海上船舶溢油事故多物資應(yīng)急調(diào)度問題分析

劉曉佳, 汪 強(qiáng),3, 李子木, 張 可

(1.集美大學(xué) 航海學(xué)院， 福建 廈門 361021；2.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063；3.寧波國際投資咨詢有限公司, 浙江 寧波 315000)

船舶是海上重要的交通運(yùn)輸工具，在航行過程中可能出現(xiàn)碰撞、觸礁、沉沒和火災(zāi)等海損事故，導(dǎo)致儲油艙和燃機(jī)艙設(shè)備破損，使未知數(shù)量的燃油泄漏至海中，發(fā)生海上溢油事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在1973—2018年,我國沿海港口共發(fā)生3 336起船舶溢油事故，平均每年76起，對海洋環(huán)境產(chǎn)成了惡劣影響，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。[1]海上船舶溢油事故的發(fā)生具有突發(fā)性和漂移擴(kuò)散性，溢油事故應(yīng)急物資不僅要滿足船舶事故發(fā)生點(diǎn)的需求，而且要對溢油漂移后的區(qū)域進(jìn)行溢油攔阻回收。若對事故處理不及時(shí)，可能會造成更深度的污染和更大的損失。因此，保證溢油應(yīng)急物資調(diào)度的合理性至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已在應(yīng)急物資調(diào)度和海上突發(fā)事故應(yīng)急調(diào)度2個(gè)方面開展大量研究。應(yīng)急物資調(diào)度方面的研究主要以運(yùn)輸線路最優(yōu)[2]、綜合評價(jià)函數(shù)最高[3]、運(yùn)輸費(fèi)用最低[4]、單種物資運(yùn)輸時(shí)間最短[5]和資源分配最優(yōu)[6]等為目標(biāo)建立模型。海上船舶溢油事故具有特殊性，應(yīng)急物資運(yùn)輸船舶路徑受影響的程度小，且比起海上溢油事故對環(huán)境的損害和造成的經(jīng)濟(jì)損失，往往不會考慮運(yùn)輸費(fèi)用，導(dǎo)致上述模型具有局限性。當(dāng)前,針對海上溢油事故應(yīng)急調(diào)度的研究較少。王晶[7]引入“物資救助包”的概念，根據(jù)陸上倉庫與事故點(diǎn)之間的需求關(guān)系，建立按期完成救援和出救點(diǎn)最少的雙目標(biāo)規(guī)劃模型，但未考慮應(yīng)急儲備庫的初始物資儲備情況。羅吳輝等[8]針對海上應(yīng)急物資調(diào)度多出救點(diǎn)和多目標(biāo)的特點(diǎn)，結(jié)合溢油敏感區(qū)對響應(yīng)時(shí)間的限制，提出基于不同響應(yīng)時(shí)間段的動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，最后采用理想點(diǎn)法確定調(diào)度方案。WILHELM等[9]從時(shí)效性的角度出發(fā)，建立多階段物資分配模型，在應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間最短的情況下，確保運(yùn)輸溢油清除設(shè)備的時(shí)間能滿足應(yīng)急限制期的要求。陳金晶[10]提出具有優(yōu)先權(quán)的海上突發(fā)事件多物資調(diào)度方法，但未結(jié)合具體調(diào)度工具的數(shù)量制訂調(diào)度方案。王軍等[11]考慮到不同待圍控區(qū)域有圍油欄需求量及其限制期的差異，構(gòu)建多供應(yīng)點(diǎn)、多需求點(diǎn)的調(diào)度模型，從而確定其調(diào)度位置和數(shù)量。這些研究大都是在應(yīng)急物資需求數(shù)量明確的情況下進(jìn)行單種物資調(diào)度研究，未結(jié)合港口具體可調(diào)度船舶數(shù)量。

本文結(jié)合海上船舶溢油事故的特點(diǎn)，通過預(yù)測溢油應(yīng)急物資需求點(diǎn)和溢油應(yīng)急物資需求量，構(gòu)建以所有船舶完成調(diào)度時(shí)間最短為目標(biāo)的多物資、多運(yùn)輸船舶下的應(yīng)急物資調(diào)度模型，利用遺傳算法求解，最終得出具體船舶運(yùn)輸應(yīng)急物資的調(diào)度方案。

1 問題描述

海上溢油是指進(jìn)入海洋環(huán)境或河流的油，主要是指原油及其相關(guān)煉制品。[12]根據(jù)《1990年國際油污防備、反應(yīng)和合作公約》對油的定義,是指任何形式的石油，包括原油、燃料油、油泥、油渣和煉制產(chǎn)品。溢出的油品不僅具有引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)，而且會對海洋生態(tài)造成嚴(yán)重污染，破壞海洋環(huán)境,及時(shí)合理地調(diào)度溢油應(yīng)急物資，對降低海上船舶溢油事故帶來的安全隱患和減少對海洋生態(tài)的破壞尤為重要。

1.1 海上船舶溢油事故

在風(fēng)、浪和流等環(huán)境因素的作用下，溢出的油品具有移動(dòng)性。因此，在制訂應(yīng)急調(diào)度方案時(shí)，應(yīng)設(shè)置多個(gè)應(yīng)急物資需求點(diǎn)進(jìn)行處理。當(dāng)海上船舶溢油事故發(fā)生之后，陸上溢油應(yīng)急物資儲備庫為其提供應(yīng)急物資救助。整個(gè)應(yīng)急物資調(diào)度過程為陸上溢油應(yīng)急物資儲備庫Si到應(yīng)急物資需求點(diǎn)Dj的過程，其結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 調(diào)度物資類型

不同溢油類型、氣象條件、海況和溢油規(guī)模對海上溢油事故需求的物資不盡相同，主要包括以下3類需求物資：

圖1 海上溢油事故應(yīng)急物資調(diào)度結(jié)構(gòu)

1) 攔阻溢油類物資,主要為圍油欄，作用是圍控、溢油導(dǎo)流和防止?jié)撛谝缬汀?/p>

2) 回收溢油類物資,主要為收油機(jī)，作用是回收水面溢油、油水混合物。

3) 其他,主要為吸附材料和化學(xué)、生物處理劑,作用是減少溢油對環(huán)境的破壞，加速受損生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。

1.3 調(diào)度船舶類型

對海上船舶溢油事故進(jìn)行處理，需用專業(yè)的溢油應(yīng)急船舶處理溢油污染事故，實(shí)現(xiàn)海上溢油應(yīng)急指揮、圍控、回收和存儲等功能。此類船舶可按應(yīng)急處置需求分為溢油工作船舶和溢油應(yīng)急運(yùn)輸船舶。溢油工作船舶從港口出發(fā)之后在事故點(diǎn)周圍建立基站，進(jìn)行溢油攔阻、回收和處理;應(yīng)急運(yùn)輸船舶往返于事故點(diǎn)和應(yīng)急儲備庫，承擔(dān)溢油應(yīng)急物資輸送任務(wù)。[13]本文研究的主體是應(yīng)急運(yùn)輸船舶。

2 溢油應(yīng)急物資調(diào)度方法

當(dāng)有海上船舶溢油事故發(fā)生時(shí)，相關(guān)部門會立即做出應(yīng)急響應(yīng)和處置。首先對事故點(diǎn)溢油源、溢油量、溢油成分、溢油擴(kuò)散范圍和應(yīng)急物資需求量等進(jìn)行預(yù)測評估;其次協(xié)調(diào)各應(yīng)急儲備庫,對海上船舶溢油事故所需物資、裝備和人員等作出相應(yīng)的調(diào)度安排;最后對海上船舶溢油進(jìn)行回收、恢復(fù)和重建等處置，完成整個(gè)事故處置過程。[14]

2.1 溢油漂移擴(kuò)散

海上溢油漂移擴(kuò)散研究主要是通過拉格朗日法和歐拉法建立溢油后油粒子運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行的,其中最主流的是美國國家海洋與大氣局開發(fā)的GNOME仿真軟件[15]，該軟件可模擬風(fēng)、洋流和因其他因素的變化造成的溢油擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移，仿真效果較好。

2.2 三角模糊數(shù)學(xué)理論

在海上船舶溢油事故發(fā)生之后，天氣、交通和災(zāi)情等信息不確定會導(dǎo)致應(yīng)急物資需求量的預(yù)測值與實(shí)際情況有較大偏差，只能通過類比已發(fā)生的事故估計(jì)物資需求區(qū)間。但是,通過類比會使應(yīng)急物資的需求存在很大的不確定性，三角模糊數(shù)能體現(xiàn)應(yīng)急物資需求的不確定性[16]，因此引入三角模糊數(shù)這一概念處理該問題。對于三角模糊數(shù)A=(a,b,c)，a≤b≤c∈R,其隸屬度為

(1)

對于三角模糊數(shù)的比較，可利用該模糊數(shù)的整體期望值進(jìn)行去模糊化處理[17]，若A為模糊數(shù)，則其整體期望值為

(2)

可得出，對于A=(a,b,c)，有

(3)

2.3 理論模型

理論模型假設(shè)條件：

1) 所有的應(yīng)急物資儲備庫的應(yīng)急物資儲量和物資需求點(diǎn)各物資需求區(qū)間均已知，且應(yīng)急庫總的儲量可滿足物資需求點(diǎn)的需求。

2) 已知各應(yīng)急物資儲備庫和物資需求點(diǎn)之間應(yīng)急物資運(yùn)輸船的航行距離。

3) 各運(yùn)輸工具均滿載某單一貨物正常運(yùn)行，不考慮物資的混合裝載。物資流為單向流，考慮到裝卸時(shí)間差別不大，在模型中不作考慮，只求解最短運(yùn)輸時(shí)間。

4) 通過GNOME仿真軟件得到物資需求點(diǎn)位置。假設(shè)得到仿真結(jié)果之后，需求點(diǎn)位置不再發(fā)生移動(dòng)。

Si={s1,s2,…,sm}

(4)

式(4)為應(yīng)急物資儲備庫信息的集合。

Dj={d1,d2,…,dn}

(5)

式(5)為物資需求點(diǎn)信息的集合。

w(w=1,2,…,p)為物資類型,其儲存量與需求區(qū)間分別為siw和ITjw(A)。

C={c1,c2,…,cg}

(6)

式(6)為應(yīng)急物資運(yùn)輸船舶的集合。

ck(k=1,2,…,g)為第k艘船在該次調(diào)度任務(wù)中的運(yùn)輸信息，其中該船舶的載貨量為dk,航速為vk,數(shù)量為nk，即

ck={dk,vk,nk}

(7)

L為應(yīng)急物資儲備庫和物資需求點(diǎn)之間路程的矩陣,有

(8)

twh為在整個(gè)調(diào)度過程中第h艘船舶運(yùn)輸w類型物資的總工作時(shí)間,有

(9)

T為船舶調(diào)度時(shí)間的集合，有

T={tw1,tw2,…,twh}

(10)

整個(gè)調(diào)度過程的完成時(shí)間為

TS=max(twh)

(11)

目標(biāo)函數(shù)為

min(Ts)

(12)

約束條件為

(13)

(14)

式(12)～式(14)中:式(12)為完成整個(gè)調(diào)度過程所需最短時(shí)間；式(13)為應(yīng)急儲備庫的w類型物資總供應(yīng)量大于等于事故點(diǎn)的對應(yīng)物資總需求量；式(14)為調(diào)度到需求點(diǎn)j的w類型物資量與其需求量相等。

2.4 算法設(shè)計(jì)

遺傳算法具有模仿自然界的選擇與遺傳機(jī)理尋找最優(yōu)解的特性。先將問題參數(shù)編碼為染色體，再利用迭代的方式進(jìn)行全局尋優(yōu)，最終生成符合優(yōu)化目標(biāo)的染色體。[18]在一次完整的應(yīng)急物資調(diào)度過程中，參加調(diào)度任務(wù)的所有船舶的調(diào)度任務(wù)序列為1條染色體，任意1艘船舶的全部調(diào)度任務(wù)為1個(gè)基因，任意1艘船舶的單次完整調(diào)度任務(wù)為1個(gè)基因單元。本文的研究模型采用符號編碼形式，定義如下：

Sn為第n個(gè)應(yīng)急儲備庫;Dn為第n個(gè)物資需求點(diǎn);w1、w2和w3分別為阻攔類物資、回收類物資和其他物資；cA和cB為應(yīng)急物資運(yùn)輸船舶A和應(yīng)急物資運(yùn)輸船舶B。

A船為港作拖船，B船為港口運(yùn)輸貨船，cA={300,8,u}，cB={100,20,v}。即A船和B船的載貨量分別為300 t和100 t，滿載航行速度分別為8 n/h，20 n/h。A船序號為u(u=1,2,…,k)，B船序號為v(v=k+1,k+1,…,g)。

建立遺傳算法的基本步驟示意見圖2。

圖2 遺傳算法的基本步驟示意

3 算例分析

為驗(yàn)證模型的有效性，假設(shè)某水域發(fā)生船舶溢油事故，事故點(diǎn)坐標(biāo)為北緯41.178 5°，西經(jīng)72.548 1°，溢油量500 t，風(fēng)向SW，風(fēng)速4 m/s。先通過溢油仿真判斷物資需求點(diǎn)位置，再結(jié)合應(yīng)急物資儲備庫信息求解應(yīng)急物資調(diào)度船舶的調(diào)度方案。

3.1 溢油預(yù)測分析

根據(jù)第2.1節(jié)，利用GNOME軟件仿真[19]，軟件中溢油點(diǎn)位置和溢油量等信息設(shè)置情況見圖3;初始事故點(diǎn)的風(fēng)向和潮流等信息的設(shè)置情況見圖4;船舶溢油事故點(diǎn)24 h之后的溢油預(yù)測位置見圖5。

圖5 船舶溢油事故點(diǎn)24 h后漂移位置預(yù)測

通過軟件仿真可得溢油經(jīng)歷24 h漂移之后的位置，基于該仿真結(jié)果可確定2個(gè)應(yīng)急物資需求點(diǎn)的位置。溢油工作船舶基于這2個(gè)需求點(diǎn)展開溢油的回收與圍控。應(yīng)急物資運(yùn)輸船循環(huán)往返于應(yīng)急儲備庫與物資需求點(diǎn)之間,開展相關(guān)應(yīng)急物資的運(yùn)輸。

通過類比同類型溢油事故，得到此次溢油事故各應(yīng)急物資需求區(qū)間的估值結(jié)果見表1。利用第2.2節(jié)三角模糊數(shù)理論進(jìn)行處理，得出3種應(yīng)急物資的具體需求量。

3.2 多物資調(diào)度方案確定

通過提取事故特征，結(jié)合調(diào)研信息，給出此次事故的應(yīng)急儲備庫的名稱、配船類別和編號,見表2;應(yīng)急儲備庫各物資儲備與處理之后需求點(diǎn)各物資具體需求量見表3;應(yīng)急儲備庫與其需求點(diǎn)之間的距離見表4。

表1 需求點(diǎn)物資需求區(qū)間 t

表2 應(yīng)急儲備庫的名稱、配船類別和編號

表3 應(yīng)急儲備庫儲備量與處理后需求點(diǎn)各物資需求量 t

表4 應(yīng)急儲備庫與其需求點(diǎn)之間的距離 n mile

遺傳算法作為啟發(fā)式算法，易陷入局部收斂，出現(xiàn)局部最優(yōu)解。針對遺傳算法的不足，在遍歷狀態(tài)過程中，從50次較優(yōu)解中選擇配送時(shí)間最短的解作為最優(yōu)解。最優(yōu)解對應(yīng)的染色體可確定最終調(diào)度方案。調(diào)度任務(wù)完成時(shí)間與迭代次數(shù)的關(guān)系見圖6和圖7。經(jīng)2 000次迭代和10 000代得到的結(jié)果相同，對應(yīng)的配送時(shí)間Y=66.5 h。根據(jù)最優(yōu)解條件下的染色體信息確定調(diào)度方案,見表5和表6。

由表6可知：最優(yōu)解下的調(diào)度方案滿足應(yīng)急物資儲備庫與需求點(diǎn)3種類型物資的供需關(guān)系，通過比較2種調(diào)度方案可得11號船舶的配送時(shí)間最長。

表5 A類船舶調(diào)度方案

考慮往返，完成調(diào)度總時(shí)間為66.5 h，與算法迭代時(shí)間相同。通過驗(yàn)證到達(dá)各物資點(diǎn)的應(yīng)急需求量，發(fā)現(xiàn)調(diào)度方案能滿足需求，驗(yàn)證該方案是可靠的。通過比較以往對海上船舶溢油事故的研究[20-22]，本文提出的多應(yīng)急物資需求、多船舶特征下的調(diào)度更能與實(shí)際相符。

4 結(jié)束語

海上船舶溢油事故具有持續(xù)性和漂移擴(kuò)散性，本文研究多應(yīng)急物資、多調(diào)度船舶下的溢油應(yīng)急物資調(diào)度問題。先通過GNOME軟件仿真確定漂移擴(kuò)散位置，再確定物資需求點(diǎn)，隨后利用三角模糊數(shù)方法確定在模糊狀態(tài)下的應(yīng)急物資需求量，最后構(gòu)建針對海上船舶溢油事故的應(yīng)急物資調(diào)度模型。模型的運(yùn)用需事先明確應(yīng)急儲備庫儲備、可調(diào)度船舶數(shù)量、應(yīng)急儲備庫與事故點(diǎn)距離等信息。模型解決了應(yīng)急物資儲備庫對各種物資的調(diào)度分配問題。此外，本文沒有考慮船舶溢油事故發(fā)生時(shí)所需應(yīng)急物資需求的優(yōu)先級問題，未考慮不同物資裝卸時(shí)間的問題，需在今后的研究中進(jìn)一步改進(jìn)。