海上溢油事故應急響應初期應急物資調(diào)度

汪強　劉曉佳　閆長健

摘要：

為有效降低海上溢油事故應急響應初期調(diào)度方案不合理造成的危害，減少經(jīng)濟損失和保護海洋環(huán)境，結(jié)合海上溢油事故應急響應初期應急調(diào)度特點，通過引入灰色白化上下限函數(shù)，構(gòu)建供應充足條件下物資延誤總時間最小模型和供應不足條件下實際到達物資數(shù)量和時間雙目標總體最優(yōu)模型，并給出算例進行驗證。算例結(jié)果表明：在供應充足時，所有應急物資實際到達時間比目標值提前了59.8?h;在供應不足時，總體滿意度最大為30.758?6。兩種調(diào)度方案能為應急物資調(diào)度提供決策依據(jù)。

關鍵詞：

海上溢油事故;?應急物資調(diào)度;?滿意度模型

中圖分類號：U698.6;?X928.04

文獻標志碼：A

Emergency?material?scheduling?at?initial?emergency?response?stage?of

marine?oil?spill?accidents

WANG?Qiang，?LIU?Xiaojia，?YAN?Changjian

（

Navigation?College，?Jimei?University，?Xiamen?361021，?Fujian，?China）

Abstract：

In?order?to?effectively?reduce?the?damage?caused?by?unreasonable?scheduling?schemes?at?the?initial?emergency?response?stage?of?maritime?oil?spill?accidents，?reduce?economic?loss?and?protect?marine?environment，?according?to?the?emergency?scheduling?characteristics?at?the?initial?emergency?response?stage?of?marine?oil?spill?accidents，?the?two?following?models?are?constructed?by?introducing?the?grey?whitening?upper?and?lower?limit?function：?one?is?the?model?of?the?minimum?total?time?of?material?delay?under?the?condition?of?sufficient?supply，?the?other?is?the?overall?optimal?model?of?the?actual?arrival?material?quantity?and?the?arrival?time?under?the?condition?of?insufficient?supply.?An?example?is?given?to?verify?the?models.?The?results?show?that：?when?the?supply?is?sufficient，?the?actual?arrival?time?of?all?emergency?materials?is?59.8?h?earlier?than?the?target?value;?when?the?supply?is?insufficient，?the?maximum?overall?satisfaction?is?30.758?6.?The?two?scheduling?schemes?can?provide?decision-making?basis?for?emergency?material?scheduling.

Key?words：

maritime?oil?spill?accident;?emergency?material?scheduling;?satisfaction?model

收稿日期：?2019-01-10

修回日期：?2019-06-18

基金項目：

福建省教育廳項目（JT180260）

作者簡介：

汪強（1993—），男，安徽安慶人，碩士生，研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理，（E-mail）184074878@qq.com;

劉曉佳（1979—），女，黑龍江富錦人，副教授，碩導，博士，研究方向為交通安全保障技術、

交通應急決策技術等，

（E-mail）happylxj1314@163.com

0?引?言

海上溢油事故主要有海上石油開采井噴事故、海底輸油管道破損溢油事故和海運船舶碰撞溢油事故等類型，屬于突發(fā)事件的一種[1]。突發(fā)事件應急響應期可根據(jù)救援任務、救援時間、救援結(jié)構(gòu)等不同分為初期、中期、后期3個階段。在突發(fā)事件應急響應初期，由于天氣、環(huán)境、交通、物資需求量等信息不確定，應急響應行動的物資調(diào)度數(shù)量和時間難以確定[2]。目前，國內(nèi)外學者對應急響應初期應急物資調(diào)度的研究主要是針對陸上突發(fā)事件應急調(diào)度的研究，對海上溢油事故應急響應初期應急調(diào)度的研究較少。國外對于應急物資調(diào)度的研究[3-5]主要是制訂在運輸能力和多式聯(lián)運等約束下應急成本最小的車輛調(diào)度方案。國內(nèi)研究主要包括：文獻[6-8]針對地震災害應急響應初期的應急物資調(diào)度，建立了模糊供求模型，運用相應算法求解;文獻[9-10]結(jié)合突發(fā)災難事件的特點，提出了考慮模糊供求和多種運輸方式的動態(tài)調(diào)度模型，得出具體動態(tài)調(diào)度方案或交通工具路徑安排;文獻[11-13]針對海上溢油易漂移擴散的特點，引入救助資源包概念，建立了多層級應急物資調(diào)度模型，進行應急物資調(diào)度安排。

以往的研究均存在一定的不足：一是對于突發(fā)事件應急響應初期的應急物資調(diào)度，都是假設事故點的物資需求不能被上一級物資供應點滿足。然而，地震災害應急調(diào)度與海上溢油事故應急調(diào)度的運輸方式和影響不同，將陸上應急調(diào)度模型和方案用于海上溢油事故應急響應具有局限性。二是研究海上溢油事故應急物資調(diào)度時，都是考慮多層級調(diào)度或整個調(diào)度過程，沒有對事故的各階段進行分類討論，然而，海上溢油事故有大有小，并非所有事故都需要各個層級聯(lián)動響應。三是將突發(fā)事件應急物資調(diào)度歸納為一個階段，然而，在海上溢油事故發(fā)生時不僅要考慮不同階段物資需求，還要考慮岸基供應點的物資供應量能否滿足事故點的需求。鑒于此，本文結(jié)合海上溢油事故應急響應初期的特點，針對不同等級的海上溢油事故，以岸基供應點能否向溢油事故點提供充足的物資為前提，制訂兩種情況下的調(diào)度方案。

1?問題描述

海上溢油事故可根據(jù)對溢油量、溢油持續(xù)時間、溢油速度、毒性、海域敏感資源等指標的綜合評估分為一般事故、中等事故、較嚴重事故、嚴重事故、重大事故等5個等級[14]。不同等級的海上溢油事故應急響應初期的應急目標不同。此外，與陸上突發(fā)災難事件不同，海上溢油事故受海洋環(huán)境的影響，油品會隨海流發(fā)生漂移和擴散，物資供應不僅要滿足初始事故點需求還要滿足油品轉(zhuǎn)移后事故點需求。因此，需要根據(jù)事態(tài)演變確定合理的調(diào)度方案。在岸基供應點分配船舶或直升機等交通工具進行救助的同時，整個應急物資調(diào)度過程涉及一級節(jié)點Ak（陸上倉庫）、二級節(jié)點Si（岸基點）和事故點Dj，見圖1。

1.1?海上溢油事故應急響應初期描述

根據(jù)交通運輸部發(fā)布的《國家重大海上溢油應急處置預案》[15]，整個應急響應行動主要分為：組織指揮體系、監(jiān)測預警和信息報告、應急響應處置、后期處置、綜合保障。根據(jù)救援層級與時間的不同，將海上溢油事故應急響應分為3個時期：初期，岸基點向事故點的單層調(diào)度;中期，陸上倉庫對岸基點進行補給，岸基點繼續(xù)向事故點進行調(diào)度的多層級調(diào)度;后期，完成溢油的處理與回收，并對陸上倉庫和岸基點重新安排物資儲備[16]。

在溢油事故應急響應初期，需要根據(jù)溢油事故等級判斷岸基點物資量是否足夠，以此制訂針對不同應急目標的物資調(diào)度方案。通過對歷史海上溢油事故的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當溢油事故等級為一般事故或中等故事時，岸基點應急物資供應能滿足事故點的需求，此時應急時間是最重要的因素，而應急成本則不考慮;當發(fā)生較嚴重及以上等級的溢油事故時，岸基點應急物資供應不能滿足事故點的需求，此時以事故點對物資到達數(shù)量和到達時間的總體滿意度最高為目標，制訂調(diào)度方案。

1.2?應急物資需求類型

在不同的氣象環(huán)境、海況下，不同溢油類型和溢油規(guī)模的溢油事故對應急物資的需求不盡相同，溢油應急物資主要包括以下4類：（1）攔阻溢油類物資，主要為圍油欄;（2）回收溢油類物資，主要為收油機等設備;（3）分散溢油類物資，主要包括化學類物資如消油劑;（4）吸油材料，主要有無機材料（如硅石等）和人工合成材料（如聚丙烯纖維等）。統(tǒng)計歷史海上溢油事故應急物資需求類型可發(fā)現(xiàn)，上述4類物資基本按照一定比例參與調(diào)度，因此本文以“救助資源包”[17]單元形式參與調(diào)度。

2?調(diào)度模型介紹

在海上溢油事故應急響應初期，天氣、交通、災情等信息的不確定性使得應急物資需求量難以預測。從岸基供應點到溢油事故點的物資調(diào)度時間也是難以確定的，只能估計出區(qū)間范圍。另外，考慮到海上溢油事故的特殊性，溢油事故發(fā)生后物資供應不僅要滿足初始事故點的物資需求，還要滿足溢油漂移和擴散后新事故點的物資需求，所以物資需求點應為多個（本文考慮2個）。因此，本文結(jié)合海上溢油事故應急響應初期應急物資調(diào)度的特點，制訂岸基點供應充足與不足兩種情況下的調(diào)度方案。

2.1?岸基點供應充足

發(fā)生一般或中等等級的海上溢油事故時，應急物資需求量少，岸基點供應能滿足需求，此時應急時間是最重要的因素，而應急成本則往往不考慮?；诖?，以應急延誤時間最小為目標，用灰區(qū)間數(shù)表示應急物資需求量和應急時間，建立灰線性規(guī)劃模型。

2.1.1?模型變量定義

設Si（i=1，2，…，m）為岸基點，Dj（j=1，2，…，n）為事故點，已知岸基點Si的最大供應量為smax?i，實際供應量為si。事故點Dj的物資需求量為灰區(qū)間數(shù)dj，dj=[dj1，dj2]（表示事故點物資需求量上下限）。從岸基點Si調(diào)運到事故點Dj的實際應急物資量為xij，時間為灰區(qū)間數(shù)tij，tij=[tij1，tij2]（表示從岸基點到事故點調(diào)運時間的上下限）。事故點Dj的應急時間目標值為tj，故單位物資延誤時間為tij-tj。在相同的單位延誤時間下，延誤的物資量越大損失就越大，因此把從岸基點Si到事故點Dj的物資延誤總時間xij（tij-tj）最小作為應急目標，確定從岸基點到事故點的應急物資數(shù)量最優(yōu)，使應急物資的總延誤時間最短。

2.1.2?構(gòu)建模型

根據(jù)以上背景分析，可建立如下灰線性規(guī)劃模型：

min?nj=1

mi=1xij（tij-tj）

（1）

s.t.

mi=1si=nj=1dj

（2）

mi=1xij=dj

（3）

nj=1xij=si（4）

0≤si≤smax?i

（5）

xij≥0

（6）

式（1）是目標函數(shù)，表示總延誤時間最短;式（2）表示供應點實際總供應量等于事故點總需求量;式（3）表示調(diào)度到需求點Dj的物資量等于其需求量;式（4）表示從岸基點Si調(diào)度到各事故點的物資量等于該岸基點的實際供應量;式（5）表示岸基點Si應急物資供應量不能大于該點最大供應量;式（6）表示從岸基點Si調(diào)度到事故點Dj的物資量非負。

2.2?岸基點供應不足

發(fā)生較嚴重及以上等級海上溢油事故時，應急物資需求量較大，岸基點供應無法滿足事故點需求，此時引入上限與下限測度白化函數(shù)，衡量事故點對應急物資和應急時間的滿意度，以事故點對應急物資數(shù)量和應急時間的總體滿意度最大為目標建立模型。

2.2.1?滿意度函數(shù)模型

在進行海上溢油事故應急物資調(diào)度時，假定每個“救助資源包”的質(zhì)量相同，則決定事故點滿意度的因素為事故點應急物資的實際調(diào)度數(shù)量和應急時間。考慮應急物資需求量屬于指標越大越好的效益型指標，引入上限測度白化函數(shù)，將事故點Dj的需求滿意度函數(shù)定義為

f（xij）=0，?xij

xij-aj1bj1-aj1，?xij∈[aj1，bj1]

1，xij>bj1

考慮應急時間屬于指標越小越好的指標，引入下限測度白化函數(shù)，將事故點Dj的時間滿意度函數(shù)定義為

f（tij）=0，?tij

tij-aj2bj2-aj2，?tij∈[aj2，bj2]

1，?tij>bj2

式中：aj1和bj1分別表示事故點Dj對到達的應急物資量的心理下限和心理上限;aj2和bj2分別表示事故點Dj對應急物資到達時間的心理下限和心理上限。

2.2.2?構(gòu)建模型

根據(jù)上面的背景分析，可建立如下灰線性規(guī)劃模型：

max?f（xij）=maxmi=1

nj=1xij-aj1bj1-aj1，

xij∈[aj1，bj1]（7）

max?f（tij）=

maxmi=1

nj=1tij-aj2bj2-aj2xij，

tij∈[aj2，bj2]（8）

s.t.

mi=1si

（9）

mi=1?nj=1xij=nj=1?mi=1sij

（10）

0≤mi=1xij≤dj

（11）

式（7）和（8）為目標函數(shù)，分別表示事故點對實際到達的應急物資量和到達時間的滿意度;式（9）表示在調(diào)度時間內(nèi)的物資總供應量小于事故點的總需求量;式（10）表示從岸基點調(diào)度到事故點的物資總量為岸基點的總供應量;式（11）表示從岸基點調(diào)度到事故點Sj的物資量小于該點的實際需求量。

2.3?灰線性規(guī)劃滿意解法

針對灰線性條件下的模糊關系，利用滿意解法[18]定義下列問題：

定義1?稱

為灰線性規(guī)劃，其中[WTHX]C[WTBX]=（c1，c2，…，cn）為目標函數(shù)模糊系數(shù)，

[WTHX]X[WTBX]=（x1，x2，…，xn）為n維變量，

[WTHX]D[WTBX]=（dij）m×n，

[WTHX]B[WTBX]=（bij）m×n為模糊系數(shù)矩陣。特別當dij∈[dij，dij]，bij∈[bij，bij]，ci∈[ci，ci]，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

時，上述灰線性規(guī)劃稱為區(qū)間型灰線性規(guī)劃，記為GL（gray?linear?programming）。

定義2?稱FGL（first?gray?linear?programming）、SGL（second?gray?linear?programming）分別為GL的第一、第二白化線性規(guī)劃：

解出FGL、SGL的最優(yōu)目標值分別為GL的兩個端點目標

值Z（0）和Z（1），構(gòu)成GL的灰目標區(qū)間，與期望區(qū)間進行比較，根據(jù)Z（0）的單調(diào)性選出適當?shù)腶0，求解Z（a0）得出比較滿意的解。

3?算例分析

3.1?岸基點應急物資供給充足情況下的調(diào)度

以2005年4月葡萄牙籍油船“阿提格”號在大連新港發(fā)生溢油事故為例[19]，該油船在大連新港附近觸礁，船底破損，產(chǎn)生了少量溢油。根據(jù)文獻[20]，此次溢油事故等級為一般事故，此時岸基點能滿足事故點物資需求，則物資總延誤時間最短為優(yōu)化目標。假設該次事故發(fā)生點為D1，一段時間后油品漂移擴散至D2。事故點應急時間目標值分別為t1=4?h，t2=6?h，物資需求量（救助資源包）分別為灰區(qū)間[35，45]和[30，35]。假設整個調(diào)度過程目標延誤時間為[-65?h，-55?h]。假設此時事故備選的6個岸基點S1、S2、S3、S4、S5、S6均備有相應應急物資，儲備量見表1，從岸基點Si到事故點Dj的單位物資時間區(qū)間數(shù)見表2。

顯然，當ɑ0=1時該規(guī)劃為SGL，當ɑ0=0時該規(guī)劃為FGL，兩個端點目標值分別為-40和93。

第三步，用MATLAB求解落入目標區(qū)間[-65?h，?-55?h]的最優(yōu)解為ɑ0=0.2，Z（0.2）=59.8?h∈[55?h，65?h]∩[-40?h，93?h]，此時（x11，x12，x21，…，x62）=（8，0，0，15，17，0，0，12，15，0，3，7）。解的意義為：在總的延誤時間滿足在區(qū)間[-65?h，-55?h]內(nèi)，從岸基點到事故點物資調(diào)度滿足上述解時，總應急延誤時間為-59.8?h，即所有應急物資實際到達時間比應急時間目標值提前了59.8?h。

3.2?岸基點應急物資供應不足情況下的調(diào)度

以2010年7月大連新港海域原油污染事故為例，該次事故處置行動布放圍油欄6.53?km，消耗吸油氈32.72?t，噴灑消油劑566.2?t，布設收油機20臺。因為各岸基供應點沒有足夠數(shù)量的圍油欄，所以無法將泄漏的原油控制在港內(nèi)，以致油品擴散到港口外區(qū)域，增大了事故污染[21]。根據(jù)文獻[22]，此次溢油事故等級為重大事故，這種情況下岸基點物資不能滿足事故點需求，因此以事故點對應急物資和應急時間的滿意度為優(yōu)化目標。假設初始溢油點為D1，一段時間后漂移擴散至D2。假設此時事故備選的6個供應點S1、S2、S3、S4、S5、S6均備有相應的應急物資，岸基點物資可供應量與調(diào)度時間區(qū)間數(shù)同表1和2，事故點信息見表3。

第二步，由于上述雙目標的優(yōu)先級相同，但量綱不同，一個目標函數(shù)值的增加會引起另一個目標函數(shù)值的減少，上述雙目標線性規(guī)劃即為Pareto最優(yōu)解問題，因此引用gamultiobj函數(shù)遺傳算法求解。選擇：與ga函數(shù)不同，gamultiobj函數(shù)的選擇操作只使用錦標賽選擇，目標最大遺傳代數(shù)為10?000代。交叉、變異、產(chǎn)生子種群與父種群合并：gamultiobj默認的交叉和變異函數(shù)分別為crossoverintermediate和mutationadptfesible，實現(xiàn)功能與ga一致。

通過編寫雙目標的目標函數(shù)M文件，使用gamultiobj進行求解。

第三步，結(jié)果分析。使用MATLAB?R2014a運行，直至達到最大遺傳代數(shù)，此時返回的最優(yōu)解不再變化，最優(yōu)

解為

x11x21…x61x12x22…x62=

5.3914.908.2411.8713.356.242.600.0911.760.181.643.76

四舍五入取整后為

5158121363012024

目標函數(shù)max?f（xij）=-6.999，max?f（tij）=37.757?6。解的意義為：當各岸基點按照上述物資調(diào)度安排時，總體滿意度最大為30.758?6。

3.3?對比分析

根據(jù)岸基點應急物資供應是否充足，建立數(shù)學模型，利用滿意解法對灰線性條件下的模糊關系進行去模糊化處理，得到兩種條件下的調(diào)度方案。在物資供應充足時，應急延誤時間為-59.8?h;在物資供應不足時，總體滿意度為30.758?6。根據(jù)文獻[18]利用三角模糊數(shù)求解本案例灰線性條件下的模糊問題，得到在物資供應充足時應急延誤時間為-15.25?h，在物資供應不足時根據(jù)組合賦權法求解雙目標模型得總體滿意度為9.65。通過比較可以發(fā)現(xiàn)：（1）滿意解法更能結(jié)合具體事故點信息安排物資調(diào)度;（2）滿意度模型下的調(diào)度方案應急延誤時間與總體滿意度都優(yōu)于三角模糊數(shù)求解結(jié)果。

4?結(jié)束語

在海上溢油事故應急響應初期應急物資調(diào)度時間不明確、岸基點物資供應能否滿足事故點需求不確定的前提下，建立滿意度模型。在岸基點物資供應充足時，模型以物資延誤總時間最小為應急目標，確定從岸基點到事故點的應急物資量最優(yōu)的調(diào)度需求關系;在岸基點物資供應不足時，模型以實際到達應急物資量和到達時間的滿意度最大為應急目標，并用遺傳算法求解。得出海上溢油事故應急響應初期兩種情況下的調(diào)度安排，為應急物資調(diào)度提供決策依據(jù)。

本文的研究也存在一定不足，如沒有考慮到具體交通運輸工具調(diào)度方案和應急響應中后期的物資調(diào)度安排。這需要在今后的研究中進一步完善。

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（編輯?賈裙平）