基于系統(tǒng)動力學的自然災害破壞條件下交通設施搶修

張 娜，趙海川，楊殷豪，劉錫鑫

(1.軍事交通學院 國防交通系，天津300161； 2.93056部隊，遼寧 鞍山 114225；3．西南大學 工程技術學院，重慶 400715)

?

● 國防交通 National Defense Traffic

基于系統(tǒng)動力學的自然災害破壞條件下交通設施搶修

張 娜1，趙海川2，楊殷豪3，劉錫鑫1

(1.軍事交通學院 國防交通系，天津300161； 2.93056部隊，遼寧 鞍山 114225；3．西南大學 工程技術學院，重慶 400715)

為提高自然災害破壞條件下交通設施搶修速率，保障交通線暢通無阻，基于系統(tǒng)動力學模型，分析影響自然災害破壞條件下交通設施搶修的諸多因素，建立整個交通設施搶修的系統(tǒng)動力學模型。以地震破壞下交通設施搶修為例，進行模型驗證，分析不同決策條件下對搶修隊伍在途數(shù)量、搶修道路橋梁設施恢復數(shù)量等因素的影響，提出加強應急救援保障理論研究、充分發(fā)揮基礎設施保障效能、提高應急救援快速保障能力的對策與建議。

交通設施搶修；系統(tǒng)動力學模型；自然災害

我國幅員遼闊，地理、地質、氣候條件復雜，直接導致自然災害種類繁多且發(fā)生頻繁。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，一般年份，全國受災人口2億人(次)，因災死亡數(shù)千人，直接經(jīng)濟損失從20世紀80年代的700多億元增長到近年來的1 300多億元。災害發(fā)生后，當?shù)卣?、軍隊?lián)合啟動應急救援保障機制，“災情就是命令，時間就是生命”，交通設施的破壞，直接影響應急救援工作的開展。因此，研究自然災害破壞交通設施的搶修，具有十分重要的意義。

目前，許多學者對自然災害破壞交通設施搶修的組織機制和技術進行了相關研究。文獻[1]針對救災行動應急交通保障能力，提出了配強應急交通保障裝備、擬制救災行動應急交通保障預案方案、加強交通基礎設施建設等對策；文獻[2]針對高速鐵路橋梁遭受自然災害損毀的情況，本著預有準備、多案并舉、安全快速的原則，對災后高鐵橋梁應急搶修與恢復技術進行了探討；文獻[3]針對中小型混凝土橋梁路基的破壞形式，提出了早強型組合結構技術和快速穩(wěn)定的路基回填集料技術。本文利用系統(tǒng)動力學理論，提出了一種自然災害破壞交通設施搶修系統(tǒng)動力學模型，并對模型進行了評價，驗證了模型的可靠性，提出了提高交通設施搶修速率的對策。

1 交通設施搶修系統(tǒng)動力學模型分析

1.1 系統(tǒng)動力學基本理論

系統(tǒng)動力學(system dynamics, SD)是由美國教授Forrester在1956年提出的，其最初的目標是為了解決企業(yè)生產與庫存方面的問題，現(xiàn)已廣泛應用于項目管理、學習型組織、公司戰(zhàn)略等方面的系統(tǒng)研究[4]。它是以現(xiàn)實的客觀存在為對象，根據(jù)系統(tǒng)的實際信息構建動態(tài)的仿真模型，并通過計算機的反復模擬對系統(tǒng)未來趨勢進行分析與研究[5]。系統(tǒng)動力學模型分析流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)動力學模型分析流程

1.2 問題描述與模型分析

關于自然災害交通設施搶修研究可以描述為：災害發(fā)生后，交通設施會受到嚴重損壞，使得搶修隊伍和搶修物資由于交通阻塞不能及時到達受災一線，而原來駐扎在受災區(qū)的部隊、專業(yè)保障隊伍及戰(zhàn)儲交通搶修物資對受災區(qū)前期的交通設施修復起著關鍵的作用。在進行派遣搶修隊伍數(shù)量和調遣搶修物資時，不僅需要考慮災區(qū)交通設施受損的數(shù)量及受損程度，還需要考慮災區(qū)道路的運輸能力、修復能力、搶修隊伍調度數(shù)量及搶修物資數(shù)量的情況。

綜上所述，交通設施的恢復速率與搶修隊伍的數(shù)量和所需救援物資成正反饋關系。因此，自然災害交通設施搶修的關鍵就是在最短時間內將交通線搶通。搶修隊伍決策的制訂需要綜合考慮災區(qū)交通設施的損壞情況、道路運輸?shù)穆窙r、所需要搶修的數(shù)量等多種因素；搶修物資數(shù)量的決策制訂需考慮災區(qū)交通設施修復的需求量、道路運輸?shù)穆窙r等一系列因素。因此，本文通過搶修隊伍配置、道路的實際運輸能力、搶修物資需求3個模塊，建立了自然災害破壞交通設施搶修的系統(tǒng)動力學模型，并分析了不同決策情況下的應急搶修效果。

2 交通設施搶修系統(tǒng)動力學模型流圖和方程

2.1 交通設施搶修流圖

根據(jù)系統(tǒng)動力學的建模流程，建立自然災害破壞條件下交通設施搶修系統(tǒng)動力學模型流圖(如圖2所示)。

2.2 系統(tǒng)動力學方程

(1)搶修隊伍模塊主要系統(tǒng)方程。

CLP=β×PULSE(tc,0)

ZYP=IF THEN ELSE(ZSP>DYA,DYA,ZSP)

ZSP=INTEG(IF THEN ELSE(ZTP≥0,ZYP-DBP,0),0)

ΔRSP=(DBP+ZBP)×RS

N=DBP+ZBP-RSP

式中:CLP為出發(fā)人數(shù)；ZYP為道路在運人數(shù)；ZSP為被阻塞部隊人數(shù)；ZTP為在途部隊人數(shù)；DBP為到達災區(qū)救援部隊人數(shù)；ZBP為災區(qū)駐守部隊人數(shù)；N為搶修隊伍數(shù)量；RSP為累計受傷人員數(shù)；

圖2 交通設施搶修系統(tǒng)動力學模型

ΔRSP為受傷增加人數(shù)；RS為受傷率；β為救援部隊投入決策因子；tc為決策延遲時間。

(2)搶修物資模塊主要系統(tǒng)方程。

RFH=IF THEN ELSE (ZS>DYA,0,MAX(δ,0)/tt)

ZYW=IF THEN ELSE(ZSW>DYA,DYA,ZSW)

KCL=INTEG(RWD-RWX,CSL)

δ=MAX(JCL-ZYW,0)

ZXL=ZXLper×N式中：RFH為物資發(fā)貨率；ZS為阻塞水平；DYA為道路運輸能力；ZYW為在運物資量；ZSW為被阻塞物資量；JCL為災區(qū)決策者訂單量；ZXL為災區(qū)需求量；ZXLper為災區(qū)個體需求量；RWD為物資抵達速率；RWX為物資消耗速率；KCL為受災區(qū)域搶修物資庫存量；CSL為受災區(qū)域搶修物資初始庫存量；δ為補貨決策因子；tt為庫存調節(jié)時間。

(3)道路運輸能力搶修模塊主要系統(tǒng)方程。

RDH=IF THEN ELSE(χ

DSL=RDS×DL

DXL=INTEG(RDH,0)

RDS=(RYS+RCS)×α

DYA=WZA(1-Ra)

式中：RDS為道路橋梁設施損壞率；RDH為道路橋梁設施恢復率；DSL為道路橋梁設施損壞數(shù)量；DXL為累計搶修道路橋梁設施數(shù)量；DL為搶修區(qū)域道路橋梁總量；χ為道路橋梁設施抗災系數(shù)；RYS為原生災害破壞率；RCS為次生災害破壞率；α為山區(qū)因子；DYA為道路運輸能力；WZA為無災情況道路運輸能力；Ra為通道運輸能力減小率。

3 交通設施搶修模型參數(shù)設置與仿真結果分析

本文擬選取自然災害中對交通設施破壞較嚴重的地震災害，模擬預測地震災害發(fā)生后交通設施的搶修，以驗證模型的可靠性，并分析不同的政府和部隊決策投入搶修隊伍力量的多少、物資調運的配置等對交通設施搶修效果的影響。

3.1 模型參數(shù)設置與驗證

當自然災害發(fā)生時，災害發(fā)生的類型、等級、時間、地點等條件的不同，對交通設施搶修的參數(shù)輸入也不盡相同，需依據(jù)實際情況進行參數(shù)設置與輸入。本文以1 h為時間步長進行模擬，仿真周期為168個周期，即7天。選取地震對交通設施破壞較大的震級，對應等級為8級，一般交通設施抗災系數(shù)能達到6級，人均搶修能力0.2 m/h，搶修隊伍受傷率為0.005 人/h，在未發(fā)生自然破壞的情況下，道路的運輸能力能夠達到100 人/h，物資能夠達到100 件/h。假設選取受災區(qū)域原駐守部隊人員300人，災害發(fā)生后第一時間決策投入500人，搶修物資的調運時間一般為12 h，庫存調節(jié)時間24 h，假設初始的搶修物資的庫存量為100件。

根據(jù)初始參數(shù)設置和運行系統(tǒng)，選取道路運輸能力、搶修隊伍的在途與到達、搶修物資的調運與到達等具有代表性的變化指標，分別用系統(tǒng)仿真結果的數(shù)據(jù)變化圖進行表示。

圖3所示為道路運輸能力隨時間變化的仿真效果。在災害發(fā)生前期，由于道路、橋梁等受到原生災害的影響，處于斷通狀態(tài)，道路運輸能力從無災狀況迅速下降，有可能直接降到零的狀態(tài)，而后隨著搶修的進行，其逐漸恢復，又由于有次生災害的發(fā)生，其中間有波動狀態(tài)。

圖3 道路運輸能力隨時間變化仿真效果

圖4所示為搶修隊伍數(shù)量變化仿真效果。由曲線1可以看出，前期由于道路運輸能力的逐步減小，人員運輸會受到阻塞，隨著搶修隊伍的搶修，道路運輸能力將逐漸恢復，人員受阻現(xiàn)象將逐漸解除；由曲線2可以看出，前期搶修隊伍由災區(qū)原有搶修隊伍組成，等到道路恢復到一定程度，調運搶修隊伍才能進入災區(qū)，又由于道路運輸能力恢復到一定程度達到最大，則進入災區(qū)的搶修隊伍在61 h后就基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 搶修隊伍數(shù)量變化仿真效果

圖5所示為搶修物資數(shù)量變化仿真效果。由曲線1可以看出，需求量隨著受災后的道路、橋梁等設施的破壞情況，在短期內呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，隨著消息送達搶修隊伍，統(tǒng)計數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)短暫的上升，隨后趨于穩(wěn)定；由曲線2可以看出，前期由于道路破壞的影響，在短期內器材供應呈現(xiàn)零到達的狀況，隨著道路運輸能力的逐步提高，器材逐步到達，之后趨于穩(wěn)定。

圖5 搶修物資數(shù)量變化仿真效果

3.2 不同決策的仿真結果分析

圖6所示為不同決策下?lián)屝揸犖榕c道路橋梁設施恢復隨時間變化仿真效果。由圖6可以看出，在調運搶修隊伍不同數(shù)量時，當調運搶修隊伍數(shù)量超過道路運輸能力時，搶修隊伍在途數(shù)量在一定時間內保持不變，也就是出現(xiàn)道路阻塞現(xiàn)象，調運過多的搶修隊伍會使得在途人員數(shù)量和在途時間明顯增長，致使交通設施搶修時間延長；隨著調運搶修隊伍數(shù)量增多，搶修道路橋梁設施恢復數(shù)量相同時，會節(jié)省很多時間。

圖6 不同決策下?lián)屝揸犖榕c道路橋梁設施恢復隨時間變化 仿真效果

4 交通設施搶修的對策與建議

(1)基于體系建設思想，加強應急救援保障理論研究。自然災害突發(fā)性強，時間、地點、規(guī)模、破壞程度等具有不確定性。而應急救援交通保障涉及政府、軍隊等多個部門，需發(fā)揮軍民融合、軍地一體的系統(tǒng)優(yōu)勢，加強軍隊、政府等多個部門的統(tǒng)一領導，加強應急救援保障理論研究，快速組織地方專業(yè)保障隊伍、部隊搶修力量，綜合運用各種交通搶修技術手段，快速展開交通線的搶修。

(2)完善軍民聯(lián)動機制，充分發(fā)揮基礎設施保障效能。應對自然災害時，啟動應急保障機制是應急救援行動的共同特點。完善軍民聯(lián)動機制、制訂合理的應急交通保障預案，需建立軍地一體的交通運輸指揮機構，對多種運輸方式實施綜合、立體的管控，強化對重點交通線路、交通樞紐等重要目標進行全方位管控、疏導，防止線路擁堵、秩序混亂，以確保救援隊伍和物資的快速到位。

(3)優(yōu)化器材儲備布局，提高應急救援快速保障能力。交通搶修物資是搶修保通的關鍵因素之一。交通搶修物資作為交通戰(zhàn)備儲備物資，應根據(jù)不同地區(qū)的道路、橋梁等交通設施的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在影響應急救援的主交通要道、主交通網(wǎng)路、主交通節(jié)點等領域，優(yōu)先建立交通搶修物資倉庫，為交通設施搶修搶建提供充足的保障，以提高快速應急救援能力。

5 結 語

本文將系統(tǒng)動力學模型應用到自然災害破壞交通設施搶修的系統(tǒng)中，提出了一種自然災害破壞條件下交通設施搶修的SD模型。結合應急搶修實際現(xiàn)狀，分析了影響交通設施搶修的諸多因素，建立了系統(tǒng)動力學模型，并通過初始數(shù)據(jù)設置驗證了該模型的可靠性，模擬分析了不同決策情況下交通設施的搶修效果，并針對模型仿真結果提出了加強應急救援交通保障體系建設、制訂合理的應急救援交通保障預案和合理規(guī)劃交通搶修物資儲備倉庫布局的對策與建議，對于政府和部隊提高自然災害破壞下交通設施搶修的效率，具有參考價值。

[1] 劉勇，李愛武.著力加強救災行動應急交通保障能力建設[J].后勤學術，2009(6):27-29.

[2] 張耀輝，王海林，秦志宇.高鐵橋梁災后應急搶修與恢復技術探討[J].國防交通工程與技術，2015(6):31-35.

[3] 韋灼彬，劉晶晶.交通基礎設施應急搶修技術研究[J].海軍后勤學報，2007(3):40-42.

[4] 王琪.基于系統(tǒng)動力學的地震應急資源配置模型研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[5] 李健，張文文，白曉昀，等.基于系統(tǒng)動力學的應急物資調運速度影響因素研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2015(3)：661-668.

(編輯：張碩)

Traffic Facility Repair Under Condition of Natural Disaster Damage Based on System Dynamics

ZHANG Na1, ZHAO Haichuan2, YANG Yinhao3, LIU Xixin1

(1.National Defense Traffic Department, Military Transportation University, Tianjin 300161,China; 2.Unit 93056,Anshan 114225, China; 3.College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

s: To improve the rate of traffic facility repair under condition of natural disaster damage and to keep traffic line unimpeded, the paper firstly analyzes many influencing factors in traffic facility repair under condition of natural disaster damage based on system dynamics, Then, it establishes system dynamics model of the whole traffic facility. Finally, it verifies the model with traffic facility repair under earthquake damage and analyzes the impact of different decision conditions on repair personnel transiting quantity and restoring road and bridge facilities, and puts forward countermeasures on strengthening theory study of emergency rescue support, making full use of infrastructure support, and improving rapid support capability of emergency rescue.

traffic facility repair; system dynamics model; natural disaster

2016-11-05；

2017-01-20．

張 娜(1984—)，女，碩士 ，講師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.04.004

E951.3

A

1674-2192(2017)04- 0013- 05