室内三维电子地图在应急科学领域应用

  信息化作为一种工具或方法，为应急科学研究工作搭建了充满潜力和创新的平台或途径。《应急科学与工程》公众号邀请中国人民武装警察部队学院郭其云教授等撰写《室内三维电子地图在消防应急救援领域中的应用研究》，文章认为，消防应急救援领域以保证社会的安全、解救更多的受困人群为最终目标。具备物联网化特点的室内三维电子地图，可为消防应急救援领域提高作战效率，并同时保证受困人群与消防官兵的人身安全，降低发生二次突发事件的风险，为社会带来更多的安全保障。以室内三维电子地图为基础，构建“消”--作战指挥系统；“防”--预案管理系统，提升消防应急救援领域的作战功能。

  20世纪90年代以前，电子地图的传播一般是通过磁盘、电子邮件等方式。进入21世纪后，随着计算机技术的快速地发展，产生了基于网络技术的WebGIS，于是地图被赋予先进的可视化信息技术及网络技术。互联网成为电子地图传播和使用的新载体，这样便产生了网络电子地图。

  三维电子地图被人们誉为信息时代管理可视化新技术，是基于网络站点平台上的一种最新应用技术，也是区域数字化建设的重要载体。互联网改变了地图传播和使用的方式，具有方便、直观地实现查看地图多元信息的功能，更多的人利用互联网接触到地图，从而扩展他们的地理学、社会文化学等多层面知识。尤其现代社会，移动网络以完全想象不到的速度“飞入寻常百姓家”，电子地图也成为移动互联网当中必备的工具。

  电子地图的应用无处不在，出于社会安全考虑，消防应急救援领域同样需要电子地图的辅助。消防应急领域尤其注重大型室内复杂场景的空间信息，室内三维电子地图在其中起到了至关重要的作用。在消防应急救援过程中，救援部队面对突发事件最关注的事情是：掌握突发事件场景信息、掌握被困人员位置信息、掌握场景内二次突发事件危险源、掌握救援作战现场信息、掌握安全区域信息。2015年8月12日，天津滨海新区发生特大爆炸事故，造成165人遇难（其中参与救援处置的公安现役消防人员24人、天津港消防人员75人、公安民警11人，事故企业、周边企业员工和居民55人）、8人失踪（其中天津消防人员5人，周边企业员工、天津港消防人员家属3人），798人受伤（伤情重及较重的伤员58人、轻伤员740人），304幢建筑物、12428辆商品汽车、7533个集装箱受损。造成直接经济损失68.66亿元。事故现场形成6处大火点及数十个小火点，并发生多起二次爆炸事件。事故的直接原因是：危险品仓库运抵区南侧集装箱内硝化棉由于湿润剂散失，出现局部干燥，在高温（天气）等因素的作用下加速分解放热，积热自燃，引起相邻集装箱内的硝化棉和其他危险化学品长时间大面积燃烧，导致堆放于运抵区的硝酸铵等危险化学品发生爆炸，导致损失惨重。

  由该重大事件可以分析，消防应急救援领域突出存在两大问题：“防”--消防警力信息接收有限；场景空间数据变化快；消防设施设施实时状态不清；实时监控预警不及时。“消”--现场物资状态信息不明确；消防警力单兵身体状态不明确；CAD图的直观表现不清晰；事发现场的实时空间信息接收有限。

  以上几点存在的不足，直接影响消防应急领域的救援速度、救援安全、救援人数等救援应急的作业功能，如何利用互联网2.0与物联网技术提升消防应急领域的救援效率，成为当前最为迫在眉睫的核心问题。基于此，研究室内三维电子在消防应急救援中的应用，其意义不言自明。

  2015年国务院提出《国务院关于积极地推进“互联网+”行动的指导意见》、《促进大数据发展行动纲要》，标志制定“互联网+”行动计划开始，并把大数据云计算提升至国家战略层面。室内三维电子地图作为互联网+的典型代表，经过长期发展，已经具备成熟的数据采集、云计算的技术特点，具体表现在：室内空间数据采集分析；室内物资信息实时监控；室内空间人员定位；室内空间路径规划；室内空间可视化。

  通过室内定位、室内信息可视化等室内三维电子地图的技术特点，做到整合室内空间信息数据，积谷防饥；实时掌握事件现场的空间信息，临危不惧。结合大数据、云计算的现代互联网+的特色，使突发事件来临之前，及时消除安全隐患；突发事件来临，实时掌握现场第一时间信息。

  室内定位、室内信息可视化在公共安全领域应用十分普遍。出于社会公共安全的需求，搭配室内三维电子地图充分采集与分析数据的技术，制定出行之有效的预案。室内三维电子地图的应用，保证了公共安全领域应急方案的数字化、信息化、智能化--分析日常采集上报的海量数据；及时来更新室内空间信息；实时监控室内物资状态；设定突发事件应急预案。基于目前时代特色，大数据云计算不仅成为商业上的技术特点，也被国家所关注。公共安全领域同样需要借助该技术，更出色的完成社会赋予的保护安全责任，做到“防患于未然”。

  突发事件应急减灾得到各国慢慢的变多的重视，目前国内外许多机构和学者从管理机制、预警评估、应急决策、指挥调度和应急演练等方面做了多角度研究，形成了一系列应急管理机制、预案及系统等，并在应急救援工作中发挥了及其重要的作用。美国“9.11”事件后，未解决行动、资源、信息等不一致所造成的应急效率不高等问题，制定并通过了“2002国土安全法案”，成立了国土安全部。在整个国家层面上对应急体系中的组织管理体系、机构设置、指挥协调体系、法律和规范标准体系、应急预案体系、应急平台体系、应急救援队伍体系等进行了统一规划和规范，发布了“国家突发事件管理系统(NIMS)”和“国家应急预案(NRP)”，并提出了联邦各部门和州等地方政府针对突发事件应急的培训和执行计划。

  与美国类似，日本、德国、英国等发达国家也普遍建立了完善的应急预案体系，并加强支撑应急预案体系的应急技术探讨研究。日本建立了从中央到地方的防灾信息系统及应急反应系统。以德国和英国为代表的欧洲国家有着较为统一的应急管理机制，其主要思想是地方政府负责常规突发事件的处置、协调，警察、消防、医护和各社会机构完成应急响应和救援任务，中央政府负责重大和全国性的重大突发事件的应急处置。

  近年来我国突发灾害事件频发，造成大量人员受伤或死亡和重大经济、财产损失，我国突发事件应急管理工作从借鉴西方国家的范式和经验，到初步形成“一案三制”的体系，即“应急预案”、“体制”、“机制”、“法制”，经历了无数的考验和困难，随着“SARS”的爆发、“5•12”汶川大地震等重大突发事件的发生，我国学者在应急管理方面的研究也有了进一步的深入和发展，经过多年努力，我国防洪、地震、消防等许多专业领域都建立了各自的应急信息管理和应急通讯系统，在各领域的应急救援工作中发挥了重要作用。

  但我国的应急体系一直是由政府各职能部门归口管理、分兵把守、自成体系，未建立起统一指挥、分级负责、互相协调的应急管理机制；信息系统的通信平台、数据接口、数据库结构、功能要求等缺乏统一标准，没办法实现相互连通和共享资源；此外，有些应急信息系统由于平时缺乏信息积累、应急演练和日常维护，也致使应急信息系统往往在关键时刻难以发挥作用。

  互联网、通信、云服务等技术的加快速度进行发展，以及室内外定位、空间信息可视化、单兵作战、模拟演练、自动决策模型等先进的技术的攻关研究，为消防应急救援领域的室内三维电子地图的建设提供了有利支撑。因此，融合上述多种先进的技术，建设以室内三维电子地图为基础的消防应急救援系统，可实现对消防事件的综合管理与应急救援，以提升我国灾害事件的应急处置效率及水平。

  我国是突发性灾害损失最严重的国家之一，频繁发生的灾害事件造成重大人员受伤或死亡和财产损失，给政府应急管理和指挥救援提出巨大挑战。国际针对综合减灾智能服务进行了大量研究，进展如下：

  在室内定位方面，由于环境复杂性和定位精度的高要求，很多问题还未被完全解决。国家卫星定位系统工程技术研究中心在国家863专项的支持下，建立了基于北斗/GPS的“广域实时精密定位原型示范系统”，促成了我国羲和定位系统的建立，具备室外亚米级、城市室内优于3米的无缝定位导航能力。

  在多尺度地理空间信息融合与可视化方面：谷歌地图逐步进入了室内地图市场，已有超过10000栋室内建筑数据。目前，室外地图数据在突发事件应急管理救援中的应用已成熟，但随着我们国家城市的迅速发展，建筑物室内空间数据的缺乏日益凸显，各类灾害事件难以得到全面有效的数据支撑。因此，室内地图资源库建设、无缝融合、多终端展示技术亟待研究。

  国内外有较多关于智能决策支持系统的研究，如基于智能替代技术方法的自动决策支持系统、基于集成多媒体技术的应急管理与决策系统平台等，研究根据结果得出：在信息量巨大、决策面临的环境日益复杂、新的决策理念不断涌现，知识越来越表现出不确定性，临机决策自动化方法与临机决策自动化系统的研究越来越具备极其重大意义。

  针对目前消防应急救援领域所存在的信息量巨大且难以精准传达的问题，集成室内外定位、三维可视化、临机决策以及应急演练等科技成果，建设以室内三维电子地图消防应急预案系统与指挥系统，在消防应急救援中开展应用示范是当务之急。在消防救援中，充分的利用大数据资源，为作战指挥提供强力支撑。

  以室内三维电子地图为基础，针对“防”、“消”两大方面建立消防应急救援管理系统：“防”--预案管理系统；“消”--指挥作战系统。

  预案管理系统注重于防范，对于预案对象（保护单位）的基础数据、决策方法等来维护，为指挥作战系统提供数据支撑。指挥作战系统注重于处置，为演练、实战提供辅助决策作用。预案管理系统提供基础数据和预选处置方案，指挥作战系统基于预案管理系统提供的数据基础上进行演练和实战过程中发现的不足，会以最后的作战记录方式存下来，并完善到对应的预案中，双系统相辅相成，形成良性闭环工作模式。

  消防应急救援管理系统的“防”与“消”共包含五大框架结构：“防”--基本的建设、警务决策、合成监管、全民消防；“消”--战训指挥。

  （1）人员管理：录入和管理消防官兵信息。录入管理消防支队、中队、大队的所有官兵的基础信息。通过物联网技术的运用，可以实时查看消防官兵的活动轨迹和日常训练情况。

  （2）车辆管理：可新增车辆信息，选择所属消防中队，填写明细：车辆名称、购进时间、车辆类别、牌照号码等。

  （3）设备管理：录入和管理的设备基础信息，以及库存管理。运用二维码、RFID技术，通过扫描消防专用设备的二维码或者电子标签，即可对设备做动态管理和调度。

  （4）耗材管理：录入管理耗材的品名、特性、用途、保质期、存储量、最低存储量、存储位置等基础信息。实时获取更新耗材的存储量、存储位置信息，存储量不足会自动向管理端发送库存不足预警信息。

  （5）消防地图：基于地理信息系统开发的消防专用地图系统。支持任意添加图层，图层类型支持图标图层、区域图层、热力图层，支持每一图层单独开关显示，不一样的图层之间支持无缝叠加。

  （1）知识库：从逻辑上划分为空间信息库、基础信息库、物联网动态监测信息库、辅助决策信息库、消防力量信息库、预案库、消防本体库、案例库、演练信息库、三维模型库等共十个数据库，以便于数据管理和应用。

  （2）消防大数据库：将重点单位、水源数据、119报警数据、巡检数据、消防验收数据等等数据统一采集，集成消防部门的应对突发事件大数据库。

  （3）决策模型：决策模型是为管理决策而建立的模型，即为辅助决策而研制的数学模型。

  （1）消防网格化管理（消防单位管理）：构建责任明晰、管理规范、运行高效的基层消防工作格局，促进消防管理基层化、社会化。

  （2）消防巡检：在移动平台上，建立公安消防监督检查系统。消防巡检APP和公众消防APP的企业用户都能够实现业务互通，消防巡检APP可以接收公众消防APP和公众微信号的一键报警和消防随手拍数据、消防门户网站的监督举报数据，并将处理结果反馈回公众消防APP和公众微信号。

  （4）消防远程监测：通过采用计算机技术和现代网络通信技术，使分散多处的火灾自动报警系统有机地融为一体，进行远程监视，及早发现火灾险情和设备故障。

  （1）消防门户：消防部门发布工作动态，开展政策宣传，进行舆论引导的主要基地。

  （2）教育门户：构建在线教育平台，提供在线教育的视频，课程按照不同类别进行分门别类，每一个社会个体都可以每时每刻进行学习，借此普及社会个体的消防常识，提高自防自救能力。

  （3）巡自检系统：制作巡自检系统APP，通过APP，社会单位消防责任人可以科学的规划自己的巡检流程，上报事项报告，实现与消防巡检系统的数据互通，提高社会单位抗风险能力的同时，减小消防部门出警压力。

  （4）在线互动系统：互动贯穿总系统的所有的环节，有智能客服，在线人工客户，在线论坛。

  战前，通过大数据平台汇总室内环境数据，搜集现场物联传感、视频监控等信息，对各类数据信息进行自动分类、整理、分析，精准评估灾情。同时，将多种形式消防队伍和相关应急部门纳入指挥调度平台，根据灾情、等级进行科学调度，实现整体调度、精准调度。

  战中，通过大数据平台实时采集现场数据，同步推送国内外相关救援现场案例，提供灾情处置决策辅助信息，升级优化现场作战力量编成，开展作战会商，部署作战行动，即时计算灭火剂、战斗车辆、后勤保障等作战参数，通过移动指挥终端实现现场指挥中心对灾害现场的信息支持和交互，和灾害现场的救援力量掌握和协同，全方面提升指挥决策效率。

  战后，图像化、数据化、可视化记录参战力量、车辆装备、相关物资保障等数据，自动更新上传作战信息及灾情处置情况，分析评估作战行动效能，为战评总结提供有力依据。围绕消防大数据建设总体设计，打通互联网数据通道，汇接实时路况、人口热力、重点单位、装备实力、周边水源、物联传感、视频监控等数据资源，建立多维度分析评估模型，提供可视化展示结果。

  科学性--室内三维电子地图准确反映结构及物资储备情况，做到救援不盲目，方案制定合理。天津大爆炸就是因内部物资储备不清楚引发的巨大损失典型案例；

  物联性--平台集成各个智能硬件，包含但不限于实时视频、定位硬件、消防车液位传感器等，使得平台更全面更准确。以预案管理系统、指挥作战系统为核心，“防”与“消”两个方面实时掌握室内三维电子地图内的所有空间信息，为消防救援应急领域提供新的互联网方式。

  构建“防”--预案管理系统，可通过基本的建设、警务决策、合成监管、全民消防四个基础框架，运用大数据集成系统，在室内三维电子地图中直接查看上传数据，解决消防警力信息接收有限，场景空间数据变化不明、消防设施设施实时状态不清，实时监控预警不及时、信息与数据接收不明等问题。

  构建“消”--指挥作战系统，可直接调看突发事件现场的室内三维地图，了解该场景内的所有人、物实时情况，立即处理现场物资状态信息不明，消防警力单兵身体状态不明确，CAD图表达效果不直观，事发现场的实施空间信息接收有限等室内空间信息接收问题。将消防应急救援可视化系统嵌入室内三维电子地图，实现室内空间信息与单独人、物信息实时联网，完成及时查看，减少人员与财产损失。

  室内三维电子地图在“防”与“消”两大系统中，起到实时查看作战力量与事发现场各方每一个细节信息的作用，对消防应急救援所需要的每个精准信息做到了如指掌。经过大数据云计算的网络技术，成功匹配作战力量与事发现场双方信息，解决消防部队对现场实时情况掌握不清的问题。

  室内三维电子地图在国内的使用已初具规模，不仅适用于消防应急救援领域，在公共安全服务领域也得到大量应用。但对于室内三维电子的应用也存在着一些行业痛点，比如制图周期长；设备普及率低；修图、改图成本消耗较高。国内室内地图行业也面临较大的挑战，面对需求量逐渐增大的真实的情况，提高室内三维电子地图的质量、提升室内三维电子地图的效果、开发更多室内三维电子地图的应用功能成为当务之急。

  目前国内已经有相关公司对室内三维电子地图进行革新，并开发了拥有自主知识产权的室内三维电子地图引擎以及地图编辑器。通过商业上优化的室内三维电子地图，逐步推动了其发展的新趋势，具体表现在：一是制图流程简约化，在消防验收图、建筑物CAD等基础数据的基础上能够迅速生成室内三维电子地图，并辅以简单易用的地图编辑工具，社会机构及消防战士经过简单培训即可制图；二是制作成本低，能支持海量的室内三维地图的制作和调用；三是各种调用接口丰富，可以方便对接各种物联网传感器或嵌入现有的各种信息系统。目前已在湖北、新疆等地的消防部门试用，效果较好。

  危难来临之际，消防总是冲在应急救援第一线，以保证社会的安全，解救更多的受难人群为最终目标。具备物联网化特点的室内三维电子地图，可为消防应急救援领域提高作战效率，并同时保证受困人群与消防官兵的人身安全，降低发生二次突发事件的风险，为社会带来更多的安全保障，其应用前景十分广泛。

  中国人民武装警察部队学院郭其云教授，北京蜂鸟视图科技有限公司付强先生供稿，内容有删减。