城市灾害应急管理集成系统——系统介绍
城市灾害应急管理集成系统——系统介绍
1 项目概述
1.1选题背景
城市灾害已经成为影响我国发展的重要因素，近年来我国高度重视城市灾害应急研究。其中洪涝、团雾、火灾和地面塌陷等多种灾害是当前影响人民群众生产生活的主要灾害。中共中央提出，在第十四个五年计划期间要提升城市治理水平，加强城市治理中的风险防范措施，健全国家应急管理体系。
1.2意义
本小组构建城市灾害应急管理集成系统，此系统支持内涝、团雾、火灾和地面塌陷等多种灾害模型的集成、灾害场景仿真模拟和应急预案，旨在支撑灾前预警预报、灾中资源协调以及灾后救援评估的决策制定，从而有效提升防灾、减灾、抗灾和救灾的能力。
1.3用户需求
1.3.1应用领域
灾害应急与智慧城市建设领域
1.3.3 实用性分析
- 模拟与预测功能:系统支持多种灾害模型的集成，灾害模型支撑灾害模拟和预测功能，能够基于模拟数据和历史数据，模拟不同情景下的灾害发生情况，并提供相应的预测结果和可视化展示。
- 加强应急预案管理:该系统以三维可视化的形式展现现有的文本应急预案措施，可以助力应急预案的集中管理和快速响应，包括灾情分析、预案制定、预案审批和发布等环节，有助于提高应急响应的迅速性和针对性。
- 支持决策:系统可以提供多维度的灾害数据和模拟结果，为相关部门和决策者提供科学依据和可视化的决策支持，有助于制定合理有效的防灾减灾措施和救灾方案。
- 资源调度与协调:系统需要支持灾中资源调度和协调功能，包括人员、物资、装备等资源的调配和管理，确保及时有效地响应灾情。
2 系统总体架构设计
2.1总体架构设计
如下图，系统划分为用户层、表现层、应用层、服务层和数据层五层架构。以下是对每一层的详细描述：
- 用户层
用户角色：包括机构领导、领域专家、救援人员、公众用户等多个主体角色，代表了系统的主要使用者。这些用户通过不同的设备访问系统，进行应急响应的相关操作。
- 表现层
设备：支持PC、移动设备和平板等多种终端的访问方式。
技术栈：表现层使用了多种技术来构建用户界面，包括：
Vue.js：用于构建PC端的网页用户界面。
SuperMap iClient3D for Cesium：结合Cesium实现三维地图展示功能。
Cesium：提供3D地理空间数据可视化。
ECharts：用于数据可视化，展示图表等分析结果。
应用层
主要涉及灾害场景的仿真模拟以及应急预案的处理功能，分为以下几个模块：
仿真模拟：模拟内涝、团雾、火灾、传染病和地面塌陷等五种灾害场景的实际情况。
应急预案：涵盖从灾前预警、灾中响应到灾后评估的完整流程：
灾前预警：包括预测预报、风险评估、实时监测等功能。
灾中响应：主要提供应急点设置、人员和资源调度功能。
灾后评估：进行灾害损失的评估与总结。
服务层
提供后台服务的基础设施，主要包括两个部分：
Web服务器：基于Tomcat和SpringBoot框架，提供Web应用的核心逻辑。
GIS服务器：使用SuperMap iServer和GeoServer提供地理信息系统（GIS）的服务，支持空间数据处理和地图服务。
数据层
数据层为系统提供各种数据支持，主要包括以下部分：
- 数据获取：从国家地球系统科学数据中心、勘测院、水利站以及其他相关网站获取数据。
- 数据处理：使用SuperMap Desktop进行数据处理，同时也使用Pandas、NumPy、Matplotlib等Python库进行数据处理和分析。
- 数据存储：将数据存储在数据库中，包括MySQL、Redis等，同时也支持本地文件存储。
2.2功能模块设计
如下图，系统功能模块可划分为灾害模型集成子模块、灾害场景仿真模拟子模块、应急预案设计子模块和系统管理四个子模块。以下是对每一子模块的详细描述：
- 模型集成子模块
模型集成步骤又可细分为模型的注册、设计和调用三个主要步骤
- 仿真模拟子模块
包括不同类型的灾害如内涝、团雾、火灾、地面塌陷等多种灾害场景的仿真模拟。
- 应急预案设计子模块
针对灾害发展的不同阶段（灾前、灾中、灾后）进行预案制定。灾前包括“预警预报”、“实时监测”和“风险评估”；灾中涵盖“物资与人员调度”、“应急避难点设置”；灾后则进行全面的损害评估与总结分析。
- 系统管理子模块
面向灾害应急场景涉及到的多主体(机构领导、领域专家、救援人员、公众用户)协同工作与权限分配，包括系统登录、用户管理和角色管理模块。
2.3 界面设计
如下图为系统的主界面，下面将从布局和配色两方面阐述界面设计
2.3.1界面布局
响应式布局：系统的界面支持响应式布局，这意味着它能够自动适应不同尺寸和分辨率的设备，包括PC、平板和手机等。这种设计确保了用户在各种设备上都能获得良好的浏览体验。
模块化与组件化：界面布局遵循模块化原则，将不同功能区域划分为独立的模块或组件。这不仅使得界面结构更加清晰，也便于开发和维护。例如，导航栏、侧边栏、内容区域等都可以作为独立的组件进行开发和管理。
功能区划分明确：界面布局中，功能区划分明确，重要信息突出显示。例如，在系统中，通常会将导航栏放置在页面顶部，侧边栏用于展示菜单项，内容区域则用于展示具体数据或操作界。
2.3.2界面配色
主色调选择：系统的配色方案以清新、明亮为主，主色调通常为蓝色、绿色等冷色调。这些颜色能够营造出一种专业、稳重的氛围，同时也具有一定的视觉冲击力。
配色搭配合理：在配色搭配上，若依框架注重色彩之间的协调和平衡。例如，在蓝色为主色调的界面中，可能会搭配白色或灰色作为辅助色，以增加界面的清晰度和可读性。同时，也会使用少量的高饱和度色彩作为点缀，以吸引用户的注意力。
主题定制：系统支持主题定制功能，用户可以根据自己的喜好和需求选择合适的主题样式。例如，可以设置不同的皮肤样式（如蓝色、绿色等）和侧边栏主题（如深黑主题、浅色主题等），以满足不同场景下的视觉需求。
2.4 数据库设计
本系统面向多主体（机构领导、领域专家、救援人员、公众用户）设计，采用经典的RBAC（Role-Based Access Control）即基于角色的访问控制模型，其是一种广泛应用于计算机系统和网络安全领域的访问控制机制。它就是用户通过角色与权限进行关联。简单地说，一个用户拥有若干角色，每一个角色拥有若干权限。这样，就构造成“用户-角色-权限”的授权模型。在这种模型中，用户与角色之间，角色与权限之间，一般者是多对多的关系。据此，为用户-角色管理进行概念模型设计，绘制E-R图如下图为用户-角色-权限E-R图。在次基础上，设计数据库表如图5 用户-角色-权限表结构图。
用户-角色-权限表结构图
本统支持多种类型灾害模型的集成（如动态链接库、可执行文件、python脚本文件和.Net程序集等），模型集成过程需通过数据库设计对各类型灾害模型的元数据进行结构化存储。
灾害模型注册的E-R和表结构图
3 系统实现
3.1各种异构类型灾害模型集成
系统通过构建多主体协作的灾害模型的集成与调用机制，不仅支撑系统仿真模拟与应急预案功能，还能促进各主体间的高效协同，为应急决策和防灾减灾提供坚实的科学依据，助力社会高效应对复杂灾害。
模型集成此框架主要划分为三个层：模型注册层、工作流脚本层和模型统一调用层。
模型注册： 设计一个特定结构的配置文件，用于统一存储不同类型的灾害模型信息（ dll动态链接库、exe可执行文件、Python脚本等）并将这些模型的元数据以结构化方式存储到模型注册中心，以便为后续的工作流脚本设计提供数据源。
工作流脚本：基于需求设计节点（如事件、活动、网关等），并构建聚合模式（如顺序、选择、循环、组合等）。接着，为每个工作流脚本中的节点配置相应的模型，以确保脚本的功能符合预期。[
灵活的工作流设计，工作流支持通过可视化的方式，拖拽式，低代码
，。]
模型统一调用：中台层利用Python语言构建粘合剂，避免了强类型语言中的显式声明和编译问题。
3.2基于GIS与水文模型的内涝模拟与可视化
现有的内涝模拟仅设置内涝区域随时间抬高，可视化效果较好但不符合实际，难以直接应用于洪涝灾害应急中。为此本小组基于GIS于水文模型进行内涝模拟，在此基础上在将内涝结果可视化模拟在实景三维模型上，从而可为灾害应急模拟提供决策依据。
现有的内涝模拟结果图
内涝模拟与可视化流程图
内涝模型模拟结果的动态可视化图