錢塘江防汛搶險(xiǎn)資源最優(yōu)化調(diào)度路徑研究

鄔越民，穆永波，毛肖鈺

（浙江省錢塘江安全應(yīng)急中心，310020，杭州）

錢塘江是我國東南沿海主要河流之一，也是浙江省最大的河流，具有世界聞名的涌潮。潮波變形劇烈，涌潮對海塘的破壞力極大，因工程防御標(biāo)準(zhǔn)有限，以及災(zāi)害的突發(fā)性及等級不可估性，要求在現(xiàn)有防御能力的基礎(chǔ)上提高防御技能。

近年，由于沿江兩岸經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，許多沿江道路與海塘道路發(fā)生了很大變化。雖然目前各種導(dǎo)航系統(tǒng)、公共網(wǎng)絡(luò)地圖均有相關(guān)的道路信息，但其中缺少防汛搶險(xiǎn)最需要的路寬、限高、限重、路障等信息，特別是臨近海塘的相關(guān)道路信息嚴(yán)重缺失。當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時(shí)，路線的選擇直接影響著搶險(xiǎn)的速度，道路狀況的不確定性會延誤搶險(xiǎn)時(shí)間，使搶險(xiǎn)人員、物資、設(shè)備不能在第一時(shí)間抵達(dá)現(xiàn)場，導(dǎo)致?lián)岆U(xiǎn)方案實(shí)施困難，因此開展錢塘江兩岸的防汛搶險(xiǎn)資源最優(yōu)化調(diào)度路徑研究至關(guān)重要。

一、需求分析

防汛搶險(xiǎn)資源最優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)研究不同于其他道路導(dǎo)航路線設(shè)計(jì)，其除了要計(jì)算最優(yōu)化調(diào)度路徑外，還應(yīng)考慮沿江各防汛搶險(xiǎn)倉庫物資配置、設(shè)備配置、勞務(wù)配置等方面的因素影響。

1.基礎(chǔ)信息調(diào)查需求

周邊可用道路信息調(diào)查，包括路面結(jié)構(gòu)、類型、路寬、長度、起止點(diǎn)、限高、限重、轉(zhuǎn)彎半徑等參數(shù)及道路影像資料。搶險(xiǎn)物資儲備信息調(diào)查，包括物資類型規(guī)格、存儲地點(diǎn)、數(shù)量、價(jià)格等主要數(shù)據(jù)，并明確反映出搶險(xiǎn)物資的儲備情況及出倉、裝車、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。搶險(xiǎn)設(shè)備信息調(diào)查，包括待命集結(jié)地點(diǎn)、運(yùn)輸進(jìn)場、油料供應(yīng)等信息。搶險(xiǎn)勞務(wù)信息調(diào)查，包括待命集結(jié)地點(diǎn)、運(yùn)輸進(jìn)場、搶險(xiǎn)機(jī)具配備、后勤保障等信息。

2.應(yīng)急調(diào)度需求

在發(fā)生重大險(xiǎn)情或臺風(fēng)來臨前需要進(jìn)行搶險(xiǎn)防護(hù)時(shí)，要進(jìn)行搶險(xiǎn)資源的應(yīng)急調(diào)度。系統(tǒng)應(yīng)能首先反映出險(xiǎn)位置、下達(dá)搶險(xiǎn)所需資源的種類和數(shù)量，然后考慮前期收集的各搶險(xiǎn)資源的存儲信息，結(jié)合調(diào)度規(guī)則、交通實(shí)際路況、臺風(fēng)或洪水情況、天氣情況等信息，向決策者推薦及時(shí)可行的調(diào)度運(yùn)行路線方案。在實(shí)施過程中，決策者還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各倉庫剩余儲備量、調(diào)度車輛、人員的移動路線等信息；如發(fā)現(xiàn)調(diào)度路線出現(xiàn)路障等特殊情況，系統(tǒng)還應(yīng)允許現(xiàn)場人員及時(shí)上報(bào)情況，并自主調(diào)整調(diào)度路線。

二、項(xiàng)目研究的主要任務(wù)

通過對錢塘江沿江海塘周邊道路的調(diào)查研究，建立適用于錢塘江防汛搶險(xiǎn)的調(diào)度資源、路徑、模型數(shù)據(jù)庫，開發(fā)基于GIS系統(tǒng)的調(diào)度路徑最優(yōu)化分析和規(guī)劃系統(tǒng)。在防汛搶險(xiǎn)過程中使各種搶險(xiǎn)資源有序調(diào)度，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮室、調(diào)度現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和互動。

三、周邊道路的野外調(diào)查研究

針對錢塘江防汛搶險(xiǎn)的特點(diǎn)以及沿江道路的實(shí)際情況調(diào)查分析，沿江絕大部分海塘內(nèi)側(cè)存在一條與海塘平行走向、路況較好的道路，該道路與海塘之間每隔一定距離就有一條道路相連。因此，將周邊路徑設(shè)定為4個(gè)層次：海塘道路、通塘道路、近塘道路及骨干路網(wǎng)。

道路調(diào)查的數(shù)據(jù)包括：道路的路面結(jié)構(gòu)、類型、路寬、長度、起止點(diǎn)、限高、限重、轉(zhuǎn)彎半徑等參數(shù)及道路影像資料等。

四、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目應(yīng)用APS.NET技術(shù)建立基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與服務(wù)，應(yīng)用arcSDE建立空間數(shù)據(jù)引擎，應(yīng)用SQL Server 2005建立大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用ARC-GIS server創(chuàng)建WebGIS應(yīng)用，建立路徑優(yōu)化分析模型。

數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)由空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩部分組成?？臻g數(shù)據(jù)庫由GIS軟件采集路徑信息后采用SDE管理；屬性信息數(shù)據(jù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。

五、調(diào)度模型設(shè)計(jì)

調(diào)度模型過程：①海塘出險(xiǎn)后，在GIS系統(tǒng)下標(biāo)注出險(xiǎn)位置。②根據(jù)各種不同的險(xiǎn)情，確定調(diào)度資源的種類、規(guī)格要求，找到滿足要求的資源倉庫；先找到附近可利用的資源種類和規(guī)格，再確定搶險(xiǎn)方案。③利用調(diào)度模型計(jì)算出各資源庫最短或最優(yōu)的調(diào)度路徑。④同時(shí)提供調(diào)度實(shí)時(shí)信息、路況信息、天氣信息等修正功能，滿足決策需要。

1.建立路徑網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

調(diào)度模型的建立首先要分析調(diào)度路徑中各交叉路口的數(shù)據(jù)關(guān)系，然后將其抽象為圖論結(jié)構(gòu)中弧與節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，進(jìn)而形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖來研究最優(yōu)化路徑問題，總的調(diào)度路徑拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2.最優(yōu)化路徑模型

尋找最短路徑就是在指定網(wǎng)絡(luò)中兩結(jié)點(diǎn)間找一條距離最小的路。最短路徑不僅僅指一般地理意義上的距離最短,還可以引申到其他的度量,如時(shí)間、費(fèi)用、線路容量等。實(shí)際應(yīng)用中依據(jù)調(diào)度路徑特點(diǎn)與日常管理要求進(jìn)行必要的調(diào)整與完善。

在計(jì)算最短路徑的方法中,目前國內(nèi)外一致公認(rèn)的較好算法有迪杰斯特拉(Dijkstra)及弗羅伊德(Floyd)算法。本系統(tǒng)采用的是應(yīng)用成熟的迪杰斯特拉算法，又稱標(biāo)號法。這種算法中,網(wǎng)絡(luò)被抽象為一個(gè)圖論中定義的有向或無向圖,并利用圖的節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣記錄點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)信息。在進(jìn)行圖的遍歷以搜索最短路徑時(shí),以該矩陣為基礎(chǔ)不斷進(jìn)行目標(biāo)值的最小性判別,直到獲得最后的優(yōu)化路徑。該算法簡單明了，計(jì)算直觀，不足之處在于計(jì)算速度偏慢，特別是在結(jié)點(diǎn)多的情況下。而錢塘江沿江兩岸的調(diào)度路徑主要還是以單向的主干道為主，結(jié)點(diǎn)相對來說較少，所以采用該算法是可行的。另外為了提高算法效率，系統(tǒng)還引進(jìn)了限定搜索區(qū)域法，以減少搜索范圍，減小計(jì)算規(guī)模。

六、調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

1.主頁面設(shè)計(jì)

錢塘江防汛搶險(xiǎn)資源調(diào)度系統(tǒng)頁面設(shè)計(jì)共分4個(gè)分區(qū)，分別為GIS調(diào)度地圖顯示區(qū)、快捷工具欄區(qū)、主要功能模塊區(qū)、菜單區(qū)。詳見圖2。

①GIS調(diào)度地圖顯示區(qū)：用于顯示調(diào)度查詢的目標(biāo)位置、相關(guān)搶險(xiǎn)資源的信息以及顯示計(jì)算后的調(diào)度路徑成果。

②快捷工具欄區(qū)：布置控制GIS地圖的快捷工具，如放大、縮小、平移、框選等。

③主要功能模塊區(qū)：顯示系統(tǒng)所具備的基礎(chǔ)信息查詢、最優(yōu)化路徑分析、調(diào)度信息發(fā)布和系統(tǒng)管理等功能。

④菜單區(qū)：用來分類、分層選擇道路、設(shè)備、倉庫、管理單位等相關(guān)信息。

2.主要功能設(shè)計(jì)

①搶險(xiǎn)資源空間定位功能：系統(tǒng)可利用菜單區(qū)實(shí)現(xiàn)各搶險(xiǎn)資源空間位置的多種定位形式，包含經(jīng)緯度定位、標(biāo)志物定位、海塘樁號定位、地名以及點(diǎn)圖定位等多種形式。

②地理信息查詢功能：系統(tǒng)可利用基礎(chǔ)信息管理功能模塊實(shí)現(xiàn)電子地圖上的空間數(shù)據(jù)與對應(yīng)的屬性信息查詢（道路、物資、搶險(xiǎn)隊(duì)伍）與分析。如選中某條道路，可獲取該道路的相關(guān)矢量數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)等信息。

③最優(yōu)化搶險(xiǎn)道路分析功能：在搶險(xiǎn)資源調(diào)度方案確定后，系統(tǒng)可利用最優(yōu)化（最短路徑、最短時(shí)間等參數(shù)）路徑分析功能模塊，計(jì)算出各資源的最優(yōu)化調(diào)運(yùn)路線，并顯示在GIS系統(tǒng)平臺中。

④調(diào)度信息發(fā)布功能：系統(tǒng)可利用發(fā)布功能，自動生成PDF、WORD格式的調(diào)度信息發(fā)布文件。

七、結(jié) 語

通過錢塘江防汛搶險(xiǎn)資源最優(yōu)化調(diào)度路徑的研究，實(shí)現(xiàn)相關(guān)調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，為防汛專家組和防汛指揮部制訂搶險(xiǎn)方案及時(shí)提供相關(guān)調(diào)度信息（道路信息、物資信息、隊(duì)伍信息、時(shí)間信息等），成為防汛搶險(xiǎn)決策子系統(tǒng)的一個(gè)重要補(bǔ)充，對最終贏得搶險(xiǎn)勝利尤為重要。

[1]陳陽宇.數(shù)字水利[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]余達(dá)征,索麗生.關(guān)于防洪調(diào)度智能決策支持系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) [J].水文，1999（2）.