大型海上船舶溢油事故應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化研究

李 松,陳瑩珍，李海偉，陳保全

(1.寧波大學(xué) 海運學(xué)院，寧波 315211；2.寧波海事局寧波海上溢油應(yīng)急設(shè)備庫，寧波 315020)

海上石油運輸量的快速增加以及船舶大型化的趨勢，使海洋生態(tài)環(huán)境和海洋經(jīng)濟建設(shè)遭受大型海上船舶溢油事故的威脅不斷增大。我國進口原油主力運輸船舶超過10萬t級，30萬t滿載油輪(按15個貨艙計)事故半艙溢油量就可達1萬t。大型集裝箱和散貨船自用燃油一般幾千噸甚至上萬噸。船舶溢油在海上風(fēng)、浪、流等自然條件作用下擴散速度快，海上船舶溢油應(yīng)急響應(yīng)要求較高的時效性，否則將大大增加溢油處理面積、難度以及其他各項成本。2018年1月6日，裝載有約13.6萬t凝析油的巴拿馬籍油船“桑吉”輪發(fā)生碰撞事故，全船劇烈爆燃后沉沒，造成油污泄漏，事故應(yīng)急調(diào)動了大量溢油應(yīng)急資源，出動大批各類專業(yè)船只，累計清污面積超100平方海里。

國家溢油應(yīng)急設(shè)備庫(海區(qū)級)、船舶溢油專業(yè)清除公司(港口級)、散布于港口不同規(guī)模的企業(yè)應(yīng)急物資等，以及專兼職應(yīng)急人員隊伍、各級指揮管理機構(gòu)等，共同構(gòu)成了我國的溢油應(yīng)急資源總體架構(gòu)。應(yīng)對大型海上船舶溢油事故，往往需要調(diào)用大批應(yīng)急資源，多方、跨域、快速應(yīng)急聯(lián)動。應(yīng)急資源聯(lián)動調(diào)度包含內(nèi)容較多，如機構(gòu)協(xié)調(diào)、評估判斷、人員搜救、消防滅火、醫(yī)療救護、海上清污、堵漏過駁、敏感資源防護、難船控制、監(jiān)視監(jiān)測、警戒警備、岸線溢油清除、溢油回收物的陸上接收處置等。因應(yīng)急物資和人員隊伍等其他資源總體上是同步建設(shè)的，本文以應(yīng)急物資替代應(yīng)急資源，作為聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化的主要對象。

現(xiàn)有的大量關(guān)于溢油應(yīng)急資源調(diào)度研究的論文，其模型多側(cè)重于物資調(diào)度最優(yōu)解的獲取，以及優(yōu)化算法精度的改進，但論文的模型構(gòu)建不能很好地切合應(yīng)急響應(yīng)的操作實際。同時對于目前較成熟的優(yōu)化算法和運算軟件來說，類似本文復(fù)雜程度一般的優(yōu)化模型求解，其運算的精度和效率已不是主要矛盾，更貼近應(yīng)急響應(yīng)流程實際的應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化模型值得進一步研究。

本文擬建立考慮海上溢油應(yīng)急資源配置現(xiàn)狀、應(yīng)急資源聯(lián)動調(diào)度操作實際、應(yīng)急運輸能力以及應(yīng)急物資使用順序等因素的，大型海上船舶溢油事故應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度模型。然后在Matlab R2017a軟件平臺上應(yīng)用yalmip工具箱和cplex優(yōu)化求解器，求解應(yīng)急物資優(yōu)化調(diào)度方案。本文的研究有助于大型溢油事故應(yīng)急響應(yīng)條件下的散布式應(yīng)急資源科學(xué)、高效、快速的聯(lián)動調(diào)度，減輕船舶溢油事故危害后果。

1 模型假設(shè)及相關(guān)描述

假設(shè)1：溢油應(yīng)急響應(yīng)以應(yīng)急資源快速到達現(xiàn)場、及時采取有效處理措施為首要目的。部分溢油應(yīng)急物資如消油劑、圍油欄等具有有效期，需定期更新，大型海上船舶溢油事故發(fā)生概率也相對較小。因此本文模型不考慮溢油應(yīng)急響應(yīng)的經(jīng)濟費用最小問題。

假設(shè)2：事故發(fā)生時溢油事故泄漏量已做基本判定，認為已知且后續(xù)不變。

假設(shè)3：受海區(qū)或島嶼地形影響，也因日常溝通協(xié)調(diào)、演練演習(xí)，事故時快速響應(yīng)的便利，溢油應(yīng)急物資集散點(配備有溢油應(yīng)急處置船舶，一般為配備溢油應(yīng)急船的國家溢油設(shè)備庫、溢油專業(yè)清除公司以及大型危險品港口企業(yè)等的應(yīng)急船舶?？看a頭)與鄰近各港口企業(yè)資源(只配置有應(yīng)急物資，沒有溢油應(yīng)急處置船舶)具有分組對應(yīng)關(guān)系，也即小范圍內(nèi)的聯(lián)防體系。

假設(shè)4：本文不考慮應(yīng)急船舶至事故發(fā)生點的航線選擇，溢油應(yīng)急物資集散點與溢油事故點、及鄰近其他各港口企業(yè)之間距離已知。后續(xù)研究中可與自動航線規(guī)劃結(jié)合，進一步在溢油應(yīng)急指揮平臺實現(xiàn)應(yīng)急物資自動、智能調(diào)度。

假設(shè)5：各溢油應(yīng)急物資集散點的應(yīng)急物資種類和數(shù)量已知，包括小范圍內(nèi)聯(lián)防體系可調(diào)用的物資。

假設(shè)6：應(yīng)急船舶主要分為兩類，應(yīng)急處置船(圍油欄布放、應(yīng)急卸載泵和收油機運行、消油劑噴灑等)和污油儲運船。其他根據(jù)事故特點還可能有消防船、運輸平板駁船等。溢油應(yīng)急處置船舶裝載量認為容積受限，且可混裝不同種類應(yīng)急物資，航速在10～20 kn之間。

假設(shè)7：溢油應(yīng)急船舶可多次往返該船所屬的溢油應(yīng)急物資集散點裝載物資。模型不另計溢油處置現(xiàn)場的時間消耗(主要受應(yīng)急物資消耗速度以及續(xù)航能力限制影響)，物資到達現(xiàn)場即認為可隨時投入使用。認為船舶由碼頭到事故點航行時間，與返程所用時間一致。

假設(shè)8：溢油應(yīng)急物資在事故現(xiàn)場根據(jù)響應(yīng)流程具有一定的使用次序，如第一時間需要大量圍油欄控制現(xiàn)場溢油進一步擴散，數(shù)臺應(yīng)急卸載泵(將泄漏艙的余油卸往其他油艙、壓載艙或其他儲運船只)，再使用收油機將海上溢油回收入污油儲運船，最后零星海上溢油使用消油劑和吸油毯等處理。上述應(yīng)急響應(yīng)操作總體可看作成熟的作業(yè)程序，并且處置現(xiàn)場指揮根據(jù)險情具體情況，具有較強的靈活指揮和處置余地。如油品在海上已大量泄漏完畢，且擴散速度較快，此時首先緊急需要的是大量圍油欄和收油機控制事態(tài)進一步發(fā)展。再如兩船碰撞后，油品在水面附近持續(xù)泄漏，則此時堵漏、圍油欄控制、卸載等，各種處置措施宜同步推進[1]。

假設(shè)9：溢油應(yīng)急處置船的物資裝載主要受艙容限制，結(jié)合假設(shè)8，考慮應(yīng)急物資的積載因素(各類貨物每一噸在貨艙中正常堆積時所占的艙容)，可將不同應(yīng)急物資數(shù)量轉(zhuǎn)化為體積，從而簡化模型建立與求解。圍油欄45 m3/100 m(取典型值，不具體考慮不同類型圍油欄的積載因素差異)，應(yīng)急卸載泵10 m3/臺，收油機10 m3/臺(取中型)，溢油分散劑1.5 m3/t，吸油材料5 m3/t。

當(dāng)前我國溢油應(yīng)急處置船實際配置情況，主要以中、小型溢油應(yīng)急處置船為主，貨艙分別取為200 m3和100 m3。儲油艙分別約700 m3和300 m3。以船長約60 m的中型溢油應(yīng)急處置船為例，貨艙可一次裝載400 m圍油欄，2臺應(yīng)急卸載泵。

假設(shè)10：不另計應(yīng)急物資在碼頭的裝船時間。一是因應(yīng)急處置船舶噸位普遍不大，各船裝載花費時間總體差別不大。二是絕大多數(shù)情況下，應(yīng)急處置船所?？看a頭緊鄰應(yīng)急物資倉庫，第一次出運不需要等待從其他處臨近倉庫轉(zhuǎn)運應(yīng)急物資。如果第2艘次及第N艘次裝載應(yīng)急物資，且需要從其他港口企業(yè)應(yīng)急物資倉庫轉(zhuǎn)運，則此時鄰近各港口企業(yè)的物資已經(jīng)提前經(jīng)陸運或水運抵到溢油應(yīng)急物資集散點碼頭[2]。

假設(shè)11：因消防船、污油儲運船均為自航船舶，和應(yīng)急處置船各自航抵事故現(xiàn)場，其主要受航速、距離及由事故規(guī)模決定的需求量影響。只需污油儲運船的運力達到相關(guān)規(guī)定要求(如應(yīng)對1 000 t級溢油事故，儲運能力需大于2 000 t)，則即可認為污油儲運船的抵達次序及艙容與現(xiàn)場溢油回收速度(或應(yīng)急卸載速度)總體匹配。污油儲運船的調(diào)度不列入本文調(diào)度優(yōu)化模型。

假設(shè)12：在大型船舶溢油應(yīng)急事故情況下，因應(yīng)急處置船數(shù)量及裝載能力有限，存在臨時調(diào)用平板駁船單次大量運輸圍油欄的可能。在論文算例部分，考慮有些應(yīng)急物資集散點配置了平板駁船，其運輸能力設(shè)定為800 m3。

假設(shè)13：考慮應(yīng)急運輸?shù)奶厥庑裕瑧?yīng)急物資可以適當(dāng)多予估算的需求，所以假定運輸船每航次都滿艙，不半艙裝載。

假設(shè)14：大型溢油事故應(yīng)急還可能臨時征調(diào)一定數(shù)量的拖船、漁船等小型船只參與應(yīng)急響應(yīng)，本文模型對這部分應(yīng)急力量暫不考慮。

2 模型構(gòu)建

根據(jù)以上假設(shè)條件的分析，應(yīng)急響應(yīng)的關(guān)鍵影響因素在于應(yīng)急響應(yīng)船舶對應(yīng)急物資的運載能力及航行時間，因此設(shè)置決策變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)決策變量。

fij為第i個溢油應(yīng)急物資集散點實際共出運的第j類應(yīng)急物資的數(shù)量；yik為第i個溢油應(yīng)急物資集散點第k艘船的總運輸航次。

(2)模型參數(shù)[3]。

事故溢油A噸；共需要j類應(yīng)急物資，需求量分別為E1，E2，…Ej，m3；Fij為第i個溢油應(yīng)急物資集散點的第k類應(yīng)急物資可調(diào)用數(shù)量，m3；vik∈{200，100}為第i個溢油應(yīng)急集散點第k艘船的艙容；其中200 m3，100 m3分別表示中、小型船的艙容；sik∈(10，22)為第i個溢油應(yīng)急物資集散點第k艘船的航速的取值范圍，kn。這里對數(shù)據(jù)作以標(biāo)準(zhǔn)化處理，將各溢油應(yīng)急集散點的船的數(shù)量補齊到和最多的點的船數(shù)量一樣多，速度和容量取小值，如0.1，這樣可以得到對稱數(shù)組，方便優(yōu)化計算。Di為第i個溢油應(yīng)急集散點距離事故點的距離，n mile。tik為第i個溢油應(yīng)急集散點第k艘船的往返運輸一個航次所需時間，h。

(1)

TBik=y.×Ti=1,2…,n；k=1,2…,p.

(2)

TBik為所有應(yīng)急處置船的響應(yīng)航時。TC為每個應(yīng)急集散點的各船航時之差，這里需排除為數(shù)組取整虛設(shè)的艘次。MaxTB為各船應(yīng)急響應(yīng)時間最長的一艘。

(3)

MaxTB=max(max(TB))

(4)

(3)約束條件。

(5)

fij≤Fij，i=1,2…,n；j=1,2…,m

(6)

(7)

(8)

(4)目標(biāo)函數(shù)。

T=min(TC+MaxTB)

(9)

約束條件(5)為每個應(yīng)急物資集散點的實際出運第j類物資之和，不小于事故總的對j類物資的應(yīng)急需求。約束條件(6)為每個應(yīng)急物資集散點的實際出運第j類物資，不大于每個應(yīng)急物資集散點的該類物資可調(diào)用總量。約束條件(7)為每個應(yīng)急物資集散點的每艘出運船舶航次乘以該船的運量，不大于每個應(yīng)急物資集散點的總共的物資可調(diào)用總量。約束條件(8)為每個應(yīng)急物資集散點各船舶的所有航次出運量之和應(yīng)等于每個應(yīng)急物資集散點的實際出運量[4]。

目標(biāo)函數(shù)(9)的含義為，每個應(yīng)急物資集散點所屬第k艘船之間是并行航行與作業(yè)的，轉(zhuǎn)化為各應(yīng)急集散點的各船航時之差應(yīng)該最小。MaxTB為運輸時間最大的應(yīng)急處置船的航時。目標(biāo)函數(shù)是兩者之和最小，隱含的內(nèi)容：一是各應(yīng)急物資集散點的船舶最長的運輸時間最小，二是各應(yīng)急集散點所屬船舶之間所需時間差值的最小化，可以使各點的所用時間總體均等，也即總的輸運時間的優(yōu)化[5]，用T表示。

3 模型求解

3.1 大型溢油事故應(yīng)急響應(yīng)物資需求當(dāng)量估算[6-7]

溢油事故泄漏量已知且后續(xù)不變，參考國家船舶溢油應(yīng)急設(shè)備庫設(shè)備配置管理規(guī)定(試行)中對不同等級設(shè)備庫的設(shè)備配置要求，可總體估算出不同等級事故需要的應(yīng)急物資量。

大型庫清污能力1 000 t，應(yīng)急服務(wù)半徑350 nm。應(yīng)急卸載泵4～6臺。圍油欄不少于2 200 m。收油機4～6臺。溢油分散劑不低于200 t。吸油材料大于80 t。以及適當(dāng)數(shù)量的消油劑噴灑裝置等。

關(guān)于應(yīng)急船舶主要配備兩大類，一是應(yīng)急處置船(可選擇配置溢油圍控裝置、油水分離裝置、應(yīng)急卸載裝置、清潔裝置和溢油監(jiān)視裝備等應(yīng)急處置裝備，以及一定數(shù)量的吸油氈、吸油拖欄和溢油分散劑等應(yīng)急處置物資)，參考《國家船舶溢油應(yīng)急設(shè)備庫設(shè)備配置管理規(guī)定(試行)》(2008.11)對不同等級設(shè)備庫的設(shè)備配置(包括自備和協(xié)議兩種形式)規(guī)定，結(jié)合調(diào)研實際，大型庫(對抗1 000 t溢油)一般自備約2艘中、大型應(yīng)急處置船，續(xù)航能力約5 d，船艙約200 m3，約可裝載400 m圍油欄，2臺應(yīng)急卸載泵等，儲油艙可儲油約700 m3。二是污油儲運船不少于3艘，儲運能力大于2 000 t。另外一般有其他各類輔助船舶數(shù)艘，如圍油欄布放艇、自航式收油機等。

表1為參考《國家船舶溢油應(yīng)急設(shè)備庫設(shè)備配置管理規(guī)定》(試行)中，對1 000 t級、500 t級、200 t級設(shè)備庫的配置規(guī)定，并在此基礎(chǔ)上推理出5 000 t級和10 000 t級事故需要的應(yīng)急物資估算量。假設(shè)某溢油量5 000 t級的事故，應(yīng)急處置則需要調(diào)用E1圍油欄4 000 m，E2應(yīng)急卸載泵7臺，E3收油機7臺，E4溢油分散劑不低于800 t，E5吸油材料320 t。污油儲運船8 000 t。將各類應(yīng)急物資的數(shù)量單位近似轉(zhuǎn)換為當(dāng)量體積，即E1為4 950 m3，E2為200 m3，E3為250 m3，E4為1 500 m3，E5為2 000 m3。另需要污油儲運能力E610 000 t，其他輔助船只模型暫不考慮。

表1 不同海上溢油等級事故所需應(yīng)急物資估算Tab.1 Estimation of emergency supplies required for accidents with different offshore oil spill grades

3.2 模型實現(xiàn)

本文的模型主要特點是更加接近于應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度的工作實際，模型自身構(gòu)建及求解復(fù)雜程度一般，對優(yōu)化求解結(jié)果也有一定的誤差容忍度。同時目前各種優(yōu)化求解軟件功能已相當(dāng)強大，如Lingo1stOptMatlabOriginProSPSSDataFit等軟件，以及YalmipCplexGurobiSpams等工具箱和優(yōu)化求解器等，能夠較好地用于本文模型算法求解。因此本文認為大型海上船舶溢油事故應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化的主要矛盾在于模型構(gòu)建，模型的優(yōu)化求解可通過現(xiàn)有軟件獲得較好解決。

基于Matlab R2017a軟件平臺，使用yalmip工具箱調(diào)用cplex優(yōu)化求解器，求解溢油應(yīng)急物資調(diào)度優(yōu)化方案。Yalmip是Matlab的一個建模工具包，最大特色是集成和可調(diào)用外部最優(yōu)化求解器，如gurobi、cplex等，也可調(diào)用Matlab自帶的工具箱。雖然不同求解器多使用不同的專用語言，但Yalmip可將簡便高效的Yalmip建模求解語言轉(zhuǎn)換成其他求解器語言，從而可簡潔方便的應(yīng)用于優(yōu)化問題求解。YALMIP四個主要流程包括設(shè)置決策變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、利用工具箱求。

表2 模型求解實現(xiàn)關(guān)鍵代碼Tab.2 Key code of model solving

4 模型算例分析

本文用幾個算例來對算法和程序進行測試并進行簡要分析。

4.1 已知參數(shù)

式(10)為各應(yīng)急集散點可供調(diào)配的應(yīng)急物資數(shù)量，已轉(zhuǎn)換為當(dāng)量體積，單位為m3。行表示各應(yīng)急集散點，共10個，列表示應(yīng)急物資的種類，分別為圍油欄、應(yīng)急卸載泵、收油機、溢油分散劑、吸油材料、污油儲運能力(單位為t)。

(10)

D=[120 80 250 140 60 98 110 350 30 160]

(11)

式(11)為各應(yīng)急集散點距離事故發(fā)生地的距離，單位為n mile。式(12)為各船的參數(shù)，行為船所屬應(yīng)急集散點，列為船的速度和容量參數(shù)。

V1=[12 100] ；V2=[12 200;15 100] ；

V3=[22 200;15 100;10 100] ；

V4=[18 100;15 200;12 100] ；

V5=[18 100;12 100] ；

V6=[18 200;12 100] ；

V7=[18 200;12 100] ；

V8=[22 200;15 100;10 800;12 100] ；

V9=[18 100;12 100] ；V10=[12 100]。

(12)

4.2 模型算例測試

表3和表4分別為同一事故點，10 000 t級、5 000 t級、1 000 t級和500 t級，4種不同等級事故的溢油應(yīng)急事故應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化方案。

表3 10 000 t級和5 000 t級溢油應(yīng)急事故應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化方案Tab.3 The optimized coordinated scheduling of emergency supplies for the 10,000-ton and 5,000-ton oil spill

表4 1 000 t級和500 t級溢油應(yīng)急事故應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化方案Tab.4 The optimized coordinated scheduling of emergency supplies for the 1,000-ton and 500-ton oil spill

4.3 計算結(jié)果分析

(1)表3和表4中各應(yīng)急物資集散點出運的物資數(shù)量方案與表2中的需求量相比，計算結(jié)果符合模型預(yù)期。使各應(yīng)急處置船開航時盡量滿艙，溢油應(yīng)急物資數(shù)量，各單項數(shù)量與總量均大于等于需求量。

(2)從4個不同溢油等級的算例總體可以看出，各溢油應(yīng)急集散點的物資出運量，以及船舶艘次計算結(jié)果較為合理，各船總航時、總航次較為均衡，使計算結(jié)果中航時最大的一艘應(yīng)急處置船能代表應(yīng)急物資運輸總時間。模型及優(yōu)化計算結(jié)果也反應(yīng)了各應(yīng)急集散點，各船舶在時間上并行作業(yè)的特點。

(3)第8個溢油應(yīng)急集散點的大艙容駁船，因距離事故較遠且航速較慢，在萬噸級溢油事故物資調(diào)度方案中得到使用。

(4)在中小型溢油應(yīng)急事故響應(yīng)中，在事故地點距離最近的若干應(yīng)急物資集散點的物資儲備往往能滿足需求。對比表3和表4，本文模型在重特大溢油應(yīng)急事故中能夠起到更好的聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化作用。

(5)溢油儲運船一般具有自航能力，以距離遠近調(diào)用與事故等級匹配的儲運能力即可。

5 結(jié)論

根據(jù)我國現(xiàn)階段防治船舶污染海洋環(huán)境能力建設(shè)實際，結(jié)合大型海上船舶溢油應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度工作流程特點，建立了應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化模型，通過算例分析了模型的有效性。本文的研究有助于重特大海上溢油事故應(yīng)急物資聯(lián)動調(diào)度優(yōu)化，提高應(yīng)急響應(yīng)的時效性，減輕事故危害后果。

在后續(xù)研究中，聯(lián)動調(diào)度模型仍有許多地方需要進一步改進，如考慮溢油的擴散和移動，應(yīng)急處置船停靠各應(yīng)急物資集散點，在應(yīng)急響應(yīng)狀態(tài)下可根據(jù)搶險需要調(diào)配，以及在研究大型溢油事故發(fā)生概率較大的水域分布基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化應(yīng)急物資集散點分布及物資倉儲量配置等。