高速公路分階段協(xié)作應(yīng)急資源調(diào)度模型

于?，?，宋之杰，崔冬初

(燕山大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

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高速公路分階段協(xié)作應(yīng)急資源調(diào)度模型

于?，?，宋之杰，崔冬初

(燕山大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

根據(jù)高速公路交通事件應(yīng)急救援目標(biāo)，在假設(shè)救援資源配置點固定的前提下，首先，對高速公路區(qū)域路網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化抽象處理，以區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)救援資源配置總量最小為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行了應(yīng)急資源的配置優(yōu)化。然后，以應(yīng)急響應(yīng)時間最小為目標(biāo)，同時滿足事故點應(yīng)急資源的最大需求，建立了分階段協(xié)作救援資源調(diào)度模型；最后，利用LINGO軟件和MATLAB軟件進(jìn)行了實例求解分析。結(jié)果表明：經(jīng)過優(yōu)化后，各配置點的資源配置量和路網(wǎng)的總資源配置量均有明顯的降低，總資源量降低了36%；分階段協(xié)作應(yīng)急資源調(diào)度模型有助于應(yīng)急資源的合理調(diào)度。

交通工程；應(yīng)急資源；分階段協(xié)作；配置優(yōu)化；響應(yīng)時間

0 引言

目前，我國高速公路的應(yīng)急管理體系并不完善。國外研究表明，事故后的緊急救援對于人員傷亡的減少至關(guān)重要。隨著救援響應(yīng)時間的不斷延長，人員傷亡情況會愈加嚴(yán)重[1]。因此，如何進(jìn)行資源的配置和調(diào)度已成為研究的關(guān)鍵。

針對應(yīng)急救援資源的配置和調(diào)度方法，國內(nèi)外做了大量研究。Mock等[2]提出了應(yīng)急管理知識模型并成功應(yīng)用于西班牙水災(zāi)救援管理。Lord等[3]綜合考慮中心點和中位點，給出了雙目標(biāo)函數(shù)及算法。Ukkusuri[4]提出了災(zāi)前供應(yīng)資源點選址模型，目標(biāo)是使至少一個資源覆蓋需求點的概率最大化。Barbarosoglu[5]為了解決物資的供需不平衡問題，提出了多種類貨物、多運輸方式兩階段網(wǎng)絡(luò)流模型。Sayyady等[6]建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，以尋找非預(yù)知災(zāi)害情況下的居民最優(yōu)疏散路徑。Ziliaskopoulos等[7]使用線性規(guī)劃模型解決應(yīng)急疏散與救援組合問題，實現(xiàn)了總行程時間加權(quán)值最短。田依林[8]利用AHP 法結(jié)合模糊決策理論構(gòu)建了應(yīng)急資源選址模型。杜柯等[9]提出了應(yīng)急資源首次配置與調(diào)度的單事故指派模型和調(diào)度最短時間響應(yīng)指派模型。潘郁等[10]建立了多目標(biāo)應(yīng)急資源調(diào)度數(shù)學(xué)模型。柴干等[11]構(gòu)建了高速公路交通應(yīng)急救援資源配置隨機模型，并通過研究模型的參數(shù)選擇、求解和配置結(jié)果建立了完整的應(yīng)急資源配置方案。張玲[12]考慮多個受災(zāi)點同時需要資源和災(zāi)害的不確定性，建立了多資源點-多需求點多目標(biāo)規(guī)劃模型。以上模型均將動態(tài)信息完整、可靠作為前提條件，其理論價值大于實際效果。

本文對高速公路路網(wǎng)進(jìn)行抽象網(wǎng)絡(luò)化處理，充分考慮事故不同階段路網(wǎng)內(nèi)各資源配置點資源之間的協(xié)作，分別以資源配置總量和響應(yīng)時間最小為目標(biāo)，構(gòu)建應(yīng)急資源配置優(yōu)化模型和分階段協(xié)作應(yīng)急資源調(diào)度模型，并進(jìn)行實例驗證。

1 問題描述

應(yīng)急救援調(diào)度是在應(yīng)急資源配置的基礎(chǔ)上完成的，是高速公路交通事件應(yīng)急處理的關(guān)鍵。在高速公路區(qū)域路網(wǎng)中某路段或多個路段發(fā)生交通事故時，可能由于事件檢測技術(shù)或信息采集設(shè)備的不完善造成事件信息與需求不充分，進(jìn)行首次資源調(diào)度之后還要根據(jù)交通事故的實際情況進(jìn)行多次資源調(diào)度。因此在進(jìn)行應(yīng)急資源的調(diào)度時應(yīng)該充分考慮路網(wǎng)內(nèi)多個資源配置點的協(xié)作，保證資源調(diào)度的及時有效。

2 模型構(gòu)建

2.1 路網(wǎng)抽象化處理

為了簡化高速公路路網(wǎng)，需要對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化處理。假設(shè)救援資源配置點位置已知，綜合分析交通事故歷史數(shù)據(jù)，將事故多發(fā)點作為潛在事故點，即應(yīng)急救援點，按照就近原則將其劃分到各救援配置點管理范圍，以事故多發(fā)點、事故黑點為質(zhì)心。資源配置點是路網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)區(qū)、交通管理中心、養(yǎng)排中心等；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則是各資源配置點、收費站、樞紐站等。將各節(jié)點用弧連接，完成高速公路路網(wǎng)的抽象化處理。

事故的處理過程分為兩個階段，第1階段由最近的救援資源配置點提供資源,第2階段由其他救援資源配置點提供,通過多個配置點的協(xié)作降低事故響應(yīng)時間，使整個路網(wǎng)救援資源總數(shù)最小。

2.2 應(yīng)急資源配置優(yōu)化模型

以高速公路區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)救援資源配置總量最小為目標(biāo)，構(gòu)建應(yīng)急救援資源配置優(yōu)化模型。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(1)為目標(biāo)函數(shù)，表示高速公路區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)救援資源配置總數(shù)最小。式(2)至式(4)為資源數(shù)量約束，式(2)表示每個事故點接收到的資源數(shù)量總和不小于需求量；式(3)表示每個配置點擁有的資源總量不僅能滿足已經(jīng)發(fā)生的交通事故第1階段對救援資源的需求，還要滿足其他潛在事故點的需求；式(4)表示每個配置點在提供第2階段的需求資源后，還必須能夠滿足管轄范圍內(nèi)發(fā)生另一起交通事故時第1階段需要的資源量。

式(5)、(6)為式(1)的系數(shù)約束，表示僅需要兩個配置點派出資源即可滿足事故救援需求的前提條件。

2.3 分階段協(xié)作應(yīng)急救援資源調(diào)度模型

高速公路區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)資源配置點的集合為R={Ri|i=1,2,…,m}， 位置固定。假設(shè)發(fā)生n起交通事故，事故發(fā)生地用j來表示，則事故點集合可表示為P={Pj|j=1,2,…,n}。

構(gòu)建分階段協(xié)作應(yīng)急救援資源調(diào)度模型如下。

(7)

(8)

(9)

3 實例驗證與分析

3.1 配置優(yōu)化模型驗證

以高速公路G22，G15，G1511，G25部分路段組成的區(qū)域路網(wǎng)為實例進(jìn)行驗證。假設(shè)每條高速公路上有1個資源配置點，潛在的事故發(fā)生點共有9個。資源配置點與潛在事故點的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 資源配置點與潛在事故點位置圖Fig.1 Location of resource allocation points and potential accident points

分析歷史救援?dāng)?shù)據(jù)，得出潛在事故點救援過程中各階段資源需求，如表1所示。由歷史事故等級情況，確定概率P的取值為0.5。

表1 事故發(fā)生地資源需求

將表1中數(shù)據(jù)代入模型中，采用LINGO軟件求解目標(biāo)函數(shù)值結(jié)果，如表2所示。

表2 應(yīng)急資源配置優(yōu)化結(jié)果

資源配置點在事故處理第2階段是否派出救援資源情況如表3所示。其中“1”代表派出；“0”代表不派出。

表3 資源配置點第2階段派出資源情況

若不采用資源配置優(yōu)化，即配置點只負(fù)責(zé)所在路段事故的應(yīng)急救援，資源配置量由式(10)求得：

(9)

未進(jìn)行優(yōu)化的資源配置量如表4所示。

表4 未進(jìn)行配置優(yōu)化的資源配置量

圖2為應(yīng)急資源配置優(yōu)化前后對比，可以看出，各配置點的資源配置經(jīng)過優(yōu)化后都有所降低，配置點1和2降低得較明顯，分別為47%和55%；配置點3和4的資源數(shù)量分別降低26%和28%。資源總量降低36%，說明配置優(yōu)化具有明顯作用，節(jié)約了資源，避免了浪費。

圖2 應(yīng)急資源配置優(yōu)化前后對比Fig.2 Comparison of emergency resource configuration before and after optimization

3.2 分階段協(xié)作調(diào)度模型驗證

假設(shè)路網(wǎng)內(nèi)發(fā)生4起交通事故，有4個資源配置點提供救援資源。從資源配置點到事故發(fā)生點的行程時間Tij如表5所示，各資源配置點初始狀態(tài)擁有的資源數(shù)量如表7所示，各交通事故發(fā)生地首次調(diào)度和補充調(diào)度需要的資源數(shù)量如表6和表7所示。

表5 資源配置點到事故發(fā)生點的行程時間

表6 交通事故發(fā)生點的首次調(diào)度車輛數(shù)(單位: veh)

表7 交通事故點不同時刻調(diào)度需求車輛數(shù)(單位: veh)

利用本文構(gòu)建的分階段協(xié)作應(yīng)急資源調(diào)度模型，充分考慮事故嚴(yán)重程度和資源配置點配置的資源數(shù)量，利用Matlab軟件編程求解，結(jié)果如表8所示。

表8 應(yīng)急資源調(diào)度方案

求解過程如下：

Step 1: 根據(jù)各事故發(fā)生地救援資源首次調(diào)度需求gi(0)和h時刻調(diào)度需求sj(h)，求得事故發(fā)生地j的h時刻資源需求量；

Step 2: 計算資源配置點在h時刻所提供的救援資源數(shù)量ki(h)；

Step 3: 將資源配置點i到事故發(fā)生地j的行程時間Tij等相關(guān)數(shù)據(jù)代入模型及約束條件中，計算不同時刻從資源配置點i到事故發(fā)生點j的救援資源調(diào)度數(shù)量qij(h)。

4 結(jié)論

高速公路救援資源的配置和調(diào)度是應(yīng)急救援的重要部分。優(yōu)化資源配置，可以節(jié)約資源，避免浪費；分階段資源調(diào)度，可以提高救援效率，降低救援成本。本文主要完成了以下工作：

(1) 對高速公路路網(wǎng)進(jìn)行了抽象化處理，以資源配置總量最小為目標(biāo)，構(gòu)建了應(yīng)急資源配置優(yōu)化模型。(2) 提出了分階段協(xié)作資源調(diào)度模型。(3) 利用LINGO和MATLAB軟件進(jìn)行了模型的驗證和實例分析，結(jié)果表明,本文的模型可以通過5個有效時段的配送完成4次交通事件環(huán)境應(yīng)急救援資源的配置工作，具有一定的可實施性和實用性。

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A Model for Expressway Emergency Resource Scheduling Based on Phased Collaboration

YU Fu-ying, SONG Zhi-jie, CUI Dong-chu

(School of Economics and Management, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

According to the goal of expressway traffic incident emergency rescue, under the assumption that rescue resources configuration points is fixed, the regional expressway network is processed by networked abstraction at first. Taking the minimum of the total rescue resources configuration in regional network as the objective function, the emergency resource configuration is optimized. Then, the emergency resource scheduling model based on phased collaboration is built with the goal of minimum emergency response time and meeting the biggest emergency resource need of accident points. Finally, the example is solved and analyzed by applying LINGO and MATLAB software. The result shows that (1) the resource configuration amounts of each configuration point and road network are significantly lower after optimization, the Total resource allocation amount is reduced by 36%; (2) the proposed model contributes to reasonable scheduling of emergency resources.

traffic engineering; emergency resource; phased collaboration; configuration optimization; response time

2015-12-17

河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃軟科學(xué)研究項目(144576136D)，河北省自然基金項目(G2014203230)

于福瑩(1976-)，女，吉林長春人，副研究員.(yufuying2000@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.021

U491

A

1002-0268(2016)09-0136-05