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大规模应急救援资源布局与调度优化方法研究

高学英  
【摘要】:近年来,由于人口压力巨大,社会经济活动越来越频繁,自然资源过度开采,造成全球气候条件持续恶化,社会秩序动荡,地震、洪水、海啸、战争、恐怖袭击、瘟疫等自然灾害、人为灾害以及生态灾害频发,给人类社会造成难以估量的生命财产损失。我国幅员辽阔,人口众多,是自然灾害影响最严重的国家之一,灾害种类多,发生频度高,区域性、季节性强。另外,我国社会经济安全生产基础薄弱、科技和教育水平较低等,安全生产形势也非常严峻。面对如此严峻的安全形势,为保持社会经济健康发展,维护社会秩序的稳定,提高国家灾害应急抢险救援能力建设已经成为我国政府工作的重中之重。国家“十一五”规划就应急救援技术、装备相对落后、应急救援体系不完善等问题设立了多项课题开展深入研究。 在国家大力加强应急救援体系及能力建设的大环境需求下,本论文旨在对国内外现有应急救援资源布局与调度技术研究成果广泛阅读分析的基础上,就应急救援资源布局与调度技术相关的应急救援资源需求估计、应急救援资源选址与配置、应急救援资源调度、灾后受损道路网应急抢修时序优化以及应急交通组织与控制等五项关键技术现有研究的不足,展开深入研究,为应急救援资源布局和调度工作提供高效可行的模型和方法。论文首先提出利用不确定信息处理理论来解决应急救援资源估计中的多种不确定信息,为应急救援布局和调度工作打下坚实基础;接着考虑应急救援效率、成本、公平性以及动态性,提出相应的应急救援资源选址、配置以及调度模型,为应急救援资源布局及调度提供重要可行方法。此外,文章又深入研究了受损道路网的抢修时序优化方法和应急交通组织与控制方法,以确保应急救援资源调度高效和安全的进行。通过本文的研究,提出的应急救援资源估计方法、应急救援资源选址、配置、调度优化模型及算法、受损道路网抢修时序优化方法、应急交通分配方法以及应急交通组织与控制方法,为完善应急救援体系、提升应急保障能力提供了有力的技术支持。具体研究内容如下: (1)基于不确定信息处理理论的应急救援资源需求估计方法 论文从不同角度对应急救援资源进行归类并分析了其特点。在广泛阅读历史文献的基础上,归纳了应急救援资源需求估计的流程框架,并深入分析介绍了各个步骤处理方法。重点分析了应急救援资源需求估计过程中来自各个方面的不确定性,引入未确知信息、盲数等不确定信息处理方法,提出基于多种不确定信息的应急救援资源需求估计方法。最后以青海玉树地震中结古镇受灾民众应急救援资源需求估计为例,对本章提出的应急救援资源需求估计流程及方法进行了验证,实例分析表明,提出的方法能有效估计应急救援资源需求。 (2)动态需求条件下应急救援资源选址与配置优化模型 从实际应急资源选址及配置需求出发,提出了多目标固定资源点选址-规模优化模型、临时多点动态选址模型和多应急救援资源动态组合优化配置模型。三模型的构建都考虑了受灾群众伤亡随时间动态变化特性。构建的静态资源点选址模型在优化资源点位置的同时还优化了资源点的设置规模。模型的构建考虑了应急资源选址应急效益最大、资源点总建设成本最低以及需求点应急需求的公平性三个目标,并设计了单位成本效用法对模型求解。构建的临时资源点动态选址模型则从应急资源效益最大化、各需求点的应急救援公平性以及临时资源点数量最少三个目标需求出发,在有限调度静态资源的基础上,优化动态资源的选择问题,并设计了主要目标法与爬山法相结合的算法对模型求解。构建的多应急救援资源动态组合优化配置模型以规划期内各阶段配置资源与未配置资源应急救援方案总的应急效用最大化为首要目标,同时考虑配置资源成本问题。在成本目标的构建中,全面考虑了购置成本、库存成本和机会损失成本对配置成本的影响,并提出了理想点法和单位成本效用法相结合的方法对模型求解。最后设计算例对所提模型及求解算法进行验证,实例结果分析表明提出的模型及求解算法能对相关问题进行优化求解。 (3)灾后受损道路网应急抢修时序优化模型与方法 对于灾后受损交通元件的应急抢修优化问题,首先分析了受损交通元件特点及分类,结合未确知信息处理方法提出了受损道路抢修时间估计方法。接着,提出以应急路径为基本单元开展受损交通元件应急抢修,且受损交通元件的抢修应满足不同应急时限要求,并提出了带时限要求的简单路径分层搜索算法以及路径抢修重要性排序算法,又进一步构建了以受损路径总抢通时间最短为目标的受损道路抢修资源配置优化模型。最后设计了一个算例对提出的受损交通元件的应急抢修时序优化各环节处理方法进行验证,实验结果证明提出的相关方法和模型可对受损道路抢修问题进行有效求解。 (4)多OD-多目标应急救援调度优化模型 对于应急救援调度优化问题,首先分析了多种应急运输模式的特点以及应急运输网络的动态特性;接着,构建了多资源多OD应急救援资源调度优化模型和基于灾民特性的多避难所应急疏散调度优化模型,并提出模型的相关求解算法。多资源多OD应急救援资源调度优化模型的构建包括应急救援资源效益、运输成本以及受灾点救援的公平性三个目标;模型采用基本功效系数法和单位成本效用法对模型求解,并设计了一个算例对模型和相应求解算法进行验证和比较分析,结果令人满意。构建的基于灾民特性的多避难所应急疏散调度优化模型包括灾民运输效率和运输成本两个目标,重点考虑了不同受灾程度灾民的应急疏散需求,采用主要目标法对模型求解,最后设计了一个算例对模型和求解算法进行验证,结果令人满意。 (5)应急交通分配、交通组织与控制方法 主要对应急交通分配方法以及应急交通网络的交通组织与控制方法进行了研究。首先在现有基于Logit模型的交通分配方法基础上,结合应急交通流的特点,提出了一种基于二次修正的Logit模型应急多路径交通分配方法。接着分析了车道反流策略(contraflow)在应急交通中的应用条件,并根据实际情况提出了应急车道反流实施策略。分析了应急交通控制的需求特点,结合应急车道反流策略和交叉口应急交通组织方法,提出了应急反流条件下的交通控制优化模型,模型所追求的目标为总应急交通流出行时间最小。最后,提出了一个算例对本文提出的应急交通分配方法、应急车道反流策略以及交通控制优化模型进行综合验证,实验结果说明提出的方法能有效提高应急交通流运行效率。


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