基于動態(tài)規(guī)劃的險情救援方法研究

訾 潤

（青島消防支隊平度大隊，山東 青島 266000）

地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，加之人為原因造成的火災(zāi)、泄露和污染等，給消防救援工作造成了極大困難[1]。尤其是與化工類產(chǎn)品相關(guān)的險情救援，不僅難度大，而且救援風(fēng)險高?；ゎ惍a(chǎn)品的原料、中間品和最終品是各種形式的化學(xué)物質(zhì)，其在常規(guī)狀態(tài)下是穩(wěn)定、安全且無害的，一旦處于高溫高壓、特殊催化劑和特殊反應(yīng)過程中，則會出現(xiàn)物質(zhì)的重新生成或物態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而變?yōu)橛卸?、有害的物質(zhì)[2]。以火災(zāi)發(fā)生后的險情為例，如果是化工廠發(fā)生火災(zāi)，在高溫灼燒的情況下，大量的化工產(chǎn)品會從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或氣態(tài)。液態(tài)在高溫下會發(fā)生沸騰噴濺現(xiàn)象，氣態(tài)則容易揮發(fā)和擴(kuò)散[3]。這些經(jīng)過高溫反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，大都是有毒、有害的液體或氣體，還具有較強(qiáng)的腐蝕性，會給救援人員和周邊設(shè)備帶來較大危害，需要充分考慮險情救援的方法，尤其是合理的安全范圍設(shè)定和救援路徑設(shè)計，這與救援效率和救援效果密切相關(guān)。

1 險情救援的安全范圍分析

為了有效解決險情救援問題，該文仍然以化學(xué)品發(fā)生火災(zāi)的特殊案例進(jìn)行分析。原因是化學(xué)品發(fā)生火災(zāi)的搶險救援難度大、安全保證系數(shù)低。如果能妥善應(yīng)對化學(xué)品火災(zāi)的險情救援，其他的常規(guī)險情救援就更可以有效應(yīng)對了。

化學(xué)品發(fā)生火災(zāi)后，其救援的最大難點在于化學(xué)品的毒性和高腐蝕性，同時化學(xué)品還會在高溫灼燒的過程中發(fā)生物態(tài)轉(zhuǎn)換，從而形成沸騰、可噴濺的液態(tài)物質(zhì)或者具有毒性的可揮發(fā)氣態(tài)物質(zhì)。

救援人員一方面要撲滅火情，另一方面要特別注意躲避液態(tài)化學(xué)品的噴濺腐蝕并避免吸入氣態(tài)化學(xué)品而中毒。從救援人員的個人防護(hù)措施來看，穿戴防護(hù)服，尤其是佩戴防毒面具，可以有效地保護(hù)自身安全，避免化學(xué)品液態(tài)腐蝕和化學(xué)品氣態(tài)毒害。但是，僅從救援人員個體的微觀防護(hù)角度加以防護(hù)還是不夠的，需要從宏觀空間維度進(jìn)行安全范圍分析并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

在燃燒的化學(xué)品儲罐和尚未發(fā)生燃燒的化學(xué)品儲罐之間設(shè)置有效的隔離屏障，避免液態(tài)化學(xué)品沸騰噴濺和火勢蔓延是一種最常用的手段，具體執(zhí)行如圖1 所示。

圖1 燃燒的化學(xué)品儲罐和尚未發(fā)生燃燒的化學(xué)品儲罐的隔離防護(hù)措施

從圖1 可以看出，3 個圓柱體代表了化學(xué)品儲罐。其中，最左側(cè)的化學(xué)品儲罐已經(jīng)發(fā)生了災(zāi)情，處于燃燒狀態(tài)。而右上化學(xué)品儲罐和下方化學(xué)品儲罐都處于安全狀態(tài)，尚未發(fā)生燃燒。在該情況下，救援搶險的第一步工作不是急于撲滅已經(jīng)燃燒的化學(xué)品儲罐，而是先保護(hù)尚未發(fā)生燃燒的化學(xué)品儲罐，避免災(zāi)情進(jìn)一步蔓延。如圖1 所示，在燃燒化學(xué)品儲罐和尚未燃燒的化學(xué)品儲罐之間架設(shè)隔離屏障，對火情和可能噴濺傳播的化學(xué)品進(jìn)行物理隔離，是非常有效的救援措施。該隔離措施在防范有毒物的固體煙塵顆粒擴(kuò)散、沸騰液體噴濺方面是特別有針對性的。通過該隔離處理方法，可以避免化學(xué)品儲罐各種物態(tài)物質(zhì)發(fā)生擴(kuò)散，有利于避免災(zāi)情蔓延和險情進(jìn)一步擴(kuò)大，同時有利于保護(hù)險情區(qū)域內(nèi)的工作人員和救援人員，以更高的安全度去完成救援。

采取首要的隔離措施后，進(jìn)一步對救援人員采取安全保護(hù)措施，這就需要設(shè)定安全距離。安全距離是指通過增大救援人員距險情點的距離和范圍，來避免火焰灼燒和有毒物侵害。除了要考慮救援人員的安全性外，還要考慮救援設(shè)備操作過程中的技術(shù)參數(shù)，即救援設(shè)備的合理操作范圍。在救援過程中，利用滅火器、高壓水槍等工具進(jìn)行滅火處理時也要充分考慮安全距離。安全范圍設(shè)置如圖2 所示。

圖2 燃燒的化學(xué)品儲罐救援的安全距離

在圖2 中，左側(cè)的化學(xué)品儲罐發(fā)生燃燒，救援人員和救援車輛需要保持一定的安全距離后再實施救援。否則，燃燒化學(xué)品儲罐內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)可能會噴濺進(jìn)而灼傷救援人員或損壞救援車輛。當(dāng)然，救援的安全距離不一定是一個固定的數(shù)值，其更可能是一個合理的救援范圍，該范圍應(yīng)該既能保證救援人員和救援車輛的安全，又能避免燃燒化學(xué)品儲罐因罐內(nèi)液體噴濺而傷及救援人員和救援車輛。

2 基于動態(tài)規(guī)劃的險情救援方案

上述研究工作探討了實施救援工作時，應(yīng)如何對具有毒性和腐蝕性的險情點實施隔離保護(hù)和規(guī)劃安全救援距離。接下來將考慮如何從救援出發(fā)點到險情點對救援路徑方案進(jìn)行設(shè)計。

對大多數(shù)險情而言，其空間位置與救援力量的常住地之間都會存在較遠(yuǎn)的距離，當(dāng)救援力量到達(dá)險情點時有多種可以選擇的方案。顯然，讓救援力量在最短時間內(nèi)到達(dá)險情點是救援路徑方案的核心目標(biāo)。但需要注意的是，最短時間到達(dá)并不等同于選擇最短救援路徑。原因是救援車輛行駛時還要充分考慮各條路線上的擁堵情況，因此需要采用決策模型來完成救援路徑方案設(shè)計。

考慮當(dāng)前GPS 地圖已經(jīng)非常完善，可以實時采集到地圖上任意節(jié)點的信息，因此可以將救援路徑方案的決策問題設(shè)定為全局規(guī)劃問題?？捎糜谌忠?guī)劃的方法較多，如柵格法、禁忌搜索法、模擬退火法、圖割法、網(wǎng)流法以及動態(tài)規(guī)劃法等。該文采用動態(tài)規(guī)劃的方法，對險情救援的路徑方案選擇進(jìn)行相應(yīng)決策。

所謂動態(tài)規(guī)劃，就是在綜合考慮全局已知信息的情況下，將決策任務(wù)拆解成若干個階段，充分結(jié)合每個階段全局信息的動態(tài)變化來生成決策。可見，動態(tài)規(guī)劃既考慮了全局任務(wù)的空間特征，又考慮了各個時間節(jié)點上動態(tài)變化的時間特征。在時間軸線上，將總體決策任務(wù)分解為若干個不同的環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)用標(biāo)號k來表示。由此，每個環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息可以采用xk來表示。系統(tǒng)從一個狀態(tài)發(fā)展變化到另一種狀態(tài)，并如何完成這種發(fā)展變化即是決策。該文用uk來表示第k個環(huán)節(jié)狀態(tài)得以實現(xiàn)的決策，并且可以確定每個環(huán)節(jié)決策所要使用的準(zhǔn)則為Vk，n。

可見，基于動態(tài)規(guī)劃的方法完成任務(wù)的決策具有清晰的思路和流程。但需要指出的是，動態(tài)規(guī)劃中某一個階段決策完成后，是不可以向前逆推的，如果前一個環(huán)節(jié)的決策出現(xiàn)問題，甚至是嚴(yán)重錯誤，后續(xù)環(huán)節(jié)也無法對前面的結(jié)果進(jìn)行更改。這就要求動態(tài)規(guī)劃的決策過程必須確保每個環(huán)節(jié)的正確性，即使不是最佳結(jié)果，也不能是最差結(jié)果。

在每個環(huán)節(jié)運用動態(tài)規(guī)劃的方法完成決策的過程中，其準(zhǔn)則執(zhí)行的數(shù)學(xué)形態(tài)如公式（1）所示。

式中：Vk，n表示確定每個環(huán)節(jié)決策所要使用的準(zhǔn)則；vk（xk，uk）表示準(zhǔn)則函數(shù)在第k個環(huán)節(jié)所具有的狀態(tài)；xk表示一個環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息；uk表示第k個環(huán)節(jié)狀態(tài)得以實現(xiàn)的決策。

從上述模型可以明顯看出，每個環(huán)節(jié)的準(zhǔn)則函數(shù)會受前一個環(huán)節(jié)的準(zhǔn)則函數(shù)的影響，只有確保各個環(huán)節(jié)之間的演變準(zhǔn)則都是最佳或者是較好的，才能得到最終的令人滿意的決策方案。

在該文中，將動態(tài)規(guī)劃應(yīng)用于險情救援的路徑方案選擇決策時，除了要考慮最短距離外，還要考慮可能存在的擁堵所造成的延時情況。需要在一般距離準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，再增加一個擁堵情況的考量模塊，從而可以得到第k個環(huán)節(jié)的準(zhǔn)則函數(shù)新設(shè)定形態(tài)，如公式（2）所示。

式中：vdata（xk，uk）表示只考慮距離數(shù)據(jù)的準(zhǔn)則函數(shù)；vsmooth（xk，uk）表示考慮擁堵情況的準(zhǔn)則函數(shù)部分；xk表示一個環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息；uk表示第k個環(huán)節(jié)狀態(tài)得以實現(xiàn)的決策。

在動態(tài)規(guī)劃決策中，可以用正確（M）、向左正確（L）、向右正確（R）3 種情況來表示路徑在當(dāng)前點是否處于最理想位置。據(jù)此，路徑從當(dāng)前位置向下一個位置延伸時存在7 種可能的情況，如圖3 所示。

圖3 動態(tài)規(guī)劃路徑節(jié)點延伸的7 種可能情況

3 險情救援的仿真試驗驗證

圖4 中，橫坐標(biāo)代表險情點，考慮火災(zāi)發(fā)生時一般多為多點火情，因此該文設(shè)置了5 個險情點?？v坐標(biāo)代表救援路徑的節(jié)省程度，單位為%。白色矩形代表常規(guī)方法節(jié)省的距離長度。帶剖面線矩形代表執(zhí)行動態(tài)規(guī)劃方法節(jié)省的距離長度。該文所說的常規(guī)方法是以距離為唯一判斷依據(jù)來選擇救援路徑的。從圖4 的對比情況可以看出，執(zhí)行動態(tài)規(guī)劃來優(yōu)化險情救援路徑，在5 個險情點上的救援距離更短。

圖4 采用動態(tài)規(guī)劃險情救援方案和常規(guī)方法的險情救援方案的救援路徑對比

進(jìn)一步對比采用動態(tài)規(guī)劃險情救援方案和常規(guī)方法的險情救援方案在救援時間長、短上的差異，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 采用動態(tài)規(guī)劃險情救援方案和常規(guī)方法的險情救援方案的救援時間對比

圖5 中，橫坐標(biāo)代表險情點，考慮火災(zāi)發(fā)生時一般多為多點火情，因此該文設(shè)置了5 個險情點?？v坐標(biāo)代表救援時間的節(jié)省程度，單位為%。白色矩形代表常規(guī)方法節(jié)省的時間長度。帶剖面線矩形代表執(zhí)行動態(tài)規(guī)劃方法節(jié)省的時間長度。該文所說的常規(guī)方法是以距離為唯一判斷依據(jù)來選擇救援路徑的。從圖5 的對比情況可以看出，執(zhí)行動態(tài)規(guī)劃來優(yōu)化險情救援路徑，在5 個險情點上的救援時間更短。比較圖4 和圖5 可知，執(zhí)行動態(tài)規(guī)劃路徑優(yōu)化，救援時間縮短的幅度更明顯。

4 結(jié)論

險情救援關(guān)系人民的生命和財產(chǎn)安全，也關(guān)系社會的穩(wěn)定和團(tuán)結(jié)。該文以化學(xué)品發(fā)生燃燒后造成的險情為例，探討了實施救援工作時，應(yīng)如何對具有性和腐蝕性的險情點實施隔離保護(hù)和規(guī)劃安全救援距離。在該基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了基于動態(tài)規(guī)劃的險情救援路徑優(yōu)化決策方法。試驗結(jié)果表明，執(zhí)行動態(tài)規(guī)劃的救援方案可以使縮短救援距離，并在更短的時間內(nèi)完成救援。

上述研究工作探討了實施救援工作時，應(yīng)如何對具有毒性和腐蝕性的險情點實施隔離保護(hù)和規(guī)劃安全救援距離。在該基礎(chǔ)上，該文進(jìn)一步提出了基于動態(tài)規(guī)劃的險情救援路徑優(yōu)化決策方法。為了驗證前2 步工作的有效性，該文進(jìn)行了試驗，具體如下。

對比并分析采用動態(tài)規(guī)劃險情救援方案和常規(guī)方法的險情救援方案在救援路徑長、短上的差異，結(jié)果如圖4 所示。