多發(fā)點地震緊急運輸優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計①

王艷萍，劉文堂，趙永安

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），地球探測與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201）

0 引言

地震發(fā)生后交通線往往不同程度受損，導(dǎo)致交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、性能發(fā)生明顯的改變，嚴(yán)重影響了救災(zāi)隊伍、救災(zāi)物資等的運輸。在震后交通網(wǎng)絡(luò)遭到不同程度破壞的情況下，如何從最合適的地點組織足夠的救援隊伍，通過最快捷的路線趕赴震區(qū)；如何從最合適的備用倉庫調(diào)運足夠的救援物資，并通過最快捷的路線運抵災(zāi)區(qū)，都是決策者十分關(guān)心的問題，也是亟待解決的問題。

這里既有救援路徑的規(guī)劃問題，也有運輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計問題。就救援路徑規(guī)劃問題，王海超等［1］運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對交通網(wǎng)絡(luò)可能受損的情況進(jìn)行了預(yù)測研究，在一定程度上為制訂地震緊急救援預(yù)案提供參考；Ozdamar L.等［2］研究了自然災(zāi)害中的應(yīng)急物流的最優(yōu)路徑問題；Barbarosoglu G.［3］等研究了基于兩階段的災(zāi)后緊急運輸方案；姚清林［4］研究震后緊急救援最優(yōu)路徑問題。以上研究解決了震后由于道路的受損、交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變，救災(zāi)路線在安全性與通行質(zhì)量約束下的最短路問題。但均沒有討論運輸量的問題。同時對于如何快速判斷道路受損和交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變的解決方案也沒有數(shù)據(jù)庫支持。就系統(tǒng)設(shè)計問題，陳紅等［5］建立了城市應(yīng)急指揮決策支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，并設(shè)計了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)的處理方法；王麗莉等［6］介紹了地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計思路；趙林等［7］介紹了災(zāi)害風(fēng)險防范數(shù)據(jù)庫設(shè)計與開發(fā)方法，為多種災(zāi)害的風(fēng)險防范提供了基礎(chǔ)平臺。鄧?yán)诘龋?］介紹了基于Oracle Spatial構(gòu)建多元災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)框架，分析了存儲數(shù)據(jù)信息的種類、屬性及特點，研究了數(shù)據(jù)的存儲方式，在多元異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的基礎(chǔ)上，初步實現(xiàn)了多元災(zāi)害信息的存儲、查詢、繪圖及顯示等功能。周中紅［9］等利用GM（1，1）模型建立了甘肅省縣一級人口數(shù)量的增長模型，實現(xiàn)了靜態(tài)人口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在地震發(fā)生時的動態(tài)計算。曾繁如［10］等提出從遙感影像中提取震害信息的方法。陳文凱［11］等提出了基于GIS和RS技術(shù)的震害信息處理和快速評估方法。然而，他們都沒有涉及多發(fā)點救援路徑的優(yōu)選方案問題。

筆者在多發(fā)點情況下地震救援路徑的優(yōu)選算法中建立了多發(fā)點情況下地震救災(zāi)路線的優(yōu)選算法。本文給出震后交通圖的形成過程及有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計，將從系統(tǒng)的功能、數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容以及圖層拼接的流程方面闡述多發(fā)點地震緊急救災(zāi)運輸系統(tǒng)的設(shè)計方法。

1 多發(fā)點地震緊急救災(zāi)運輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)的功能模塊

該系統(tǒng)可作為緊急救援系統(tǒng)的子系統(tǒng)，它承擔(dān)著道路信息的管理、道路受損情況的評估、道路信息的查詢、最優(yōu)路徑的分析與發(fā)布等任務(wù)，因此多發(fā)點地震緊急救災(zāi)運輸系統(tǒng)的功能應(yīng)包括道路信息編輯模塊，災(zāi)情信息管理模塊，信息查詢模塊，路徑分析模塊以及道路功能評估模塊。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的功能模塊Fig.1 Function module of the system.

1.2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

1.2.1 圖形數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

圖形數(shù)據(jù)庫是基于GIS的數(shù)據(jù)庫形式，主要用來儲存和處理空間信息數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)存儲方式的不同可以分為矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。多發(fā)點地震緊急救災(zāi)運輸數(shù)據(jù)庫的圖形數(shù)據(jù)主要包括以下幾個信息：鐵路交通信息，空運交通信息，高速公路交通信息，國道交通信息，省道交通信息，城市道路、縣道及鄉(xiāng)間小路交通信息，水路交通信息，交通節(jié)點信息（其中包括橋梁和隧道），經(jīng)緯網(wǎng)信息等。每種信息由一個圖層來承擔(dān)，每個圖層由兩個字段來分別容納圖中要素的編號和名稱信息，編號定義了每段交通線路的首尾節(jié)點，比如某段線路首尾節(jié)點分別是V13、V14，用V13V14表示某段線路的編號；名稱字段定義了每條線路的名稱，比如京沈高速、107國 道等。如表1所示，每一個圖層對應(yīng)一個圖層名稱，它有兩個基本的屬性信息，即編號和名稱，在表中字段名所列。

表1 圖形數(shù)據(jù)庫

為了搜索和計算方便，本文將各種交通網(wǎng)絡(luò)分為三個級別的搜索層來參與計算，第一層包括鐵路交通圖，航空交通圖和高速公路交通圖；第二層包括國道交通圖，省道交通圖和大型水路交通圖；第三層包括城市道路交通圖，縣道交通圖和鄉(xiāng)間小路交通圖。參與計算的順序首先是第一層，然后是第二層，最后是第三層。如圖2所示，每一層中又包含幾種交通圖。1.2.2 屬性數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

圖2 三層交通圖的設(shè)計模式Fig.2 Design pattern for three layers＇traffic map.

表2 公路運輸屬性數(shù)據(jù)表

屬性數(shù)據(jù)庫主要儲存和處理與圖形數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的眾多屬性信息。也相應(yīng)由四個子庫數(shù)據(jù)表組成，主要包括航空運輸數(shù)據(jù)、鐵路運輸屬性數(shù)據(jù)、公路運輸屬性數(shù)據(jù)、水路運輸屬性數(shù)據(jù)以及大型水路運輸數(shù)據(jù)，文章僅以公路運輸屬性參數(shù)為例介紹屬性數(shù)據(jù)的組織方法。如表2所示，表中數(shù)據(jù)類型即數(shù)據(jù)的分類，比如整型（int）、字符（char）、浮點（float、double）。長度指的是數(shù)據(jù)類型的字節(jié)長度。

公路編號是給每條公路編的一個序號，為方便與圖形數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)所設(shè)；公路等級是指公路的規(guī)?；蚣墑e，這里指公路標(biāo)準(zhǔn)級別［12］，包括高速公路、國道、省道、縣道、鄉(xiāng)間小路等；節(jié)點即公路與公路間的交匯點，包括高速公路入道口、高速公路出道口、十字交叉口和轉(zhuǎn)盤節(jié)點等；節(jié)點用時是指通過交通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所用的時間，運輸在這里所花費的時間可加在下一段弧的時間權(quán)上來處理。

路段長度指兩節(jié)點之間某一段路的長度；路段設(shè)計速度是表明公路等級與使用水平的控制性指標(biāo)，是公路設(shè)計時所確定的速度。當(dāng)天氣好、交通密度小，行車只受公路本身條件影響時，具有中等駕駛技術(shù)的駕駛員能安全順適地駕駛車輛的速度，即接近計算行車速度。

交通量是指在單位時間內(nèi)通過公路某一斷面的車輛數(shù)。本文采用設(shè)計小時交通量。其計算公式為

式中，DHV為設(shè)計小時交通量；ADT為年平均日交通量；K為第30個高峰小時交通量對ADT的比率，一般城市取11%，平原取13%，山區(qū)取15%；D為方向不均衡系數(shù)，一般取0.6。

車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)是由國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定作為橋涵設(shè)計依據(jù)的公路車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)。

通行能力在一定道路和交通條件下，道路上某一路段單位時間內(nèi)通過某一斷面的最大車輛數(shù)。

時間權(quán)是通過道路長度，道路等級、交通量等基礎(chǔ)信息計算得到的，表示保證安全行駛下通過某路段的最快時間。該權(quán)值用bij表示，其計算公式為

式中，lij表示該路段的長度；vpij表示該路段的預(yù)測行駛速度；ei為表示物資通過i節(jié)點時的用時；vd為路段設(shè)計速度；k1為受高峰時段小時交通量影響系數(shù)；k2為天氣影響系數(shù)，也即天氣影響閾值；q為道路受損影響閾值。如果從點vi到點vj無交通線，則規(guī)定bij＝∞。

容量權(quán)用cij表示，表示該段線路上的容量，也即最大通過能力，其中空運、水運中指單機或單船的容量。據(jù)我國公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

式中：DHV為設(shè)計小時交通量；~N為設(shè)計小時交通量對應(yīng)急交通量的影像系數(shù)，考慮到日常的基本交通運輸，應(yīng)急交通運輸不可能占用全部道路運輸，~N的值一般取0.5。如果從點vi到點vj無交通線，則規(guī)定cij＝0。

模擬交通圖中的弧aij（或表示為（vi，vj））是指從點vi到點vj的交通線（包括空運、水運、陸運）。

天氣狀況的影響閾值的根據(jù)天氣狀況輸入信息中對天氣狀況的描述，將其影響的程度分給出天氣影響運輸時間和運量的等級。

1.2.3 屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的綁定

脫離了數(shù)據(jù)庫中的屬性數(shù)據(jù)，僅僅依靠GIS系統(tǒng)中的圖形數(shù)據(jù)是不完善的，也無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化計算。交通優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用混合式的存儲方式，即在同一界面下采用不同的形式分別存儲圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，二者通過“編號”建立關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。

2 多發(fā)點地震緊急救災(zāi)運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 震后交通圖的圖層拼接流程

震后交通圖的圖層拼接是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，基于圖層拼接的優(yōu)勢在于既能保證較少的計算量使得搜索時間較短，又能充分挖掘交通網(wǎng)絡(luò)的潛力。

圖層拼接的原則是盡量在高一級的圖層上搜索最短路徑并安排其運量，首先是在第一層上搜索最優(yōu)路徑，如果該層無法找到能按時到達(dá)的路徑，就要加載第二級圖層進(jìn)行搜索。比如當(dāng)遇到受損節(jié)點A－B而使震前的最短路徑變成超限路徑，我們將加載第二級圖層，搜索最短路徑并賦予這條路徑最大的運量。如果其運量還不能滿足需要，鎖定已得最優(yōu)路徑不參與搜索，繼續(xù)搜索下一條最短路徑并賦予其最大運量。如果在第二級圖層上找不到能及時到達(dá)的路徑或者無法滿足運量的需要，加載第三級圖層，如上面一樣搜索最短路徑并賦予其最大運量。如此繼續(xù)下去，直到找到滿足運量的限時的A－B的路徑為止。如圖3所示。

2.2 多發(fā)點地震緊急救災(zāi)運輸系統(tǒng)的界面設(shè)計

多發(fā)點地震緊急救災(zāi)運輸系統(tǒng)的界面設(shè)計應(yīng)充分體現(xiàn)包括道路信息編輯模塊，災(zāi)情信息管理模塊，信息查詢模塊，路徑分析模塊以及道路功能評估模塊在內(nèi)的幾大模塊的操作信息，另外要盡量考慮實用性、通用性。設(shè)計界面如圖4所示。

3 結(jié)論

圖3 圖層拼接流程圖Fig.3 Flow－chart of layer splicing procedure.

圖4 多發(fā)點地震緊急救災(zāi)運輸系統(tǒng)界面設(shè)計Fig.4 Interface design of multi－start earthquake rescue transportation optimization system.

本文通過對基于圖層拼接的多發(fā)點地震緊急救災(zāi)運輸系統(tǒng)設(shè)計的闡述，介紹了一種充分挖掘交通網(wǎng)絡(luò)潛力的新方法，對于解決震后應(yīng)急救援的緊急運輸問題提出了一條可行的思路，然而本方法尚未在實踐中得到應(yīng)用，可能會遇到的一些具體問題還需進(jìn)一步研究解決。

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