瓊州海峽海域應(yīng)急救援船舶優(yōu)化配置研究

陳 寧 方曉靚

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)海南研究院2) 三亞 572025)

0 引 言

研究、實(shí)施瓊州海峽應(yīng)急救援資源優(yōu)化配置，增強(qiáng)應(yīng)急保障能力，對(duì)促進(jìn)瓊州海峽船舶運(yùn)輸發(fā)展，助力海南自由貿(mào)易港建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義.當(dāng)前，資源配置研究主要集中在資源承載力評(píng)定[1]、資源配置效果評(píng)價(jià)[2]、資源庫存控制策略研究[3]、資源優(yōu)化配置方法等方面，而應(yīng)急救援船舶配置作為資源優(yōu)化配置的重要部分，近年來有較多研究成果.陳曉旭等[4]以目標(biāo)響應(yīng)能力、覆蓋范圍、覆蓋事故數(shù)等為目標(biāo)，綜合考慮事故特點(diǎn)、資源能力、地理因素、政府運(yùn)營(yíng)規(guī)則、備用覆蓋范圍以及平均訪問時(shí)間等因素，建立了多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型，對(duì)應(yīng)急救援船舶配置方案進(jìn)行研究.楊立波[5]將巡邏與救助船舶分為了不同種類，并基于對(duì)各類船舶有效救助面積與距離的定量計(jì)算，對(duì)海上巡邏與救助船舶的配置規(guī)模進(jìn)行了研究.楊家其等[6]將應(yīng)急資源需求視為不確定因素，以總時(shí)間及總損失最小為目標(biāo)建立了應(yīng)急資源魯棒優(yōu)化配置模型，對(duì)三峽庫區(qū)的巡邏船的配置方案進(jìn)行了研究.劉文遠(yuǎn)等[7]在對(duì)海上事故的應(yīng)急船舶調(diào)度問題進(jìn)行研究時(shí)，綜合考慮了氣象、海況、應(yīng)急船舶?？课恢玫纫蛩?，建立了以應(yīng)急時(shí)間最短為目標(biāo)的多部門調(diào)度多種應(yīng)急船舶的組合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型.鄒沛霖[8]通過兩種不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)事故發(fā)生后需要人命救助時(shí)的岸基救助船舶選擇方案進(jìn)行了研究.婁帥等[9]將應(yīng)急救援船舶配置與應(yīng)急救援站點(diǎn)選址集成進(jìn)行研究.

文中建立了以應(yīng)急總成本最低與總時(shí)間最小為目標(biāo)的多目標(biāo)混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的模型求解遺傳算法，研究瓊州海峽南岸?？谳爡^(qū)應(yīng)急救援船舶配置方案.并將各結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，論證所提出方法與模型的有效性與合理性.

1 問題描述

1.1 瓊州海峽應(yīng)急救援船舶分布現(xiàn)狀

應(yīng)急救援船舶是指停靠在瓊州海峽南岸?？谳爡^(qū)水域的海事局執(zhí)法船艇及南海救助局的專業(yè)救助船艇.通過船訊網(wǎng)和海口海事局等渠道收集，得到海口轄區(qū)現(xiàn)?？康膽?yīng)急救援船艇及其性能參數(shù)，見表1.

表1 ?？谳爡^(qū)現(xiàn)有應(yīng)急救援船艇

1.2 應(yīng)急救援船舶配置問題分析

海上船舶交通事故具有多種類型，對(duì)于不同的事故，其應(yīng)急處置方式、所需的應(yīng)急救援力量會(huì)存在一定差異.可以針對(duì)某個(gè)區(qū)域特定時(shí)間段內(nèi)的總體事故情況進(jìn)行研究，并從發(fā)生特點(diǎn)、應(yīng)急需求特點(diǎn)等多維度對(duì)事故類型進(jìn)行合理地劃分，基于事故特點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)急救援船舶的配置.此外，在保障救援時(shí)效性的前提下，還需要將船舶的維護(hù)和營(yíng)運(yùn)、燃油等成本考慮進(jìn)去.通過對(duì)應(yīng)急救援船舶的配置合理地規(guī)劃和選擇.

綜上，針對(duì)所研究的應(yīng)急救援船舶配置問題，可以建立以規(guī)劃期內(nèi)所有事故的應(yīng)急救援總時(shí)長(zhǎng)最短及規(guī)劃期內(nèi)總成本最低為目標(biāo)，以每類事故應(yīng)急救援場(chǎng)景船舶調(diào)度方案、站點(diǎn)附近碼頭泊位容量及船舶艘數(shù)等為約束，以各站點(diǎn)附近碼頭所配置各類應(yīng)急救援船舶艘數(shù)為主要決策變量的多目標(biāo)混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型.

2 模型構(gòu)建

2.1 模型假設(shè)

本模型做如下假設(shè)：①已知有數(shù)個(gè)備選的碼頭可以提供用于應(yīng)急救援船舶?？康牟次?，并且每個(gè)碼頭都有可供?？坎次蝗萘康募s束；②事故發(fā)生區(qū)域和船舶所停泊的碼頭之間的距離可計(jì)算，并且同一碼頭上的各泊位至同一事故發(fā)生區(qū)域的距離視作一致；③每種船舶都可以停泊在各個(gè)碼頭的泊位上，且每種船舶都有數(shù)量上的約束；④應(yīng)急救援船舶在每次完成應(yīng)急救援任務(wù)后會(huì)返回原?？坎次唬覐牟次磺巴鹿蕝^(qū)域時(shí)與返回時(shí)的航速設(shè)為一致；⑤各個(gè)事故的應(yīng)急能力需求僅考慮本研究海域所停靠的應(yīng)急救援力量所提供的能力，不考慮其他應(yīng)急救援力量；⑥綜合考慮海上事故發(fā)生規(guī)律，以1年為一個(gè)規(guī)劃期對(duì)救助船進(jìn)行規(guī)劃.

2.2 符號(hào)說明與模型建設(shè)

2.3 應(yīng)急救援船舶優(yōu)化配置模型建立

建立應(yīng)急救援船舶優(yōu)化配置模型，即

(1)

(2)

(3)

s.t.

(4)

(5)

?s∈S,?j∈J,?r∈R,?i∈I

(6)

tsj,ir≤th?s∈S,?j∈J,?r∈R,?i∈I

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式(1)～(2)為該模型的目標(biāo)函數(shù)，式(1)要求為在所有事故中的總應(yīng)急救援時(shí)間最小，式(2)要求為在所有事故中的總成本最小，等式右邊的第一項(xiàng)船舶日常運(yùn)營(yíng)成本，第二項(xiàng)為應(yīng)急調(diào)度成本；式(3)為應(yīng)急調(diào)度成本的各類子項(xiàng)，分別為船舶固定出港、燃油和營(yíng)運(yùn)三項(xiàng)成本；式(4)為在所有碼頭i配置的任意r類型船總和不得大于r類型船的最大艘數(shù)；式(5)為在任意碼頭i配置的所有r類型船總和不得大于碼頭i可供?？康淖畲蟛次粩?shù)；式(6)為在任意事故區(qū)域j發(fā)生任意事故s時(shí)，從任意碼頭i派出的r類型船的數(shù)量不得大于該碼頭i?？康膔類型船的總數(shù)；式(7)為在任意事故區(qū)域j發(fā)生任意事故s時(shí)，從任意碼頭i派出的任意r類型船的到達(dá)時(shí)間都要小于應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)閾值；式(8)為對(duì)于所有不參與救援的船舶，應(yīng)急救援時(shí)間為0；式(9)為在任意事故區(qū)域j發(fā)生任意事故s時(shí)，從任意碼頭i派出的所有r類型船的救援時(shí)間都要小于應(yīng)急救援時(shí)間最長(zhǎng)閾值；式(10)為在任意事故區(qū)域j發(fā)生任意事故s時(shí)，從任意碼頭i派出的所有r類型船在救援時(shí)間內(nèi)的人命救助能力之和大于事故類型s發(fā)生時(shí)需要的總?cè)嗣戎芰Γ皇?11)為在任意事故區(qū)域j發(fā)生任意事故s時(shí)，從任意碼頭i派出的所有r類型船在救援時(shí)間內(nèi)的安全管控能力之和大于事故類型s發(fā)生時(shí)需要的總安全管控能力；式(12)為在任意事故區(qū)域j發(fā)生任意事故s時(shí)，從任意碼頭i派出的所有r類型船在救援時(shí)間內(nèi)的拖帶能力之和大于事故類型s發(fā)生時(shí)需要的總拖帶能力；式(13)為針對(duì)任意高風(fēng)險(xiǎn)事故區(qū)域j+，碼頭中至少有一艘船舶能夠在應(yīng)急到達(dá)時(shí)間最長(zhǎng)閾值內(nèi)到達(dá)事故區(qū)域.

3 基于遺傳算法的多目標(biāo)模型求解設(shè)計(jì)

3.1 編碼設(shè)計(jì)

已知有i個(gè)碼頭可以用來?？繎?yīng)急救援船舶，共有r種類型的船總計(jì)n艘，隨機(jī)生成初始種群，種群大小設(shè)置為X，用實(shí)數(shù)0和1來進(jìn)行表示染色體，比如個(gè)體[0 1 0…0 1 1]，基因所在的位置代表在第i個(gè)碼頭是否有r種類型的船停泊，實(shí)數(shù)1表示停泊，反之則用0來表示；同時(shí)加入判斷條件1，若在第i個(gè)碼頭停泊的船舶總數(shù)量超過該碼頭的容量，則淘汰該染色體并重新生成一條，直到初始種群滿足X條染色體為止.

從上述的種群中選擇一條染色體，進(jìn)行第二層遺傳算法編碼，用二進(jìn)制字符串a(chǎn)1,a2,…,an分別代表各個(gè)事故，則二進(jìn)制字符串a(chǎn)上面的每一位二進(jìn)制數(shù)都可以視為遺傳基因，基因所在的位置代表在j區(qū)域發(fā)生s事故時(shí)，在第i個(gè)碼頭的一艘船是否參與救援，實(shí)數(shù)1表示參與救援，反之則用0來表示.同時(shí)加入判斷條件2，若從任意碼頭i派出的r類型船的數(shù)量大于該碼頭停靠的r類型船的總數(shù)，則淘汰該染色體并重新生成一條，直到初始種群滿足X條染色體為止.

3.2 適應(yīng)度函數(shù)

在當(dāng)前環(huán)境中的個(gè)體的適應(yīng)能力用適應(yīng)度函數(shù)來體現(xiàn)，若個(gè)體的適應(yīng)能力越強(qiáng)，則表示此個(gè)體所代表的問題的解越優(yōu)，并且此個(gè)體的優(yōu)秀基因越有可能被傳遞到后代.將Pareto解集根據(jù)船舶組合方案分組后即可得到多個(gè)方案以及方案對(duì)應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)，建立應(yīng)急救援船配置方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見圖1.

圖1 應(yīng)急救援船配置方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系示意圖

評(píng)價(jià)準(zhǔn)則包括救援應(yīng)急時(shí)效性和配置方案成本，救援應(yīng)急時(shí)效性是指事故發(fā)生時(shí)救援船舶到達(dá)時(shí)間與救援時(shí)間之和，配置方案成本則包括日常維護(hù)成本和事故發(fā)生時(shí)應(yīng)急調(diào)度成本兩方面所能提供的調(diào)整范圍.最終方案的選擇由評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和方案指標(biāo)評(píng)價(jià)值共同確定.假設(shè)根據(jù)分組后的非支配解數(shù)據(jù)得到的方案指標(biāo)評(píng)價(jià)值矢量為b=(b11,b21,b22)，評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重矢量為W=(w11,w21,w22)，則單次方案的總得分為

(14)

通過式(14)計(jì)算船舶應(yīng)急救援策略的總成本，并取其倒數(shù)作為適應(yīng)度值，數(shù)值越大就代表該染色體的適應(yīng)度越高.取應(yīng)急救援策略中的最優(yōu)方案的適應(yīng)度作為全局應(yīng)急救援船優(yōu)化配置的適應(yīng)度，數(shù)值越大就代表該染色體的適應(yīng)度越高.

3.3 算法流程圖

遺傳操作：①個(gè)體選擇的方法 針對(duì)上下兩層規(guī)劃方法，均采用輪盤賭法來選擇種群的個(gè)體;②加入精英保留法 為了加快遺傳算法的優(yōu)化速度，同時(shí)也為了保障最優(yōu)解的存在，本研究在上下兩層規(guī)劃方法中均采用了精英保留策略;③染色體交叉的方法 所采用的染色體交叉方法是雙點(diǎn)交叉法.

算法流程圖見圖2.

圖2 算法流程圖

4 瓊州海峽海口轄區(qū)水域應(yīng)急資源優(yōu)化配置

4.1 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

1) 船型分類及其性能參數(shù)設(shè)置 不考慮新造或者引進(jìn)新船的情況，船舶分類見表2，現(xiàn)有各類船舶的相關(guān)性能參數(shù)設(shè)置見表3.

表2 轄區(qū)應(yīng)急救援船舶分類表

表3 各類應(yīng)急救援船舶的性能參數(shù)

2) 事故類型及其相關(guān)參數(shù)設(shè)置 基于2012—2020年?？谳爡^(qū)的海上船舶交通事故信息，將最短應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間閾值th設(shè)為3 h，同時(shí)將各事故根據(jù)其發(fā)生與需求特點(diǎn)進(jìn)行分類，對(duì)各類事故的各項(xiàng)參數(shù)值根據(jù)以往事故應(yīng)急救援情況進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)賦值.具體事故分類及其相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表4.

表4 事故分類及其相關(guān)參數(shù)設(shè)置

3) 事故發(fā)生區(qū)域的確定 事故發(fā)生區(qū)域與高風(fēng)險(xiǎn)水域的所在位置是根據(jù)海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目課題組對(duì)于瓊州海峽海域中事故易發(fā)區(qū)域的識(shí)別及其相對(duì)通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果所確定，可得到該水域存在11個(gè)事故易發(fā)區(qū)域，其中包含2個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)水域，各區(qū)域的中心點(diǎn)坐標(biāo)見表5.

表5 事故發(fā)生區(qū)域及其相關(guān)參數(shù)設(shè)置

另外，通過2012—2020年?？谳爡^(qū)的海上船舶交通事故數(shù)據(jù)，可計(jì)算得出各類事故在各個(gè)區(qū)域的發(fā)生概率.同時(shí)計(jì)算2012—2020年的每年平均事故發(fā)生數(shù)為7，將其作為規(guī)劃期內(nèi)的事故發(fā)生總數(shù).且將各類事故發(fā)生概率與事故發(fā)生總數(shù)相乘，則可得到規(guī)劃期內(nèi)各類事故的發(fā)生頻數(shù)，見表6.

表6 各類事故發(fā)生頻數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4) 備選碼頭的確定 將研究水域內(nèi)的馬村港港區(qū)、新海港港區(qū)與?？诟鄹蹍^(qū)的碼頭作為可供應(yīng)急救援船舶?？康膫溥x碼頭.并將目前應(yīng)急救援船舶所停靠的經(jīng)緯度坐標(biāo)，作為各個(gè)備選碼頭的地理位置.通過在船訊網(wǎng)上的距離計(jì)算工具可得到距離參數(shù)的各項(xiàng)數(shù)值(單位：n mile)，同時(shí)根據(jù)碼頭現(xiàn)有泊位容量情況及其泊位使用情況綜合確定各備選碼頭的可供應(yīng)急救援船舶?？康牟次粩?shù)量上限，具體數(shù)值見表7.

表7 備選碼頭與事故區(qū)域間的距離與碼頭泊位容量

4.2 應(yīng)急救援資源優(yōu)化配置方案及結(jié)果分析

根據(jù)船訊網(wǎng)上船舶的實(shí)時(shí)位置及船舶參數(shù)資料，結(jié)合從?？诤Ｊ戮痔幷{(diào)研所得到的信息，可得到當(dāng)前應(yīng)急救援船舶的停靠方案，在此配船方案下，計(jì)算得到1年規(guī)劃周期內(nèi)的總成本為7 214 599元，總應(yīng)急救援時(shí)長(zhǎng)為18.71 h.將所設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)值代入所建立的應(yīng)急救援船舶多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，利用改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法可計(jì)算得到帕累托最優(yōu)的配置方案，此優(yōu)化方案下的總成本為6 059 986元，總應(yīng)急救援時(shí)長(zhǎng)為15.80 h.應(yīng)急救援船舶原配置及優(yōu)化配置方案如表8所示.

表8 應(yīng)急救援船舶原配置及優(yōu)化配置方案

由表8可知：在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與時(shí)效性的情況下，?？诤Ｊ戮州爡^(qū)水域的應(yīng)急救援船舶配置數(shù)量比原應(yīng)急救援船舶配置數(shù)量減少了3艘，這一方面是由于船舶的日常維護(hù)、人力成本等運(yùn)營(yíng)成本非常高，因此在考慮總成本最低且同時(shí)應(yīng)滿足事故點(diǎn)應(yīng)急需求的情況下，模型求解算法會(huì)盡可能地選擇總配船數(shù)量較少的方案.另一方面，本研究所選擇的應(yīng)急救援船舶包括部分執(zhí)法船，在實(shí)際情況中，執(zhí)法船除了需要執(zhí)行應(yīng)急救援任務(wù)外，還需發(fā)揮其安全、監(jiān)管職能，而本模型未考慮這方面因素的影響，僅從應(yīng)急救援需求方面對(duì)船舶配置方案進(jìn)行了研究.另外，從優(yōu)化結(jié)果而言，將優(yōu)化方案與原有方案計(jì)算所得的總成本與總應(yīng)急救援時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比，可得出，通過對(duì)應(yīng)急救援船舶進(jìn)行優(yōu)化配置，可在1年時(shí)間內(nèi)，節(jié)約1 154 613元成本，且減少2.91 h的總應(yīng)急救援時(shí)間，按照1年規(guī)劃期內(nèi)發(fā)生事故數(shù)7起進(jìn)行計(jì)算，平均每起事故可減少近25 min的應(yīng)急救援時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了時(shí)效性與經(jīng)濟(jì)性的帕累托最優(yōu)，可為?？谳爡^(qū)海上應(yīng)急救援船舶配置提供科學(xué)決策依據(jù).

5 結(jié) 束 語

本研究基于海口轄區(qū)海域的歷年事故數(shù)據(jù)及海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目課題組關(guān)于瓊州海峽海域通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究成果，建立了考慮事故特點(diǎn)，以總應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)最短、總成本最低為目標(biāo)，以事故應(yīng)急選船方案、應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間、碼頭泊位容量限制等為約束的多目標(biāo)海上應(yīng)急救援船舶配置混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，并結(jié)合海口海事局轄區(qū)水域?qū)嶋H情況進(jìn)行研究，解決了該轄區(qū)的海上應(yīng)急救援資源配置問題.在瓊、粵兩省大力推動(dòng)瓊州海峽全面實(shí)現(xiàn)“港航一體化建設(shè)”的背景下，同時(shí)考慮兩岸的應(yīng)急救援力量與事故情況，針對(duì)瓊州海峽整個(gè)海域的應(yīng)急救援船舶配置方案的研究會(huì)更有意義.