戰(zhàn)時傷員救護車輛運用建模仿真研究

鹿國偉，陶學強，段德光，張澤瑞，李 昊，陳 恩

（軍事科學院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161）

0 引言

戰(zhàn)時傷員救護車輛運用是當前衛(wèi)勤保障裝備運用研究的重要組成部分[1-2]，其中從營集傷點到后方救護所的傷員救護車輛運用過程是衛(wèi)勤救治鏈路承上啟下的環(huán)節(jié)，處于“三區(qū)四級”[3]中的早期救治階段，是滿足“黃金1 小時”傷員救治的關(guān)鍵，關(guān)系到傷員能否及時到達后方救護所得到優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療救治。因此，其運用情況的研究對于提高車輛運送效率和傷員運送及時率有重要價值。

戰(zhàn)時車輛裝備運用研究是一項復雜、系統(tǒng)的工程[4]，包括影響因素、過程調(diào)度、數(shù)量編配、效能評估等[5-6]許多方面。目前，從宏觀角度對車輛運用研究的成果較少，更多的是針對車輛運用的某一方面進行研究，比如饒宇輝[7]基于GIS/GPS 研究軍用車輛調(diào)度，趙東[8]通過目標規(guī)劃法探討運輸車輛編配，李宏偉[9]、王虓[10]研究了車輛調(diào)度算法，黃輝等[11]對應(yīng)急救援車輛調(diào)度策略進行了研究，但這些研究缺乏整體性和系統(tǒng)性。因此，本文借鑒武器裝備運用研究[12-14]中廣泛采用的建模仿真方法，基于Anylogic 建模仿真平臺[15-18]，采用多Agent 建模方法對救護車輛運用過程進行模擬仿真，探究戰(zhàn)時車輛運用過程中各因素影響大小，并對車輛數(shù)量編配進行分析討論，為衛(wèi)勤指揮人員決策提供輔助手段。

1 模型設(shè)計

1.1 傷員模型

1.1.1 傷員物理模型

傷員流是本文建模仿真的邏輯起點，驅(qū)動傷員救護車輛的調(diào)度運用，是本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。傷員擁有數(shù)量、類型、運送優(yōu)先級、運送體位等多種屬性，其中與救護車輛運用研究密切相關(guān)的是運送優(yōu)先級和運送體位。

（1）運送優(yōu)先級。

戰(zhàn)時傷員運送越早，醫(yī)療處置越及時，救治效果越好。為了保證傷員運送有序開展，當傷員產(chǎn)生較多時，通常按照傷員傷情確定傷員優(yōu)先級，進而判斷傷員運送順序。本文中運送優(yōu)先級主要定義為輕傷員、中傷員和重傷員。

（2）運送體位。

傷員體位主要由傷員的傷勢及傷部共同決定，影響運送車輛容量，其中輕傷員和中傷員主要以坐姿為主，重傷員以臥姿為主。結(jié)合專家咨詢和實際情況，本文中定義體位為坐姿和臥姿，且1 名臥姿傷員與3 名坐姿傷員所需空間相同。

1.1.2 傷員產(chǎn)生數(shù)學模型

傷員產(chǎn)生過程與作戰(zhàn)對手、類型、環(huán)境等諸多因素相關(guān)，但尚無明確產(chǎn)生規(guī)律。為了更好地研究救護車輛運用情況，采用場景分析理論，將傷員產(chǎn)生過程定義為均勻分布、泊松分布、脈沖函數(shù)3 種方式。

（1）均勻分布。

令傷員在單位時間內(nèi)以恒定概率a 均勻產(chǎn)生b名傷員，則在T 個單位時間內(nèi)產(chǎn)生傷員的總數(shù)期望值S=a×b×T。均勻分布是在理想狀態(tài)下傷員產(chǎn)生過程較為均勻，不出現(xiàn)批量傷員，對救護車輛運用影響較小。

（2）泊松分布。

（3）脈沖函數(shù)。

借鑒信號、電流等領(lǐng)域的脈沖函數(shù)理念，在前2個傷員產(chǎn)生方式基礎(chǔ)上，令δ（t）表示時刻t 產(chǎn)生的批量傷員數(shù)量。脈沖函數(shù)主要是模擬戰(zhàn)時極端情況下批量傷員產(chǎn)生，對車輛運用影響較大。

1.2 車輛模型

1.2.1 車輛物理模型

救護車輛是運用研究的主體，其屬性有類型、數(shù)量、容量、速度等因素，本文重點關(guān)注車輛類型和數(shù)量屬性。不同的作戰(zhàn)背景和部隊任務(wù)導致編配的救護車輛類型不同，本文僅涉及高機動急救車（以下簡稱“急救車”）和加裝汽車傷員運輸附加裝置的運輸車（以下簡稱“運輸車”）2 種救護車輛。

1.2.2 車輛行為模型

如圖1 所示，傷員按照設(shè)定函數(shù)和參數(shù)產(chǎn)生，隨機分配至各營集傷點等待運送；營集傷點對傷員進行分類排序，并立即向后方救護所發(fā)送車輛請求；后方救護所收到請求后，按照收到請求的優(yōu)先級，放入請求等待隊列；當出現(xiàn)救護車輛空閑時，調(diào)度車輛至營集傷點進行運送，否則繼續(xù)等待車輛。

圖1 救護車輛運用流程

其中在營集傷點進行傷員裝載時，存在傷員救治時效性與車輛空間利用率的沖突，此時各級指揮員會產(chǎn)生不同的調(diào)度策略，目前普遍采用的有3 種調(diào)度策略：

策略1 為傷員優(yōu)先，突出傷員救治時效性，當車輛到達營集傷點后，裝載傷員立即后送。

策略2 為空間優(yōu)先，突出車輛空間利用率，當車輛到達營集傷點后，若車輛仍有空間，在設(shè)定的時間范圍（一般不超過10 min）內(nèi)等待傷員滿載后進行后送。

策略3 為重傷員優(yōu)先，兼顧傷員救治時效性和車輛空間利用率，當車輛到達營集傷點后，若存在緊急救治傷員，車輛立即后送，否則在設(shè)定的時間范圍內(nèi)等待傷員滿載后進行后送。

1.3 評估模型

救護車輛運用情況可用評估指標來度量，通過專家咨詢法設(shè)置傷員運送及時率和車輛利用率2 個關(guān)鍵指標。各指標的定義如下：

（1）運送及時率是根據(jù)“黃金1 小時”時效救治要求，車輛運送傷員至后方救護所時，車輛不足導致運送傷員出現(xiàn)不及時的概率，能夠直觀反映車輛是否滿足傷員需求情況。記T 時刻運送傷員總數(shù)為S，其中超時運送的傷員數(shù)為a，則運送及時率Q 計算公式如下：

（2）車輛利用率是指車輛響應(yīng)請求進行運送保障的時間占總時間的比例。記tj為第j 輛車的運行時間，T 為運送傷員總時間，救護車數(shù)量為b，則車輛利用率U 計算公式如下：

2 多Agent 建模仿真實現(xiàn)

多Agent 建模本質(zhì)上是離散的，以個體為中心，更關(guān)注個體細節(jié)，可以較好地還原各主體之間的相互作用，是救護車輛運用建模仿真研究較為理想的方法。本文利用Anylogic 8.7.0 建模仿真平臺中的多Agent建模仿真方法，將戰(zhàn)時傷員救護車輛運用建模仿真系統(tǒng)劃分為傷員產(chǎn)生、排序裝載、車輛調(diào)度、總體調(diào)用4 個模塊。

2.1 傷員產(chǎn)生模塊

該模塊主要包括傷員Agent、傷員參數(shù)Agent、傷員產(chǎn)生Agent。傷員Agent 主要記錄傷員的順序號、優(yōu)先級、時間、位置等屬性信息，傷員參數(shù)Agent 主要是設(shè)定傷員產(chǎn)生方式和數(shù)量比例，傷員產(chǎn)生Agent 主要根據(jù)產(chǎn)生方式和數(shù)量比例生成傷員流，并隨機分配至營集傷點。傷員產(chǎn)生邏輯流程如圖2 所示。

圖2 傷員產(chǎn)生邏輯流程

2.2 排序裝載模塊

該模塊主要為營集傷點Agent，其任務(wù)首先是接收傷員產(chǎn)生模塊分配的傷員，然后按照運送優(yōu)先級和運送體位對傷員進行分類排序，之后發(fā)出車輛請求和確定裝載傷員。營集傷點邏輯流程如圖3 所示。

圖3 營集傷點邏輯流程

2.3 車輛調(diào)度模塊

該模塊主要包括救護車Agent、急救車Agent 和運輸車Agent。救護車Agent 主要記錄車輛類型、數(shù)量、容量、速度等屬性，急救車Agent 和運輸車Agent主要確定調(diào)度的目標營集傷點，調(diào)用傷員裝載規(guī)則和運送傷員至后方救護所。急救車調(diào)度邏輯流程如圖4 所示。

圖4 急救車調(diào)度邏輯流程

2.4 總體調(diào)用模塊

該模塊主要負責初始化系統(tǒng)中各個資源的相關(guān)信息，管理和聯(lián)系其他嵌入Main 對象中的Agent。當接收運送請求時，首先判斷車輛空閑情況，確定調(diào)度車輛，并將請求信息傳遞給對應(yīng)車輛；車輛完成任務(wù)后，實時更新系統(tǒng)中的相關(guān)資源信息，等待下次調(diào)度。總體調(diào)用邏輯流程如圖5 所示。

圖5 總體調(diào)用邏輯流程

3 典型案例應(yīng)用及分析

雖然戰(zhàn)時會盡可能滿足一線衛(wèi)勤保障車輛需求，以提高傷員運送及時率，但過多的車輛必然導致后方救護所目標過大，且造成人力、物力的浪費。因此為了更好地探究車輛運用規(guī)律，使車輛等裝備能夠發(fā)揮最大效能，也為指揮人員決策提供重要的參照，本文以救護車輛對某型部隊實施衛(wèi)勤保障為案例背景，選擇影響因素和數(shù)量編配2 個方面探究車輛運用規(guī)律。

3.1 車輛運用影響因素研究

如果將每個影響因素作為輸入變量，當對其每個變量取值進行組合試驗，必然會帶來組合爆炸，在有限的時間和資源的限制下，必定是無法完成的任務(wù)。試驗安排得好，事半功倍，反之則事倍功半，甚至達不到預(yù)期目標。因此，在對仿真對象進行仿真試驗獲取參考數(shù)據(jù)時，必須進行科學試驗設(shè)計，按一定規(guī)律確定少數(shù)具有代表性的試驗因子空間。試驗設(shè)計的本質(zhì)是降維，常用的試驗設(shè)計方法有隨機試驗設(shè)計、正交試驗設(shè)計和均勻試驗設(shè)計等。

根據(jù)相關(guān)專業(yè)知識和經(jīng)驗，設(shè)置表1 所示的影響因素和水平，如果將各個參數(shù)的取值進行排列組合，則產(chǎn)生81 次仿真試驗，需要花費大量時間，也為后續(xù)的計算和分析帶來很大的困難。

表1 車輛運用研究正交試驗因素水平表

考慮到本文救護車輛運用涉及到因素數(shù)量和取值范圍，選用較為常見的正交試驗方法[19-23]。根據(jù)正交試驗設(shè)計原理和車輛運用研究的因素及水平，利用正交設(shè)計助手軟件生成本次試驗的L9（34）正交表。同時，為了避免出現(xiàn)偶然誤差，仿真過程中采用Monte Carlo 試驗方法，不改變輸入?yún)?shù)進行重復試驗。本次試驗中，仿真次數(shù)設(shè)置為100 次，設(shè)置信度為95%，最終得到如下正交試驗結(jié)果，詳見表2。

表2 正交試驗結(jié)果

對試驗結(jié)果進行極差分析，見表3，并構(gòu)建各因素極差圖，如圖6 所示，可以較為直觀地反映出各因素的主次順序和優(yōu)水平。

圖6 各因素極差圖

表3 正交試驗結(jié)果極差分析 單位：%

運送及時率是車輛運用最重要的指標，直接關(guān)系傷員運送及時率，影響到傷員的救治效果，作為優(yōu)先參考指標。根據(jù)各因素極差，可以看出各因素對傷員運送及時率的影響強弱順序是C＞D＞A＞B，說明在車輛裝備運用影響因素研究中，更多關(guān)注傷員和救護車數(shù)量，傷員產(chǎn)生方式和車輛調(diào)度方式相對影響較小。

從傷員產(chǎn)生方式看，均勻分布對應(yīng)的運送及時率最高，脈沖函數(shù)對應(yīng)的運送及時率最低，主要原因是傷員批量產(chǎn)生時車輛請求難以滿足，造成傷員運送不及時；從車輛調(diào)度方式看，重傷員優(yōu)先策略使運送及時率最高，空間優(yōu)先策略使運送及時率最低，主要原因是重傷員對時效性要求高，需要優(yōu)先后送，過于關(guān)注車輛空間利用率則會耽誤傷員后送；從救護車數(shù)量與傷員數(shù)量看，傷員運送及時率與車輛數(shù)量呈正比，與傷員數(shù)量呈反比，這2 個因素對車輛運用影響較大，與試驗預(yù)期基本一致，指揮員需要在戰(zhàn)前對二者數(shù)量進行重點預(yù)測評估。

3.2 車輛運用數(shù)量編配研究

由于車輛編配數(shù)量和組合的有限性，為使車輛效用最大化，利用泊松分布方式產(chǎn)生200 名傷員，采用傷員優(yōu)先調(diào)度策略，以目前常用的車輛編配數(shù)量為例，探究不同車輛編配數(shù)量和組合下的各指標情況，結(jié)果見表4。

表4 不同車輛編配數(shù)量和組合下各指標情況

從車輛編配數(shù)量看，當兩型救護車編配比例相同時，隨著車輛數(shù)量增加，傷員運送及時率明顯提高，兩型救護車利用率下降，說明車輛數(shù)量與運送及時率呈正比，與救護車利用率呈反比。此外，當車輛數(shù)量為6 時，運輸車利用率不足50%，說明其在大部分時間為空閑狀態(tài)，編配數(shù)量不夠合理。

從車輛編配組合看，當車輛編配數(shù)量確定時，急救車數(shù)量越多傷員運送及時率越低，利用率越低；運輸車數(shù)量越多傷員運送及時率越高，利用率也越低。急救車利用率變化幅度受車輛數(shù)量影響相對較大，主要原因是急救車僅能裝載2 名臥姿（或6 名坐姿）傷員，相對于運輸車可以裝載12 名各類體位傷員，車輛容量明顯不足。二者對比說明，運輸車是運送批量傷員的有力工具，但是由于現(xiàn)實中運輸車救治條件的有限性，目前僅能作為應(yīng)急備選車輛。

綜合車輛數(shù)量和組合來看，當救護車輛數(shù)量為4 時，通過調(diào)整車輛比例，傷員運送及時率可以達到90%以上，與救護車輛數(shù)量為6 的最大傷員運送及時率相差不太多。說明當車輛資源緊張時，通過合理配比兩型車輛，傷員運送及時率也可以達到較高水平，為指揮員編配車輛提供了思路。

4 結(jié)語

本文基于Anylogic 建模仿真平臺，通過構(gòu)建傷員模型和車輛模型，模擬戰(zhàn)時傷員救護車輛運用過程，較好地體現(xiàn)了不同傷員產(chǎn)生方式和數(shù)量、車輛調(diào)度策略和數(shù)量對傷員運送及時率的影響大小，并對車輛數(shù)量編配進行了探究，說明了建模仿真方法對于車輛運用研究的有效性。此外，本文僅從影響因素和編配數(shù)量方面對車輛運用進行了分析，但車輛裝備運用涉及內(nèi)容較多，其研究內(nèi)容還需要進一步拓展完善。