中，用户可以调用GPS导航功能。

2.3 系统数据库需求分析

系统采用关系型数据库管理系统SQL Server进行数据存储，共涉及社区管理者、社区居民、避难场所、疏散方案等因素，通过将其抽象为4个实体并考虑四者之间的关系，可以获取以下信息:

(1)社区管理者具有姓名、性别、账号、密码和管辖区域属性；社区居民具有姓名、性别、手机号码、密码、详细地址、经度、纬度、是否安全和所属管理者属性；避难场所具有详细地址、经度、纬度和当前可容纳人数属性；疏散方案具有社区管理者姓名、要撤离到的避难场所的经度、纬度以及疏散方案是否被推送到社区居民的属性。

(2)社区管理者与社区居民之间存在一对多的管理关系，即一个社区管理者可以管理若干社区居民，而每个社区居民只能被一个社区管理者管理；社区管理者与避难场所之间存在多对多的修改关系，即一个社区管理者可以修改多个避难场所的信息(修改的是当前可容纳人数)，而一个避难场所的信息也可以被多个社区管理者修改；社区居民与避难场所之间存在多对多的查看关系，即一个社区居民可以查看多个避难场所的信息，一个避难场所也可以被多个社区居民查看。社区管理者与疏散方案之间存在着一对多的推送关系，即一个社区管理员可以推送多条疏散方案，但每条疏散方案只能被一个社区管理者推送。社区居民与疏散方案之间存在着多对一的查看关系，即一个社区居民只可以查看针对自己所属社区的一个推送方案，而每个推送方案可以被多个社区居民查看。

通过分析，明确了上述4个实体的类型、各自的属性以及四者之间的关系，将其用实体—联系图来表示，如图3所示。

图3 系统数据库的实体—联系图

3 突发事件预警疏散系统设计

3.1 系统整体架构

移动GIS在继承了传统地理信息系统对地理空间数据处理的基础上，还集成了嵌入式技术、移动计算技术、移动通信技术和定位技术，使得地理空间数据的采集与处理更加具有灵活性与实时性[17]。在Android系统中，集成了一种轻量级的数据库SQLite，其具有小巧、简单、快捷以及安全可靠的特点，通常情况下SQLite能同时管理4 TB的数据，而且是用SQL语句进行管理，是一种比较有效的关系数据库[18]。在管理系统中SQL Server数据库的锁定机制可以保证在彼此之间不发生冲突的前提下实现多个用户同时访问和更改共享数据[19]。在软件架构上采用了ASP.NET MVC模式，采用分层的模式，具有面向对象的高内聚、低耦合思想，其设计思想的多态、继承等特性，可以有效地降低系统的开发难度[20]。

3.2 系统模块

3.2.1 用户登录模块

系统有社区管理员和社区居民等两种用户角色，二者有不同的功能需求，表现为登录成功之后有不同的功能界面，但共用一个登录界面。因此，这就要求在用户进行登录操作时，不仅要对其输入的账号密码的正确性进行验证，还需要对用户角色进行区分。只有账号密码验证正确，确定了用户角色之后才能正确跳转到与用户相匹配的可视化界面，如图4所示。

图4 用户界面图

3.2.2 地图调度模块

通过调用第三方的地图应用程序接口API(Application Programming Interface)，可以实现地图的显示、切换图层、控件交互(操控缩放按钮、指南针、定位按钮、比例尺等地图控件以定制自己想要的视图效果)、手势交互(包括缩放、旋转、滑动、倾斜等)、在地图上绘制点、地理编码、地理围栏等操作。用户在登录成功后即可看到地图显示界面，并定位到当前自己所处位置，可以实现对地图进行平移、放大、缩小、旋转以及重新定位到当前位置的操作；也可以通过点击图层按钮，切换地图图层(包括导航地图和卫星图)显示，还可以查看一定范围内的避难场所的空间分布。社区管理人员还可以在地图上查看自己管辖范围内所有社区居民的空间分布。

3.2.3 应急指挥管理模块

社区管理者可以查看管辖区域内的所有居民的信息，包括基本资料与位置信息。基本资料以列表的形式展示给社区管理人员，从列表中可以看到居民的姓名及电话，点击某一居民信息，其位置信息以地图的形式展现出来，每一个社区居民在地图上都是一个独立的点标记。除此之外，在当前界面下方，还可以显示用户的详细信息，包括姓名、性别、电话、详细住址、经度、纬度、当前状态(安全或危险)。社区管理者还可以在地图上直观地看到避难场所的空间分布，每个避难场所在地图上都是一个独立的点标记，可以查看避难场所当前可以容纳的人数以及从当前位置出发到达各避难场所的路线。在灾难发生时，社区管理者可以在地图上选择要撤离到的避难场所，并输入撤离人数，这时避难场所的容量就减少相应的数量，避难场所当前可容纳人数是社区领导者选择避难场所的重要参考，及时更新这一数值可以有效避免出现多个社区都选择撤离到同一个避难场所而导致容纳不下的现象。

社区管理者通过调用Web Service将疏散方案写入到数据库对应的表中，若当前读取到的数量与上一次读取到的数量不同，则调用服务端封装好的方法，实现将自定义的通知推送至社区居民使用的移动端应用程序。当发生小规模的突发事件时，管理者将构成危险区域多边形的一系列点坐标(经纬度)传递给社区居民。居民在接收到推送后，首先判断当前位置与危险区域的位置关系，若在危险范围内，则自动将该居民的当前状态更改为危险状态，并创建以该危险区域为界限的多边形地理围栏，监听离开围栏事件，触发持续定位服务。在离开危险区域之前，每隔10 s向数据库更新一次当前所在位置的经纬度，从危险区域撤离后，触发离开围栏事件，自动将该居民状态更改为安全状态。在此过程中，管理者通过刷新社区居民图层可获取居民的状态信息与位置信息。若居民当前在危险区域外，则需将危险区域范围呈现给该社区居民，警示其不要进入该范围。居民应急疏散响应界面如图5所示。

图5 居民应急疏散响应界面示意图

3.2.4 疏散信息传播模块

相对于传统的单向疏散信息传播而言，系统的疏散信息的传播是双向的，通过GPS和移动GIS的实时定位与空间分析功能。社区管理者可以将制定好的危险区域范围与疏散方案推送给受自己管辖的社区居民，在撤离过程中，社区居民可以实时更新自己当前所处位置(经纬度)与状态(危险或安全)，供管理者掌握撤离情况。在社区居民接收到推送通知后，首先通过地理围栏分析判断用户当前状态(安全或危险)，若用户当前为危险状态则自动开启持续定位服务，系统每隔几秒就将数据库中存储的用户当前空间位置信息更新一次，直到用户到达避难场所时才停止。在这期间，社区管理者只需要点击界面上的图层按钮就可以掌握居民的实时撤离情况。具体疏散信息传播过程如图6所示。

图6 疏散信息传播过程图

当发生影响范围较大的突发事件时，社区管理者通过数据库中的疏散方案将要撤离到的避难场所的位置坐标推送给居民。社区居民在接收到管理者推送的通知之后，触发广播，通过移动GIS的路径分析生成“一键式”撤离方案，社区居民可以根据撤离方案中的疏散路线及时撤离。同时根据选定的避难场所自动生成安全区域的地理围栏，同时开启本地服务，这个服务会一直存活，以确保后台能持续监听用户当前位置与安全区域的位置关系。当用户在安全区域之外时，用户会持续向数据库更新当前位置信息，每隔10 s向数据库更新一次当前所在位置的经纬度。当用户进入安全区域时，触发地理围栏的进入事件，调用Web Service将自身状态更改为安全状态。居民应急疏散撤离界面如图7所示。

图7 居民应急疏散撤离界面示意图

4 结语

文章针对突发事件发生时的预警与疏散信息传播，开发了基于移动GIS的社区突发事件预警和疏散系统，相较于传统的突发事件预警系统，其充分发挥了移动GIS的优势，借助高德地图和API，实现了向用户发送包含空间位置信息的广播指令，极大地提高了信息的可读性。而传统的预警及疏散信息传播系统通常采用从上至下的机制，即信息的传递是单向的，管理者可以向群众发送消息，但群众缺少向管理者反馈的途径，这就导致了在疏散过程中管理者无法全面了解当前的撤离情况，从而很难科学地做出下一步的指挥工作。系统借助GPS定位技术及地理围栏技术，实现了管理者与社区居民间的空间位置共享，极大地方便了社区居民撤离工作的进行。建立起的基于移动GIS的突发事件预警与疏散系统能够有效地帮助以社区为组织单位的疏散工作，极大地提高了信息传播的有效性、准确性以及疏散效率。群众能够更加明确、快速地获取预警信息与疏散方案，管理者能够在撤离过程中准确把握群众的撤离情况，便于展开下一步工作。