CN112100299B - 一种用于突发性毒气泄漏应急预警的可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于突发性毒气泄漏应急预警的可视化方法，先完成气象风场数据、化工厂数据、路网数据与地理数据的采集，并对采集到的数据进行预处理。针对风场数据，建立流式数据库。通过高斯烟团模型，预测出化工厂发生突发性毒气泄漏事故后的毒气扩散范围，再根据毒气扩散范围预测结果，计算所有处于受灾范围内市民的疏散路径规划，最后实时输出事故周边地理情况可视化、风场可视化、毒气扩散范围预测结果可视化、疏散路径规划可视化的融合视图。本发明能够在突发性毒气泄漏灾害这一特定场景下，帮助城市应急管理部门更高效地做出合理的应急决策，降低市民受到的生命安全威胁。
Description
技术领域
本发明涉及信息可视化分析技术领域，具体为一种用于突发性毒气泄漏应急预警的可视化方法。
背景技术
随着我国化工业的快速发展，城市周边建设的化工厂日渐增多，由这些化工厂事故导致的突发性的有毒有害气体泄漏会给周边的市民带来巨大的生命威胁。在毒气泄漏事故爆发后，到毒气扩散至市民所在区域前，当地应急管理部门需要在短时间内做出合理有效的决策，在保障市民安全的情况下以最高效率疏散可能波及范围的市民，减少市民受到的生命健康威胁。应急管理部门做出的决策是否合理有效，取决于两点：一是对毒气扩散范围和浓度分布的预测是否准确，二是对受威胁的市民规划的疏散路径是否安全高效。在气体扩散模型和疏散路径规划这两个领域，学术界已经有了许多成熟的研究成果。在气体扩散模型预测上，高斯烟团模型是其中运用最广的模型。在疏散路径规划上，也有许多高效的群体路径规划算法，值得注意的是，算法的最优化目标不是受灾市民到达安全区域的最短路径，而是在撤离过程中使所有市民吸入毒气量最小的路径规划。
可视化技术是一种将数据转化为人眼可感知的图形、符号、颜色等，来增强数据识别效率，向人脑高效传递有效信息的技术。在城市应急管理决策中，决策者需要考察大量信息才能做出合理的决策，例如毒气扩散范围涉及多个区域内的街道情况、市民聚集情况、医院与学校分布等大量信息,疏散路径规划涉及多个路口的规划路径、周边交通流量、拥堵情况等大量信息。由于可视化技术的直观与高效，越来越广泛地被应用到城市应急管理决策中。可视化技术能使决策者高效接收和判读大量相关信息，在可接受的时间内做出合理应急决策，而不用阅读冗长的数据报告，浪费宝贵的抢险救灾时间。
目前，市面上已经设计出了一些可视化气体扩散或可视化疏散规划的系统，这些可视化系统，均存在对多源异构数据融合度不足的技术问题，因而不适用于城市应急管理决策。城市应急管理决策中涉及到大量多源异构数据，一方面有来自气象部门、交通部门、统计部门的多源数据，另一方面包含矢量场、标量场、轨迹数据等异构数据。前述可视化系统，针对多源异构数据，采用的均是多视图联动的可视化方法，用户需要通过交互渐进式地识别各种数据的关联关系，用户的注意力需要在多个视图间不停切换焦点，降低了接收信息的效率，放大了用户理解信息的误差。这种传统的多视图探索式分析思路，不适用于城市应急管理中，这将会导致两个后果，一是用户不能高效判读信息，不能在5～10s内做出合理的应急决策；二是用户在将气体扩散和疏散规划的理想模拟结果与其他现实中的大量复杂信息相结合做出判断时，由于注意力在不同视图间的变焦切换而导致误判。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于突发性毒气泄漏应急预警的可视化方法，解决特定场景下的多源异构数据融合度不足的问题，提高用户应急决策的速度和准确性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于突发性毒气泄漏应急预警的可视化方法，包括以下步骤：
步骤1：基于所在地区政府气象部门提供的实时风场数据访问接口，建立流式数据库，具体为：
a)布署具有空间索引功能的数据库于服务器上；
b)服务器每隔一定时间通过气象部门提供的访问接口拉取风场数据；
c)判断时间戳，删除数据库上旧的风场数据；
d)对风场数据建立空间索引；
e)根据气体扩散预测所需返回地区特定区域的风场数据；
步骤2：采集所在地区及其周边化工厂位置、有毒气体类型数据、采集所在地区人口分布密度统计数据、以及采集所在地区路网数据；
步骤3：通过高斯烟团模型预测出化工厂发生突发性毒气泄漏事故后一段时间的毒气扩散范围；
步骤4：根据毒气扩散范围预测结果计算出所有处于受灾范围内市民的疏散路径规划；
步骤5：实时输出事故周边地理情况可视化、风场可视化、毒气扩散范围预测结果可视化、疏散路径规划可视化的融合视图，具体为：
a)在同一视图中，使用地图瓦片数据绘制事故点周边地理情况，包括地图标注建筑、街道分布、河流；
b)在同一视图中，以热力图可视化毒气扩散范围及范围内各区域的毒气浓度；
c)在同一视图中，可视化所有疏散路径的运动轨迹；在每个风险点发射透明度渐变的拖尾粒子,按照规划的路径不断改变粒子坐标，形成对疏散路径规划的可视化表现；
d)在同一视图中，以流线可视化的方式可视化风场；根据风场的向量场数据，在空间中随机布设多个种子点，跟踪所有种子点在向量场中的运动轨迹，生成流线，以多条流线可视化风场中各坐标点的风向特征，以流线的颜色深浅表示风速特征。
进一步地，所述步骤3具体为：
a)根据事故点位置自动从风场数据中获取风速大小和高斯烟团模型中x、y方向的扩散系数；
b)人工设定泄漏源气体源强、泄漏源高度；人工指定需要预测自事故发生起经过多少时间后的范围；
c)运行高斯烟团模型模拟气体扩散过程，并返回自事故发生经历所设时间后的毒气扩散范围，毒气扩散范围结果以设定的离散网格点及其浓度值的数据格式存储和传输。
进一步地，所述步骤4具体为：
a)根据路网数据计算出所有位于毒气扩散范围内的路网节点,标记为风险点；
b)根据路网，从所有与风险点直连的边出发，判断下一个连接的节点是否为风险点，若不是风险点，则标记为出口点；
c)筛选出任意两个风险点间、风险点和出口点间直连的边，计算这些边上的毒气负荷；
d)以每条边的毒气负荷做为边的权值，使用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法计算每个风险点到所有出口点的最短路径规划；
e)为每个风险点匹配途径毒气负荷最小的出口点，保留其规划路径。
进一步地，在步骤4的子步骤c)中，所述毒气负荷计算过程为：根据该条边所经过的所有坐标上的毒气浓度计算第一类曲线积分，将积分结果做为该条边的毒气负荷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明弥补了现状中存在的气体扩散模型和疏散规划技术理想化，实用性不足的缺陷，将气体扩散模型、疏散规划技术与地理信息可视化结合起来，提高了用户结合大量现实复杂信息判断模型适用性的能力，提高了用户最终决策的合理性，避免抢灾救援人力和时间的浪费。提高了用户结合大量现实复杂信息判断模型适用性的能力，具体来说，指用户结合泄漏源周边风场和周边建筑物高度信息识别气体扩散模拟结果的缺陷，用户结合毒气扩散范围内周边人口分布、医院和学校分布及交通通行容量识别疏散规划计算结果的不足，通过结合视图中所有可视化出来的信息综合得出更合理的决策。
2)本发明弥补了现状中存在的多源异构数据融合度不足的技术问题，提高了用户综合判读大量信息的效率，在短时间内做出更合理的决策，从而为抢灾救险节约了宝贵的应急布署时间，减少生命财产损失。所述提高了用户综合判读大量信息的效率，具体来说，指用户能在5～10秒内了解疏散规划出的所有路径，了解所有毒气扩散区域的浓度分布，了解所有周边地理信息和交通状况，所述短时间内做出更合理决策，具体来说，指用户可以在1分钟内对赶往现场的救援力量制定更精准的分配计划，用户可以在1分钟内预判出市民的疏散撤离过程中，由于道路通行容量的不足而可能导致拥堵的路段，提前派驻人员维持现场秩序。
附图说明
图1是本发明整体流程示意图。
图2是本发明风场和化工厂位置可视化示意图。
图3是本发明中高斯气体扩散模型参数设置界面示意图。
图4是本发明中风场融合气体扩散预测结果示意图。
图5是本发明中气体扩散预测结果融合疏散路径规划结果细节示意图。
图6是本发明中融合可视化概览示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明的流程如图1所示，包括：数据采集与预处理，气体扩散范围预测，疏散路径规划，可视化视图实现；具体步骤如下：
步骤一：数据采集与预处理
基于所在地区政府气象部门提供的实时风场数据访问接口，建立流式数据库；采集所在地区及其周边化工厂位置、有毒气体类型数据；采集所在地区人口分布密度统计数据；采集所在地区路网数据。
1、建立风场数据定时采集机制。具体过程如下：
1)在服务器上部署具有空间索引功能的PostgreSQL数据库(一种现有的特性非常齐全的客户/服务器关系型数据库管理系统)；
2)编写气象数据定时采集程序，根据气象部门提供的数据访问接口每隔10分钟定时的拉取风场数据。风场数据实质为矢量场数据，包含场内每一点的经度、纬度、风向u、风向v、风速，使用PostgreSQL数据库自带的空间索引功能以经度和纬度建立空间索引；
3)对采集到的风场数据存入数据库，同时存入当前时间戳；
4)删除时间戳过期的风场数据；
5)编写风场数据访问程序，根据传入的坐标范围返回对应范围内的风场数据，如图2展示了该地区的风场可视化。
2、采集并处理其他数据。具体过程如下：
1)调查所在地区及其周边所有化工厂，记录化工厂经纬度、名称和常接触有毒气体类型，如图2展示了该地区所有化工厂的位置分布。
2)采集所在地区人口分布密度统计数据，可从网上下载，人口分布密度数据形式为将地域划分为1km(千米)*1km的网格后每个网格的人口数量。
3)从OpenStreetMap(一个由大众线上协作编辑世界地图数据的公开网站)上下载路网数据，路网数据为xml(可扩展标记语言)文件，解析该xml文件，以“node”为关键字提取路网节点，存储为无向图的节点,查找所有名称为“way”的结点中，具有标记“highway”的子节点，将其提取后存储为无向图的边。
步骤二：气体扩散范围预测
根据事故点位置自动从风场数据中获取风速大小和高斯烟团模型中x、y方向的扩散系数；人工设定泄漏源气体源强度、泄漏源高度。人工指定需要预测自事故发生起经过多少时间后的范围，该时间可设置范围限定在5至30分钟内。
时间可设置范围限定在5至30分钟，是因为小于5分钟预测的结果没有意义，大于30分钟预测结果偏离现实情况太大，不能接受。
高斯烟团模型的计算公式如下：
其中：x和y表示二维平面上的坐标，C(x,y,0)表示地面坐标(x,y,0)处放射性气体的浓度；Q表示泄漏源强度，由参数输入面板人工设置；σx表示x方向上的扩散系数；σy表示y方向上的扩散系数，σz表示z方向上的扩散系数；由风场中特定点的风速与风向得出；x0,y0表示泄漏源点坐标。
运行高斯烟团模型模拟气体扩散过程，并返回自事故发生经历所设时间后的毒气扩散范围，毒气扩散范围结果以0.1km*0.1km的离散网格点及其浓度值的数据格式存储和传输。
步骤三：疏散路径规划
筛选出毒气扩散范围内的所有路网节点和出口点，将所有市民归结为离自己最近的路网节点出发，向目标出口点撤离，以撤离过程中每个市民总体吸入毒气量最小为最优化目标计算路径规划，如图5所示，演示了分布在毒气扩散范围周边的出口点及路径规划信息。
具体过程如下：
1)根据路网数据计算出所有位于毒气扩散范围内的路网节点,标记为风险点；
2)根据路网数据，从所有与风险点直连的边出发，判断下一个连接的节点是否为风险点，若不是风险点，则标记为出口点；
3)筛选出任意两个风险点间、风险点和出口点间直连的边，计算这些边上的毒气负荷。根据该条边所经过的所有坐标上的毒气浓度计算第一类曲线积分，将积分结果做为该条边的毒气负荷。计算公式如下：
∫Lf(x,y)ds
其中，f(x,y)为坐标(x,y)处的毒气浓度值，ds表示路网中一条边的微元。
4)以每条边的毒气负荷做为边的权值，使用Dijkstra算法计算每个风险点到所有出口点的最短路径规划,路径以从起点至终点经过的所有节点表示；
5)为每个风险点匹配途径毒气负荷最小的出口点，保留其规划路径。
步骤五：可视化视图实现
实时输出事故周边地理情况可视化、风场可视化、毒气扩散范围预测结果可视化、疏散路径规划可视化的融合视图,如图6所示，演示了该融合视图的概览图。具体实现过程如下：
1)访问地图瓦片数据提供商服务器，在同一视图中，使用地图瓦片数据绘制事故点周边地理情况，包括地图标注建筑、街道分布、河流，地图瓦片使用浅灰色为主色调，方便其他可视化元素的呈现；
2)在同一视图中，以热力图可视化步骤二所得毒气扩散范围,以颜色深浅表示毒气浓度；
3)在同一视图中，绘制出所有出口点，可视化步骤三所得疏散路径的运动轨迹。在每个风险点发射透明度渐变的拖尾粒子,按照规划的路径不断改变粒子坐标，形成对疏散路径规划的可视化表现；
4)在同一视图中，以流线可视化的方式可视化风场。根据风场的向量场数据，在空间中随机布设多个种子点，跟踪所有种子点在向量场中的运动轨迹，生成流线，以多条流线可视化风场中各坐标点的风向特征，以流线的颜色透明度表示风速特征。
Claims (4)
1.一种用于突发性毒气泄漏应急预警的可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于所在地区政府气象部门提供的实时风场数据访问接口，建立流式数据库，具体为：
a)布署具有空间索引功能的数据库于服务器上；
b)服务器每隔一定时间通过气象部门提供的访问接口拉取风场数据；
c)判断时间戳，删除数据库上旧的风场数据；
d)对风场数据建立空间索引；
e)根据气体扩散预测所需返回地区特定区域的风场数据；
步骤2：采集所在地区及其周边化工厂位置、有毒气体类型数据、采集所在地区人口分布密度统计数据、以及采集所在地区路网数据；
步骤3：通过高斯烟团模型预测出化工厂发生突发性毒气泄漏事故后一段时间的毒气扩散范围；
步骤4：根据毒气扩散范围预测结果计算出所有处于受灾范围内市民的疏散路径规划；
步骤5：实时输出事故周边地理情况可视化、风场可视化、毒气扩散范围预测结果可视化、疏散路径规划可视化的融合视图，具体为：
a)在同一视图中，使用地图瓦片数据绘制事故点周边地理情况，包括地图标注建筑、街道分布、河流；
b)在同一视图中，以热力图可视化毒气扩散范围及范围内各区域的毒气浓度；
c)在同一视图中，可视化所有疏散路径的运动轨迹；在每个风险点发射透明度渐变的拖尾粒子,按照规划的路径不断改变粒子坐标，形成对疏散路径规划的可视化表现；
d)在同一视图中，以流线可视化的方式可视化风场；根据风场的向量场数据，在空间中随机布设多个种子点，跟踪所有种子点在向量场中的运动轨迹，生成流线，以多条流线可视化风场中各坐标点的风向特征，以流线的颜色深浅表示风速特征。
2.根据权利要求1所述的一种用于突发性毒气泄漏应急预警的可视化方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
a)根据事故点位置自动从风场数据中获取风速大小和高斯烟团模型中x、y方向的扩散系数；
b)人工设定泄漏源气体源强度 、泄漏源高度；人工指定需要预测自事故发生起经过多少时间后的范围；
c)运行高斯烟团模型模拟气体扩散过程，并返回自事故发生经历所设时间后的毒气扩散范围，毒气扩散范围结果以设定的离散网格点及其浓度值的数据格式存储和传输。
3.根据权利要求1所述的一种用于突发性毒气泄漏应急预警的可视化方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
a)根据路网数据计算出所有位于毒气扩散范围内的路网节点,标记为风险点；
b)根据路网，从所有与风险点直连的边出发，判断下一个连接的节点是否为风险点，若不是风险点，则标记为出口点；
c)筛选出任意两个风险点间、风险点和出口点间直连的边，计算这些边上的毒气负荷；
d)以每条边的毒气负荷做为边的权值，使用迪杰斯特拉算法计算每个风险点到所有出口点的最短路径规划；
e)为每个风险点匹配途径毒气负荷最小的出口点，保留其规划路径。
4.根据权利要求3所述的一种用于突发性毒气泄漏应急预警的可视化方法，其特征在于，在步骤4的子步骤c)中，所述毒气负荷计算过程为：根据该条边所经过的所有坐标上的毒气浓度计算第一类曲线积分，将积分结果做为该条边的毒气负荷。
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