葉飛YE Fei；張衎ZHANG Kan；楊勇軍YANG Yong-jun

（核工業(yè)贛州工程勘察設(shè)計集團有限公司，贛州 341000）

1 概述

目前，全國范圍內(nèi)的自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查前期工作已基本完成，普查數(shù)據(jù)繁多、內(nèi)容廣泛、形式多樣，全面涵蓋地質(zhì)、地震、水旱、氣象、森林火災(zāi)等災(zāi)害信息，但是對于如何高效使用普查數(shù)據(jù)，發(fā)揮風(fēng)險普查系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺的作用，推進地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警防控常態(tài)化運行等問題尚處于摸索階段，針對不同類型的地質(zhì)災(zāi)害如何進行有效的“災(zāi)前防治”以及“災(zāi)后救援”成了一個亟待解決的問題。

為此，國內(nèi)外許多專家學(xué)者進行了相關(guān)研究，謝代連[1]基于前人的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作經(jīng)驗，將地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)創(chuàng)新點進行了歸納，同時闡述了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的具體應(yīng)用。王文[2]等基于我國自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息化工程建設(shè)現(xiàn)狀及國際發(fā)展趨勢，開展系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵要素分析，提出六大“關(guān)鍵要素”以及五大“業(yè)務(wù)能力”，同時提出信息技術(shù)和應(yīng)急業(yè)務(wù)深度融合的建設(shè)模式，構(gòu)建重大風(fēng)險全覆蓋的多層級自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系。唐飛[3]基于第一次全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查應(yīng)急管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)省級質(zhì)量檢查工作實踐，總結(jié)質(zhì)量檢查的內(nèi)容與方法，分析質(zhì)量問題及產(chǎn)生原因，并提出切實可行的質(zhì)量控制措施，為提升自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查數(shù)據(jù)質(zhì)量提出了指導(dǎo)性建議。羅丹[4]針對我國在自然災(zāi)害應(yīng)急管理中存在的諸多問題進行總結(jié)以及具體分析，并針對每一問題提出相應(yīng)的解決對策，對我國自然災(zāi)害應(yīng)急管理的宏觀建設(shè)具有指導(dǎo)意義。Qian[5]依托大數(shù)據(jù)平臺，構(gòu)建基于關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理體系。在應(yīng)急管理系統(tǒng)的仿真試驗中，結(jié)果表明該系統(tǒng)在理論上是可行的。應(yīng)用于實際災(zāi)害應(yīng)急管理時，相關(guān)部門的處理速度提高了59.4%，人員和物資的配置更加合理。

目前我國突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害形成機理、區(qū)劃評估、防控理論及應(yīng)急救援方面的研究基礎(chǔ)較為薄弱，應(yīng)急管理技術(shù)及應(yīng)急救援技術(shù)的研究相對滯后?；诖?，本文提出了一種多災(zāi)種成災(zāi)機理及其安全應(yīng)急管理研究模式，將高水平的理論分析、高新技術(shù)及交叉綜合技術(shù)實驗手段進行融合，為普查成果應(yīng)用于安全城市、韌性城市建設(shè)與管理工作提供了新思路，為智慧城市、城市大腦等城市管理信息化平臺提供支撐。

2 研究方法以及技術(shù)路線

基于全國各地的自然災(zāi)害普查結(jié)果以及各災(zāi)害區(qū)域原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對滑坡、泥石流、坍塌、地裂縫、塌方等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，本文提出“三大板塊、四種方法、兩組模型”的安全應(yīng)急研究路線。

融合自然災(zāi)害風(fēng)險普查庫以及原位綜合觀測數(shù)據(jù)進行分析，首先進行突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)前孕育規(guī)律與特征以及不同類型災(zāi)害孕育的前兆活動規(guī)律與特征研究，構(gòu)建突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害三維可視化信息模型，而后運用聚類分析與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立災(zāi)害強弱程度的定量表征及風(fēng)險區(qū)劃模型，同時對重點隱患區(qū)域進行實時微震監(jiān)測[6]；建立突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害超前識別預(yù)警方法，提出基于不同災(zāi)害類型演化規(guī)律的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害孕育動態(tài)防控方法；基于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害三維可視化信息模型，發(fā)展地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)變化關(guān)聯(lián)算法與避災(zāi)/救援路線拼接算法，形成突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害信息采集—融合—反饋—調(diào)整“四位一體”互動救援體系（圖1）。

圖1 技術(shù)路線圖

3 地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評估、預(yù)警防控及安全應(yīng)急技術(shù)總體研究路線

地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評估、預(yù)警防控及安全應(yīng)急管理研究的“三大板塊”由突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害重點隱患區(qū)域災(zāi)害等級定量表征及區(qū)劃評估、基于監(jiān)測信息的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時動態(tài)預(yù)警及防控方法、基于三維可視化信息模型的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠程互動救援體系研究三部分組成，其中包含了“四種方法”以及“兩種模型”。

3.1 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害重點隱患區(qū)域災(zāi)害等級定量表征及評估區(qū)劃

3.1.1 基于三維可視化信息模型的突發(fā)性災(zāi)害區(qū)劃評估模型

以自然災(zāi)害綜合普查結(jié)果以及各災(zāi)害區(qū)域原位監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定重點災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域，及潛在的風(fēng)險事件類型，確定其可能出現(xiàn)的位置區(qū)域，并以該區(qū)域作為風(fēng)險評估單元，實時預(yù)測或估計該評估單元內(nèi)潛在風(fēng)險事件發(fā)生的可能性，并估計該風(fēng)險事件可能造成的各類潛在后果損失，在此基礎(chǔ)上確定風(fēng)險等級，評價單元內(nèi)的風(fēng)險水平。

同時基于三維BIM 軟件Revit[7]進行地質(zhì)信息模型三維建模，以三維圖形和數(shù)據(jù)庫信息集成技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)重點隱患災(zāi)害區(qū)地質(zhì)信息、構(gòu)造信息、監(jiān)測信息的三維可視化。實現(xiàn)上數(shù)據(jù)在三維巖土工程信息模型中的實時拾取與輸入，在信息模型中對不同風(fēng)險概率、風(fēng)險等級地質(zhì)災(zāi)害進行分區(qū)表征，從而直觀體現(xiàn)不同區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的影響范圍、作用程度與持續(xù)時間，重點地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域風(fēng)險動態(tài)劃分。如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害重點隱患區(qū)劃評估流程圖

3.1.2 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害強弱程度動態(tài)定量化表征方法

由于地質(zhì)災(zāi)害在時空上一直處于動態(tài)變化的狀態(tài)，隨著時間和人為因素的變化，將不斷面臨新的致災(zāi)要素，因此，風(fēng)險動態(tài)評價工作的開展必須通過原位測試實時掌握最新的風(fēng)險動態(tài)，可以基于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評估所獲得的結(jié)果，對各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害重點隱患區(qū)域進行確定。首先采用聚類分析短距離分析方法構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害樣本數(shù)據(jù)庫，對各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害進行分組，各組里的災(zāi)害案例輸入關(guān)鍵致災(zāi)參數(shù)做聚類分析，離散性較大、較奇異的值不予以考慮，篩選出較為集中、具有普遍性的數(shù)據(jù)?；谔暨x出的具有代表性的各類災(zāi)害案例構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本庫。而后以各類突發(fā)性災(zāi)害孕育過程的地質(zhì)信息、構(gòu)造信息、監(jiān)測信息、即時能量等為輸入?yún)?shù)，災(zāi)害強弱程度作為輸出，研究兩者之間的關(guān)系，基于風(fēng)險發(fā)生概率或可能性等級與風(fēng)險潛在損失結(jié)果，利用風(fēng)險評價矩陣或定量的風(fēng)險評價方法，綜合確定風(fēng)險評估單元內(nèi)的風(fēng)險等級，形成各類災(zāi)害不同強弱程度的動態(tài)定量表征。

3.2 基于監(jiān)測信息的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時動態(tài)預(yù)警及防控方法

3.2.1 基于重點地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)監(jiān)測信息的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時動態(tài)預(yù)警

基于系統(tǒng)分析某區(qū)域上關(guān)鍵致災(zāi)因素演化規(guī)律與該區(qū)域上災(zāi)害等級的關(guān)系提出重點地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)監(jiān)測信息的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時動態(tài)預(yù)警方法，該預(yù)警方法利用預(yù)警單元內(nèi)致災(zāi)信息演化規(guī)律預(yù)估該災(zāi)害單元內(nèi)不同類型災(zāi)害的等級及其概率，同時根據(jù)后續(xù)監(jiān)測到的信息對災(zāi)害等級及其概率的預(yù)警結(jié)果進行動態(tài)更新，從而提高突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警效果，基本流程如圖3 所示。

圖3 不同類型地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警公式的建立

首先構(gòu)建突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害案例數(shù)據(jù)庫，不同類型地質(zhì)災(zāi)害案例數(shù)據(jù)庫將會隨著普查工作的進行和重點隱患區(qū)域的監(jiān)測而不斷豐富。地質(zhì)災(zāi)害案例數(shù)據(jù)庫包含災(zāi)害信息、地質(zhì)信息、致災(zāi)關(guān)鍵因素，防控信息以及預(yù)警空間單元等內(nèi)容。尋找不同類型不同等級災(zāi)害孕育過程的每個致災(zāi)參數(shù)的特征及其演化規(guī)律，從而根據(jù)研究結(jié)果建立相應(yīng)指標對災(zāi)害風(fēng)險進行預(yù)警。各類型災(zāi)害關(guān)鍵參數(shù)預(yù)警的結(jié)合方式采用帶權(quán)系數(shù)加和的形式，根據(jù)參數(shù)信息之間的相對重要程度附以權(quán)重。

3.2.2 不同類型突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害防控方法

在突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時預(yù)警結(jié)果的支持下，建立的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害孕育過程動態(tài)調(diào)控方法框架如圖4 所示。建立災(zāi)害孕育過程調(diào)控案例數(shù)據(jù)庫?；谒@取的測試數(shù)據(jù)和實時定量預(yù)警結(jié)果，調(diào)動對應(yīng)的災(zāi)害強度程度表征BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，動態(tài)識別重點隱患區(qū)域每日災(zāi)害強弱程度，對比其災(zāi)害實際強弱程度。分析各類調(diào)控措施對不同強弱程度災(zāi)害調(diào)控前、后各類調(diào)控措施對突發(fā)性災(zāi)害孕育過程的控制機制。建立不同強弱程度災(zāi)害孕育過程的調(diào)控方法，對調(diào)控案例信息進行整理。分析不同工況條件下突發(fā)性災(zāi)害孕育過程中各類調(diào)控措施的控制效果。結(jié)合考慮各類調(diào)控措施的經(jīng)濟性和實施便利性，確定不同強弱程度災(zāi)害孕育過程的最優(yōu)調(diào)控方法。

圖4 不同類型地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)防控方法框架示意

圖5 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠程互動救援與仿真系統(tǒng)

3.3 基于三維可視化信息模型的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠程互動救援體系研究

3.3.1 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害避災(zāi)/救援路線優(yōu)化算法

針對災(zāi)后人員救援、避災(zāi)采用射頻識別技術(shù)（RFID）[9]和無線生命體征監(jiān)測技術(shù)，對避災(zāi)/救援人員的空間位置信息及生命體征信息進行實時捕獲，并通過坐標定位C（x，y，z）、避災(zāi)移動速度v、最長移動距離Dmax 等量化指標在突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)區(qū)劃三維可視化信息模型中進行合理表征；基于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)區(qū)劃三維可視化信息模型，提取地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級區(qū)劃、影響范圍、持續(xù)時間等關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)，基于MATLAB 平臺編程，搭建地質(zhì)災(zāi)害避災(zāi)/救援路線拼接算法，完成不同避災(zāi)/救援線路拼接，實現(xiàn)避災(zāi)/救援人員當前空間定位信息與生命體征信息條件下對不同路線的空間分布、風(fēng)險概率、逃生用時進行自動測算與推薦排序；在地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)臨近范圍災(zāi)害概率、等級及分區(qū)信息動態(tài)調(diào)整關(guān)聯(lián)算法基礎(chǔ)上，通過機器學(xué)習(xí)方法，對因災(zāi)害發(fā)生導(dǎo)致影響范圍內(nèi)風(fēng)險概率、等級、區(qū)劃變動的情況進行路線拼接的智能化調(diào)整，實現(xiàn)避災(zāi)/救援路線的實時最優(yōu)選取。

3.3.2 基于三維可視化信息模型的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠程互動救援體系

通過采集原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，對安全評價參數(shù)進行定量分級，再基于三維可視化信息模型和地質(zhì)災(zāi)害避災(zāi)/救援路線智能化拼接算法，綜合利用現(xiàn)代化裝備如：個人緊急通訊裝置（PDE）、紅外生命探測儀、救援機器人等，形成一套完整的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害采集—融合—反饋—調(diào)整互動救援體系。為了實現(xiàn)良好的工程應(yīng)用和實施效果，利用建模工具3DMAX 及圖形引擎Unity3D[10]，二次開發(fā)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠程互動救援體系虛擬仿真系統(tǒng)，針對災(zāi)害發(fā)生位置、概率、等級給出合理、有效的人員避災(zāi)/救援路線、救援方案，以及災(zāi)害處置措施，提高避災(zāi)和救援效率，強化避險轉(zhuǎn)移、資源調(diào)度、社會力量參與、軍警民協(xié)同和應(yīng)急救援決策支撐能力，實現(xiàn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠程互動救援體系的協(xié)同性和實戰(zhàn)性。

4 地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃、防控、應(yīng)急一體化平臺

綜合上述“三大板塊”的研究內(nèi)容，可以建立地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃、防控、應(yīng)急一體化平臺，以自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、防控及安全應(yīng)急信息化、實時化、共享化、一體化為目標，核心功能是對于地質(zhì)災(zāi)害的實時監(jiān)控，及時預(yù)警防控，具體包含地質(zhì)信息實時更新、災(zāi)害實時預(yù)警、防控方案研判、災(zāi)害動態(tài)劃分、遠程互動救援、地質(zhì)災(zāi)害三維模型展示六大功能板塊如圖6 所示。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害一體化平臺示意圖

為實現(xiàn)一體化的目標，首先劃分信息輸入、信息實時更新、信息共享等子模塊，同時與災(zāi)害實時預(yù)警模塊、防控方案研判模塊交叉實時信息，建立跨模塊鏈接、交互、實時更新數(shù)據(jù)信息的子模塊；為實現(xiàn)實時化的目標，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)更新要及時，需要寫入數(shù)據(jù)更新鏈接以匹配不同的文件格式，建立與地質(zhì)信息實時更新模塊的鏈接，接收實時更新數(shù)據(jù)，同時還要建立信息讀取、災(zāi)害評估、災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)害信息寫入，災(zāi)害等級評估等子模塊；為實現(xiàn)災(zāi)害實時預(yù)警，需完成與防控方案研判、災(zāi)害動態(tài)劃分、遠程互動救援三個主要功能模塊的信息交互，建立信息讀取、災(zāi)害劃分、災(zāi)害類別、災(zāi)害發(fā)生動態(tài)、災(zāi)害等級評估等子模塊。為實現(xiàn)災(zāi)害動態(tài)的實時劃分，需完成與地質(zhì)信息實時更新、災(zāi)害實時預(yù)警、防控方案研判、遠程互動救援四個主要功能模塊的信息交互功能。地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃、防控、應(yīng)急一體化平臺的建設(shè)，可以極大地增進地質(zhì)災(zāi)害治理的效率，同時也可以做到實時監(jiān)控，實時防范。

5 結(jié)語

本文基于自然災(zāi)害普查數(shù)據(jù)庫及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了“三大板塊、四種方法、兩組模型”的研究路線，形成了突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害信息采集—融合—反饋-調(diào)整“四位一體”互動救援體系，同時提出基于各種研究成果的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃、防控、應(yīng)急一體化平臺建設(shè)思路，以期對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害進行實時監(jiān)控、實施防范，極大地提高了我們對于各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)控預(yù)警以及災(zāi)后救援能力，為我國突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理研究提供了一種新的思路。