船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸智能化聯(lián)動(dòng)調(diào)度體系探討

王惠明

(成都理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引 言

船舶在海面上航行過(guò)程中會(huì)遇到碰撞、擱淺等風(fēng)險(xiǎn)事故，這些船舶事故一旦發(fā)生，船舶則很容易遭到損壞。船舶在海面上一旦產(chǎn)生事故，很難及時(shí)進(jìn)行救援，這使得船舶在海面上的事故具有很大的危險(xiǎn)性。因此對(duì)船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度進(jìn)行系統(tǒng)性研究，對(duì)船舶應(yīng)急物資的合理配備，降低船舶事故造成的損失有重要意義。本文借助計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證技術(shù)，對(duì)船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸智能化聯(lián)動(dòng)調(diào)度體系進(jìn)行研究，有助于推動(dòng)船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸

1.1 船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸?shù)挠绊懸蛩?/h3>

船舶應(yīng)急物資調(diào)度的主要目的是將相關(guān)船舶應(yīng)急物資從其存儲(chǔ)位置轉(zhuǎn)移到船舶事故發(fā)生地點(diǎn)，這是一種物資空間轉(zhuǎn)移過(guò)程。在船舶應(yīng)急物資調(diào)度整個(gè)過(guò)程中會(huì)涉及到陸地運(yùn)輸和海上運(yùn)輸整個(gè)過(guò)程以及事故、集結(jié)、供應(yīng)3 個(gè)層面。針對(duì)海上突發(fā)事件的物資運(yùn)輸調(diào)度方案確定之后，距離事故點(diǎn)最近的救助機(jī)構(gòu)則會(huì)將相關(guān)的裝備和醫(yī)療物資迅速地發(fā)往海上的事故地點(diǎn)，并且在救援時(shí)間內(nèi)及時(shí)地將救援物資運(yùn)達(dá)目的地，確保救援工作的正常開(kāi)展。由于船舶海上物資的調(diào)度存在弱經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性，這使得時(shí)間因素和經(jīng)濟(jì)因素成為制約船舶海上應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度的主要因素。

在船舶海上應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度網(wǎng)絡(luò)中存在多供應(yīng)點(diǎn)和反應(yīng)基地，因此應(yīng)急物資裝備的運(yùn)輸速度和距離是最重要的影響因素，并且這2 個(gè)屬于時(shí)間因素。船舶在海面上的航行速度有絕對(duì)航行速度和相對(duì)航行速度2 種。船舶的絕對(duì)航行速度又被稱(chēng)為實(shí)際航行速度，該速度是以海底為參考，并且考慮到了海風(fēng)以及海流對(duì)海面上船舶航速產(chǎn)生的影響。以海水的流動(dòng)為參考，屬于船舶在海面上的相對(duì)航行速度，因此船舶在海面上的相對(duì)航行速度只考慮海風(fēng)對(duì)船舶速度的影響。由此可以看出，船舶在海面上的實(shí)際航行速度是船舶的相對(duì)航行速度和水流速度的矢量和，并且船舶的速度、海風(fēng)的速度以及洋流的速度均為矢量。在船舶海上應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度的過(guò)程中，物資應(yīng)急基地和海面船舶事故地點(diǎn)之間的距離一般采用經(jīng)緯度進(jìn)行衡量，并且為了確保速度參考系的一致性，需要對(duì)船舶在海面上的絕對(duì)速度進(jìn)行求解。在對(duì)船舶的絕對(duì)速度進(jìn)行求解過(guò)程中，假定船舶所在海面上的洋流和海風(fēng)速度方向保持恒定。當(dāng)應(yīng)急物資運(yùn)輸船舶向海面上船舶事故點(diǎn)航行的時(shí)候，其絕對(duì)航行速度的計(jì)算公式為：

當(dāng)應(yīng)急物資運(yùn)輸船舶由海面上的船舶事故點(diǎn)向應(yīng)急基地航行的時(shí)候，其絕對(duì)速度的計(jì)算公式為：

應(yīng)急物資運(yùn)輸飛行器的絕對(duì)速度是以大地為參考系的，即為對(duì)地速度，并且影響應(yīng)急物資飛行器的主要因素為海面上的風(fēng)速。應(yīng)急物資救助飛行器向海面上事故點(diǎn)飛行的絕對(duì)速度計(jì)算公式為：

應(yīng)急物資救助飛行器由海面船舶事故點(diǎn)向應(yīng)急基地飛行的絕對(duì)速度計(jì)算公式為：

在對(duì)應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度策略規(guī)劃的過(guò)程中，船舶事故點(diǎn)和應(yīng)急基地之間的相對(duì)距離是該策略規(guī)劃的重要因素之一。船舶事故點(diǎn)和應(yīng)急基地之間的距離長(zhǎng)短會(huì)直接影響應(yīng)急物資在路上的運(yùn)輸時(shí)間。在實(shí)際船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度過(guò)程中，應(yīng)急物資調(diào)度中心會(huì)使用AIS，GPS 等設(shè)備獲取精確的船舶事故點(diǎn)的坐標(biāo)信息，然后進(jìn)一步解算出距離。在進(jìn)行兩點(diǎn)之間距離的解算過(guò)程中，假設(shè)A 坐標(biāo)為(A1,A2)，B 坐標(biāo)為(B1,B2)，同時(shí)將0°經(jīng)線看成是基準(zhǔn)線，東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)，對(duì)A，B兩點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后A，B兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(A11,A22)、(B11,B22)，則AB 兩點(diǎn)間相隔的距離可以用式(5)進(jìn)行計(jì)算，式中，a為維度差，b為經(jīng)度差。

1.2 船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸模型

假設(shè)船舶事故海域的船員需要得到緊急救援，并且船舶遇險(xiǎn)船員人數(shù)為X1。則此時(shí)的救援時(shí)間最緊，需要在最短的時(shí)間內(nèi)將遇險(xiǎn)人員救出，因此救援的第一階段結(jié)束的標(biāo)志為最后一名船員被救出，并且這時(shí)候救援時(shí)間為T(mén)1。設(shè)應(yīng)急物資調(diào)度成本為C，第二階段救援開(kāi)始時(shí)間為T(mén)2，應(yīng)急基地到海面事故點(diǎn)的距離為li，應(yīng)急物資的運(yùn)輸調(diào)運(yùn)的絕對(duì)速度為V→lik。每臺(tái)運(yùn)輸裝備從應(yīng)急基地往返事故地點(diǎn)一次為一個(gè)應(yīng)急物資調(diào)度小周期，并且經(jīng)過(guò)n個(gè)應(yīng)急物資調(diào)度小周期之后，完成第一階段的救援任務(wù)，其目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

假設(shè)第n個(gè)應(yīng)急物資調(diào)度小周期的貨運(yùn)運(yùn)輸量用qn來(lái)表示，經(jīng)過(guò)n-1 個(gè)應(yīng)急物資調(diào)度小周期之后，剩余的待救援人數(shù)為X1n-1，則可以得到：

船舶應(yīng)急物資運(yùn)到海上船舶事故地點(diǎn)之后，需要在事故地點(diǎn)停留一段時(shí)間，并進(jìn)行救援工作，等到消耗型物資消耗完之后，則由下一班次的應(yīng)急物資運(yùn)輸船舶提供，以確保應(yīng)急物資能夠持續(xù)供應(yīng)。應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度的成本主要在于應(yīng)急基地的位置、運(yùn)輸裝備的船舶以及裝備停留的時(shí)間，因此第二階段的目標(biāo)函數(shù)可以用式(9)來(lái)表示。式中，Cij的計(jì)算方法如式(10)所示，平均成本的計(jì)算公式如式(11)和式(12)所示。

2 船舶應(yīng)急物資優(yōu)化配備分析

本文研究的船舶應(yīng)急物資并不只是針對(duì)某一種物資，因此本文研究方法具備通用性。由于海面上船舶事故的實(shí)際數(shù)據(jù)獲取相對(duì)比較難，因此基于船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸模型進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸模型中的部分變量以及函數(shù)進(jìn)行合理假設(shè)。實(shí)際船舶應(yīng)急物資的配備量在不同的救援階段中，其閾值的邊際貢獻(xiàn)呈現(xiàn)遞減現(xiàn)象，即船舶事故救援剛開(kāi)始的時(shí)候，船舶物資供應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)閾值的邊際貢獻(xiàn)比較大，但是隨著船舶應(yīng)急物資投入量的不斷增加，其邊際效用不斷降低，最終使得經(jīng)濟(jì)性很差。應(yīng)急物資投入量和閾值之間的關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 應(yīng)急物資投入量和閾值之間的關(guān)系Fig. 1 Relationship between emergency material input and threshold

可以看出，應(yīng)急物資投入量和閾值之間的關(guān)系與對(duì)數(shù)函數(shù)十分類(lèi)似，考慮到實(shí)際的應(yīng)急物資投入量和閾值之間的函數(shù)關(guān)系復(fù)雜且很難獲得，并且不同的船舶應(yīng)急物資，其投入量和系統(tǒng)閾值之間的函數(shù)關(guān)系也不一樣。為了降低計(jì)算難度，用3 段對(duì)數(shù)函數(shù)來(lái)描述應(yīng)急物資投入量和閾值之間的關(guān)系；公式為：

船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸過(guò)程中的損失函數(shù)也是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，為了能夠更好地分析船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸，本文需要對(duì)損失函數(shù)進(jìn)行假設(shè)。假設(shè)損失函數(shù)是線性的，其描述公式為：

3 船舶應(yīng)急物資聯(lián)動(dòng)調(diào)度仿真

3.1 船舶應(yīng)急物資需求量計(jì)算

陸地上通常使用三角模糊數(shù)來(lái)處理應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度問(wèn)題，本文將三角模糊數(shù)應(yīng)用到海面上船舶應(yīng)急物資調(diào)度中，并進(jìn)行去模糊化處理，以便可以處理不確定環(huán)境中的應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度問(wèn)題，并構(gòu)造出應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)運(yùn)所費(fèi)時(shí)間最少的模型。假設(shè)存在三角模糊數(shù)A，其隸屬度可以表示為：

當(dāng)屬性的數(shù)值比較高時(shí)，則a,b,c可以選擇較大的數(shù)；當(dāng)屬性的數(shù)值比較低時(shí)，則a,b,c可以選擇較小的數(shù)；當(dāng)a,b,c相等時(shí)，A則是非模糊數(shù)。假設(shè)UAL的逆函數(shù)為GAL；UAR的逆函數(shù)為GAR，則模糊數(shù)A的左右期望值的計(jì)算方式，分別如式(18)和式(19)所示，則模糊數(shù)的整體期望數(shù)值的計(jì)算方法如式(20)所示。

3.2 船舶應(yīng)急物資調(diào)度仿真

本文進(jìn)行船舶應(yīng)急物資聯(lián)動(dòng)調(diào)度仿真過(guò)程中，假定本次參與應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度的倉(cāng)庫(kù)有4 個(gè)，分別為S1、S2、S3和S4，并且需要救援的地點(diǎn)有2 個(gè)，分別為D1和D2。2 個(gè)救援地點(diǎn)距離4 個(gè)應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度倉(cāng)庫(kù)的距離如表1 所示。每個(gè)應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度倉(cāng)庫(kù)配有A 類(lèi)和B 類(lèi)2 種類(lèi)型的運(yùn)輸調(diào)度船舶，并且A 類(lèi)運(yùn)輸船舶的運(yùn)載量為300 t，航行速度為8 n/mile；B 類(lèi)船舶的運(yùn)載量為100 t，航行速度為20 n/mile。

表1 應(yīng)急倉(cāng)庫(kù)距離事故點(diǎn)的距離Tab. 1 Distance from emergency warehouse to accident point

作為啟發(fā)算法的一種，遺傳算法在進(jìn)行求解的過(guò)程中，無(wú)法得出最優(yōu)的全局解。為了能夠避開(kāi)這種局部最優(yōu)解，使用多次求解并選擇最優(yōu)的解的方法，以避免產(chǎn)生局部最優(yōu)的情況。完成該算法的設(shè)計(jì)之后，然后對(duì)算法進(jìn)行運(yùn)算，配送時(shí)間和迭代次數(shù)之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 配送時(shí)間和迭代次數(shù)之間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between delivery time and iterations

將遺傳算法的迭代次數(shù)固定為10 000 次，在多次解算的過(guò)程中，得到了7 次的解算結(jié)果，如圖3所示?？梢钥闯?，7 次迭代結(jié)果中，最短的應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度時(shí)間為67.5 h，圖4 為應(yīng)急救援能力和偏離公平度之間的關(guān)系。

圖3 不同實(shí)驗(yàn)組號(hào)下的物資調(diào)度時(shí)間Fig. 3 Material scheduling time under different experimental group numbers

圖4 應(yīng)急救援能力和偏離公平度之間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between emergency rescue capability and deviation from fairness

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)家社會(huì)對(duì)船舶應(yīng)急物資的重視，船舶應(yīng)急物資運(yùn)輸調(diào)度配置系統(tǒng)不斷得到完善，這使得海面上船舶事故所產(chǎn)生的損失不斷地降低。本文對(duì)船舶應(yīng)急物資配置調(diào)度方法進(jìn)行研究，對(duì)降低船舶事故產(chǎn)生的損失有實(shí)際指導(dǎo)意義。