地鐵施工中應(yīng)急物資的儲備優(yōu)化研究*

□ 韓樂琦 □ 劉新科 □ 項 薇,3 □ 吳成宇 □ 石鐘淼 □ 何淑波

1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211 2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司 浙江寧波 315211 3.寧波大學(xué)先進(jìn)儲能技術(shù)與裝備研究院 浙江寧波 315211

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長,城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速[1]。地鐵建設(shè)工程量大,施工環(huán)境復(fù)雜,施工人員面臨著多種多樣的事故風(fēng)險[2]。作為應(yīng)對突發(fā)公共事件儲備的戰(zhàn)略物資,應(yīng)急物資能夠為事前防護(hù)、事中救援、事后恢復(fù)提供相應(yīng)保障。目前軌道交通建設(shè)過程中,事故應(yīng)急管理由于涉及規(guī)劃、管理、施工、專業(yè)搶險等多個單位,管理分散,導(dǎo)致應(yīng)急物資儲備存在龐雜無序、歸屬不清、分類混亂等問題。在出現(xiàn)事故時,容易出現(xiàn)應(yīng)急物資短缺,無法及時到位等尷尬情況,甚至導(dǎo)致二次事故。基于此,在地鐵施工過程中的應(yīng)急物資準(zhǔn)備階段,有必要對應(yīng)急物資儲備做精細(xì)化研究,引入分級概念,在制定有效應(yīng)急物資分類方案的同時制定應(yīng)急物資優(yōu)化配置決策,保證重要應(yīng)急物資在有效時間內(nèi)發(fā)揮搶險作用。

綜合國內(nèi)外文獻(xiàn),應(yīng)急物資分類分級研究多基于嚴(yán)重自然災(zāi)害進(jìn)行,如地震、冰雹[3-7],而且應(yīng)急物資配置方法已應(yīng)用于多種救援情景中,如救護(hù)車部署、醫(yī)院床位配置、自然災(zāi)害應(yīng)對等[8-10]。針對軌道交通事故背景下的應(yīng)急物資儲備優(yōu)化研究則較少,其中文獻(xiàn)[11-12]研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)地鐵建設(shè)項目缺乏完整的物資數(shù)據(jù)庫,對于物資歸屬及儲備問題的認(rèn)識嚴(yán)重不足,有必要對物資進(jìn)行合理劃分。周慧娟[13]以鐵路應(yīng)急過程中使用的資源作為研究對象,對鐵路專業(yè)資源及社會應(yīng)急資源進(jìn)行細(xì)分,并且從鐵路應(yīng)急管理角度出發(fā),深入研究鐵路應(yīng)急資源配置問題。徐之恒[14]引入收益函數(shù)及貢獻(xiàn)力函數(shù)概念,建立物資配置模型,同時通過仿真驗證模型的有效性。劉欣[15]分別從靜態(tài)、動態(tài)兩個方面對地鐵資源配置問題進(jìn)行優(yōu)化,提高地鐵運營階段的應(yīng)急工作能力。

筆者以地鐵施工為背景,提出應(yīng)急物資的科學(xué)評價體系,通過模糊聚類構(gòu)建合理的應(yīng)急物資分類分級及儲備管理模式。針對儲備模式中重要應(yīng)急物資的優(yōu)化配置問題,以搶險及時性為目標(biāo)構(gòu)建應(yīng)急物資優(yōu)化配置模型,通過應(yīng)急物資連續(xù)概率分布描述地鐵施工事故的不確定需求,同時采用蒙特卡洛法模擬仿真得到各儲備點資源配置的最優(yōu)期望值,為施工單位及搶險部門在事故前規(guī)范應(yīng)急物資歸屬,科學(xué)管理應(yīng)急物資儲備數(shù)量,在事故發(fā)生后高效有序開展救援工作提供指導(dǎo)。

2 應(yīng)急物資評價體系

合理的應(yīng)急物資評價體系是應(yīng)急物資分級研究的基礎(chǔ)。要提高物資應(yīng)急效率,必須構(gòu)建一個特征涵蓋廣的多層次應(yīng)急物資評價體系。秉持客觀、公正原則,筆者從應(yīng)急物資自身價值、社會環(huán)境、儲備條件等方面進(jìn)行考慮,選擇重要性、稀缺性、存儲性作為三類評價指標(biāo),同時針對不同的評價指標(biāo)細(xì)化出多個底層指標(biāo),建立三層應(yīng)急物資評價體系,如圖1所示。

▲圖1 應(yīng)急物資評價體系

3 應(yīng)急物資分級模型

在應(yīng)急物資評價體系確定后,構(gòu)建基于地鐵施工應(yīng)急物資的模糊聚類分級求解模型。基于軌道交通施工專家知識及經(jīng)驗,采用層次分析法,經(jīng)過判斷矩陣、求解、一致性判斷檢驗等步驟后,確定評價指標(biāo)權(quán)重,同時專家對應(yīng)急物資集合G的相應(yīng)指標(biāo)做相關(guān)模糊評價。通過隸屬度矩陣、模糊評價矩陣、評價指標(biāo)綜合值等一系列計算步驟后,匯總各應(yīng)急物資權(quán)重綜合評價值,輸入SPSS軟件進(jìn)行聚類分析,最終得到分級結(jié)果,并經(jīng)過特征分析,對各級應(yīng)急資源推薦正確的管理模式。應(yīng)急物資分級研究流程如圖2所示。

▲圖2 應(yīng)急物資分級研究流程

4 應(yīng)急物資儲備優(yōu)化

儲備優(yōu)化配置的本質(zhì)是根據(jù)施工點潛在風(fēng)險,在應(yīng)急管理預(yù)備階段完成應(yīng)急物資配置。應(yīng)急物資相比普通物資,具有時效性、弱經(jīng)濟(jì)性、不確定性等特點,采用合理的資源配置,能夠在發(fā)生事故后第一時間做出響應(yīng),一旦錯過最佳時間,可能導(dǎo)致事故擴(kuò)大,會給搶險工作帶來更大的挑戰(zhàn)。為保證應(yīng)急物資在有限時間內(nèi)發(fā)揮價值,以搶險及時性作為研究的首要目標(biāo)。

不同于傳統(tǒng)工程,地鐵施工存在危害性大、不確定性強(qiáng)等特點,通常存在多個部門并行建設(shè),所有施工點都可能發(fā)生應(yīng)急事件。發(fā)生重大事故時,通常需要調(diào)用多個儲備點同時進(jìn)行搶險救援,并且施工事故的衍生特點往往需要多種應(yīng)急資源協(xié)同救援,進(jìn)而避免二次事故發(fā)生。

綜合分析,對應(yīng)急物資分級結(jié)果進(jìn)行篩選,以重要應(yīng)急物資作為研究對象,基于多事故點-多儲備點-多類型應(yīng)急物資儲備,以到達(dá)時間最短為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化配置模型。

5 優(yōu)化模型構(gòu)建

(1)

基于多事故點-多儲備點-多類型應(yīng)急物資儲備,以綜合應(yīng)急資源懲罰函數(shù)最小為目標(biāo),根據(jù)應(yīng)急資源約束條件構(gòu)建配置優(yōu)化模型。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

tij≥0

(7)

i∈I

(8)

j∈J

(9)

k∈K

(10)

6 蒙特卡洛法求解

不確定性是事故發(fā)生最本質(zhì)的特征。受環(huán)境、人為、管理等因素影響,在地鐵施工過程中,無法判斷可能發(fā)生的突發(fā)事件級別及對應(yīng)的所需應(yīng)急物資數(shù)量。為此參照地鐵建設(shè)管理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)文件中應(yīng)急事故等級劃分標(biāo)準(zhǔn),將地鐵施工事故劃分為五個等級,見表1。統(tǒng)計歷史地鐵施工事故,應(yīng)用數(shù)據(jù)庫資源確定施工事故等級發(fā)生概率,同時對于應(yīng)急物資不確定需求特點,以歷史搶險數(shù)據(jù)作為樣本,統(tǒng)計分析各應(yīng)急物資的需求分布規(guī)律。

表1 地鐵施工事故等級

7 實例分析

7.1 概況

筆者以寧波市地鐵建設(shè)工程為例,經(jīng)過實地調(diào)研及專家咨詢,匯總地鐵施工過程中所需配置的70余種應(yīng)急物資。在分析中發(fā)現(xiàn),應(yīng)急物資的功率、型號、載質(zhì)量不同,細(xì)化出較多功能相似的應(yīng)急物資。因此，為了簡化研究,以應(yīng)急作用為主要研究差異點,不考慮功率、型號等差別,并對部分應(yīng)急物資進(jìn)行模塊化組合分析,最終選取引孔機(jī)、發(fā)電機(jī)、污水泵、聚氨酯等28種應(yīng)急物資作為研究對象,完成地鐵應(yīng)急物資儲備優(yōu)化研究。

▲圖3 模型求解步驟

7.2 應(yīng)急物資分級結(jié)果

選擇10位來自軌道交通建設(shè)規(guī)劃部門、應(yīng)急搶險部門與施工單位的專家進(jìn)行問卷調(diào)查,以減小主觀經(jīng)驗偏差。專家對各應(yīng)急物資進(jìn)行權(quán)重分析和模糊評價,之后計算各應(yīng)急物資三類評價指標(biāo)綜合值,匯總后通過SPSS軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類,測量距離選擇二次方歐氏法。最終形成應(yīng)急物資的四級組別,引入平均綜合值來區(qū)分這四級應(yīng)急物資的特性,明確三類特點。應(yīng)急物資綜合評價值比較如圖4所示。

▲圖4 應(yīng)急物資綜合評價值比較

由圖4可以看出,不同級別應(yīng)急物資三類評價指標(biāo)差異明顯。對四級應(yīng)急物資各評價指標(biāo)均值進(jìn)行特征分析,得到合理的管理模式,見表2。

Ⅰ級應(yīng)急物資的特點為三類評價指標(biāo)評價值都在0.8左右,在搶險過程中起主要作用。Ⅰ級應(yīng)急物資都為大型應(yīng)急設(shè)備,成本高,體積大,導(dǎo)致施工站點達(dá)不到儲備環(huán)境要求,多施工站點自行儲備也會造成成本急劇增大,且產(chǎn)生閑置浪費。所以對于Ⅰ級應(yīng)急物資,可以集中儲備管理來共享,儲備中心選址需要優(yōu)化決策,滿足各個站點救援公平目標(biāo),做到快速調(diào)運,保證救援及時性。施工站點可以與附近企業(yè)簽訂租賃合同,在事故發(fā)生后第一時間進(jìn)行調(diào)配。

表2 應(yīng)急物資管理模式

Ⅱ級應(yīng)急物資三類評價指標(biāo)值僅低于Ⅰ級,都為專用型應(yīng)急物資,稀缺性評價指標(biāo)值相對較高。除污水泵、電焊機(jī)外,其余應(yīng)急物資保質(zhì)期較短。稀缺性需要保證應(yīng)急物資儲備充足,儲備周期短會導(dǎo)致應(yīng)急物資儲備過多,產(chǎn)生更多的變質(zhì)庫存?；趦煞矫鏇_突,使Ⅱ級應(yīng)急物資與Ⅰ級管理模式相似,可以集中儲備管理,共享應(yīng)急物資,減少儲備數(shù)量。為解決保質(zhì)期較短問題,需要構(gòu)建合理的庫存模型,其中安全庫存保證事故發(fā)生時應(yīng)急物資儲備充足,庫存上限從地鐵建設(shè)事故弱經(jīng)濟(jì)性特點著手控制儲備成本。對于Ⅱ級應(yīng)急物資管理,業(yè)主必須在施工合同中明確規(guī)范,量化具體儲備要求,保證嚴(yán)格監(jiān)控應(yīng)急物資的使用情況。

Ⅲ級應(yīng)急物資三類評價指標(biāo)值屬于中下水平,大多為應(yīng)急設(shè)備,在搶險過程中起輔助作用,體積小,儲備周期長,所以可要求施工站點按照合同進(jìn)行采購,同時采取一般管理方法即可。

Ⅳ級應(yīng)急物資三類評價指標(biāo)值都最低,對于Ⅳ級應(yīng)急物資管理,業(yè)主在合同中不需要明確具體采購數(shù)量,施工站點可考慮自身施工周期、施工環(huán)境等特點,同時考慮成本因素,如運輸、儲備成本等,來優(yōu)化配置,做到合理差異化配備。

7.3 應(yīng)急物資優(yōu)化配置

寧波在地鐵建設(shè)施工過程中多個站點并行施工,施工站點數(shù)為9,應(yīng)急物資儲備點數(shù)為4,施工站點及儲備點分布如圖5所示。由于地鐵建設(shè)工程的復(fù)雜性,在施工過程中會出現(xiàn)不同的事故風(fēng)險類型,施工站點及儲備中心應(yīng)規(guī)劃不同應(yīng)急物資的儲備,以保證事故發(fā)生時能夠協(xié)調(diào)應(yīng)急物資調(diào)運進(jìn)行搶險。為簡化研究,筆者提出假設(shè),并對已知條件進(jìn)行匯總。

▲圖5 施工站點及儲備點分布

(1) 基于分級研究輸出結(jié)果,可以認(rèn)為Ⅱ級應(yīng)急物資為重點研究對象,Ⅱ級應(yīng)急物資的管理模式為儲備中心重點管理,因此僅考慮在儲備中心配置Ⅱ級應(yīng)急物資。

(2) 不同事故類型對應(yīng)的應(yīng)急物資不同,筆者以地鐵施工過程中最常見的透水事故為例,事故發(fā)生后儲備中心運輸聚氨酯、3 kW污水泵、醫(yī)療箱三種應(yīng)急物資進(jìn)行搶險救援。其余Ⅱ級應(yīng)急物資在考慮其它事故發(fā)生的情況下研究方法相同,在此不重復(fù)介紹。

(3) 通過地圖應(yīng)用程序搜索,對儲備點到施工站點最短時間進(jìn)行匯總,見表3。不考慮運輸途中特殊情況發(fā)生,即最短時間固定。

(4) 施工不考慮自身特殊環(huán)境,假設(shè)各施工站點事故等級概率分布相同,并且對應(yīng)應(yīng)急物資分布規(guī)律也相同。參照地鐵事故等級,應(yīng)用數(shù)據(jù)庫資源確定施工事故等級分布概率,同時根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到不同等級事故下三種應(yīng)急物資需求量服從正態(tài)分布規(guī)律,記為N(D,σ),見表4。其中,D為隨機(jī)需求量的數(shù)學(xué)期望值,σ為變量的方差值。

表3 儲備點至施工站點最短時間 min

表4 應(yīng)急物資需求量

(5)E5為換乘站點,處于市區(qū)最繁華位置,其余站點差異性因數(shù)和與E5間的距離成反比。施工站點差異性因數(shù)見表5。

(6) 參考文獻(xiàn)[16],將事故發(fā)生后儲備點立刻輸送應(yīng)急物資至施工站點的時間設(shè)置為20 min。為便于計算,假設(shè)到達(dá)時間在同一個時間間隔內(nèi)的成本因數(shù)βij相同。隨著延誤時間的增加,成本因數(shù)βij呈指數(shù)型增長,以此來體現(xiàn)延遲越接近事故承載極限,事故后果越嚴(yán)重的特點。成本因數(shù)βij為：

表5 施工站點差異性因數(shù)

將上述已知參數(shù)代入配置優(yōu)化模型,根據(jù)求解步驟求解儲備點配置期望值。設(shè)置循環(huán)次數(shù)M為1 000,輸出結(jié)果穩(wěn)定,各儲備點三類應(yīng)急物資儲備最優(yōu)期望值見表6。由此保證在滿足應(yīng)急物資需求條件下使搶險延遲懲罰值最小,從而保證搶險的及時性。

8 結(jié)束語

地鐵施工事故發(fā)生后,應(yīng)急物資是工程搶險及緊急救助的基礎(chǔ)與保障。筆者對寧波地鐵施工建設(shè)中所需應(yīng)急物資展開分級及配置研究。

表6 儲備點應(yīng)急物資儲備最優(yōu)期望值

針對地鐵施工應(yīng)急物資龐雜且無序的現(xiàn)實情況,采用模糊聚類分級模型對應(yīng)急物資完成級別劃分,推薦管理模式。其中,Ⅰ級應(yīng)急物資進(jìn)行租賃儲備或者集中調(diào)配,Ⅱ級應(yīng)急物資由儲備中心重點管理,且需要構(gòu)建合理的庫存模型,Ⅲ級、Ⅳ級應(yīng)急物資評價指標(biāo)值處于中下水平,施工站點采取一般管理即可。

選擇Ⅱ級應(yīng)急物資作為多事故點-多儲備點-多類型應(yīng)急物資配置問題的研究對象,構(gòu)建以懲罰函數(shù)最小為目標(biāo)的應(yīng)急物資配置模型。針對事故發(fā)生和應(yīng)急物資需求的不確定性,提出以數(shù)據(jù)庫歷史事故為樣本統(tǒng)計分析各等級事故發(fā)生概率,以及應(yīng)急物資需求分布規(guī)律。針對事故發(fā)生的隨機(jī)性,提出采用蒙特卡洛法抽樣隨機(jī)模擬事故的發(fā)生,循環(huán)多次最終得到各儲備點多類型應(yīng)急物資最優(yōu)配置量?；趯嵗M九個施工站點隨機(jī)發(fā)生不同等級事故,得到四個儲備點三類應(yīng)急物資的具體儲備策略,為實際地鐵施工場景應(yīng)急物資儲備提供可行方案。