CN110779529A - 一种基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统，该系统包括：地图分割模块、路径分层模块、灾害区域计算模块、路径切割模块、搭桥模块以及时间计算模块和最优路径模块；所述地图分割模块事先对灾害影响区域对应地图进行分割，调用路径分层模块对所有不同路径进行分层，使用灾害区域确定模块确定灾害点，并计算出不可达区域，使用路径切割模块对路径进行切割，生成新的路径分层图，然后调用搭桥模块，生成搭桥后的路径连通图，使用时间计算模块计算行走轨迹时间表，最后，采用最优路径计算模块确定最优路径。

Description

一种基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统

技术领域

本发明涉及大数据处理技术领域，具体涉及一种基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统。

背景技术

当今世界，各种灾难频发，尤其21世纪以来，随着人类文明的发展，自然环境的恶化，使得各类事件突发。归其原因错综复杂，不仅有自然方面的因素，也有人为方面的因素。前者主要受制于当今自然生态环境的变化与人类的科技发展水平，因此，如何构建中国社会应急救援服务体系，以提升国家应急救援能力，降低灾害损失，是当前推进国家治理体系与治理能力现代化的重要组成部分。

森林灾害，是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火、山体滑坡、洪水、地震行为。这些森林灾害是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。

森林防灾工作是中国防灾减灾工作的重要组成部分，是国家公共应急体系建设的重要内容，是社会稳定和人民安居乐业的重要保障，是加快林业发展，加强生态建设的基础和前提，事关森林资源和生态安全，事关人民群众生命财产安全。

现有的森林灾害应急指挥，大部分依靠人工判断，部分发达地区开始采用监控模式；人工判断，应急指挥，具有现场处理的优势，劣势也比较明显，效率低，指向性低，有效应急指挥的效果不好；不能迅速生成具体的应急方案，显然对应急人员的工作带来巨大的工作量，缺乏对灾害现场的及时处理。

因此有必要对现有的森林防灾减灾及应急系统给予改进，集预防与应急于一体。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种智能的、方便的、节约资源的基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度方案。

技术方案：本发明所述的基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统，该系统包括：地图分割模块、路径分层模块、灾害区域确定模块、路径切割模块、搭桥模块以及时间计算模块和最优路径模块；所述地图分割模块事先对灾害影响区域对应地图进行分割，调用路径分层模块对所有不同路径进行分层，使用灾害区域确定模块确定灾害点，并计算出不可达区域，使用路径切割模块，对路径进行切割，生成新的路径分层图，然后调用搭桥模块，生成搭桥后的路径连通图，使用时间计算模块计算行走轨迹时间表，最后，采用最优路径计算模块确定最优路径。

进一步地，包括：

所述灾害区域计算模块用于计算灾害影响区域面积，表示为：

S_修正＝(1+γ)S₁

S.T.0≤|θ′|≤π

v＝∝v₀

其中，S_修正为最终的火灾影响范围，R₀为初始火灾半径，v为火灾蔓延的速度，与风速v₀成正相关，t为时间，θ为，θ′为扇形外区域与风向的夹角，夹角的起点为初始火源，k为蔓延系数因子。

进一步地，包括：

所述搭桥模块用于将原本不通的路径经过一些工具的辅助变成可行路径，具体包括计算灾害影响区域对应地图中的路径点间的直线距离，扫描各个路径点间最短距离，找出两点，为可行的搭桥点，将搭桥点连接，形成新的连通路径。

进一步地，包括：

所述搭桥模块还包括根据搭桥点产生的应急需求和各个资源点可提供的资源，计算出各个救援点到达搭桥点和搭桥所需要的时间，表示为：

t_mn＝min[d_mn/v_mn，max(d_mj/v_mj，t_j)+d_jn/v_jn]

t_ni＝min(d_ni/v_ni，d_nj/v_nj+d_ji/v_ji)

∑(t_mn+t_ni)

S.T.t_{(m，n，i，j)}＜T_{m，n，i，j}

其中，i为安全点的编号，j为搭桥点的编号，m为救援点编号，n为事故地编号，t_mn为编号为m的救援点到达编号为n的事发地的时间，v_mn为编号为m的救援点到达编号为n的事发地的平均速度，d_mn为编号为m的救援点到达编号为n的事发地的距离；t_ni为编号为n的事发地到达编号为i的安全点时间，t_(m,n,i,j)表示车辆在路途中行驶的时刻，T_{m，n，i，j}表示这些路途可行驶时间段。

进一步地，包括：

所述时间计算模块，用于计算出多个营救方案的营救的最终时间，派出用时最短的救援点车辆前往目标区域并在按撤离路线前往最近的安全点，具体包括：

处理时间营救汇聚时间＝MAX(多路到汇聚点的时间求最大，救援队到达汇聚点时间)

最终时间＝MAX(多路到达救援点的时间求最大)+临时修正时间+MAX(多路到安全点的时间求最大)。

配对搭桥时间和撤离人员到达时间，设定配对阈值，制定配对函数和地点

t_mj-t_j≤t_d

其中，t_mj为救援点m到达搭桥点所用时间，t_j为搭桥j处所需搭桥时间，t_d车辆在搭桥点等待搭桥完成时间。

进一步地，包括：

所述最优路径计算模块用于根据时间计算模块计算的最终时间选择一条或多条最佳路径，将这些路径补充完整，进行扫描，建立地图可寻径模型，进而确定最终路径。

有益效果：本发明的目的在于提供一种智能的、预测准确、方便的、节约资源的基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统。

附图说明

图1为本发明的基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统的工作流程示意图；

图2为本发明所述的路径分层模块的示意图；

图3为本发明的本发明所述的灾害影响区域计算模块得到影响区域示意图；

图4为基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统的路径连通图；

图5为本发明实施例所述的灾害影响区域对应地图；

图6为本发明实施例所述的灾害影响区域可搭桥路径的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统，该系统具体包括：地图分割模块、路径分层模块、灾害区域确定模块、路径切割模块、搭桥模块以及时间计算模块和最优路径模块，如图1所示为该系统实施救援的整体流程图。

地图分割模块将目标区域构建出地图模型，包括陆路，水路和空间线路，并确定事发地对事发地进行编号。

路径分层模块，用于对路径进行分层，具体分为：

人行陆路，具体信息包括路质(水泥路，泥土，石板)和经纬度

铁路，具体信息包括经纬度描述

公路，具体信息包括路宽，车速，等级，经纬度描述

双轮车路，具体信息包括路宽和经纬度描述

上坡，具体信息包括落差，经纬度描述

下坡，具体信息包括落差，经纬度描述

河流，具体信息包括宽度，水流方向，速度，浪高和经纬度描述

悬崖，具体信息包括高度，支撑点，上攀等级，下滑等级和经纬度描述

桥梁，具体信息包括宽度，最大承重，等级，包括人行道，小车道，公路桥，铁路桥和对应经纬度描述

沟渠，具体信息包括宽度，深度，灾害时可通过性和经纬度描述

悬缆，具体信息包括长度，最大承重，可行方向，落差和经纬度描述

安全点，具体信息包括安全等级，面积，抗风等级，抗雨等级，疏通率，可停留时间，可容纳人员和经纬度

救援点，具体信息包括疏通率，可停留时间，可容纳人员，保障人数和经纬度

灾害点确定模块用于对静态灾害影响区域进行划分和预估动态灾害区域划分，建立灾害影响区域。

建立灾害影响区域模块计算模型：

S_修正＝(1+γ)S₁ (2)

S.T.0≤|θ′|≤π

v＝∝v₀

其中，S₁为扇形面积，R₀为初始火灾半径，γ为蔓延系数，与风向之间的夹角有关，v为火灾蔓延的速度，与风速v₀成正相关，θ′为扇形外区域与风向的夹角，夹角的起点为初始火源，k为蔓延系数因子，S_修正为最终的火灾影响范围，t为时间。火灾监视系统发出警告，配合使用无人机探测，将风向和等级，火源大小等因素带入模型计算出扇形的受灾区域

灾害区域确定模块，首先搜索事发地附近的事先建立并备案的救援点。选择事发地附近的事先标记适合人员停留的救援点并将其编号。去除原有路径上受灾害影响的区域，分割路径，重构地图模型。

在构造好的路径模型图上先按标尺计算直线距离，直线路径。扫描各个路径点间最短距离，找出两点，为搭桥点。判断搭桥模式，确定搭桥难度和通用时间，使原本不通的路径经过一些搭桥工具的辅助变成可行路径。搭桥模式包括下滑，上攀，渡河，空运，公路，铁路，自行车，运输车等，搭桥工具包括滑绳，船，救生圈，救生衣，直升机，汽车等。

根据搭桥点产生的应急需求和各个资源点可提供的资源，计算出各个救援点到达搭桥点和搭桥所需要的时间，表示为：

t_mn＝min[d_mn/v_mn，max(d_mj/v_mj，t_j)+d_jn/v_jn] (4)

t_ni＝min(d_ni/v_ni，d_nj/v_nj+d_ji/v_ji) (5)

min(∑(t_mn+t_ni)) (6)

S.T.t_{(m，n，i，j)}＜T_{m，n，i，j}

其中，i为安全点的编号，j为搭桥点的编号，m为救援点编号，n为事故地编号。t_mn为编号为m的救援点到达编号为n的事发地的时间，v_mn为编号为m的救援点到达编号为n的事发地的平均速度，d_mn为编号为m的救援点到达编号为n的事发地的距离；t_ni为编号为n的事发地。t_ni为编号为n的事发地到达编号为i的安全点时间，t_{(m，n，i，j)}表示车辆在路途中行驶的时刻，T_{m，n，i，j}表示这些路途可行驶时间段，考虑到一些不可避免的因素，有些路段可能在某些时间段不可以行驶，所以限制车辆行驶必须在路途可行驶时间内完成任务，搜索该地区灾害发生的系统录入数据库的历史数据，完善多发灾害区域，并划分等级。

根据专家知识库和历史数据找出事发地及其周围区域过去发生过的威胁，确定需要避让的要数，风向，泥石流，山洪。并建立模型。空间-风向-时间模型，建立时间窗，风向在空间中随时间推移的实时方向。空间-泥石流-时间模型，建立时间窗，提前掌握泥石流发生的时间和地点。空间-山洪-时间模型，建立时间窗，提前掌握山洪发生的时间和地点。去除明显的不可行点，如悬崖，沼泽，火灾可影响到的区域等通行有很大的风险性的地方和在特定时间段不可行的点。对于不可达区域采用路径切割模块对路径进行切割，重新生成新的路径分层图。

搭桥模块，对水，空，陆的各条路径进行扫描，路径不断或者连接上搭桥点之后路径还是连通的，则连通性扫描成功生成多个连通线进行搭桥。生成陆，水，空的可连通图，计算各个临时点到达安全点和撤离受灾人员所需要的时间。搭桥点生成可搭桥需求，救援地统计可搭桥设备，装备，并计算各个救援点运送装备到达搭桥点的时间。

根据搭桥点产生的需求，建立时间段-路径搭桥连通性模型。计算搭桥所需要的时间根据计算得出的结果，取用时最少的方案。补充搭桥后的连通图，再次生成连通图模型。

时间计算模块以时间为权值，根据连通图的路径路况与距离分段各个救援站的车辆到达目标区域的路径以及撤离到达指定的安全点的路径，并计算出时间，取时间总和最小的那条路径作为最优路径。

时间计算模块，用于计算出多个营救方案的营救的最终时间，派出用时最短的救援点车辆前往目标区域并在按撤离路线前往最近的安全点。

处理时间营救汇聚时间＝MAX(多路到汇聚点的时间求最大，救援队到达汇聚点时间)

最终时间＝MAX(多路到达救援点的时间(包括可能等待搭桥时间)求最大)+临时修正时间+MAX(多路到安全点的时间求最大)。

配对搭桥时间和撤离人员到达时间，设定配对阈值，制定配对函数，地点

t_mj-t_j≤t_d

t_mj为救援点m到达搭桥点所用时间，t_j为搭桥j处所需搭桥时间，t_d车辆在搭桥点等待搭桥完成时间。

最优路径计算模块根据各个救援点可提供的资源数和各个救援点到达事发地的路况，计算最佳路径，取用时较短的一条或几条路径作为可能的最优路径。将这些路径补充完整，进行扫描，建立地图可寻径模型。建立模型评价体系，将模型求解出的几种合适路线进行筛选，选出一种最优，多种可行路线，筛选依据包括路况实时情况，天气，专家现场意见或经验等。对路况情况的描述可设置一个惩罚系数，来体现路况的权重和安全判断。根据模型寻求每条路线的最优路径。最终路径＝遍历每种可能，寻求最优，以此点模型，构建路径模型，得到具体行车路线，搭桥方式和撤离方案。

第一步：各种层面建立单独的路径图；

第二步：根据当前情况，修改路径图；不能到达

第三步：寻找几条连通图；

第四步：获取连通条件；

第四步：建立辅助连通后，画出辅助路径图；

第五步：计算连通图各个节点之间的距离，时间

第六步：计算出辅助路径的距离，时间

第七步：得出合理方案，时间最短，装备权值最小。危险系数最小。生成可行应急方案，给出具体方案列表。系统根据用户选择角度，选取最优推荐。

本发明实现了自动路径切割，搭桥生成连通图。实现了对森林灾害的24小时不间断实时应急救援，具有很强的实用性和广泛的适用性。实现了对灾害点以及灾害不可达区域的确定。所述实现了对撤离路线以及每条路线撤离所需时间的确定，可以第一时间寻得最优撤离路线。实现了撤离方案多样化，不会因为临时出现不可预料的是因素而放弃线路重新寻找路线。实现了由指挥中心统一调度，效率最高，功能作用发挥最大车辆调度与救援人员分配最优化，实现了救援用时最短。实现了救援撤离指向性高，减轻了应急人员的工作量。

本发明的实施例中以桃花园发生火灾基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度方案进一步作出说明，如图5和6所示的为影响区域对应地图。事先使用地图分割模块将区域地图进行分割，调用路径分层模块对所有不同路径进行分层，公路，人行路，水路，桥梁等，见图1所示，在火灾点最近的山下找出几个合适撤离的地方作为可能的安全点，对地图进行构建模型，然后确定火灾点附近的救援站并编号。

如图为有风的情况下，扇形灾害点影响范围，无风的情况下，以火灾点为中心，灾害点影响圆形范围，根据无人机探测到的数据计算出或经验值给出影响半径，即可以算出影响外围。

S＝π(r₀+vt)²

其中，S为实时影响面积，r₀为初始半径，v为蔓延速度，t为时间。

先按标尺计算直线距离，直线路径(未必有可行路径)。扫描各个路径点间最短距离，找出两点为搭桥点，如图3所示，虚线为搭桥路径。

连接各个搭桥点，根据地图模型，根据历史录入数据库的数据找出需要避让的要素，泥石流，滑坡，塌方等，避开这些要素。然后判断搭桥点的可行性(从搭桥工程的复杂度和通行的安全性)，去除不可行点，重新连接路径图，生成可连通图，如图4所示。

开始计算每个救援站到达火灾点或搭桥点的时间(距离除以各种车辆的平均速度)，比如，火灾点可以撤离的安全点有景明园宾馆和茁生两个地方，分别标号为1号和2号，具体途径方案列表如下表1。

表1具体途径方案列表

方式分为：徒步，汽车，船，涉水，飞机，直升机，滑绳，睡觉，休息，加油，等候等。休息，等候，睡觉等，开始地点和终止地点相同。

1号安全点与火灾点隔了一条河，火灾点附近通往桥的路线受到火灾影响，不能直接过桥，有两种过河方式可供选择，一需要外面调运船只，船只将人员运送过河到对面道路上，再由车辆运送人员到达安全点，在河两边上下船的地方建立临时集合点，提供水和食物和一些必备的药品。这时需计算船只到达指定地点的时间和火灾点人员撤离到指定点的时间，取两者最大作为撤离时间一部分，加上车辆运送人员到达安全点的时间作为1号安全点救援所需的时间，作为A方案。二就是绕过不能通行的这段路再过桥直接送人员到达安全点，在上车点附近临时集合点，提供水和食物和一些必备的药品，并计算时间作为B方案。

2号安全点与火灾点隔了两个河流，但是路况比一号要好，到达二号安全点也有两种可以选择的路线。一需要船只将人员运送过河到达对面的公路上，然后人员坐车前往2号安全点，在河两边上下船的附近建立临时集合点，提供水和食物和一些必备的药品，计算时间作为C方案。二直接绕路全程走公路，在上车地方附近建立临时集合点，提供水和食物和一些必备的药品，计算时间作为D方案。

比较4条撤离路线的时间和可行性，选择一条最优路线作为撤离路径。4条路线A方案时间最短，D方案时间最长。由于A方案中的桥离火灾点太近，火势很快会蔓延到，考虑到安全性，虽然A方案时间最短，舍弃A方案，最终选择B方案作为最优的撤离路线。

Claims (6)

1.一种基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统，其特征在于，该系统包括：地图分割模块、路径分层模块、灾害区域计算模块、路径切割模块、搭桥模块以及时间计算模块和最优路径模块；所述地图分割模块事先对灾害影响区域对应地图进行分割，调用路径分层模块对所有不同路径进行分层，使用灾害区域确定模块确定灾害点，并计算出不可达区域，使用路径切割模块对路径进行切割，生成新的路径分层图，然后调用搭桥模块，生成搭桥后的路径连通图，使用时间计算模块计算行走轨迹时间表，最后，采用最优路径计算模块确定最优路径。

2.根据权利要求1所述的基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统，其特征在于，所述灾害区域计算模块用于计算灾害影响区域面积，表示为：

S_修正＝(1+γ)S₁

S.T.0≤|θ′|≤π

v＝∝v₀

其中，S_修正为最终的火灾影响范围，R₀为初始火灾半径，v为火灾蔓延的速度，与风速v₀成正相关，t为时间，θ为扇形的角度，θ′为扇形外区域与风向的夹角，夹角的起点为初始火源，k为蔓延系数因子。

3.根据权利要求1所述的基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统，其特征在于，所述搭桥模块用于将原本不通的路径经过一些工具的辅助变成可行路径，具体包括计算灾害影响区域对应地图中的路径点间的直线距离，扫描各个路径点间最短距离，找出两点，为可行的搭桥点，将搭桥点连接，形成新的连通路径。

4.根据权利要求3所述的基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统，其特征在于，所述搭桥模块还包括根据搭桥点产生的应急需求和各个资源点可提供的资源，计算出各个救援点到达搭桥点和搭桥所需要的时间，表示为：

t_mn＝min[d_mn/v_mn，max(d_mj/v_mj，t_j)+d_jn/v_jn]

t_ni＝min(d_ni/v_ni，d_nj/v_nj+d_ji/v_ji)

∑(t_mn+t_ni)

S.T.t_{(m，n，i，j)}＜T_{m，n，i，j}

其中，i为安全点的编号，j为搭桥点的编号，m为救援点编号，n为事故地编号，t_mn为编号为m的救援点到达编号为n的事发地的时间，v_mn为编号为m的救援点到达编号为n的事发地的平均速度，d_mn为编号为m的救援点到达编号为n的事发地的距离；t_ni为编号为n的事发地到达编号为i的安全点时间，t_{(m，n，i，j)}表示车辆在路途中行驶的时刻，T_{m，n，i，j}表示这些路途可行驶时间段。

5.根据权利要求1所述的基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统，其特征在于，所述时间计算模块，用于计算出多个营救方案的营救的最终时间，派出用时最短的救援点车辆前往目标区域并在按撤离路线前往最近的安全点，具体包括：

处理时间营救汇聚时间＝MAX(多路到汇聚点的时间求最大，救援队到达汇聚点时间)；

最终时间＝MAX(多路到达救援点的时间求最大)+临时修正时间+MAX(多路到安全点的时间求最大)；

配对搭桥时间和撤离人员到达时间，设定配对阈值，制定配对函数和地点

t_mj-t_j≤t_d

其中，t_mj为救援点m到达搭桥点所用时间，t_j为搭桥j处所需搭桥时间，t_d车辆在搭桥点等待搭桥完成时间。

6.根据权利要求1所述的基于大数据和云计算森林灾害应急指挥调度系统，其特征在于，所述最优路径计算模块用于根据时间计算模块计算的最终时间选择一条或多条最佳路径，将这些路径补充完整，进行扫描，建立地图可寻径模型，进而确定最终路径。

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