基于NSGA-II的煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址研究

侯 帥 王漢斌 王亞陽

（太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西省太原市，030024）

基于NSGA-II的煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址研究

侯 帥 王漢斌 王亞陽

（太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西省太原市，030024）

闡述了應(yīng)急救援站選址的現(xiàn)狀和影響因素，將影響因素轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的可量化目標(biāo)，并針對不同的可量化目標(biāo)確定模型的約束條件，構(gòu)建選址多目標(biāo)決策模型。應(yīng)用非支配遺傳算法NSGA-II對該模型求解，并通過算例進(jìn)行分析。

煤礦應(yīng)急管理 站點(diǎn)選址 多目標(biāo)決策模型 NSGA-II模型

基于礦區(qū)突發(fā)事故的危險(xiǎn)源具有無法消除，只能辨識、檢測和預(yù)防的特點(diǎn)，組織及時(shí)有效的應(yīng)急救援是控制災(zāi)情、減少損失的關(guān)鍵手段。應(yīng)急救援站是礦區(qū)突發(fā)事故應(yīng)急救援的根本保障，是煤礦應(yīng)急救援體系的重要組成部分。因?yàn)閼?yīng)急救援站一經(jīng)建立，就將長期服務(wù)于該區(qū)域，所以應(yīng)急救援站選址時(shí)，為了降低救援成本，提高工作效率，必須充分考慮應(yīng)急救援站的合理布局。目前應(yīng)急救援站的布局主要是最低限度借鑒 《煤礦安全規(guī)程》對時(shí)間和服務(wù)距離的規(guī)定，并沒有完善的理論體系支撐。國內(nèi)對于突發(fā)事件救援設(shè)施選址問題的研究已經(jīng)取得了一定的成果，方磊等人（2003）建立了結(jié)合AHP和目標(biāo)規(guī)劃思想的應(yīng)急救援設(shè)施選址模型；尤建新等人（2006）整合了P-中心模型和P-中值模型，建立了同時(shí)兼?zhèn)涔叫院蜁r(shí)效性的多目標(biāo)決策模型；劉順國等人（2010）在約束條件下提出了兼具實(shí)用性和有效性礦井設(shè)置多目標(biāo)決策方法，并使用0-1規(guī)劃模型求解。大多數(shù)國內(nèi)學(xué)者的研究還只局限在傳統(tǒng)模型的框架中，并沒有考慮突發(fā)事件的特點(diǎn)，構(gòu)建的模型也未能完全契合實(shí)際環(huán)境，給企業(yè)帶來的預(yù)期選址效果較不明顯。

故本文從重大突發(fā)事件選址問題的現(xiàn)狀和影響因素出發(fā)，確立了多個(gè)可量化目標(biāo)，并針對不同的決策目標(biāo)設(shè)計(jì)約束條件，建立適用于煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址的多目標(biāo)決策模型，繼而運(yùn)用NSGA -II對該模型進(jìn)行求解。通過實(shí)證分析說明該模型的可行性和有效性，為有關(guān)部門優(yōu)化應(yīng)急救援站布局提供合理借鑒。

1　問題的提出

礦區(qū)應(yīng)急救援站是煤礦礦區(qū)防震減災(zāi)的主要部門，每個(gè)礦區(qū)都必須設(shè)立站點(diǎn)，承擔(dān)突發(fā)事故的應(yīng)急救援工作。礦區(qū)應(yīng)急救援站平時(shí)的工作是儲備應(yīng)急救援物資，突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，組建應(yīng)急救援調(diào)度辦公室指揮救援工作，并及時(shí)安排專業(yè)的救援隊(duì)伍趕赴事故現(xiàn)場實(shí)施救援。

但是應(yīng)急救援站的選址規(guī)劃在煤礦建設(shè)時(shí)并沒有得到足夠的重視，其選址乃至救援覆蓋領(lǐng)域的決策僅依靠負(fù)責(zé)人的經(jīng)驗(yàn)和專家意見決定，很容易受到成本因素的影響。不合理的應(yīng)急救援站選址布局會嚴(yán)重降低其應(yīng)急管理水平和救援質(zhì)量，目前我國的大多數(shù)煤礦礦區(qū)尤其是舊礦區(qū)的應(yīng)急救援站布局都存在不同程度的站點(diǎn)數(shù)量不足、服務(wù)區(qū)劃分混亂、選址規(guī)劃不科學(xué)等問題。

2　煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址決策目標(biāo)確定

考慮到應(yīng)急救援站選址問題和一般選址問題相比具有更加嚴(yán)格的約束條件、服務(wù)的特殊性和響應(yīng)的及時(shí)性，因此應(yīng)急救援站的選址問題必須科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，需要根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建模型，靈活求解最優(yōu)方案。

應(yīng)急救援站選址決策的最終目的是預(yù)防災(zāi)害、有效救援和降低損失。由于國內(nèi)研究起步較晚，目前對于應(yīng)急救援站選址和布局的研究大多局限于實(shí)現(xiàn)最小成本、最大覆蓋等單目標(biāo)研究。但是單目標(biāo)決策方法容易造成與現(xiàn)實(shí)狀況偏差較大的結(jié)果，無法完全滿足現(xiàn)實(shí)中應(yīng)急救援站選址的要求，因此必須同時(shí)考慮多種因素，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型。

一般來講，煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址應(yīng)考慮時(shí)間限制因素、費(fèi)用因素、覆蓋范圍因素和可達(dá)性因素。

應(yīng)急救援站選址決策必須利用可獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算才能為企業(yè)提供參考，為保證研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，現(xiàn)將決策影響因素轉(zhuǎn)化為可以定量計(jì)算的決策目標(biāo)。

（1）最大時(shí)間最小目標(biāo)。基于時(shí)間限制因素的考量，要求在能夠有效救援的時(shí)間內(nèi)應(yīng)急救援站能趕往礦區(qū)內(nèi)最遠(yuǎn)的礦井，可將時(shí)間限制因素轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲髸r(shí)間最小目標(biāo)。

（2）應(yīng)急救援站數(shù)量最少目標(biāo)?？紤]費(fèi)用因素時(shí)，由于應(yīng)急救援站的土地成本、建造費(fèi)用、裝備配置、人員開支和日常訓(xùn)練費(fèi)用在同一礦區(qū)內(nèi)不同位置沒有明顯出入，故不考慮應(yīng)急救援站間的費(fèi)用差，在滿足礦區(qū)安全需求的情況下，將費(fèi)用因素轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)急救援站數(shù)量最少目標(biāo)。

（3）最大覆蓋目標(biāo)。基于應(yīng)急救援站服務(wù)覆蓋范圍因素的考量，使應(yīng)急救援站最大服務(wù)范圍涵蓋礦區(qū)內(nèi)所有礦井，將應(yīng)急救援站覆蓋范圍轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲蟾采w目標(biāo)。

（4）總加權(quán)時(shí)間最小目標(biāo)?；诳蛇_(dá)性因素的考量，要求盡可能縮短應(yīng)急救援站到所有煤礦礦井的總加權(quán)距離，將可達(dá)性轉(zhuǎn)變?yōu)榭偧訖?quán)時(shí)間最小目標(biāo)。

3　煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址決策模型構(gòu)建及求解

本文煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址研究是通過構(gòu)建多目標(biāo)決策來實(shí)現(xiàn)的。在考慮應(yīng)急救援站選址多個(gè)決策目標(biāo)的基礎(chǔ)上，分別確定決策模型的約束條件，構(gòu)建多目標(biāo)模型，最后應(yīng)用非支配遺傳算法NSGA-II來求解。

3.1構(gòu)建選址多目標(biāo)決策模型

根據(jù)離散整數(shù)規(guī)劃的數(shù)學(xué)思想整合本文的決策目標(biāo)，確定決策模型的約束條件，構(gòu)建多目標(biāo)決策模型。通過對決策目標(biāo)的考量，構(gòu)建的煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址多目標(biāo)決策模型如下:

式中:I——煤礦礦井的集合；

J——應(yīng)急救援站集合；

yj——在站點(diǎn)候選點(diǎn)j處建立應(yīng)急救援站，則變量yj=1，否則yj=0；

xij——若應(yīng)急救援站j覆蓋煤礦礦井i，則xij=1，否則xij=0；

zij——若應(yīng)急救援站j負(fù)責(zé)煤礦礦井i，則zij=1，否則zij=0；

min z1——實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急救援站數(shù)量最少目標(biāo)；

max z2——實(shí)現(xiàn)最大覆蓋目標(biāo)；

min z3——實(shí)現(xiàn)最大時(shí)間最小目標(biāo)；

min z4——實(shí)現(xiàn)總加權(quán)時(shí)間最小目標(biāo)；

ai——煤礦礦井i的權(quán)重；

tij——煤礦礦井i到應(yīng)急救援站j的時(shí)間；

wt——礦區(qū)內(nèi)煤礦礦井規(guī)模度；

cij——覆蓋系數(shù)；

L——可允許的最大救援時(shí)間。

其中約束條件max tij≤L限制救護(hù)時(shí)間的最大值；約束條件表示所有應(yīng)急救援站數(shù)量最大值為p；約束條件xij-yj≤0表示選擇應(yīng)急救援站j后，煤礦礦井i才能被應(yīng)急救援站j覆蓋；保證每個(gè)煤礦礦井一定且只能被一個(gè)應(yīng)急救援站覆蓋；約束條件xij∈｛0，1｝、yj∈｛0，1｝表示xij、yj為整數(shù)變量。

3.2NSGA-II求解選址決策模型

在本文中，使用非支配遺傳算法NSGA-II作為解決多目標(biāo)決策模型的方法。NSGA-II主要操作步驟如下:

（1）解碼并產(chǎn)生初始群種。設(shè)定群體規(guī)模，即群體所含個(gè)體數(shù)目為N，預(yù)先定義隨機(jī)數(shù)的取值范圍，由程序隨機(jī)生成初始種群P0。

（2）非支配排序。對種群進(jìn)行分級，即將種群中所有非劣解個(gè)體視為同一級別，令其為等級1；將這些個(gè)體移出，在剩余個(gè)體中再找非劣解，令其為等級2；重復(fù)進(jìn)行分級步驟直到所有個(gè)體都有對應(yīng)的等級。

（3）虛擬適應(yīng)度計(jì)算。

（4）選擇、交叉、變異。通過計(jì)算擁擠度和排序，種群中每一個(gè)個(gè)體都具備兩種屬性，即擁擠距離id和非支配序irank。當(dāng)irank=jrank，且id＞jd，或者irank＜jrank時(shí)，認(rèn)為i個(gè)體比j個(gè)體更優(yōu)。

（5）精英策略，Rn為父代及其子代混合后的新種群，經(jīng)過排序分級后，新種群Pn+1可經(jīng)由填充不同的非劣解層形成，將非劣解依據(jù)擁擠距離id降序排列，依次進(jìn)入Pn+1，直至Pn+1種群規(guī)模為N。

4　算例分析

假設(shè)某煤礦礦區(qū)內(nèi)有10個(gè)礦井，由于成本和時(shí)間的要求，有5個(gè)候選應(yīng)急救援站可供選擇?；诠叫钥剂?，設(shè)ai為1，根據(jù)現(xiàn)行法規(guī)，可允許的最大救援時(shí)間L為15 min。根據(jù)重心法，對5個(gè)站點(diǎn)到每個(gè)礦井的距離進(jìn)行測量，路況等影響因素忽略不計(jì)，假設(shè)應(yīng)急救援站運(yùn)輸車輛是勻速的，為55 km/h，可獲得站點(diǎn)到礦井的救援時(shí)間tij，如表1所示。

表1　應(yīng)急救援站候選點(diǎn)救援時(shí)間統(tǒng)計(jì)　min

覆蓋度系數(shù)cij表示應(yīng)急救援站服務(wù)對礦井的覆蓋程度，覆蓋度系數(shù)cij可表示為:

式中:tjmin——應(yīng)急救援站到礦井的最短救援時(shí)間，min；

tjmax——應(yīng)急救援站到礦井的最長救援時(shí)間，min。

利用各站點(diǎn)到礦井的最長和最短時(shí)間，根據(jù)覆蓋度系數(shù)函數(shù)計(jì)算得到覆蓋度，如表2所示。

表2　應(yīng)急救援站候選點(diǎn)覆蓋度

礦井編號應(yīng)急救援站候選點(diǎn)1 2 3 4 5 6　0.37　0.22　0.46　0.45　0.21 7　0.91　0.76　0.63　0　0 8　1　0.95　0.93　0.82　0.17 9　0.43　0.93　0.43　0.20　0.35 10　0　0.96　0.32　0.69　0.62

為方便計(jì)算，各礦井生產(chǎn)規(guī)模歸一化處理，得到礦井的規(guī)模度wt，如表3所示。該礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址多目標(biāo)決策模型如下:

表3　應(yīng)急救援站候選點(diǎn)規(guī)模度

運(yùn)用非支配遺傳算法NSGA-II來求解構(gòu)建的選址多目標(biāo)決策模型，通過Matlab軟件實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多次運(yùn)行試驗(yàn)比較后設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)如下:初始種群P0為50，迭代次數(shù)為500，交叉率為0.9，變異率為0.1。經(jīng)過NSGA-II計(jì)算得到5組Pareto最優(yōu)解，導(dǎo)出所有xij=1的xij，得到具體的礦區(qū)應(yīng)急救援站選址方案和其覆蓋煤礦礦井的范圍關(guān)系（例如X1，2表示2號應(yīng)急救援站覆蓋1號煤礦礦井）結(jié)果見表4。

表4　礦區(qū)應(yīng)急救援站選址方案及其覆蓋關(guān)系

由于求解得到的Pareto最優(yōu)解不是唯一解，因此不能直接得到哪一個(gè)方案最優(yōu)。需要綜合對比最大時(shí)間、覆蓋度、平均時(shí)間、成本等數(shù)據(jù)才能得到最佳的方案，計(jì)算結(jié)果見表5。

由表5可以看出方案1～方案3是建造2個(gè)應(yīng)急救援站的方案，方案4～方案5是建造3個(gè)應(yīng)急救援站的方案。5組方案都可以滿足時(shí)效和覆蓋要求，由于單個(gè)應(yīng)急救援站的建設(shè)成本較大，根據(jù)決策者的成本傾向可以將5組方案按照應(yīng)急救援站數(shù)量分成2種情況來進(jìn)行決策。

考慮建設(shè)2個(gè)應(yīng)急救援站的情況，礦區(qū)決策者注重成本的控制。在方案1～方案3中，方案1的平均時(shí)間最小覆蓋度最大，所以方案1比較好，考慮建設(shè)3個(gè)應(yīng)急救援站的情況，礦區(qū)決策者在成本上沒有限制，在方案4和方案5中，方案5的平均時(shí)間較小、覆蓋度較大，所以應(yīng)該選擇方案5。

由算例分析過程可以看出，應(yīng)用NSGA-II求解多目標(biāo)決策模型，解集收斂性好、運(yùn)行速度快，并且降低了計(jì)算復(fù)雜度。而且最優(yōu)的方案是由決策者考慮的不同重點(diǎn)來決定，所決策出的方案更具有適用性。

表5　5組方案各項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

5　結(jié)語

本文中的煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址決策方法是基于科學(xué)、客觀的原則設(shè)計(jì)的，計(jì)算的基礎(chǔ)是礦區(qū)各煤礦礦井的地理位置、各礦井生產(chǎn)規(guī)模等客觀數(shù)據(jù)，保證了整個(gè)應(yīng)急救援站選址決策過程的客觀性，避免了人為主觀因素的影響，主要計(jì)算過程可以通過計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，最后做出的選址方案更加科學(xué)合理。

通過分析煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址的影響因素，確立了煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站的決策目標(biāo)，據(jù)此建立了煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址的多目標(biāo)決策模型，為實(shí)現(xiàn)決策目標(biāo)，該模型整合了基于影響因素分析下確定的4個(gè)可量化目標(biāo)，以適合自然災(zāi)害或突發(fā)事件應(yīng)急救援站的部署策略，具有實(shí)際應(yīng)用性，為煤礦礦區(qū)應(yīng)急救援站選址多目標(biāo)決策確定提供了理論參考，并形成了一套新的煤礦應(yīng)急救援站選址方法，對于煤礦安全生產(chǎn)具有很大的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 張吉苗.煤礦事故致因理論及安全管理對策 ［J］.中國煤炭，2013（6）

［2］ 方磊，何建敏.綜合AHP和目標(biāo)規(guī)劃方法的應(yīng)急系統(tǒng)選址規(guī)劃模型［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2003（12）

［3］ 陳志宗，尤建新.重大突發(fā)事件應(yīng)急救援設(shè)施選址的多目標(biāo)決策模型［J］.管理科學(xué)，2006（4）

［4］ 劉順國，周孝華，楊秀苔.煤礦礦井設(shè)置的多目標(biāo)選址決策分析［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識，2010（1）

［5］ 高翔.煤礦應(yīng)急管理脆弱性評價(jià)及策略研究 ［D］.太原:太原理工大學(xué)，2013

［6］ 李愛平，張瑞新.煤礦應(yīng)急資源優(yōu)化管理與調(diào)度監(jiān)控研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009（4）

［7］ 孫震宇，張振龍，王海燕.我國煤礦事故新特點(diǎn)及應(yīng)急救援特征分析［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（15）

［8］ 高翔，王漢斌.基于偏好序的煤礦突發(fā)事故應(yīng)急資源調(diào)配模型［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2012（12）

［9］ 張銥瑩.多目標(biāo)應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址與資源配置問題研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011（12）

［10］ 李雙琳，馬祖軍等.震后初期應(yīng)急物資配送的模糊多目標(biāo)選址-多式聯(lián)運(yùn)問題 ［J］.中國管理科學(xué)，2013（2）

（責(zé)任編輯 張艷華）

兩部門明確煤炭采掘企業(yè)增值稅進(jìn)項(xiàng)稅額抵扣事宜

日前，財(cái)政部、國家稅務(wù)總局聯(lián)合發(fā)布 《關(guān)于煤炭采掘企業(yè)增值稅進(jìn)項(xiàng)稅額抵扣有關(guān)事項(xiàng)的通知》（以下簡稱 《通知》），明確了兩項(xiàng)煤炭采掘企業(yè)增值稅進(jìn)項(xiàng)稅額抵扣事宜，并就有關(guān)概念做出了說明。

《通知》指出，煤炭采掘企業(yè)購進(jìn)的下列項(xiàng)目，其進(jìn)項(xiàng)稅額允許從銷項(xiàng)稅額中抵扣:一是巷道附屬設(shè)備及其相關(guān)的應(yīng)稅貨物、勞務(wù)和服務(wù)；二是用于除開拓巷道以外的其他巷道建設(shè)和掘進(jìn)，或者用于巷道回填、露天煤礦生態(tài)恢復(fù)的應(yīng)稅貨物、勞務(wù)和服務(wù)。

《通知》所稱的巷道，是指為采礦提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、動力供應(yīng)、瓦斯治理等而掘進(jìn)的通道，包括開拓巷道和其他巷道。其中，開拓巷道是指為整個(gè)礦井或一個(gè)開采水平（階段）服務(wù)的巷道。所稱的巷道附屬設(shè)備，是指以巷道為載體的給排水、采暖、降溫、衛(wèi)生、通風(fēng)、照明、通訊、消防、電梯、電氣、瓦斯抽排等設(shè)備。

《通知》自2015年11月1日起執(zhí)行。

Study on the site selection of emergency rescue station in coal mine area based on the NSGA-II model

Hou Shui，Wang Hanbin，Wang Yayang
（College of Economics&Management，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

the present situation and the influence factors of site selection of emergency rescue station were elaborated，the influence factors were converted to the corresponding quantifiable objective，constraint conditions of model were determined for different quantifiable objective，multi-objective decision model of site selection was established，solved by means of Non-dominated Sorting Genetic Algorithm（NSGA-II），and analyzed by calculation examples.

emergency management of coal mine，site selection，multi-objective decision model，NSGA-II model

TD773

A

侯帥（1990-），男，漢族，山西晉中人，管理科學(xué)與工程專業(yè)礦業(yè)管理方向碩士研究生。