履帶式洪澇救援平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

崔俊國，高翔，侯文輝，李延隆，張俊，魯中歧，邵建鑫，張嘯

摘要：為了解決洪澇災(zāi)害中常規(guī)救援方式存在的運移距離短、效率低下、安全可靠性低等難題，設(shè)計了一種可應(yīng)用于城市洪澇災(zāi)害救援的新型履帶式洪澇救援平臺。首先，對整機機械結(jié)構(gòu)（行走、升降、救援設(shè)備布置、平臺防腐等）進行設(shè)計;其次，對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行理論計算分析，并運用數(shù)值模擬分析技術(shù)對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行仿真分析;最后，基于所設(shè)計的救援平臺，建立城區(qū)模型、受災(zāi)分析模型和救援過程模型，運用K均值聚類多目標優(yōu)化方法進行救援路徑規(guī)劃分析，探討城市洪澇救援新模式，并與傳統(tǒng)城市洪澇救援進行對比分析。結(jié)果表明：救援平臺相較于傳統(tǒng)救援在安全可靠性、快速性上有了極大改善;提出了新型的城市洪澇救援模式，其救援效率高于傳統(tǒng)救援模式的效率。新型履帶式洪澇救援平臺可應(yīng)用于救援艇運輸、救援物資運輸以及在災(zāi)區(qū)內(nèi)部提供緊急治療，并可作為受災(zāi)區(qū)受困人員中轉(zhuǎn)基站，所提出的救援模式可有效拓寬洪澇災(zāi)害的救援方式。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計其他學(xué)科;洪澇災(zāi)害;平臺設(shè)計;有限元分析;救援模式

中圖分類號：TH128文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx05003

Design and implementation of crawler type flood rescue platform

CUI Junguo1，2，GAO Xiang1，2，HOU Wenhui3，LI Yanlong4，ZHANG Jun1，2，

LU Zhongqi1，2，SHAO Jianxin1，2，ZHANG Xiao5

（1.School of Mechatronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China;2.National Engineering Laboratory of Ocean Geophysical Prospecting and Exploration Equipment，Qingdao，Shandong 266580，China;3.China National Oil & Gas Drilling Equipment Engineering Technology Research Center Company Limited，Baoji，Shaanxi 721002，China;4.Bohai Equipment Liaohe Drilling and Production Equipment Branch Company，Panjin，Liaoning 124010，China;5.School of Mechanical and Power Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Abstract：In order to solve the problems of short transport distance，low efficiency，low safety and reliability of conventional rescue methods in flood disasters，a new crawler flood rescue platform was design to apply in urban flood disaster rescue.Firstly，the mechanical structure design was carried out，including walking，lifting，rescue equipment layout，platform corrosion and other program design;Secondly，the theoretical calculation and analysis of key design parameters was conducted，and the key structure was simulated and analyzed by using the numerical simulation.Finally，based on the designed rescue platform，the establishment of the city model，flood damage analysis model and rescue process model were proposed，the rescue path planning analysis was conducted by using the K-means clustering multi-objective optimization method，and compared with the traditional urban flood rescue，the new mode of urban flood rescue was discussed.The results show that compared to the traditional rescue，the rescue platform has greatly improved in safety，reliability，and rapidity.The rescue efficiency of the proposed new urban flood rescue mode is higher than the efficiency of the traditional rescue mode.The new crawler type flood rescue platform can be applied to rescue boat transportation，rescue material transportation and can provide emergency treatment within the disaster area，which can be used as a transit base station for stranded people in the affected area.The proposed rescue mode can effectively broaden China′s rescue methods in flood disasters.

Keywords：mechanical design other disciplines;flood disaster;platform design;finite element analysis;rescue mode

洪水災(zāi)害會阻斷交通系統(tǒng)，影響工礦企業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，嚴重危害人民生命財產(chǎn)安全，帶來難以預(yù)估的人員傷亡[1]。2020年中國發(fā)生嚴重洪澇災(zāi)害，據(jù)中華人民共和國應(yīng)急管理部統(tǒng)計，主汛期以來洪澇災(zāi)害造成江西、安徽、湖北、湖南等27省（市、區(qū)）5 481.1萬人次受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失1 444.3億元。

目前，應(yīng)對災(zāi)害的常規(guī)救援方式是緊急組成救援隊。一方面利用沖鋒舟、橡皮艇等簡易水上救援裝備積極營救受災(zāi)人員，發(fā)放救援物資;另一方面組織救援人員加固堤壩，疏排水道。整個過程中任務(wù)重、難度大，同時要保證各類水上救援物資跟進，該救援方式存在很多問題[2-4]：

1）因水流沖擊大，沖鋒舟、皮筏艇與救援中心據(jù)點距離過長并不好控制，或因動力不足影響救援難度，甚至?xí)?dǎo)致救援人員在救援過程中因設(shè)備停機等狀況陷入險境;

2）救援裝備空間有限，承載能力低，一次只能救援少數(shù)人員或運輸少數(shù)救援物資就須進行返程，安置好受災(zāi)人員后再開展下一輪救援，救援效率低。

目前，在海灘淺水域人員運移普遍采用傳統(tǒng)輪式鋼制平臺，如圖1所示。該類運移平臺安全穩(wěn)定系數(shù)低，抗風(fēng)能力差，不具備機動性能，且環(huán)境適應(yīng)性能力差、不美觀?；诤闈碁?zāi)害實況與傳統(tǒng)人員運移平臺，設(shè)計研發(fā)了一套履帶式洪澇災(zāi)害救援平臺，并基于該平臺提出了一種新型洪澇災(zāi)害救援模式。救援平臺根據(jù)救援距離遠近搭載2種救援艇（總計5艘救援艇），克服了救援裝置動力不足、效率低的問題，且該救援平臺采用履帶式與輪式結(jié)合的行走方式，可根據(jù)不同路況采用穩(wěn)定可靠快速的行走方式，提高救援效率。

1平臺設(shè)計

1.1整機設(shè)計

履帶式洪澇災(zāi)害救援平臺設(shè)計區(qū)別于普通鋼制救援平臺，采用液壓馬達驅(qū)動履帶，且可陸地與水域兩用。平臺基本參數(shù)如表1所示。平臺主要由驅(qū)動總成、升降系統(tǒng)、支承框架、液壓系統(tǒng)組成，如圖2所示。通過整體模塊化設(shè)計，實現(xiàn)整機前進、轉(zhuǎn)向以及爬坡。

1.2關(guān)鍵部件設(shè)計

1.2.1驅(qū)動總成設(shè)計

采用以履帶救援為主、以輪式為輔助的行走方案。救援中，若道路工況未知或已知道路工況復(fù)雜，尤其是邊緣城鎮(zhèn)地區(qū)，可采用履帶式行走，若路況較好或履帶行走方案失效，可采用輪式行走，盡可能保證救援平臺運行的穩(wěn)定性、快速性。

1）履帶式行走在設(shè)計過程中以運行平穩(wěn)、抗沖擊為設(shè)計要求，設(shè)計整體式履帶底盤，如圖3所示。底盤采用矩形鋼焊接而成，兩側(cè)各設(shè)計4個法蘭盤與履帶螺栓連接，防止運動過程中變形。底盤上方含有配套法蘭盤聯(lián)接主支撐框架，承受整機載荷。

2）輪式行走通過液壓驅(qū)動主支撐4根升降輪，將平臺支撐，使履帶升起，進而通過應(yīng)急輪實現(xiàn)平臺行走，應(yīng)急升降輪如圖4所示。

1.2.2升降系統(tǒng)

在救援艇選擇上，結(jié)合受災(zāi)實況決定選用2種救援艇，不同類型救援艇情況如表2所示。

升降裝置主要包括主救援艇升降與輔助救援艇升降[5]。

1）主救援艇起升設(shè)計

選用單缸曳引4根鋼絲繩實現(xiàn)起升框架升降方案。起升框架底部支承梁采用工字鋼焊接而成，輔助護欄為槽鋼焊接。兩側(cè)4根槽鋼立柱上栓接耐磨材料，與主框架軌道配合，通過兩側(cè)天輪下放鋼絲繩達到穩(wěn)定升降的目的。起升框架在鋼絲繩的曳引下，由兩側(cè)滑道固定升降方向，實現(xiàn)框架升降。在安裝過程中，起升框架尾部要略高于頭部，抬升角為8°～10°，以防救援艇在停泊過程中滑出起升框架，造成危險。起升布置方案如圖5所示。

2）輔助救援艇起升設(shè)計

輔助救援艇分布在救援平臺的兩側(cè)，選取的每艘空載救援艇質(zhì)量為100 kg，選用微型電葫蘆實現(xiàn)起重升降?？紤]到平臺運行過程中有可能因平臺過寬而無法通過，因此在滿足設(shè)計目標的基礎(chǔ)上，平臺主體設(shè)計的寬度能滿足目前中國絕大多數(shù)道路標準。但若考慮平臺加上輔助救援艇及其起升裝置后，平臺行進中可能會因自身過寬進而受到某些低高度障礙物阻擋，因此將輔助救援艇起升裝置設(shè)置與平臺甲板同等高度，且輔助救援艇提升高度略低于平臺甲板，可保證救援平臺通過絕大多數(shù)道路而不受道路兩側(cè)障礙物的影響。為了防止輔助救援艇在懸掛階段受到牽引或外力作用導(dǎo)致救援艇懸靠不穩(wěn)定，因此在救援艇下方安裝一對支撐架。該支撐架固定于平臺的一端設(shè)置有自鎖裝置，當救援艇被提升至設(shè)定高度時，支撐架打開并起到固定作用，如圖6所示。

1.2.3主支撐框架設(shè)計

主支撐框架是履帶式洪澇災(zāi)害救援平臺設(shè)計的承重結(jié)構(gòu)，如圖7所示。其主要由支撐梁組成，坐于底盤框架上，采用高強度矩形鋼管焊接而成。主支承框架通過滑輪裝置承受游艇質(zhì)量載荷，以及通過上梁柱承受平臺設(shè)備及人員重力，并將載荷傳給履帶架。

為便于運輸組裝，主支撐框架與履帶架分體建造，框架上部支承板作為人員承載平臺，整體采用焊接工藝，穩(wěn)定可靠。

1.2.4液壓系統(tǒng)

平臺自重較大，滿載質(zhì)量可達32 500 kg，液壓系統(tǒng)采用三泵并聯(lián)系統(tǒng)[6-7]，參數(shù)如表3所示。

行走油路根據(jù)設(shè)計要求，液壓系統(tǒng)必須能夠滿足左右履帶的獨立驅(qū)動，同時也要滿足主升降裝置液壓缸的獨立驅(qū)動。故其中2個變量泵用于驅(qū)動2個行走馬達以及游艇起升裝置的液壓缸，第3泵為驅(qū)動變量泵的先導(dǎo)泵。其液壓原理如圖8所示，液壓系統(tǒng)所需泵布置在主支撐架下方。

1）履帶行走裝置液壓系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)為三聯(lián)泵組液壓驅(qū)動行走系統(tǒng)?？刂苹芈凡捎脺p壓閥式的先導(dǎo)操縱回路。閥5由3個手柄進行操縱，其中手柄2，3控制行走馬達，每個手柄有前后2個操縱位置，分別控制左右行走馬達的正反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。P2，P3分別驅(qū)動馬達總成2，3和7，8為3位6通換向閥，用以控制進入馬達的液流流向，實現(xiàn)馬達正反轉(zhuǎn)。7，8分別由 A2，B2和A3，B3液動控制，而A2，B2，A3，B3又由手動手柄控制。當A2上位工作時，換向閥7的下腔注油，推動閥芯使得閥下腔工作，馬達2正轉(zhuǎn);當B2上位工作時，換向閥7的上腔注油，推動閥芯使得閥上腔工作，馬達2反轉(zhuǎn);當A3上位工作時，換向閥8的下腔注油，推動閥芯使得閥下腔工作，馬達3正轉(zhuǎn);當B4上位工作時，換向閥7的上腔注油，推動閥芯使得閥上腔工作，馬達3反轉(zhuǎn)。但A2，B2和 A3，B3分別由同一手柄操縱，故可形成多種組合，實現(xiàn)挖掘機兩側(cè)馬達同時正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、一側(cè)正轉(zhuǎn)另一側(cè)反轉(zhuǎn)、一側(cè)轉(zhuǎn)動一側(cè)停轉(zhuǎn)，可大大提高行走裝置機動性能。

2）起升裝置液壓系統(tǒng)原理

控制閥5中A1，B1的手柄1與控制行走馬達的手柄2，3類似，也有前后2個操縱位置，分別控制起升裝置液壓缸的正反行程。3位6通換向閥6用以控制進入液壓缸液流流向，實現(xiàn)液壓缸正反行程。6由A1，B1液動控制，而A1，B1又由手動手柄控制。當A1上位工作時，換向閥6的下腔注油，推動閥芯使得閥下腔工作，液壓缸1正行程;當B1上位工作時，換向閥6的上腔注油，推動閥芯使得閥上腔工作，液壓缸1反行程。

2理論計算與仿真分析

2.1理論計算

2.1.1質(zhì)量參數(shù)

總質(zhì)量M總：

M總=M0+M1+M2，（1）

式中：M0為整機質(zhì)量，kg;M1為載人質(zhì)量，kg;M2為救援艇質(zhì)量，kg。

2.1.2穩(wěn)定性計算

參照GB/T 3871.15―2006《農(nóng)業(yè)拖拉機試驗規(guī)程》要求，對運移平臺翻傾條件與質(zhì)心位置進行計算[8]。

保證救援平臺爬坡時不縱向翻傾的條件是：

l0h0>δ，（2）

式中：l0為質(zhì)心至后支承點的距離，空載時為1.7 m，滿載時為0.95 m;h0為質(zhì)心至地面的距離，空載時為0.95 m，滿載時為0.64 m;δ為額定滑轉(zhuǎn)率。

保證救援平臺在無橫向坡度轉(zhuǎn)彎時，不橫向翻傾的條件是：

l12h0>δ，（3）

式中l(wèi)1為軌距，m。

2.1.3接地比壓計算

參照GB/T 7586—2008《液壓挖掘機 試驗方法》標準要求進行計算。救援平臺自重較大，易陷入松軟的土地中，履帶可以增大與地面的接觸面積，減小壓強[9-10]：

Ea=gM總2 000bL，（4）

式中：L為履帶接地長度，m;g為標準重力加速度，取9.8 m/s2;b為履帶板寬，m;Ea為接地比壓，MPa。

2.1.4動力計算

根據(jù)GB/T 1147.1—2007《中小功率內(nèi)燃機第1部分：通用技術(shù)條件》標準要求進行計算[11]。履帶式洪澇災(zāi)害救援平臺設(shè)計配套用R6105IZLD型柴油機，標定功率為132 kW/h，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。

平臺最高設(shè)計車速運行時所需功率P1：

P1=1ηpf+pw=

1η（M總gfVm+CdAρV3max2）。（5）

最大爬坡度imax為15°時，計算所需功率Pemax：

Pemax=1ηpf+pi+pw=

1η（M總gfVm+

M總gimaxVm+CdAρV3n2），（6）

式中：Vmax為平臺最高設(shè)計車速，km/h;pf為滾動阻力消耗的功率，kW;pw為空氣阻力消耗的功率，kW;pi為坡度阻力消耗的功率，kW;η為傳動效率系數(shù);f為滾動阻力系數(shù);Vm為最大扭矩點的低速檔行車速度，km/h;Cd為空氣阻力系數(shù);A為前進方向迎風(fēng)面積，m2;ρ為空氣密度，kg/m3;Vn為拖拉機取低檔速度，km/h。

經(jīng)計算履帶式洪澇災(zāi)害救援平臺設(shè)計滿載時以最高時速行駛所需功率P1=3.24 kW，低檔速度爬最大坡度時所需功率Pemax=119.11 kW，所需功率均小于標定功率132 kW。

2.2腐蝕與防護設(shè)計

該平臺是一種水域工程結(jié)構(gòu)物，其主結(jié)構(gòu)為鋼架結(jié)構(gòu)，要求使用壽命長，工作強度高。鋼結(jié)構(gòu)長期處于鹽霧、潮氣等環(huán)境中，電化學(xué)腐蝕較為嚴重。設(shè)備作業(yè)過程復(fù)雜，需來回往復(fù)于陸上與復(fù)雜淺水區(qū)，整體防腐采用長效保護涂料以及犧牲陽極的陰極防護。參考《海洋平臺建造說明書》對犧牲陽極的建造規(guī)定，根據(jù)犧牲陽極的理論公式[12]計算所需陽極總質(zhì)量：

Q=ISHK，（7）

式中：Q為設(shè)計所需的陽極總質(zhì)量，kg;I為保護電流密度，A/m2;S為保護面積，m2;H為設(shè)計所需的保護時間，h;K為所選犧牲陽極的理論發(fā)電量，（A·h）/g。

布置方案如圖9所示。

2.3受力部件有限元分析

主支撐框架主要承受上部平臺施加的重力載荷以及起升框架承載游艇時所施加的反向作用力。起升框架作業(yè)中主要受到兩側(cè)拴接的4根鋼絲繩曳引力，以及游艇作用于框架底部的重力載荷。利用有限元軟件對主支撐框架、起升框架進行加載分析[13-14]，結(jié)果如圖10和圖11所示。

由主支撐梁變形云圖和應(yīng)力云圖可知，由于起升裝置是由鋼絲繩收縮而達到升起和下放，因此起升部分受力便施加在天輪的軸承上，最大變形為0.253×10-2 m，應(yīng)變最大為127.629 MPa，主支撐梁安全穩(wěn)定性較好。

由起升框架變形云圖和應(yīng)力云圖可知，起升框架主要受力點集中在主梁中間部位的焊接連接處，應(yīng)力部位集中于底部工字鋼以及鋼絲繩連接處，最大變形為2.851×10-2m，最大應(yīng)力為172.21 MPa，滿足強度要求。3模式設(shè)計與實現(xiàn)

3.1城區(qū)模型

為更好地解釋基于洪澇災(zāi)害移動救援平臺的救援模式，進行如下說明[15]，路網(wǎng)圖如圖12所示。

針對城區(qū)模型，作出如下假設(shè)：

1）假設(shè)救援人員從道路到建筑物內(nèi)救援受困人員的時間不計;

2）假設(shè)路網(wǎng)規(guī)劃很規(guī)則;

3）居民區(qū)街道足夠?qū)?，救援艇可進入居民區(qū)內(nèi)。

假設(shè)有一城市，地形依托盆地，以城市中的城市體系和交通網(wǎng)絡(luò)為載體，城市界限較為明顯，比較封閉相對獨立，可推斷該城市為相對封閉和獨立的地理單元，可將中心城區(qū)與周邊村鎮(zhèn)相區(qū)別開。由于洪澇災(zāi)害發(fā)生時，中心城區(qū)因其地理位置偏向凹陷中心，人口稠密，城區(qū)內(nèi)交通比較擁堵，當洪澇災(zāi)害發(fā)生時，易發(fā)生城市內(nèi)澇，因此將研究重點放置于與盆地地形類似的中心城區(qū)上。假設(shè)該城區(qū)凹陷中心與周圍凹陷不明顯地區(qū)的海拔差距較小，可按照盆地的源匯理論將整個中心城區(qū)分成2個呈環(huán)帶狀分布的區(qū)域，易發(fā)生大型洪澇災(zāi)害的為中心區(qū)，而周邊過渡區(qū)可能僅有淺水分布，有可能該淺水區(qū)水深無法達到救援沖鋒舟的吃水要求。

在假設(shè)路網(wǎng)規(guī)劃很規(guī)則的情況下，可將內(nèi)城區(qū)（即較深水區(qū)）劃分為網(wǎng)格狀，由此得到救援艇從初始位置到救援位置的位移為（Δx，Δy）。

3.2受災(zāi)分析模型

假設(shè)對全區(qū)進行計算機模擬，利用計算機產(chǎn)生一個隨機數(shù)，這個隨機數(shù)在0到1之間，假定這個隨機數(shù)大于0.5時，表示受災(zāi)點能被遙感系統(tǒng)偵察到，反之則不能被觀察到[16]。

抽樣調(diào)查往年重點受災(zāi)地區(qū)的部分縣區(qū)占地面積以及常住人口數(shù)，總結(jié)歸納共同特征。假設(shè)有一受災(zāi)城區(qū)，占地面積為120 km2，大致呈長方形分布，根據(jù)中心城區(qū)人口和面積的比例設(shè)定城區(qū)人口為30萬人。根據(jù)中國關(guān)于洪澇災(zāi)害人口暴露量的統(tǒng)計，大致有10%的人受災(zāi)，其中受災(zāi)人群中有1%的人被困或有生命危險。根據(jù)2011年至今資料分析，隨著氣象預(yù)報準確度的提高，在可預(yù)期的洪澇災(zāi)害發(fā)生前進行預(yù)警，在該模型中對實際受災(zāi)人數(shù)簡化[17]。本文設(shè)置城區(qū)內(nèi)有60個易發(fā)生災(zāi)害區(qū)（下凹式立交橋、地下通道、鐵路橋、公路橋等部分），其中被困的有1～10人。

自然地表水流總是由高處向低處流動，又總是沿著坡度最陡的方向流動，高程落差越大的地方，時段內(nèi)流入的水就越大[18]。依據(jù)這個規(guī)律，假定在淹沒Δt內(nèi)流入網(wǎng)格（i， j） 內(nèi)的洪水量和上游來水水位與當前網(wǎng)格的水位h（i，j）之差。上游來水流速以及網(wǎng)格淹沒時間成正比，另外考慮到下游流出的水量，流域蒸散發(fā)、地表滲透、降雨等對洪水量的影響，本算法中引入一未知系數(shù)μ作為衰減量，可推得經(jīng)驗公式如下：

W（i，j）=μvDr[h0-hi，j]Δt，（8）

式中：Δt為洪水淹沒時間，h;h0為上游來水水位，m;v為上游來水流速，km/h。

可推導(dǎo)得出在Δt內(nèi)淹沒網(wǎng)格的洪水增長高度Δh：

Δh=W（i，j）D2r2=μvDr[h0-ht]Δt。（9）

根據(jù)擬合洪水水位值的“體積法”，結(jié)合洪澇災(zāi)害屢次發(fā)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出相關(guān)水位與洪澇災(zāi)害分布比例的關(guān)系，認為城市70 %的面積受洪澇災(zāi)害比較嚴重，大致分為3個區(qū)域，內(nèi)區(qū)、外區(qū)和輕微影響區(qū)。內(nèi)區(qū)為較深水區(qū)，外區(qū)為較淺水區(qū)，在傳統(tǒng)的救援方式中，在受災(zāi)較輕地區(qū)設(shè)立多個救援基站。深水區(qū)無法設(shè)置臨時救援點，淺水區(qū)僅存在于城市內(nèi)部，設(shè)置救援點有很多局限條件，因此應(yīng)急救援指揮部要設(shè)置在城市外區(qū)即其水深達到可以展開緊急救援的要求[19]。另外與當前遙感技術(shù)相結(jié)合，可認為指揮部可以通過遙感技術(shù)獲得受災(zāi)情況第一手資料，并可預(yù)估出哪些區(qū)域可能存在受災(zāi)人群與亟待救援的高危地點。

3.3救援過程模型

假設(shè)救援場景模擬發(fā)生在洪澇災(zāi)害發(fā)生后，此時，應(yīng)急預(yù)警措施發(fā)揮得當。各路巡察搜索隊、治安維護隊與災(zāi)民安置現(xiàn)場已安排妥當。救援車、消防車、防疫車在臨時安置點亟待出發(fā)，各種物資一應(yīng)俱全。此時救災(zāi)緊急指揮部處于開展緊急救援活動的階段，由于評估系統(tǒng)對災(zāi)中損失進行了快速評估，應(yīng)急指揮部對災(zāi)情發(fā)生也有一定了解[20]。將救援基站設(shè)置在輕微影響區(qū)，同時可以將救援平臺視為一個較小的應(yīng)急救援點，從輕微影響區(qū)投放到較淺水區(qū)。假設(shè)有3個救援平臺，救援平臺在救災(zāi)過程中主要起2個作用：1）可在救援艇飽和后起到中轉(zhuǎn)作用;2）可移動救援平臺使救援進程大大加快，救援面積大大增加，擴大了前方救援控制網(wǎng)的有效面積。

為了達到預(yù)期目標，救援平臺將遵循以下原則進行救援規(guī)劃：

1）當洪澇災(zāi)害預(yù)警已充分完成時，救援平臺將在第一時間奔赴現(xiàn)場，并由救援基站開向受災(zāi)區(qū);

2）救援平臺會在接受指揮部和救援艇發(fā)出的相關(guān)信息后適當進行位置改變，其位置的改變有利于全局救援進行。

為了盡快完成救援平臺的就位，開展救援，要求救援平臺就位時間小于救援設(shè)備和物資的就位時間。

受災(zāi)區(qū)有60個需要救援的救援點，救援點信息可以通過遙感系統(tǒng)得到。根據(jù)統(tǒng)計調(diào)查結(jié)果，較深水區(qū)需救援點約占總救援點90%，即54個救援點;則較淺水區(qū)有6個需救援點。依據(jù)救援點的信息，將救援基站建立在便于開展最有效救援的地點，并且此地需位置開闊，交通便利。

采用聚類方法將54個待救援點分成3組，每一個分組就代表一個聚類，這3個分組滿足下列條件：1）每一個分組至少包含一個數(shù)據(jù)記錄;2）每一個數(shù)據(jù)記錄屬于且僅屬于一個分組;對于分組，算法首先給出一個初始的分組方法，之后反復(fù)迭代改變分組，使得每一次改進之后的分組方案都較前一次好，好的標準是同一分組中的記錄越近越好，而不同分組中的記錄越遠越好。按照此方法可簡化為3個特征點，再根據(jù)這3個特征點的位置及相對距離，確定較深水區(qū)中最終特征點的位置，即控制點。

3個救援平臺從救援基站出發(fā)，以最快速度前往救援目的地，并且救援平臺只能在外城區(qū)活動。將3個救援平臺和3個控制點看成質(zhì)點，與特征點構(gòu)成2個不規(guī)則四邊形，可看成其由4個三角形組成，如圖13所示。

其中，點1，2，3分別表示一個控制點;點4，5，6分別表示一個救援平臺;d1—d9分別表示三角形的邊長。

為盡可能提高救援效率，即保證四邊形內(nèi)包含受災(zāi)重區(qū)（一般為較深水區(qū)）的面積最大，假設(shè)其面積與四邊形面積成正比，比例系數(shù)為k，此時即要求得不規(guī)則四邊形的最大面積。由于遙感技術(shù)等，四邊形各邊長及對角線已知，根據(jù)余弦定理可求得四邊形的面積S。

根據(jù)海倫公式：

S=p（p-a）（p-b）（p-c），（10）

S1=p（p-d1）（p-d7）（p-d9），

p=d1+d7+d92，（11）

S2=p（p-d3）（p-d4）（p-d7），

p=d3+d4+d72，（12）

S3=p（p-d2）（p-d8）（p-d9），

p=d2+d8+d92，（13）

S4=p（p-d5）（p-d6）（p-d8），

p=d5+d6+d82，（14）

Ssum=k（S1+S2+S3+S4）。（15）

式中，p為半周長，m;a，b，c為三角形三邊長，m;S1—S4分別為每個三角形的面積，m2;Ssum為較深水區(qū)的面積，m2。

3.4與常規(guī)救援模式對比

在無救援平臺進行災(zāi)情點探索的情況下，由于位置局限性指揮部無法知道具體受災(zāi)情況，只能通過盡可能多的救援艇進行盲目探索性救援，直至遍歷完成，得到與救援平臺達到最優(yōu)化位置點所獲取災(zāi)情信息同樣的效果，隨后再有針對性展開救援。

在救援艇進行災(zāi)區(qū)范圍的遍歷過程中，作出如下假設(shè)：

1）位置救援艇的數(shù)量足夠多;

2）采取與救援平臺模型相同的60個需要救援的救援點，較深水區(qū)需救援點仍占總救援點的90%，即總共54個救援盲點，而救援點的信息沒有辦法通過附在救援平臺上的遙感系統(tǒng)而獲得，所以皆為盲點;

3）為了得到災(zāi)區(qū)的全部信息，需進行全部遍歷，得到需要遍歷時間總和。假設(shè)在此情況下進行救援點的遍歷后，可以達到與救援平臺相同到達聚類后的最優(yōu)化點相同的救援效果。

在進行遍歷的實現(xiàn)過程中采用遺傳算法進行路徑的優(yōu)化改進，逐步實現(xiàn)遍歷效果。

3.5模型實現(xiàn)及結(jié)果分析

以原有城市規(guī)劃的路網(wǎng)圖為基礎(chǔ)，將整個中心城區(qū)分成2個呈環(huán)帶狀分布的區(qū)域。容易發(fā)生大型洪澇災(zāi)害的為中心區(qū);而周邊過渡區(qū)可能僅有淺水分布，有可能該淺水區(qū)水深無法達到救援沖鋒舟吃水要求。現(xiàn)已知路網(wǎng)圖的中心區(qū)邊界，近似擬合邊界函數(shù)，得到所需要救援的大致范圍，為救援平臺的移動提供了軌跡。

在擬合過程中，考慮邊界過于復(fù)雜，用多項式回歸很難實現(xiàn)，在觀察了邊界的大致圖像之后，通過非線性擬合，得到邊界函數(shù)。

1.16×10-5-5x2-1.12×10-5-

5xy-0.003 76x+1.28×10-5-

5y2-0.004 24y+1=0。（16）

在邊界范圍內(nèi)，利用rand（0～1）分布函數(shù)，隨機生成54個散點，來模擬54個救援點（54個黑色的星點）。用K均值聚類的方法，根據(jù)距離的遠近，將這些點聚類為3類（3個不同色塊），并得到3個聚類后最優(yōu)化的控制點（紅色點），結(jié)果如圖14所示。

在中心邊界外，設(shè)立3個救援基站，以最快的速度前往救援目的地，將3個救援平臺和3個控制點看成質(zhì)點，與特征點構(gòu)成2個不規(guī)則四邊形。

假設(shè)橢圓的函數(shù)與實際相符，以擬合的邊界函數(shù)為基礎(chǔ)，保證救援平臺一直沿著邊界行進，不進入城區(qū)路網(wǎng)，以盡快達到控制點。函數(shù)的變量為t，位置隨著t而改變。

為盡可能提高救援效率，開展多目標規(guī)劃。利用海倫公式計算不規(guī)則四邊形的面積，在滿足距離控制中心點距離相對較小且保證四邊形面積最大的前提下，在matlab工具箱中進行多目標優(yōu)化與規(guī)劃，計算得到救援平臺達到救援位置的時間為50 min。之后按照常規(guī)救援方式計算救援艇遍歷所有救援點的時間，其中救援艇救援路線如圖15所示[21]。

假設(shè)救援艇的移動速度與救援平臺相同均為15 km/h，且救援艇的數(shù)量足夠多，根據(jù)最優(yōu)化的結(jié)果而變化，所有救援艇從一個固定入口出發(fā)，在不知道救援點信息的情況下進行盲目運動，以一定的規(guī)律進行逐步推進，利用遺傳算法進行路徑改進，最終得到完整路徑，并遍歷所有的救援點，全部遍歷時間為3 h。舊模式若想達到新救援模式同等效果，所需時間至少為14 h。

通過新、舊2種模式的比較，新模式救援時間遠小于傳統(tǒng)救援模式。

4結(jié)語

針對目前中國在洪澇救援過程中遇到的問題，結(jié)合海灘淺水救援設(shè)備，研發(fā)設(shè)計了一套履帶式洪澇災(zāi)害救援平臺。該平臺采用履帶與輪式行走結(jié)合的行駛方案，以大小救援艇組合的救援方式在受災(zāi)區(qū)域開展人員運移及物資運輸工作。

1）實現(xiàn)了陸上、地形復(fù)雜淺水域多作業(yè)環(huán)境正常作業(yè)。

2）保證機器正常前后行駛，并能進行一定適應(yīng)角度的爬行、轉(zhuǎn)彎，因機器需固定于一處，并載滿受災(zāi)人員后往返于陸上與救援水域之間，須保證機器具有抗水流沖擊能力以及抗腐蝕能力。

3）保證救援艇完成受災(zāi)群眾陸上與水域轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)大艇在水中升降，自由進出平臺。

履帶式救援平臺具有靈活機動性高、安全可靠穩(wěn)定的優(yōu)點，為洪澇災(zāi)害救援提供了新的方式，拓寬了洪澇災(zāi)害研究的專門化領(lǐng)域。該救援模式可直接應(yīng)用于洪澇受災(zāi)地區(qū)，也可推廣應(yīng)用于海灘旅游景區(qū)，適合小型快艇、飛艇以及游船停泊作業(yè)，開展游客往返沙灘與淺海的運移工作。

目前本研究已完成理論計算與可行性分析，但仍存在2個問題：一是研究尚處于理論研究階段，并未開展試驗測試;二是未充分考慮所設(shè)計救援平臺的搭建與應(yīng)用成本。后期需在該研究基礎(chǔ)上，對所遺留問題進行持續(xù)研究，在保證設(shè)計可行性與救援效率的基礎(chǔ)上盡可能降低成本，開展樣機制造與試驗測試分析，以進一步論證所設(shè)計平臺與所提出救援模式的可行性。

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