基于風(fēng)險分析的軍用危險品道路運(yùn)輸線路優(yōu)化

我國的軍用危險物資一般有武器彈藥(包括報廢彈藥)、火箭推進(jìn)劑、各種油料等3 大類［1］。在運(yùn)輸?shù)倪^程中，若發(fā)生爆炸，可引燃周圍可燃物而釀成火災(zāi)，爆炸氣體形成的空氣沖擊波，可造成對周圍的破壞，嚴(yán)重的可摧毀附近的建筑物及設(shè)施并造成人員傷亡。

軍用危險品從生產(chǎn)到儲存、使用都需要通過運(yùn)輸環(huán)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)其戰(zhàn)斗力，道路運(yùn)輸網(wǎng)的建設(shè)給軍用危險品運(yùn)輸提供了快捷通道，但由于其具有特殊的理化性質(zhì)，無論是平時還是戰(zhàn)時，都具有極大安全隱患［2］。若發(fā)生運(yùn)輸事故，不僅會污染環(huán)境，而且會因未能及時補(bǔ)充作戰(zhàn)物資而影響部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力。運(yùn)輸線路優(yōu)化不僅要節(jié)約成本，最重要是降低風(fēng)險。因此，針對降低運(yùn)輸風(fēng)險的軍用危險品道路路線優(yōu)化研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 危險品運(yùn)輸風(fēng)險分析

軍用危險品道路運(yùn)輸是由人員、運(yùn)輸工具、公路線路、裝載貨物及周圍不斷變化的環(huán)境等組成的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)由于受到各種因素的影響而存在安全風(fēng)險。為降低危險品道路運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險，有必要進(jìn)行風(fēng)險分析。風(fēng)險分析是指通過辨識軍用危險品運(yùn)輸過程中的影響因素，估計(jì)各種因素可能發(fā)生的概論，計(jì)算出在不同運(yùn)輸條件下的運(yùn)輸風(fēng)險，從而作出正確判斷，其目的在于辨識出影響系統(tǒng)安全的最基本因素［3］。通過分析軍用危險品道路運(yùn)輸系統(tǒng)，其風(fēng)險影響因素主要有相關(guān)人員、軍用危險品、裝卸設(shè)施設(shè)備、外部環(huán)境等。對軍用危險品運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險分析過程可以看作是公路運(yùn)輸網(wǎng)、運(yùn)輸風(fēng)險源、影響區(qū)域三者交互分析的結(jié)果［4］，風(fēng)險分析的框架如圖1 所示。

圖1 危險品道路運(yùn)輸風(fēng)險分析框架

危險品公路運(yùn)輸存在的危險點(diǎn)表現(xiàn)在運(yùn)輸網(wǎng)、運(yùn)輸風(fēng)險源、影響區(qū)域3 個方面，而通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，這三者存在著一定程度上的交叉影響，對風(fēng)險的影響程度不同，危險品運(yùn)輸過程中不同的路線有不同的運(yùn)輸風(fēng)險。本文選取運(yùn)輸事故率、影響人員數(shù)、環(huán)境風(fēng)險、運(yùn)輸時間4 個風(fēng)險指標(biāo)，將風(fēng)險指標(biāo)作為選線指標(biāo)，按照權(quán)重結(jié)合為一個風(fēng)險值。

2 選線優(yōu)化

2.1 選線風(fēng)險影響因素

由于危險品公路運(yùn)輸要考慮的主要問題是減低風(fēng)險，直接影響到線路優(yōu)化的方向。線路優(yōu)化問題即運(yùn)輸路線選擇問題，這是個多目標(biāo)問題;而危險品運(yùn)輸?shù)哪康氖鞘沟眠\(yùn)輸風(fēng)險最小，這就是線路優(yōu)化的根本目的，線路優(yōu)化的約束條件則是運(yùn)輸風(fēng)險的各種影響因素，線路優(yōu)化要達(dá)到這個目的，就要將影響風(fēng)險的各種因素考慮進(jìn)去。為了解決這個多目標(biāo)問題，將風(fēng)險影響因素轉(zhuǎn)化為風(fēng)險值來選擇最佳路徑，同時，依照道路狀況，如道路等級、設(shè)計(jì)限速、交通量等，以及影響人員、天氣狀況等因素影響運(yùn)輸過程優(yōu)化選線，而且選線決策中應(yīng)更多地考慮輸沿線影響人員風(fēng)險［4］。為此，從減小風(fēng)險的角度使用運(yùn)輸事故率、影響人員數(shù)、環(huán)境風(fēng)險、運(yùn)輸時間4 個選線優(yōu)化指標(biāo)，并且以最小化運(yùn)輸事故率和最小化影響人員數(shù)為主要優(yōu)化目標(biāo)來定義風(fēng)險值。

軍用危險品公路運(yùn)輸?shù)目尚新窂接梢幌盗新范蜳構(gòu)成，定義P={1，2，…，n};Pi為第i路段的泄露事故率，事故/a;di為第i路段的路線長度，km;Ci為第i路段風(fēng)險區(qū)的影響人員總數(shù)，人;而對于危險品道路運(yùn)輸沿線的影響人員可以分為路上影響人員C1、路外影響人員C2、沿線聚集中心人員C3等3 類［5］。由此可以得到如下的選線評價指標(biāo)，即選線函數(shù)。

(1)運(yùn)輸事故率P:

式中:P為總的運(yùn)輸事故率;φi為第i路段危險品的運(yùn)輸事故率;P(R/A)i為第i路段危險品運(yùn)輸事故中的條件泄露概率;ni為第i路段運(yùn)輸車輛數(shù)。

(2)影響人員數(shù)量C:

(3)環(huán)境風(fēng)險Ε:

式中:ρi為人員出現(xiàn)的概率;Si為第i運(yùn)輸路段危險品泄露后的影響敏感區(qū)環(huán)境面積［5］。

(4)運(yùn)輸時間T:

式中Vi為第i路段平均運(yùn)輸速度。

2.2 選線風(fēng)險值

設(shè)選線評價指標(biāo)m(1≤m≤4)，表示為一個集合fi={f1，f2，…，fm};l為運(yùn)輸起點(diǎn)O至終點(diǎn)D間的一條可行路徑，則路徑的選線函數(shù)可表示為fk，它由多個目標(biāo)函數(shù)組成，由于評價指標(biāo)都是越小越優(yōu)，則可表示選線函數(shù)為

由于各個選線目標(biāo)函數(shù)的單位不同，為了比較，先求解各個目標(biāo)屬性的最小評價值，然后標(biāo)準(zhǔn)化選線函數(shù)的單位，使其為無量綱的數(shù)值［6］?？蓪⒆顑?yōu)線路的評價函數(shù)轉(zhuǎn)化為

式中:fk(l)為路徑第k個選線函數(shù)的評價值;f*

k(l)為路徑第k個選線函數(shù)的最小評價值。則危險品道路運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險值可以表示為

2.3 選線方法

路段的風(fēng)險值由各個目標(biāo)的風(fēng)險值組成，需結(jié)合Dijsktra 最短路算法求解危險品運(yùn)輸最優(yōu)路徑［7］。該算法求非負(fù)賦權(quán)圖中起點(diǎn)vs到終點(diǎn)vt的最小風(fēng)險值路線，具體步驟如下。

(1)對于一個有權(quán)重的有向圖G，以V表示所有頂點(diǎn)的集合，每一個圖中的邊都是2 個頂點(diǎn)所形成的有序元素對，(u，v)表示從頂點(diǎn)u到v有路徑相連，每條邊(u，v)賦以一個實(shí)數(shù)F(u，v)，稱為邊的權(quán)，這里權(quán)值F(u，v)取為該路段的風(fēng)險值F。

(2)若有一條從u到v的邊，若是最小權(quán)值路徑，則把u到v的邊加在這條路徑后面，得新路徑權(quán)值為d(u)+F(u+v)，判斷其是否小于目前已知的d(v)的風(fēng)險值;若是，則將d(v)用d(u)+F(u+v)取代，如此擴(kuò)展計(jì)算，可得從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最小風(fēng)險值路線及風(fēng)險值。

(3)算法中保留頂點(diǎn)集合S與Q，已算出的最小風(fēng)險值d(v)的頂點(diǎn)放在S中，其他頂點(diǎn)放在Q中，開始時S為空，每一步都會有Q中滿足d(u)值最小的點(diǎn)移動到S中來。

(4)最后的結(jié)果得到從起點(diǎn)vs到終點(diǎn)vt的一條最小風(fēng)險路，這條路即是最優(yōu)路線，該路線總的風(fēng)險值為各路段風(fēng)險值之和。

3 實(shí)例分析

以某道路運(yùn)輸網(wǎng)為例，該道路拓?fù)鋱D如圖2 所示。設(shè)從v0-v7運(yùn)送10 t 的軍用危險品物資，通過調(diào)查路段的事故率、影響人員數(shù)、環(huán)境風(fēng)險、運(yùn)輸時間等基本信息，建立拓?fù)淙鐖D2 所示。

在給出的危險品道路運(yùn)輸路網(wǎng)拓?fù)鋱D中，一共有8 個頂點(diǎn)、12 條有向路段，各個路段的相關(guān)選線函數(shù)的取值見表1。

圖2 軍用危險品道路運(yùn)輸路網(wǎng)拓?fù)?/p>

表1 路段取值數(shù)據(jù)

將各選線值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，按照其對運(yùn)輸風(fēng)險值的重要程度，在這里主要依據(jù)文獻(xiàn)［5］中的權(quán)值參考，賦予這幾個指標(biāo)以權(quán)重:35% P+30% C+20% E+15%T，結(jié)合Dijkstra 最短路算法求解，得到最小風(fēng)險值路徑(用虛線表示)，如圖3 所示。

圖3 最小風(fēng)險路線

按照傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式，為最快速度地運(yùn)送軍用危險品物質(zhì)，一般會選擇運(yùn)輸時間最短的路線lminT為v0-v1-v5-v7，按照本文的綜合風(fēng)險值最小的最短路算法，綜合風(fēng)險最小的路徑lminF為v0-v1-v2-v6-v7。對比二者的標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)險值，lminF(值為2.92)明顯地小于lminT(值為3.85)，運(yùn)輸風(fēng)險值減小24.2%?？梢?，最短運(yùn)輸距離路線并非最佳路線，傳統(tǒng)的最短運(yùn)輸時間方法，雖然節(jié)約了運(yùn)輸時間，但會承擔(dān)很大的運(yùn)輸風(fēng)險。通過最小風(fēng)險權(quán)值選線方法進(jìn)行路線優(yōu)化，雖然增加了運(yùn)輸時間，但極大地減小了運(yùn)輸事故率、影響人員數(shù)等，也就減小了運(yùn)輸風(fēng)險，達(dá)到了運(yùn)輸路線優(yōu)化的效果。

4 結(jié) 語

針對降低軍用危險品的道路運(yùn)輸中風(fēng)險的路線優(yōu)化問題，可以有效地減小運(yùn)輸事故率、影響人員數(shù)等，從而最大程度地降低運(yùn)輸風(fēng)險。本文在對運(yùn)輸風(fēng)險組成因素進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，確定了選線指標(biāo)，采用最短路徑結(jié)合的方法尋找最佳的運(yùn)輸路線。通過實(shí)例計(jì)算結(jié)果，表明此方法可較好地應(yīng)用于軍用危險品的運(yùn)輸，能獲得最小風(fēng)險值的最優(yōu)路線，從而有效平衡各個選線指標(biāo)，為軍事運(yùn)輸選線決策部門提供有一定參考價值的決策技術(shù)和方法。

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