高速公路應(yīng)急物資儲(chǔ)備決策方案研究

郭孟卓工程師 朱家金工程師 曹紅艷高級(jí)工程師

(1.河南省高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控收費(fèi)通信服務(wù)有限公司,河南 鄭州 450018;2.周口市公路事業(yè)發(fā)展中心,河南 周口 466000;3.北京中交華安科技有限公司,北京 100088)

0 引言

高速公路是綜合交通運(yùn)輸體系必不可少的組成部分。高速公路上各類突發(fā)事件嚴(yán)重威脅高速公路運(yùn)營(yíng)安全,發(fā)生突發(fā)事件后及時(shí)調(diào)配應(yīng)急物資,快速處置恢復(fù)交通,為廣大人民群眾提供安全、暢通的交通環(huán)境具有重要意義。實(shí)際工作中災(zāi)前應(yīng)急物資的儲(chǔ)備受2個(gè)因素制約:一方面應(yīng)急物資儲(chǔ)備過剩會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)、成本增加;另一方面應(yīng)急物資儲(chǔ)備不足會(huì)導(dǎo)致事態(tài)蔓延,增加人民生命財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。因此,高速公路管理部門做好應(yīng)急物資儲(chǔ)備工作,對(duì)降低人民生命財(cái)產(chǎn)損失,提升高速公路運(yùn)營(yíng)效率具有重要意義。

目前,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者圍繞應(yīng)急物資儲(chǔ)備點(diǎn)選址[1-3]、應(yīng)急物資倉(cāng)儲(chǔ)模式[4-7]及災(zāi)前儲(chǔ)備和災(zāi)后調(diào)度綜合優(yōu)化[8-10]等問題開展大量研究。如Tao[11]以應(yīng)急物資的時(shí)效性、重要性、稀缺性和資金占用為評(píng)價(jià)指標(biāo),運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重,運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)高速公路應(yīng)急資源需求進(jìn)行評(píng)價(jià);柴干等[12]在降低救援成本、滿足救援效率的前提下,盡可能滿足交通事故高發(fā)地區(qū)的救援需求,建立高速公路網(wǎng)絡(luò)交通救援資源配置的隨機(jī)模型;都雪靜等[13]考慮到事故發(fā)生后的道路損壞、應(yīng)急物資需求的不確定性和各事故點(diǎn)緊迫性的差異,研究公路應(yīng)急物資調(diào)度的優(yōu)化策略。此外,突發(fā)事件對(duì)于應(yīng)急物資儲(chǔ)備決策也有著重要影響,如周璐[14]基于陜西省高速公路突發(fā)事件現(xiàn)狀調(diào)查與分析,提出陜西省高速公路養(yǎng)護(hù)應(yīng)急中心規(guī)劃布局和物資配置方案,從而提高高速公路應(yīng)急管理水平。但目前對(duì)于突發(fā)事件仍缺乏較為詳細(xì)的分類,且未考慮不同等級(jí)突發(fā)事件發(fā)生概率與應(yīng)急物資儲(chǔ)備數(shù)量是否匹配,以經(jīng)濟(jì)損失為目標(biāo)的策略優(yōu)化的研究更為匱乏。

基于此,本文根據(jù)我國(guó)突發(fā)事件的相關(guān)規(guī)定,對(duì)高速公路突發(fā)事件和應(yīng)急物資進(jìn)行分類,并針對(duì)目前高速公路應(yīng)急物資儲(chǔ)備量的實(shí)際需求,結(jié)合層次分析法評(píng)估各級(jí)事件的不確定性,以期望損失值最小為目標(biāo)建立儲(chǔ)備量決策模型,為規(guī)劃災(zāi)前物資儲(chǔ)備方案提供參考依據(jù)。

1 應(yīng)急物資儲(chǔ)備管理

1.1 高速公路突發(fā)事件

高速公路突發(fā)事件是指可能造成重大人員損失、公共財(cái)產(chǎn)損失、生態(tài)環(huán)境破壞、危害社會(huì)秩序和公共安全的突發(fā)性、危害性、非常規(guī)的突發(fā)事件[15]。本文綜合考慮高速公路運(yùn)營(yíng)管理中發(fā)生的或可能發(fā)生的重要事故和典型事件,以及路段單元風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中風(fēng)險(xiǎn)較高的路段特征,把高速公路突發(fā)事件分為自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生、社會(huì)安全4類,從而對(duì)高速公路突發(fā)災(zāi)害事件形態(tài)特征及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析[16],見表1。

表1 高速公路突發(fā)事件分類Tab.1 Classification of expressway emergencies

1.2 高速公路應(yīng)急物資管理

1.2.1 應(yīng)急物資分類

應(yīng)急物資是指在突發(fā)事件應(yīng)急處置過程中,為了能及時(shí)完成突發(fā)事件處理工作所需配備的保障性物資。應(yīng)急物資種類繁多,其儲(chǔ)備受到突發(fā)事件類型及需求、物資儲(chǔ)備能力、物資儲(chǔ)備地理位置、物資調(diào)配范圍、現(xiàn)場(chǎng)天氣條件等多種因素限制。本文考慮到不同突發(fā)事件所配備的應(yīng)急物資種類存在差異,根據(jù)高速公路重點(diǎn)突發(fā)事件種類和應(yīng)急物資用途,分類列舉出高速公路重點(diǎn)應(yīng)急物資用途及對(duì)應(yīng)事件細(xì)目,見表2。

表2 高速公路重點(diǎn)應(yīng)急物資Tab.2 Key emergency supplies for expressway

1.2.2 應(yīng)急物資特性

應(yīng)急物資的類別和儲(chǔ)備量取決于突發(fā)事件的種類、等級(jí),而突發(fā)事件具有突發(fā)、非常規(guī)的特性,這也導(dǎo)致應(yīng)對(duì)突發(fā)事件所需應(yīng)急物資的數(shù)量和類型具有不確定性。在突發(fā)事件發(fā)生后,高速公路運(yùn)營(yíng)管理部門需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成應(yīng)急處置任務(wù),這就要求應(yīng)急物資的儲(chǔ)備量充足,能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)揮其最大用途。此外,應(yīng)急物資主要針對(duì)特殊事件應(yīng)用,大部分物資用途單一,使用時(shí)具有不可替代性。故而相比于普通的常用物資,應(yīng)急物資具有不確定性、時(shí)效性和獨(dú)特性。

1.3 應(yīng)急物資儲(chǔ)備決策方案優(yōu)化分析

1.3.1 儲(chǔ)備決策函數(shù)

考慮到應(yīng)急物資的需求量不確定和應(yīng)急消耗性物資的使用壽命,若物資儲(chǔ)備過量則會(huì)造成物資浪費(fèi)失效,增加儲(chǔ)備成本,資金浪費(fèi);若物資儲(chǔ)備不足則會(huì)影響應(yīng)急救援效率,降低高速公路運(yùn)營(yíng)能力,增加人民生命財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)。因此,開展信息不全型決策研究,建立科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型,有助于管理者進(jìn)行應(yīng)急物資的儲(chǔ)備決策。

定義Kmore為物資儲(chǔ)備過剩時(shí),每單位量的應(yīng)急物資由于過期折舊或報(bào)廢造成的經(jīng)濟(jì)損失,Kmore包括過剩物資的保管費(fèi)α1及過期損失費(fèi)α2,兩者與單位量物資購(gòu)置費(fèi)d成一定比例,故Kmore可表示為:

Kmore=(α1+α2)·d

(1)

定義Kless為物資儲(chǔ)備不足時(shí),每單位量的應(yīng)急物資由于物資缺失造成的交通延誤帶來的經(jīng)濟(jì)損失μ及臨時(shí)購(gòu)置物資的漲價(jià)費(fèi)率β而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失,Kless表示為:

Kless=μ+β·d

(2)

E為完成應(yīng)急任務(wù)時(shí)物資實(shí)際需要量,F為物資實(shí)際儲(chǔ)備量,用Dj表示j等級(jí)事件發(fā)生時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失,如式(3)所示:

(3)

本文采用期望損失值最小作為目標(biāo)函數(shù):

(4)

式中:

Si—儲(chǔ)備方案,i=1,2,3,…,m;

Pj—j等級(jí)突發(fā)事件發(fā)生的概率,j=1,2,3,…,n。

1.3.2 各級(jí)事件發(fā)生概率評(píng)估

考慮到各級(jí)突發(fā)事件發(fā)生的概率難以定量表述,本文采用層次分析法對(duì)突發(fā)事件的發(fā)生概率進(jìn)行描述。采用1-9標(biāo)度法對(duì)各級(jí)突發(fā)事件的發(fā)生概率相對(duì)大小進(jìn)行兩兩比較,見表3。

表3 相對(duì)比較標(biāo)度賦值Tab.3 Relative comparison scale assignment

(1)構(gòu)造反映各等級(jí)突發(fā)事件發(fā)生概率相對(duì)大小判斷矩陣A:

(5)

(6)

(7)

計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax:

(8)

(3)一致性檢驗(yàn)。計(jì)算判斷矩陣一致性指標(biāo)CI:

(9)

計(jì)算判斷矩陣隨機(jī)一致性的比率CR:

(10)

其中,RI為相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo),與矩陣階數(shù)N相關(guān)[17],見表4。

表4 RI與N的關(guān)系Tab.4 The relationship between RI and n

只有當(dāng)CR<0.1時(shí),判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn),所獲取值合理,否則需要對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行調(diào)整修改。

2 算例分析

以高速公路冰雪搶險(xiǎn)應(yīng)急事件中除雪劑的儲(chǔ)備數(shù)量為例,進(jìn)行高速公路應(yīng)急物資儲(chǔ)備方案分析論證。

2.1 初步確定儲(chǔ)備方案

設(shè)某高速公路運(yùn)營(yíng)管理單位分公司所轄高速公路路段在Ⅰ級(jí)(特別重大)、Ⅱ級(jí)(重大)、Ⅲ級(jí)(較大)和Ⅳ級(jí)(一般)降雪冰凍突發(fā)事件下匯總所需要的融雪劑數(shù)量分別為1000、800、650、500t,融雪劑價(jià)格約為1000元/t。針對(duì)不同等級(jí)降雪程度,擬定6種儲(chǔ)備方案,見表5。

在本算例中,設(shè)保管費(fèi)和過期損失費(fèi)分別為物資單價(jià)的5%和30%,則融雪劑儲(chǔ)備過剩時(shí),Kmore為350元;若儲(chǔ)備不足時(shí),臨時(shí)購(gòu)置融雪劑漲價(jià)費(fèi)為10%,每單位物資缺失導(dǎo)致交通延誤折合經(jīng)濟(jì)損失為3000元,Kless為3100元。

表5 不同等級(jí)降雪事件發(fā)生時(shí)融雪劑供應(yīng)情況Tab.5 Snowmelt agent supply at different levels of snowfall events 單位:t

2.2 判斷不同等級(jí)事件發(fā)生概率

根據(jù)1-9標(biāo)度法對(duì)各級(jí)突發(fā)事件發(fā)生概率相對(duì)大小進(jìn)行兩兩比較,該公司所轄高速公路路段各級(jí)降雪冰凍突發(fā)事件發(fā)生概率的相對(duì)大小,見表6。

表6 不同等級(jí)突發(fā)事件相對(duì)比較標(biāo)度賦值Tab.6 Relative scale assignment of different levels of emergencies

(1)構(gòu)建反映不同等級(jí)突發(fā)事件發(fā)生概率相對(duì)大小的判斷矩陣:

(2)計(jì)算判斷矩陣每行元素的幾何平均值:

各級(jí)事件發(fā)生概率:

P1=4.75%,P2=9.98%,P3=24.55%,P4=60.72%

(3)計(jì)算判斷矩陣最大特征值:λmax=4.089。

(4)一致性檢驗(yàn)。CI=0.03;矩陣階數(shù)N為4時(shí),RI=0.89。CR=0.0337,CR<0.1,判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)。

2.3 期望損失值計(jì)算

計(jì)算出融雪劑的6種儲(chǔ)備方案的期望值:E(S1)=280596.5,E(S2)=180080.5,E(S3)=121913.25,E(S4)=106094.75,E(S5)=124707.25,E(S6)=143319.75。隨著融雪劑儲(chǔ)備量的逐漸增大,期望損失先減后增,并在方案S4下達(dá)到最小,故取方案S4為最佳儲(chǔ)備量。方案S4與該公司實(shí)際儲(chǔ)備方案相符合,表明該方法可有效應(yīng)用于應(yīng)急物資儲(chǔ)備決策方案優(yōu)化。

3 結(jié)論

應(yīng)用層次分析法對(duì)高速公路應(yīng)急物資儲(chǔ)備決策方案進(jìn)行研究,主要結(jié)論總結(jié)如下:

(1)明確高速公路常見的突發(fā)事件分類,并結(jié)合突發(fā)事件類型確定高速公路重點(diǎn)應(yīng)急物資的用途和細(xì)目。

(2)從信息不全型決策的角度開展應(yīng)急物資儲(chǔ)備決策方法研究,利用層次分析法確定不同等級(jí)突發(fā)事件發(fā)生概率,并結(jié)合儲(chǔ)備不當(dāng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失,以期望損失最小為目標(biāo)開展應(yīng)急物資儲(chǔ)備決策方案的優(yōu)化分析工作,最后以實(shí)際案例驗(yàn)證該方案合理、可行。

(3)由于我國(guó)高速公路投資主體的多元化,高速公路多種模式的營(yíng)運(yùn)管理使得高速公路應(yīng)急管理也存在多種模式,而且高速公路應(yīng)急管理資源分散在多個(gè)系統(tǒng)、部門和各單位,從目前體制看來,要形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一、迅速響應(yīng)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制,在信息高度共享、資源整體的信息中心建設(shè)和充足、靈活的物資儲(chǔ)備等方面仍需開展更多研究工作。