城市應(yīng)急救援中心選址及車輛路徑優(yōu)化研究評述與展望

王付宇　張亞楠

[摘 要]針對緊急突發(fā)事件下的應(yīng)急救援中心選址及車輛路徑優(yōu)化問題研究是近年來新興的研究熱點之一，其研究成果可以有效減少區(qū)域自然災(zāi)害和城市突發(fā)性緊急事件所帶來的人員傷亡和財物損失。對國內(nèi)專家學(xué)者在該領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納整理，從傳統(tǒng)確定性條件下到不確定情景下的應(yīng)急救援中心選址及車輛路徑優(yōu)化研究中所涉及到的研究方法、模型、求解方法等方面進(jìn)行了綜合評述。另外還討論了應(yīng)急物流研究發(fā)展歷程中存在的一些問題，最后展望了我國智慧城市建設(shè)情景下應(yīng)急救援問題的研究趨勢。

[關(guān)鍵詞]應(yīng)急救援； 選址； 路徑優(yōu)化； 智能算法； 綜述與展望

[中圖分類號]TP391；TP301.6[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1009—2234（2015）10—0088 — 04

近年來，我國各地發(fā)生自然災(zāi)害及人為突發(fā)性事件的頻率越來越高，給人們帶來的生命威脅以及財產(chǎn)損失也越來越大〔1-2〕。如：2012年5月10日，甘肅岷縣發(fā)生特大冰雹山洪泥石流自然災(zāi)害，導(dǎo)致40人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)68億元。除了大規(guī)模自然災(zāi)害以外，城市內(nèi)部的突發(fā)性緊急事件也層出不窮，特別是人為的公共場所危害事件。如：2014年3月1日昆明火車站發(fā)生嚴(yán)重暴力恐怖事件，致使33人死亡130人受傷；2014年12月31日晚，上海外灘群眾自發(fā)跨年夜活動過程中發(fā)生嚴(yán)重踩踏事件，造成36人死亡49人受傷等。

由于該類事件的突發(fā)性、不確定性、復(fù)雜性決定了其救援工作難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)物流配送，政府和救援機構(gòu)只能依靠現(xiàn)有的應(yīng)急救援系統(tǒng)做好突發(fā)事件發(fā)生后的緊急救援工作，從而減少人員傷亡和財物損失?？茖W(xué)可行的城市應(yīng)急救援中心選址和資源調(diào)度體系建設(shè)中，需要更多地結(jié)合地理空間信息以及突發(fā)事件相關(guān)信息來分析需求點的分布特征和突發(fā)事件的發(fā)生概率，運用最優(yōu)化理論和啟發(fā)式算法實現(xiàn)“智慧”應(yīng)急救援。并且近年隨著我國智慧城市建設(shè)的逐步推進(jìn)和完善，智能交通和高效應(yīng)急救援體系也是成為智慧城市建設(shè)必不可少的重要組成部分?；诖?，為了適應(yīng)我國智慧城市建設(shè)需要，確保城市發(fā)生各種突發(fā)事件時城市應(yīng)急救援中心能夠及時響應(yīng)、智能化調(diào)度救援車輛、選擇最佳救援路線、實施高效救援，面向智慧城市建設(shè)的不確定情景下城市應(yīng)急救援中心的選址和車輛路徑優(yōu)化問題成為目前亟待解決的課題〔3-5〕。

1 應(yīng)急救援中心選址問題研究綜述

國內(nèi)諸多文獻(xiàn)對該領(lǐng)域的研究主要分為兩方面：一是傳統(tǒng)確定性條件下的應(yīng)急救援中心選址問題，該研究是建立在需求點位置及需求量、路網(wǎng)通行狀況等參數(shù)已知的基礎(chǔ)上，其相關(guān)的研究及算法已經(jīng)發(fā)展的比較成熟；二是不確定性環(huán)境下的選址問題，伴隨著城市規(guī)模不斷擴大，人口快速膨脹，城市突發(fā)事件包含的不確定信息也日趨復(fù)雜，因此建立符合現(xiàn)代城市應(yīng)急特點的救援中心必須要綜合考慮相關(guān)不確定因素。目前對于前者研究文獻(xiàn)主要有，方磊〔6〕等人就需求點位置和需求點之間距離已知的狀況下，把城市應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址問題轉(zhuǎn)化成了線性規(guī)劃問題，并采用對偶單純形法進(jìn)行了有效求解。韓強〔7〕等人提出了成本最低、救援時間最短多目標(biāo)選址模型，并且通過仿真證明了模擬退火算法對求解該問題的有效性。葛春景〔8〕等人運用改進(jìn)的多重數(shù)量和質(zhì)量覆蓋模型，使得模型更符合實際情況，并采用改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行了求解。

不確定環(huán)境下的應(yīng)急救援設(shè)施選址研究主要有，陳鑫〔9-10〕等人針對應(yīng)急救援點需求狀況為模糊隨機變量的救援中心選擇問題，引用了不確定規(guī)劃理論和模糊集理論，建立了以總運輸成本最小同時滿足時間緊迫性的選址模型，并運用Matlab編程對算例進(jìn)行了模擬計算實驗。陶莎等人〔11〕針對待救點需求以及救援路網(wǎng)狀況均不確定環(huán)境下的應(yīng)急救援選址問題，采用期望值法和隨機模擬來量化物資需求量和道路通行能力等不確定性因素，并建立成本最小為目標(biāo)的集合覆蓋選址模型。趙樹平等人〔12〕針對城市應(yīng)急救援過程中各部門的不同決策問題，提出了一種基于TOPSIS和距離測度的多屬性應(yīng)急設(shè)施選址群決策方法。馬祖軍〔13-14〕等人對洪災(zāi)、地震等自然災(zāi)害和城市公共突發(fā)事件下的應(yīng)急救援中心選址及車輛路徑優(yōu)化問題作了大量研究，提出應(yīng)急物資配送中心定位與配送車輛路徑安排的聯(lián)合決策問題，并對此建立了模糊多目標(biāo)定位及路徑優(yōu)化模型。

從以上文獻(xiàn)可以看出，應(yīng)急救援中心選址研究不斷更新完善的本質(zhì)在于逐步挖掘影響救援效率的潛在因素，然后針對這些因素提出對應(yīng)的解決方法，最后在現(xiàn)有文獻(xiàn)的成果之上再結(jié)合新問題新方法，從而建立更加優(yōu)越的選址理論體系。雖然研究方向和創(chuàng)新思路都很明確，但目前國內(nèi)對該領(lǐng)域的研究依然存在很多不足之處，如：地理坐標(biāo)系的建立，現(xiàn)有文獻(xiàn)中幾乎都是利用計算機軟件構(gòu)建方形的坐標(biāo)系，這明顯和城市實際邊界不相符；需求點坐標(biāo)的確定，能夠做到實地調(diào)研的文獻(xiàn)很少，而是利用軟件隨機生成；救援車輛行駛速度的確定，很少考慮城市本身隨時間變化而變化的道路擁堵特點。由此可見，國內(nèi)在城市應(yīng)急救援設(shè)施選址領(lǐng)域，理論結(jié)合實際方面思考的尚不夠深入，導(dǎo)致對城市應(yīng)急選址能夠起到“拿來即用”的研究成果很少。

2.應(yīng)急救援車輛路徑優(yōu)化問題研究綜述

適當(dāng)?shù)膽?yīng)急救援中心雖然能將模糊的需求點位置全部覆蓋，并且在全局下達(dá)到成本最低、救援時間最短，但是對于部分或單個位置未知的需求點救援顯然不能確保做出精確的救援，所以繼選址確定之后的救援車輛路徑優(yōu)化方案同樣起著舉足輕重的作用。

國內(nèi)針對不確定環(huán)境下的應(yīng)急救援物資配送車輛路徑優(yōu)化研究主要有：吳瑤〔15〕針對城市突發(fā)公共事件爆發(fā)后的傷員救治問題，建立了以不同等級傷員等待救援加權(quán)時間和最小為目標(biāo)的綜合數(shù)學(xué)模型。楊文國〔16〕等人對大規(guī)模災(zāi)后傷員救助工作展開了研究，給出了總體救助時間最小化為目標(biāo)的救護(hù)車分配優(yōu)化模型，最后通過數(shù)值算例表明所給模型的有效性。劉春林〔17〕等人研究了應(yīng)急物資連續(xù)供應(yīng)條件下，分別以應(yīng)急開始時間最早、出救點數(shù)目最少等為優(yōu)化目標(biāo)，并通過組合優(yōu)化、模糊規(guī)劃、兩階段規(guī)劃等方法求解模型。鄭斌〔18〕等人以物資運達(dá)總時間最短和系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)，建立了應(yīng)急物資需求模糊的多目標(biāo)定位-路徑問題（LRP）優(yōu)化模型，并提出了一種多目標(biāo)遺傳算法。范文璟〔19〕針對時變網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下城市應(yīng)急救援路徑優(yōu)化問題，提出了一種城市路段行駛時間計算方法。孫華燦〔20〕為了提高多式聯(lián)運經(jīng)營人運輸決策的科學(xué)性和可行性，提出了聯(lián)合運輸合理路徑概念。張雷等人〔21〕針對城市內(nèi)澇災(zāi)害救援過程中的救援車輛及隊伍指派工作進(jìn)行了研究，采用反點法對建立的指派模型進(jìn)行了求解。姜金貴等人〔22〕針對城市內(nèi)澇突發(fā)情況下，引用連通系數(shù)和暢通系數(shù)來計算車行速度，建立相應(yīng)的救援路徑優(yōu)化模型。王新平等人〔23〕針對多疫區(qū)多周期環(huán)境下的應(yīng)急物資配送協(xié)同優(yōu)化問題做出了相關(guān)研究，構(gòu)建出了多目標(biāo)物資調(diào)度模型。馬昊等人〔24〕針對城市公路特征下的抗災(zāi)救援點部署問題，分析了路段的可靠性與災(zāi)害點受災(zāi)等級，采用遺傳算法求得最優(yōu)救援點部署方案。

從以上文獻(xiàn)具體內(nèi)容可以看出，影響車輛行駛速度的不確定因素參數(shù)幾乎都無法用數(shù)字直接測量，對此多數(shù)學(xué)者選擇采用隨機模擬、模糊數(shù)學(xué)、不確定理論、層次分析、數(shù)理統(tǒng)計等方法進(jìn)行分析處理。但是，不難發(fā)現(xiàn)每個文獻(xiàn)只在需求點位置及模糊需求量或者城市路網(wǎng)對車輛速度方面做了簡單的突破，而把兩者系統(tǒng)的結(jié)合在一起或者對單個方面進(jìn)行深入研究的重大成果還沒有出現(xiàn)。所以，全面的考慮物資配送過程中的不確定因素，規(guī)劃多時段的車輛往返路徑還需進(jìn)一步研究。

3.模型及算法研究綜述

應(yīng)急救援中心選址和車輛路徑優(yōu)化研究主要體現(xiàn)在選址模型、車輛路徑優(yōu)化模型和模型求解算法三個方面。在選址模型方面的代表性研究有：趙小明等人〔25-26〕采用重心法進(jìn)行了物資配送中心選址研究，以及孫翀〔27〕等人結(jié)合城市道路交通能力分析了重心法在物流中心選址中的應(yīng)用。尤建新〔28-29〕等人建立了比傳統(tǒng)模型更加靈活的多目標(biāo)模型，并根據(jù)提出的參數(shù)規(guī)劃加權(quán)法和約束法進(jìn)行求解。段剛〔30-31〕等人運用定性與定量相結(jié)合的方法，采用模糊理論和雙層規(guī)劃模型解決了物流中心的選址問題。

應(yīng)急救援車輛路徑優(yōu)化模型主要體現(xiàn)在目標(biāo)函數(shù)以及約束條件方面，以救援成本最低、車輛行駛時間最短、救援路徑最短等為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)函數(shù)，約束條件主要反映不同車型的容量、路況對車速的影響、車輛單程最遠(yuǎn)行駛距離等限制因素。國內(nèi)主要代表性研究有，朱文興〔32〕 等人提出了交通流密度圖的定義和城市動態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)模型，同時還給出了動態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)中OD對的路徑優(yōu)化模型。楊兆升等人〔33〕分析了城市突發(fā)災(zāi)害對路網(wǎng)造成不確定的道路損壞、交通擁堵程度，建立了時變下應(yīng)急救援路徑選擇模型。徐琴等人〔34〕在文獻(xiàn)中引入弧阻尼系數(shù)，把路網(wǎng)圖中的固定弧權(quán)改為隨時間變化的動態(tài)弧權(quán)，來反映道路交通流量對車速的影響。張毅〔35〕等將多屬性決策理論與加權(quán)和法相結(jié)合構(gòu)造決策效用函數(shù)。張銥瑩〔36〕在文獻(xiàn)中引入需求點危險權(quán)重系數(shù)，并建立綜合可靠性的多目標(biāo)應(yīng)急資源配送模型。

對于模型的求解方面，羅鳳連〔37〕等人應(yīng)用松弛算法研究了醫(yī)療急救中心的最優(yōu)選址問題。覃鳳梅〔38〕在相關(guān)論文里研究了城市火災(zāi)下的應(yīng)急救援車輛路徑優(yōu)化，采用改進(jìn)的Dijkstra算法進(jìn)行求解。朱昌鋒〔39〕利用模擬退火算法，求解了多式聯(lián)運條件下應(yīng)急車輛調(diào)度的優(yōu)化模型。程魁〔40〕等人根據(jù)螢火蟲智能優(yōu)化算法針對平面選址問題做了求解，并通過與其它算法比較得出螢火蟲算法的優(yōu)越性。李雙琳〔41〕等人針對震后應(yīng)急物資配送的多目標(biāo)選址—多式聯(lián)運優(yōu)化模型，設(shè)計一種采用二維編碼的非支配排序多目標(biāo)遺傳算法。謝小良〔42〕針對模糊需求信息條件下物流配送路徑優(yōu)化問題進(jìn)行了分析，并構(gòu)造了一種改進(jìn)的禁忌搜索算法進(jìn)行求解。趙建民〔43〕為了克服并購算法在求解有時間窗物流配送路徑優(yōu)化問題時局部最優(yōu)的缺陷，提出了混合并購算法的構(gòu)想。李紫瑤〔44〕針對應(yīng)急救援車輛路徑優(yōu)化模型，提出了基于精英螞蟻排序信息素更新方式的改進(jìn)蟻群算法。

由此可以看出，應(yīng)急救援系統(tǒng)中選址、路徑優(yōu)化和求解算法三者有著相輔相成的緊密關(guān)系。在應(yīng)急救援過程中所要考慮的不再是簡單的路徑最短問題，更主要是客觀條件的約束，特別是在自然災(zāi)害救援中，城市道路受損狀況以及隨時間推移而可能發(fā)生的意外情況，都時刻影響著救援車輛的行駛方案。而在建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型時還要考慮到求解算法的設(shè)計，先進(jìn)的算法是實現(xiàn)模型價值的重要保證。從近年的文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)急救援選址和路徑優(yōu)化是復(fù)雜離散組合的NP難題，傳統(tǒng)的單純形法、爬山算法、標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法已經(jīng)淘汰，取而代之的是改進(jìn)遺傳算法、群智能仿生算法、混合啟發(fā)式算法等。

4.研究動態(tài)分析

（1）城市道路“網(wǎng)格化、時段化”

現(xiàn)有文獻(xiàn)中對于路網(wǎng)通行能力的分析，只是簡單的分析了兩點之間道路是否損壞或交通擁堵程度，從而推算出車輛行駛速度。這種處理方法很大程度上簡化了城市道路交通對車速的實際影響。對此，應(yīng)按照城市道路網(wǎng)絡(luò)將城市網(wǎng)格化，通過交通部門各路口視頻監(jiān)控資料分析不同時間段各路段的車流量和擁堵情況。雖然調(diào)研工作量很大，但是其結(jié)果對于車輛路徑優(yōu)化會起到實質(zhì)性幫助，相信可以將車輛救援所耗時間精確到分鐘。如下圖所示，畫出城市邊界輪廓，計算各時段內(nèi)每個單位路段對車速的影響系數(shù)（η）。

（2）運用GPS技術(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控

對救援車輛配備GPS定位終端，通過GPRS模塊將車輛位置、容量等信息及時傳送到救援指揮中心，同時救援中心也可通過該方法獲得道路通行能力，從而對車輛的行駛路徑進(jìn)行實時調(diào)度。由此可以看出這種信息收集及處理手段可對救援車輛路徑有著良好的優(yōu)化能力，并有效降低車輛到達(dá)需求點所耗時間。

（3）危險品的運輸路徑規(guī)劃

企業(yè)在運輸石油、化學(xué)物品等過程中存在著很大的交通隱患，如何選擇一條安全的道路，即使發(fā)生事故也能夠得到及時的救援。對此交通部門可以進(jìn)行有必要的干涉，通過禁止這類企業(yè)在城市主干道的通行或者指明其車輛行駛路徑，以此來避免大規(guī)模的人員傷亡事故，并提高某些路段的應(yīng)急救援能力。

（4）物資分配的公平性

現(xiàn)實應(yīng)急救援過程中仍然存在部分需求點實際需求量較少但被分配的物資量較多，而有些需求點實際需求量較大但實際被分配的物資較少甚至沒有得到救助。所以如何精確的劃分需求點的受災(zāi)程度和需求程度，使得受災(zāi)群眾能夠得到滿意的救助以及心里平衡，是今后需要重點研究的方向。

（5）啟發(fā)式算法的改進(jìn)

該領(lǐng)域中所涉及的數(shù)學(xué)模型本質(zhì)上是對非確定性多形式（NP難題）的求解，傳統(tǒng)的精確算法已經(jīng)無法得到滿意解，因此必須使用智能啟發(fā)式算法。而遺傳、蟻群等算法本身求得這類數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解也只是一個概率性問題，所以設(shè)計計算能力更加優(yōu)越的智能算法也是今后該領(lǐng)域研究的重點之一。

5.結(jié)束語

應(yīng)急救援系統(tǒng)必須要切實結(jié)合地區(qū)本身地理、經(jīng)濟(jì)、交通等特征和緊急救護(hù)工作的不確定因素分析，構(gòu)建出合理的符合該研究特性的數(shù)學(xué)模型，其得出的研究成果才能更好地指導(dǎo)實際救援工作。我國在“智慧”城市應(yīng)急救援管理方面的研究還處于起步學(xué)習(xí)的階段，其理論體系和實踐技術(shù)都有待于進(jìn)一步完善。對此國內(nèi)的應(yīng)急救援管理還需從以下幾點著手：（1）擴大研究視角，積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)理論成果，整體來完善國內(nèi)的方法和技術(shù)體系；（2）政府應(yīng)積極主動吸收學(xué)者的科研成果，加快應(yīng)急救援中心的建設(shè)，完善應(yīng)急預(yù)案，以便更好的開展應(yīng)急救援工作。

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〔責(zé)任編輯：陳玉榮〕