基于网络的决策支持框架：优化洪水期间的道路网络可达性与应急设施配置(A web‑based decision support framework for optimizing road network accessibility and emergency facility allocation during flooding)
Yazeed Alabbad, Jerry Mount, Ann M. Campbell & Ibrahim Demir
交通系统在洪水中可能会受到显著影响，洪水导致基础设施的物理损坏并妨碍通行。尽管洪水发生频繁，但支持洪水期间路径规划和应急决策的在线工具十分有限。现有工具通常基于复杂模型，不易为非专业用户所用，这突显了为多方利益相关者（包括公众）提供高效沟通和决策分析工具的必要性，以减少洪水对这些群体的负面影响。本文介绍了一款基于图形网络方法并采用最新网络技术和标准的网页端应用，旨在呈现洪水事件中的交通状况，并提供分析方法，以支持洪水期间的出行和拥堵缓解决策。该框架设计为用户友好型，便于非专业用户获取道路状态、通往关键设施的最短路径、应急设施的选址分配和服务覆盖等信息。研究区域包括爱荷华州的两个社区，锡达拉皮兹和查尔斯市，用于测试网页端应用的功能并探讨结果。研究结果表明，洪水对桥梁运行、从各地到关键设施的路径规划、任意点对点路径规划、应急设施的选址规划和服务区域可达性有显著影响。本研究提出的框架可以解决与洪水相关的复杂分析决策任务，并提供交通脆弱性的直观表示，从而提出优化策略以缓解洪水对交通的影响。该网页端应用为利益相关者在洪水期间的交通网络决策提供了有价值的工具。
引用
Alabbad, Y., Mount, J., Campbell, A.M. et al. A web-based decision support framework for optimizing road network accessibility and emergency facility allocation during flooding. Urban Info 3, 10 (2024).
https://doi.org/10.1007/s44212-024-00040-0
引言
本文介绍了一款基于网页的决策支持系统，旨在提升洪灾期间的交通应急响应和恢复能力。洪水对交通系统构成全球性威胁，通常会导致基础设施损坏、经济损失和出行受限，特别是在桥梁、道路等关键位置。尽管已有研究关注道路网络在洪灾中的表现和脆弱性，但目前仍缺乏易于非专业用户使用的在线工具，尤其是结合洪水情境分析的交互式在线平台。本文提出的应用系统结合洪水场景及多种分析功能，帮助公众和应急人员在洪水中绕行、获取至关键设施的可达性信息，并提供选址分配和服务区域优化等功能，从而支持有效的洪水应对策略。这一系统不依赖专业技术或GIS等工具，使得用户能够轻松访问相关信息，为减少洪灾中的风险、提供替代路线、重新分配关键物资等提供了重要支持。
研究方法
1. 系统开发架构
1.1 服务器端组件：采用PostgreSQL数据库结合PostGIS空间扩展来管理空间数据，如道路网络和洪水淹没区域，并预计算关键路径。后端通过FastAPI框架提供API服务，使数据与前端实时交互，并结合GeoServer快速发布和共享地理空间数据，提升数据可视化和响应速度。
1.2 客户端组件：前端界面使用HTML、CSS和JavaScript构建，配合Leaflet JavaScript库显示地图和交互操作。用户可在界面上选择不同的区域和洪水情景，观察道路的开放与关闭状态。
图1. 基于网页的在线应用开发流程
2. 功能实现
2.1 道路网络拓扑分析：基于图论方法，通过构建道路网络的拓扑结构（节点和边），将道路连接关系表示为网络图，为后续的路径分析奠定基础。2.2.2 道路状况分析（基于洪水重现期）：通过叠加100年和500年重现期的洪水淹没图，识别被淹没的道路段和桥梁。特别对桥梁状况进行三维评估，通过LiDAR数据提取桥梁高度，判断其是否会被洪水淹没并关闭。
2.2 道路状况分析（基于洪水重现期）：通过叠加100年和500年重现期的洪水淹没图，识别被淹没的道路段和桥梁。特别对桥梁状况进行三维评估，通过LiDAR数据提取桥梁高度，判断其是否会被洪水淹没并关闭。
2.3 道路状况分析（基于洪水水位）：基于实时河流水位预测，将洪水水位与道路网络进行叠加，为用户提供即将封闭的道路信息，使他们可以提前选择替代路径。
2.4 可达性分析：使用Dijkstra算法计算各节点到关键设施（如医院、警察局、消防站等）的最短路径，考虑洪水影响后排除被淹没的道路和桥梁，优化紧急响应状况下的路径规划。
2.5 点对点路径规划：系统提供灵活的点对点路径规划功能，用户可以选择任意起点和终点，观察洪水情景下的最短路径变化，实时展示路径长度和可能的绕行需求。
2.6 应急设施分配：应用P-median模型来优化应急设施的选址，以最小化需求点到设施的总距离。通过分析节点的中心性，确定具备较高交通便利性的设施位置，确保在洪水情景下的设施可达性。
2.7 服务覆盖范围：用户可以输入期望的行驶距离，系统将显示从起点可达的区域范围，支持紧急情况下的应急活动规划。
3. 案例研究与验证
本文选择爱荷华州的两个洪水易发社区（锡达拉皮兹和查尔斯市）作为研究案例，测试了网页在线应用在不同洪水情景下的功能表现，验证了该应用对路网脆弱性分析和应急决策支持的有效性。
图2. 研究案例
4. 实施步骤
4.1 需求分析与系统设计：明确用户需求，设计系统架构与功能模块。
4.2 数据准备：收集道路、桥梁、洪水淹没区域等空间数据，准备应急设施位置和人口分布信息，确保数据完整性与准确性。
4.3 系统开发：后端配置数据库与GeoServer，开发API服务；前端实现地图界面，集成交互功能。
4.4 功能实现与测试：按上述功能逐步实现，并在各个洪水情景下进行测试，保证系统在不同情境下的稳定性和可靠性。
4.5 案例研究与应用推广：在研究区域内实际应用，收集反馈以优化系统。
图3. 决策系统中的数据与功能概览
结果与讨论
本文展示了所开发的决策支持系统在洪水期间的有效性。该系统命名为爱荷华州路径决策支持系统（Iowa Routing Decision Support System），用户通过主界面选择区域和分析类型，查看洪水情境下的道路开放和封闭情况。具体测试结果如下：
道路状况分析：基于洪水重现期和河流水位的道路状况图帮助识别被淹没和可通行的道路与桥梁，为社区提供洪水期间的影响范围估算和成本评估支持。
可达性分析：通过计算到关键设施（如医院）的最短路径，发现洪水显著影响了到达这些设施的路径，导致需要重新规划最优路线，以支持紧急响应。
点对点路径规划：系统动态显示洪水情境下两点间的最短路径变化，展示出洪水可能导致的路径延长，为用户在洪水期间避开风险区域提供参考。
应急设施分配与服务覆盖：系统通过设施分配功能确定了应急设施的最佳位置，并提供了服务覆盖范围分析，帮助紧急响应人员规划服务区域并优化资源分配。
该系统为公众和应急人员在洪水期间的决策提供了有价值的信息。其直观的可视化界面和实时数据更新功能，能够在资源有限的情况下支持社区有效地应对洪水可能导致的负面影响。
Yazeed Alabbad，爱荷华大学土木与环境工程系博士生，致力于通过研究为抗洪决策提供有效工具，以提升社区韧性。他的研究已为减轻洪灾影响带来积极作用。
https://grad.uiowa.edu/students/profiles/yazeed-alabbad
Jerry Mount，爱荷华大学水科学与工程研究中心助理研究科学家。他在南伊利诺伊大学获得人类学和考古学的本科以及地理与地理信息科学的硕士学位，之后在爱荷华大学获得地理与地理信息科学的博士学位。目前，他在IIHR水文信息实验室从事与GIS和水文科学相关的研究，研究领域包括信息可视化和制图。
https://scholar.google.com/citationsuser=zL3m6hIAAAAJ&hl=en
AnnM.Campbell，爱荷华大学教授，现任Clement T. 和 Sylvia H. Hanson制造生产力讲席教授，主要在商业分析领域任教。她在乔治亚理工学院获得工业工程（优化方向）博士学位，并在莱斯大学获得计算与应用数学和经济学双学士学位。她的研究兴趣包括新兴的配送服务商业模式、灾害准备和救援中的物流问题，以及与“15分钟城市”相关的规划决策与指标分析。
https://scholar.google.com/citationsuser=YtosYVIAAAAJ&hl=zh-CN
Ibrahim Demir，爱荷华大学的土木与环境工程系副教授，IIHR水科学与工程研究所的副研究工程师，并兼任电气与计算机工程系副教授及全球与区域环境研究中心研究员。他的专业领域包括水文信息学、环境信息系统、科学可视化、数据分析、网络系统设计、人工智能以及虚拟和增强现实等技术。Demir教授在多个学术期刊担任副主编职务，并积极参与国际水文信息学联合委员会的领导工作。
https://scholar.google.com/citationsuser=kPW68JcAAAAJ&hl=zh-CN
END
编辑：范玲玉、徐志萌
审核/指导：李舒阳
