基于ERRS選址模型的地下應(yīng)急物流系統(tǒng)建設(shè)研究*

徐一旻，楊大為，呂 偉，梁 苗，李墨瀟

(1.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學(xué) 中國應(yīng)急管理研究中心，湖北 武漢 430070)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)及互聯(lián)網(wǎng)購物的興盛，城市物流的規(guī)模和總量連創(chuàng)新高，引發(fā)了一系列的城市問題。地下物流系統(tǒng)(Underground Logistics System，ULS)為緩解地上交通壓力、助力智慧城市、智慧物流、智慧交通的發(fā)展提供了新的可行地“解決方案”。ULS具有不占用城市地面道路、清潔環(huán)保、高效快捷、穩(wěn)定可靠、不受惡劣天氣影響等諸多優(yōu)勢。但由于ULS空間相對封閉，運營中一旦發(fā)生意外情況，如火災(zāi)、洪水、地震、恐怖襲擊等自然災(zāi)害和人為災(zāi)害，救援的應(yīng)急資源難以快速運抵，救援行動也難以開展。因此，在規(guī)劃和設(shè)計ULS之初就需要統(tǒng)籌考慮增設(shè)地下應(yīng)急物流系統(tǒng)(Underground Emergency Logistics System，UELS)，可快速恢復(fù)和保障ULS的正常運行。

對于興建ULS國內(nèi)外進(jìn)行了積極探索，例如：1927年英國倫敦街頭的地下“郵局地鐵”、美國的阿拉米達(dá)走廊(Alameda Corridor)、荷蘭的阿姆斯特丹地下物流系統(tǒng)(OLS-ASH)、2014年我國自主研發(fā)的“LuGuo種子輸送分類貯藏智慧系統(tǒng)”[1-2]、城市地下綜合管廊等都為ULS的建設(shè)發(fā)展提供了經(jīng)驗和思路。關(guān)于ULS的理論研究，主要集中在發(fā)展ULS的可行性、必要性、技術(shù)系統(tǒng)、建造管理等方面[3]。Kwon等[4]基于管道運輸?shù)母拍?，對地下管道運輸系統(tǒng)及其參數(shù)進(jìn)行了定義；美國的Kenneth等[5]通過研討基于電磁動力的地下物流系統(tǒng)，開展了實體模型實驗；美國的 Roop[6-7]在安全貨物機(jī)車(Safe Freight Shuttle)的概念基礎(chǔ)上開展了實體模型技術(shù)實驗；德國的Stein[8]提出了Cargo-Cap概念，并進(jìn)行了模型實驗，就目前現(xiàn)有的技術(shù)而言，興建ULS的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)可行性已經(jīng)具備，如何優(yōu)化ULS的網(wǎng)絡(luò)布局、功能分區(qū)、路徑優(yōu)化成為新的研究熱點。在ULS的網(wǎng)絡(luò)布局和優(yōu)化方面，荷蘭的Binsbergen等[9]研究了城市地下物流優(yōu)化布局的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，指出市綜合物流是基于時間和空間的商品和服務(wù)的最優(yōu)組合；黃歐龍等[10]、姜陽光等[11]、閆文濤[12]等分別運用SLP方法、集合覆蓋模型、雙層規(guī)劃模型等對于城市ULS配送中心、物流節(jié)點選址進(jìn)行了相關(guān)研究；封莎[13]據(jù)此構(gòu)建了基于蟻群算法的地下通道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的數(shù)理模型，得到地下通道最優(yōu)路徑圖和一二級節(jié)點的位置；顏冰等[14]基于遺傳模擬退火的聚類算法確定一二級節(jié)點群及其覆蓋范圍，提出網(wǎng)絡(luò)連通度和網(wǎng)絡(luò)容量等評價指標(biāo)并建立中心節(jié)點的2種運輸方式；馮艦銳等[15]根據(jù)應(yīng)急物流的時間效率大于經(jīng)濟(jì)效益的特點，引入可動態(tài)變化的權(quán)重因子優(yōu)化選址模型；冉連月等[16]利用Pajek軟件綜合考慮應(yīng)急救援成本、地理空間等因素，建立了“P-中心應(yīng)急救援站選址模型”。上述研究成果對于ULS的布局與優(yōu)化有不少借鑒意義，但較少涉及ULS與應(yīng)急管理工作相結(jié)合的文獻(xiàn)。本文將綜合考慮建立ULS在緩解地面交通壓力的同時，設(shè)置ERRS選址模型和地下應(yīng)急物流系統(tǒng)，使ULS的運行更加連貫和穩(wěn)健，提升ULS整體的抗風(fēng)險能力。

本文通過城市地面擁堵指數(shù)(TPI)，建立ULS的節(jié)點群和路徑，同時考慮救援時間、覆蓋范圍及區(qū)域數(shù)量等因素，在ULS節(jié)點群內(nèi)選建應(yīng)急資源儲備站(ERRS)，分2步共同建立救援時間最短和建站成本最小的多目標(biāo)ERRS選址模型。另外，建立基于ERRS的UELS硬件基礎(chǔ)設(shè)施、地下應(yīng)急管理信息化平臺、地下應(yīng)急指揮系統(tǒng)3大部分的地下應(yīng)急物流系統(tǒng)(UELS)模型，以便更好地開展防災(zāi)減災(zāi)工作，保障ULS正常運行，更好地服務(wù)于智慧城市、智慧交通、智慧物流的發(fā)展。

1 問題描述

建立地下應(yīng)急資源儲備站是為儲備一定的應(yīng)急資源，在突發(fā)事件發(fā)生后及時向其服務(wù)范圍內(nèi)的事發(fā)地配送資源，協(xié)同救援，從而減少生命財產(chǎn)損失。為減少成本、提高快速響應(yīng)效率，應(yīng)在ULS的節(jié)點群中選建ERRS，二者組合的示意圖[17]如圖1所示。

圖1 基于交通分流的ULS-ERRS選址問題示意Fig.1 Schematic diagram of ULS-ERRS location problem based on traffic diversion

由圖1可知，在盡量緩解地上交通擁擠狀況的條件下，興建包含一二級節(jié)點及節(jié)點間通路的地下物流系統(tǒng)，依據(jù)地面交通擁堵指數(shù)(Traffic Performance Index，TPI)、收發(fā)點貨流量和距離遠(yuǎn)近，將地面上若干個貨運收發(fā)點的流量分流至地下的一二級節(jié)點。一級節(jié)點之間彼此相互連通，并與物流園區(qū)連通，二級節(jié)點不能與非本區(qū)域的一級節(jié)點直接連通。為充分合理規(guī)劃和利用地下空間，應(yīng)急資源儲備站將在這些一二級節(jié)點之間選取。

如上所述，可以將該問題引用圖論的方法進(jìn)行描述，相關(guān)的概念如下：

定義1-鎮(zhèn)：地面上每個區(qū)域的中心點為一個“鎮(zhèn)”，每個區(qū)域的面積即為“鎮(zhèn)”的面積，每個區(qū)域內(nèi)的貨運流量視為由鎮(zhèn)收發(fā)。

定義2-一二級節(jié)點：從地面收發(fā)貨流量上限為U噸的節(jié)點作為一級節(jié)點，流量上限為L噸的作為二級節(jié)點。且U>L，U和L均為正實數(shù)，令ζ=U-L。

在盡量保證每個鎮(zhèn)的TPI不超過4(即地上交通“基本暢通”)的前提下，將溢出的流量分流至地下。

定義3-應(yīng)急資源儲備站：簡稱ERRS，儲備應(yīng)急資源的站點，根據(jù)需要向有突發(fā)事件發(fā)生的需求站調(diào)運物資，存儲、配送、檢修是其三大核心功能。

定義4-需求站：被應(yīng)急資源儲備站覆蓋的其他節(jié)點(包括本身)及延伸至相鄰節(jié)點間路段路徑中點的距離，通常當(dāng)這些節(jié)點發(fā)生突發(fā)事件時，由距離其最近的ERRS調(diào)配應(yīng)急資源。

由此，可以將基于分流的ULS-ERRS選址模型，分為2步來完成：第1步，根據(jù)地面TPI和貨流量進(jìn)行分流，確定ULS的一二級節(jié)點位置及相應(yīng)路徑，使節(jié)點群的數(shù)量盡可能少，同時節(jié)點群之間的路徑鏈接盡可能短；第2步，根據(jù)已確定的節(jié)點群和路徑，確定ERRS的數(shù)量及位置，使ERRS的數(shù)目盡可能少、應(yīng)急資源的配送總時間盡可能短，以滿足快速響應(yīng)和成本最優(yōu)的實際要求。

2 ULS-ERRS選址模型

2.1 第1步模型構(gòu)建

前已述及，這一步的目標(biāo)是分流之后，建立的節(jié)點群的數(shù)目最少，為此作如下假設(shè)：

假設(shè)1：一二級節(jié)點的容量總可以滿足其輻射范圍內(nèi)鎮(zhèn)的流量要求，并且由其貨運輻射范圍內(nèi)的若干個鎮(zhèn)的流量之和確定。

假設(shè)2：每個鎮(zhèn)只被一個節(jié)點覆蓋服務(wù)，即單個鎮(zhèn)的流量僅由單個一級或二級節(jié)點負(fù)責(zé)收發(fā)。

假設(shè)3：令所有鎮(zhèn)的地面TPI=4(若有TPI<4的不予改變)，多余的流量將被分流至地下。

設(shè)第i鎮(zhèn)vi的面積為Ai(常數(shù)，已知)、TPI記為ri(鎮(zhèn)i=1,2,…,n)，則所有鎮(zhèn)的集合V={v1,v2,…,vn}；令λi為vi鎮(zhèn)的“運量-擁堵”比例系數(shù)，則λi可由vi鎮(zhèn)的初始總流量除以該鎮(zhèn)的初始TPI得到，即λi為常數(shù)；Πε為物流園區(qū)名，ε=1,2,…,m；Sj為一二級節(jié)點的節(jié)點名，j∈{1,2,…,n}，顯然Sj?V；Θε為物流園區(qū)ε的總貨運流量，為常數(shù)。設(shè)Qi為vi鎮(zhèn)總貨運量(也稱為總流量)，常數(shù)；為降低TPI，對總流量進(jìn)行分流處理，其中fi為vi鎮(zhèn)的地下貨運總量(地下流量)，gi為vi鎮(zhèn)的地上貨運總量(地上流量)，且有Qi=fi+gi，分流后地面的交通擁堵狀況會有所改善。

根據(jù)如上的假設(shè)，第1步的數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式中：N={1,2,…,n}為所有鎮(zhèn)vi的集合；Λi為到鎮(zhèn)vi的距離小于s(s為一二級節(jié)點的最大服務(wù)半徑，常數(shù))的備選一二級節(jié)點的集合，i∈N,Λi?N；fi表示鎮(zhèn)vi的地下流量；eij表示從鎮(zhèn)vi到最近的一二級節(jié)點Sj(Sj?V)的距離；hij為0～1變量，表示鎮(zhèn)vi與一二級節(jié)點Sj的流量收發(fā)關(guān)系，hij=1表示鎮(zhèn)vi的流量由一二級節(jié)點Sj收發(fā)，否則hij=0；xj為0～1變量，當(dāng)xj=1表示點Sj為一二級節(jié)點；uj為0～1變量，當(dāng)uj=0表示Sj為一級節(jié)點，當(dāng)uj=1表示其為二級節(jié)點；M為充分大的正數(shù)。

上述在初始計算時，由于未對vi鎮(zhèn)的總流量進(jìn)行分流，導(dǎo)致fi與gi無法適當(dāng)分配，進(jìn)而ri難以確定，因此對上述模型進(jìn)行如下所示修改：

當(dāng)初始ri<4時，保留地上流量，地下流量為0；當(dāng)ri≥4時，取ri=4，由λi及Qi分別確定其地上流量gi與地下流量fi；可以先不區(qū)分具體的一二級節(jié)點，由最終算法確定的節(jié)點處的流量和與物流園區(qū)的距離，自然能區(qū)分一二級節(jié)點。據(jù)此最終模型為：

(2)

各符號含義如前，但fk是已經(jīng)經(jīng)過分流后所得到的地下流量。

2.2 第2步模型構(gòu)建

在第1步模型確立的ULS一二級節(jié)點群和路徑圖上，考慮建立一定數(shù)量的應(yīng)急資源儲備站，使總的建站數(shù)量最小即成本最小、總的在途應(yīng)急資源配送時間最短。為此，作如下假設(shè)：

假設(shè)4：ERRS在物流園區(qū)與一級節(jié)點群之間選取，若有二級節(jié)點與距離其最近的ERRS的應(yīng)急資源配送時間超過規(guī)定的配送時間上限，則也在該二級節(jié)點處建立ERRS。

假設(shè)5：1個需求站僅被1個ERRS覆蓋服務(wù)。

假設(shè)6：不考慮該區(qū)域內(nèi)地價等因素造成的建造ERRS的成本差異，即建站的費用僅與建站數(shù)量有關(guān)。

假設(shè)7：不考慮ERRS中資源的存儲和采購費用。

假設(shè)8：不考慮區(qū)間限速，即救援配送車輛在各隧道間的行駛速度v0固定。

對式(1)～(2)中確定的節(jié)點群重新編號為1,2,…,n′，并設(shè)vi(i=1,2,…,n′)為ERRS，vj(j=1,2,…,n′)為需求站，dij(dij>0)為ERRSvi到需求站vj的最短距離，即?p,q∈n′有dij=min{d(vi,vp)+d(vp,vj),d(vi,vq)+d(vq,vj)}。

根據(jù)上述假設(shè)，建立第2步的模型如下：

(3)

若要求在關(guān)鍵節(jié)點必須建站，則只需加上如下的條件即可：

(4)

其中Δ為式(2)中確定的一級節(jié)點的標(biāo)號。

綜上，基于分流的ULS-ERRS兩步選址模型建立完成：首先根據(jù)地面擁堵指數(shù)(TPI)將地面部分流量引入地下，構(gòu)建ULS的節(jié)點群和路徑；然后在節(jié)點群和路徑基礎(chǔ)上，考慮救援距離和時間、特殊節(jié)點、覆蓋范圍及區(qū)域數(shù)量等條件，建立應(yīng)急救援時間最短和建站成本最小的應(yīng)急資源儲備站選址模型。

3 基于ERRS選址模型的UELS系統(tǒng)設(shè)計

3.1 整體設(shè)計規(guī)劃

地下物流系統(tǒng)(ULS)為解決城市交通擁堵問題提供了新的方向和途徑，但ULS本身也要考慮安全監(jiān)測與應(yīng)急管理問題，應(yīng)在建設(shè)初期規(guī)劃好地下應(yīng)急物流系統(tǒng)(UELS)。本文將地下應(yīng)急物流系統(tǒng)(UELS)分為3大部分：基于地下應(yīng)急資源儲備站的硬件設(shè)施、地下物流的信息化平臺以及地下應(yīng)急指揮系統(tǒng)，共同支撐保障ULS的穩(wěn)健、安全、高效運行。圖2為UELS框架圖。

從圖2中可以看出，應(yīng)急資源儲備站(ERRS)的建設(shè)是地下應(yīng)急物流系統(tǒng)(UELS)硬件基礎(chǔ)，健全的地下物流應(yīng)急信息管理系統(tǒng)、便捷高效的應(yīng)急管理信息化平臺是地下應(yīng)急物流系統(tǒng)(UELS)的軟件支撐，地下應(yīng)急物流系統(tǒng)指揮系統(tǒng)是二者的總指揮。地下應(yīng)急物流系統(tǒng)(UELS)管理體系在一定程度上，彌補(bǔ)了很多地下物流系統(tǒng)(ULS)本身的不足，可以使地下物流系統(tǒng)(ULS)的優(yōu)勢得以更全面更安全地實現(xiàn)。

圖2 地下應(yīng)急物流系統(tǒng)(UELS)框架Fig.2 Framework of underground emergency logistics system (UELS)

3.2 UELS硬件設(shè)施

硬件基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)對保障應(yīng)急物流系統(tǒng)工作的順利實施起著至關(guān)重要的作用。本文通過對上述選址模型的分析，搭建了地下物流網(wǎng)絡(luò)，為地下物流應(yīng)急管理系統(tǒng)搭建了重要根基，UELS的硬件設(shè)施可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)設(shè)置健全。除合理規(guī)劃興建應(yīng)急資源儲備站之外，UELS基礎(chǔ)設(shè)施還包括應(yīng)急通訊設(shè)備、應(yīng)急儲備物資、應(yīng)急救援決策人員以及地下交通網(wǎng)絡(luò)等等?？茖W(xué)完備的地下應(yīng)急物流系統(tǒng)硬件設(shè)施可以使ULS的運行更加連貫和穩(wěn)健，從而減輕各ERRS站點的壓力。

3.3 UELS信息化平臺

健全UELS還需要搭建ULS應(yīng)急管理信息化平臺(Emergency Management Information System，EMIS)，構(gòu)筑包括物聯(lián)感知平臺、視頻聯(lián)動平臺等的多功能復(fù)合子平臺。在ULS突發(fā)事件事前預(yù)防階段，進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，獲取最新的實況信息，進(jìn)行安全維護(hù)和日常巡檢，以便提前發(fā)現(xiàn)安全隱患、辨識危險源；在ULS突發(fā)事件事中應(yīng)急階段，充分利用應(yīng)急管理信息化平臺進(jìn)行快速響應(yīng)，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，對平臺內(nèi)的ERRS站點群中的應(yīng)急資源進(jìn)行合理調(diào)度，科學(xué)規(guī)劃ERRS救援車輛的行車路徑和人員配備，可以根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行動態(tài)調(diào)整與匹配；在ULS突發(fā)事件事后處置階段，利用現(xiàn)場分析報告，對突發(fā)事件的性質(zhì)、原因、影響范圍、損失程度、風(fēng)險評估等進(jìn)行總結(jié)分析，更新完善“資源池”和安全知識庫，為后續(xù)類似的突發(fā)事件提供經(jīng)驗教訓(xùn)。

3.4 UELS應(yīng)急指揮系統(tǒng)

UELS的應(yīng)急管理體系，有了硬件基礎(chǔ)和信息化平臺，必然需要構(gòu)筑二者聯(lián)系的紐帶和橋梁，亦即UELS應(yīng)急管理體系的“中樞神經(jīng)”——應(yīng)急指揮系統(tǒng)。UELS的應(yīng)急指揮系統(tǒng)是以ERRS為硬件基礎(chǔ)，以UELS應(yīng)急管理系統(tǒng)、UELS應(yīng)急管理信息化平臺、全面應(yīng)急管理體系為軟件支撐，先進(jìn)的安全監(jiān)測與預(yù)警預(yù)測技術(shù)和手段，對ULS中的突發(fā)事件進(jìn)行事前、事中、事后等各階段進(jìn)行及時有效地應(yīng)對和處置。

4 結(jié)論

1)根據(jù)地面擁堵指數(shù)(TPI)，構(gòu)建ULS的節(jié)點群和路徑，充分利用地下空間；結(jié)合應(yīng)急物流突發(fā)性等特點，綜合考慮救援距離和時間、特殊節(jié)點等條件，建立救援時間最短和建站成本最小的應(yīng)急資源儲備站選址模型，為地下應(yīng)急物流系統(tǒng)做出應(yīng)急救援保障。

2)建立地下應(yīng)急物流系統(tǒng)，可為當(dāng)前新應(yīng)急管理形式下應(yīng)急物流系統(tǒng)研究、應(yīng)用推廣與管理提供理論支持。

3)本文僅考慮了地面交通流量的靜態(tài)情形，沒有考慮到地面流量增長對地下物流系統(tǒng)的影響，因而尚有很大的深入研究的空間，需今后做進(jìn)一步的研究。