基于二三維一體化的建筑設施應急防范系統關鍵技術研究＊

朱振華 肖崇星 翁海騰 邱瑞 公安部第一研究所

引言

本文中的建筑設施是指重要的公共建（構）筑物（及其群體）和有特殊使用功能的高風險建（構）筑物（及其群體），如機場、港口碼頭、鐵路車站、文物保護單位、政府機關辦公樓、重要物質儲備庫等對國家經濟民生、安全穩定有重大影響的建筑設施。鑒于建筑設施的重要作用和較高的社會關注度，易成為被破壞的重要區域，尤其是分布在城市的某些重要建筑設施和部位更易成為被破壞的首選目標，為提升建筑設施的應急防范水平，除在人力防范方面加大安保力量部署、加強制度建設，物資防范方面完善警示設施、增設重要關口阻擋裝置外，技術防范是應對破壞方式不斷變化、風險隱患提前預知的一個行之有效的重要方式。

本文結合實戰業務需求，開展了基于二三維一體化的建筑設施應急防范系統的研究與設計，研究了建筑設施應急防范系統總體架構，提出了系統核心功能實現關鍵技術，研發了一套基于二三維一體化的建筑設施應急防范原型系統，為加強建筑設施防范提供了技術業務支持。

一、業務需求分析

目前，在建筑設施應急防范建設方面，部分地區已開展了防范重要建筑設施系統模塊建設，并發揮了積極的作用。但總體來看還處在基礎查詢展示功能的信息系統階段，與建筑設施應急防范實戰化應用方面存在較大差距，亟需滿足實戰化需求的建筑設施應急防范綜合性應用系統，具體為：

（1）通過實景技術和虛擬現實技術，為用戶提供一個相對真實的建筑設施可視化操作體驗。

作為現實中的個體，建筑設施以可視化的方式進行逼真展示成為用戶的基本訴求，通過實景技術和虛擬現實技術對建筑設施的逼真展示，用戶可身臨其境地直觀獲知建筑設施的基本特點、周邊信息，并能在系統中對其進行可視化操作，提升用戶的操作使用體驗，進一步加強對建筑設施的精細化管理水平。

（2）為滿足應急處突的業務需求，需在現有文本預案的基礎上構建電子化、流程化的預案管理，并具備預案推演功能。

應急預案在突發事件處置過程中，對控制事態發展、穩定群眾情緒等工作發揮重要作用?，F有的應急預案存在以下三個突出問題：一是現有應急預案多為文字形式，展現方式不直觀，修改維護較為繁瑣，使預案作用大打折扣；二是預案內容單一，缺少人員、資源、時間、空間等方面統一整合，降低了預案功能性；三是在預案中不能根據方案流程規定動態展示各要素對象變化，無法體現處置行動進展的過程。需在現有文本預案的基礎上構建數字化的預案管理，并具備預案效果推演功能。

（3）針對建筑設施安全防范的業務需求，構建滿足風險預警及評估的分析功能。

風險預警及評估是防范化解重大風險的基礎。由于襲擊破壞事件的不確定性、多變性、復雜性，需利用預測和分析方法對建筑設施安全風險等級進行評估，對風險發生及時預警，給防范于未然預留出時間，才能降低襲擊破壞的風險。

二、系統總體設計

在系統總體設計部分，本文提出基于二三維一體化的建筑設施應急防范系統架構。二三維一體化是指在系統功能實現過程中，提供目標建筑設施的二維平面地圖和三維模型立體地圖展示頁面，方便業務人員對目標建筑設施的多維度需求。

其中基于二三維一體化的建筑設施應急防范系統架構采用“五橫三縱”結構，總體架構如圖1所示。

五橫包括了建筑設施應急防范系統的五個邏輯分層，從下到上依次為基礎支撐層、數據層、服務層、應用層和展示層。

基礎設施層是為整個系統提供基礎支撐。包括計算資源、存儲資源、網絡資源及數據庫、應用發布容器等基礎應用軟件。

數據層是系統運行所需的數據資源，包括結構化業務數據、非結構化業務數據及系統運行所需的管理數據。其中：結構化業務數據包括建筑設施信息、建筑設施專題信息、預案管理信息及預案知識庫信息；非結構化業務數據包括建筑設施三維模型、基礎地圖數據、建筑設施視頻信息及圖片信息；系統管理數據包括系統權限信息、用戶管理信息、系統日志信息等。

服務層是系統功能實現所依賴的核心支撐服務，包括基礎支撐服務和業務應用服務。其中：基礎支撐服務面向底層核心能力提供系統內部服務，包括GIS服務與接口、預案服務與接口、風險預警服務、消息服務及身份管理服務；業務應用服務面向上層應用能力提供業務服務，包括建筑設施綜合查詢服務、二三維一體化服務、POI查詢服務、預案制作服務、預案管理服務、預案推演服務、預案符號管理、風險評估預警服務、消息推送服務、模型管理服務、預警規則配置服務、用戶管理服務、日志管理服務等。

應用層是依托服務層提供的能力面向實際業務需求實現的系統核心功能，包括首頁、建筑設施信息管理、建筑設施綜合信息查詢、建筑設施一鍵上圖、建筑設施二三維可視化展示、預案制作、預案推演展示、預案符號管理、預案管理、知識庫管理、專家庫管理、防范督導檢查、模型預警管理、預警信息下發、預警信息反饋、統計分析、系統管理、用戶管理、日志管理等。

展示層是系統對外展示的形式，根據用戶的業務角色提供系統兩種展示形式，一是PC端，主要面向負責業務管理及決策的用戶提供PC端的業務查詢及分析系統；二是APP端，主要面向負責一線采集及應急處置的用戶提供移動端的輕量級應用?；诮y一的后臺服務能力、數據支撐能力，打造“云+端”的應用展現模式。

三縱則是包括了標準規范體系、安全保障體系、運維保障體系。

三、基于二三維一體化的

建筑設施應急防范系統關鍵技術

（一）三維實景構建技術

本文三維實景構建技術主要是基于Cesium可視化開源JavaScript庫（CesiumJS）。Cesium是一個基于WebGL的開源三維虛擬地球引擎，提供對多種二維、三維空間內的地理信息數據的可視化支持，包括標準DEM、DOM、DLG、DSM等，以及各類國際標準的OGC地圖服務。

三維實景構建技術主要涉及精細三維模型、簡易三維模型的構建及可視化。精細三維模型對建模要求高，需精細刻畫建筑模型外部特征，具有真實的外部紋理，模型尺寸結構完全按照真實建筑構建，主要是針對單個建筑設施。本文采用3dsMax標準建模方式，構建單一建筑設施的精細三維模型。

城市簡易三維模型主要是針對大范圍如城市范圍的三維場景，為降低建模成本，采用帶有高度的城市建筑矢量面數據，通過獲取建筑設施所在城市的建筑矢量面數據，結合建筑物高度信息，拉高到對應的高度生成簡易三維模型。

將二維GIS和三維GIS融為一體，有機結合二維電子地圖的宏觀性、整體性、簡潔性和三維虛擬場景的局部性、現實性、直觀性的優點，既克服了二維電子地圖的抽象多樣性和三維虛擬場景的漫游方向的迷失感，取兩者所長，又實現數據存儲、數據關聯、可視化、分析功能等多方面的二三維一體化應用，可保證二維和三維GIS技術的無縫融合，在同一視圖范圍內實現二維矢量數據和三維模型數據的聯動一體化操作和一屏可視化展示。

（二）應急預案動態推演技術

應急預案是根據歷史經驗，對潛在的或可能發生的突發事件的類別、影響程度而事先制定的應急處置方案，包括針對此類事件應該派遣的應急救援力量，如何選擇人員疏散路線等信息。應急預案是一個應急處置行動進展的過程，通過制定預案可在發生突發公共事件時，能夠迅速、有效地進行行動處置，降低事件造成的損失。動態推演是以動態方式處理預案組成對象，以模擬實體目標隨時間的變化，所產生的行為和事件等的可視化方法，采用動態模擬的方式可直觀盡可能真實地展示根據預案方案流程規定中各對象變化的過程。

本文中應急預案的表現形式包括圖形文本符號、業務要素符號。圖形文本符號包括常見的點、線、面矢量圖形，箭頭類標繪符號及文本說明的標記符號；業務要素符號是指以圖片示意的方式展示預案中的各類業務要素符號。通過將代表預案要素的各種符號標繪到地圖上，形成預案態勢圖，通過預案態勢圖可以直觀了解針對不同建筑設施而設置的預案相關基礎地理信息及預案要素的分布。

基于制定好的預案，可通過時間軸的形式按照預案方案流程規定將預案要素進行動態的時序顯示，依托綜合全面的地理環境信息和態勢信息，以數據、文本、圖形、動畫等多種方式對預案進行動態推演，生動形象顯示預案態勢及演進過程。

（三）基于模型庫的風險預警評估技術

風險預警評估指基于歷史真實發生的突發事件，在對當前風險因素信息識別、分析的基礎上，對風險發生的可能性及損失/影響程度進行綜合評判。襲擊破壞事件的不確定性、多變性，需利用預測和分析方法對建筑設施安全風險等級進行評估。模型庫是對已掌握的各種預測和分析方法的集成，是進行風險預測及評估的有力工具，通過此項技術可對破壞事件的產生、發展及影響分別建立風險預測和評估，便于應急管理和決策。

由于建筑設施的風險管理涉及的因素較多，對建筑設施的風險預警評估需獲取盡可能多的數據，如建筑設施周邊的視頻、車輛、人員活動等信息，以及內部管理信息、業務屬性信息等?；谝陨蠑祿?，結合歷史事件的統計分析，通過機器學習、多維可視化分析、復雜網絡分析挖掘等技術，構建多個維度的風險預測及評估模型庫，可有效預測或追蹤破壞行為。

四、系統功能實現

基于上述二三維一體化的建筑設施應急防范“五橫三縱”系統架構，本文開發實現了基于二三維一體化的建筑設施應急防范系統。系統基于J2EE的三層B/S體系架構來實現，該體系架構具有輕客戶端、重服務端、安全性高、跨平臺、可操作性較強等特點。同時，系統采用目前較為成熟的前后端分離技術架構模式，從而使系統具有良好的可擴展性及可維護性。

系統功能上提供了建筑設施管理、建筑設施信息上圖、建筑設施信息統計、權限管理等功能，以滿足不同用戶的需求。也提供了建筑設施預案管理、建筑設施風險評估及預測預警等功能，實現重點建筑設施的多角度、全流程、跨維度等協同管理。系統部分界面如圖4、圖5所示。

結果表明，該系統能夠提升建筑設施精細化管理、可視化能力及一體化協作機制等，具體如下：一是系統能實現從建筑設施關聯數據的實時接入到基于建筑設施風險預測預警的快速分析，基于建筑設施數據流中獲得有業務意義的價值信息，將預警信息快速推送給業務處置人員，供業務人員分析處置。二是該系統多維度直觀展示建筑設施的二三維內外部信息，方便業務人員實景化查看。三是該系統提供了建筑設施風險預案處置流程，提升業務關聯人員的風險處置能力。四是系統提供預警信息的下發、預警信息簽收、預警信息反饋閉環管理，從技術和業務層面實現業務的上下協同聯動。

下一步將進一步完善和梳理建筑設施相關技術及業務流程，優化本文提出的基于二三維一體化的建筑設施應急防范體系架構。同時對系統的穩定性、健壯性和可視化界面進行優化，為相關業務人員提供更加穩定、流暢、實戰性強、界面友好的優質系統。

五、結語

本文設計了一套滿足實戰需求、較為綜合的建筑設施應急防范系統。首先，系統在具備應急防范基本功能的基礎上，實現了二三維一體化展示；其次，系統具有豐富要素的電子化預案管理，實現了預案動態推演效果；最后，系統對建筑設施相關數據進行智能分析，構建了一套風險預測及評估模型庫，實現了對建筑設施風險評估及預測預警的功能。通過本系統的建設，進一步提升了對建筑設施的精細化管理水平，大幅提高了應急預案可行性和時效性，可為相關業務人員開展重要建筑設施應急防范及處置突發事件提供有力技術保障。