（安全技术及工程专业论文）突发公共事件应急物资资源优化配置技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a p e ri sc o m p o s e do ft h r e em a i np a r t s f i r s t l y , t h ep a p e rf o c u s e so nt h ep r o j e c t so fr e s o u r c eo p t h n a la l l o c a t i o no fp u b l i c e m e r g e n c i e sd u r i n gt h ep r e p a r e ds t a g eb a s e do ne m e r g e n c yp l a n w i t hd i s a s t e rr e s u l t s c a l c u l a t e db yd i s a s t e rc o n s e q u e n c em o d e l s ，t h ea l l o c a t i o np r o j e c t sa r ee d u c e df r o m t h er e s o u r c ea l l o c m i o nm o d e lf o u n d e do nd y n a m i cp r o g r a m m i n g t h ep a p e r 舀v e st h e a r i t h m e t i co f t h em o d e l ，a l s ot h ep r o g r a mo fa r i t h m e t i c s e c o n d l y , t h ep a p e ra l s op a y sa t t e n t i o nt ot h ea l l o c a t i o no fr e s o u r c ea f t e rt h ep u b l i c e m e r g e n c i e sh a p p e n e d t h i ss e c t i o nc a l lb ed i v i d e di n t ot w op a r t s o n e i st h e a l l o c a t i o no ft h er e s o u r c ec o m b i n e dt h ei n f o r m a t i o nf r o mt h ee m e r g e n c ys i t e sw i t h t h er e s o u r c ea l l o c a t i o np r o j e c t si nt h ee m e r g e n c yp l a n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e c h a r a c t e r so ft h e g r o u pd e c i s i o n - m a k i n g ，a n d i t g i v e st h es e v e n - s t e pg r o u p d e c i s i o n - m a k i n gt os o l v et h er e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e m t h eo t h e ri sam o d e lb a s e d o nm u l t i - s t a g et os o l v et h er e a l t i m er e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e mo ft h ep u b l i c e m e r g e n c i e sw h i c ha l ed i f f i c u l tt ok n o wt h es c o p e w i t hp r e m i s eo fc o n t i n u o u s r e s o u r c ec o n s u m p t i o n , t h ep a p e rd i v i d e st h er e s c u ec o u r s ei n t os e v e r a ls t a g e s ，t h e n g i v e sam o d e l w h i c ht h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni st h em i n i m u i nl o s s t h em o d e li su s e di n t h er e a l - t i m er e s o u r c ea l l o c a t i o no ff o r e s tf i r e f i n a l l y , t h ep a p e rp r e s e n t st w oe x a m p l e st op r o v et h ev a l i d i t yo ft h e t h e o r i e s m e n t i o n e da b o v e k e y w o r d ：p u b l i ce m e r g e n c y , r e s o u r c eo p t i m a l a l l o c a t i o nm o d e l ，g r o u p d e c i s i o n m a k i n g h 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：争丽嚣 2 0 0 年，月2 9e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：善雨鸳 凹巧s 年3 - 月2ge t 第一章绪论 第一章绪论 第一节论文研究背景 1 1 1 突发公共事件定义及分类 随着全球化经济的到来及互联网的发展，大型企业都致力于国际化运作， 商业范围已经扩张为“地球村 ，跨国商业运作的风险早已显现端倪。事实上， 风险并不仅仅存在于商业运作上，同样存在于人们的日常生活中。近阶段全球 范围内发生了一系列突发公共事件，如“9 1 1 事件、非典暴发、禽流感流行 以及印度洋海啸等。随着经济的发展，突发公共事件的多样性和不可预知性在 增加。如果突发公共事件发生后，不能在短时间内高效地调集相关应急资源到 灾害点，不仅会使人的生命受到威胁，而且还会给国家的安全和社会稳定带来 巨大冲击，使灾害演变成灾难，并对国家经济产生负面的影响。 根据国务院2 0 0 6 年初公布的国家突发公共事件总体应急预案中指出： 突发公共事件是指突然发生，造成或者可能造成重大人员伤亡、财产损失、生 态环境破坏和严重社会危害，危及公共安全的紧急事件。 根据突发公共事件的发生过程、性质和机理，突发公共事件主要分为以下 四类： ( 1 ) 自然灾害。主要包括气象灾害，地震灾害，地质灾害，海洋灾害，生 物灾害等。 ( 2 ) 事故灾难。主要包括各类安全事故，交通运输事故，公共设施和设备 事故，辐射事故，环境污染和生态破坏事件。 ( 3 ) 公共卫生事件。主要包括传染病疫情，群体性不明原因疾病，食品安 全和职业危害，动物疫情，以及其他严重影响公众健康和生命安全的事件。 ( 4 ) 社会安全事件。主要包括恐怖袭击事件，民族宗教事件，经济安全事 件，涉外突发事件和群体性事件等【l j 。 上述各类突发公共事件往往是相互交叉和关联的，某类突发公共事件可能 和其他类别的事件同时发生，或引发次生、衍生事件。了解突发公共事件的特 点对进一步认识突发公共事件有重要意义。 1 第一章绪论 1 12 突发公共事件特点 突发公共事件因其突发性、发生频率高、损失严重、社会冲击巨大等明显 的特点而受到人们的持续关注。 ( 1 ) 突发性。突发公共事件顾名思义，该类事件具有很强的不可预知性 和突发性，事先不能预知会发生什么，且表现在一个“突”字上，突如其来，未可 预料，让人措手不及。 由于造成突发公共事件的原因比较复杂，有自然因素造成的：有人为因素 造成的；有两者兼而有之交互造成的。原因的复杂性决定了政府、社会、公众、 大众传播媒介等对突发公共事件的预见难度。公众对这类事件一般没有事先的 心理准备。在面对突发公共事件时可能产生恐慌情绪。 ( 2 ) 发生频率高。我国目前处在突友公共事件的高发期，且在未来很长的 一段时间内，都将面临突发公共事件所带来的严峻考验。我国是世界上遭受自 然灾害影响最严重的国家之一，灾害种类多、发生频度高。我国有7 0 0 , 毗上的 大城市分布在气象，海洋等灾害严重的沿海及东部地区，而这些地区是我国经 济较为发达的地方。近的如2 0 0 6 年重庆太早，日最高温度超过4 0 摄氏度且 连续多日，直接造成当地农作物损失严重，甚至连饮水都发生困难。远的如1 9 9 8 年的洪水，淹没了无数农田村庄带来了巨大的经济损失。 随着经济的高速发展和人口的迅速增长，大部分城市人口高度集聚和建筑 图1l1 9 9 8 年洪水来袭许多楼房倒塌 物的高层化趋势同渐加剧。由于城市作为社会中心为人们提供了便利的公共设 施和良好的生活环境，城市中聚集的人口数量及人口密度迅速增加，不同规模 第一章绪论 的社区、车站、机场、码头、地铁等许许多多人口稠密的公共场所已经和我们 的生活紧密联系在一起；现代城市建筑向高层建筑、地下建筑、大空间建筑发 展；而城市中大量使用易燃、易爆、有毒、有害、放射性物质；另外，城市中 恐怖分子、暴力主义者故意制造极端事件，如恐怖爆炸、纵火、毒气施放等， 制造社会动荡，种种迹象显示，恐怖行动正在逐渐升级。这些趋势一方面增加 了诱发灾害的可能性；另一方面，也增加了因节假日或体育赛事、娱乐活动等 原因而造成的人为事故发生的可能性。 ( 3 ) 损失严重。以我国为例，每年因突发公共事件造成的损失惊人。2 0 0 3 年，全国因生产事故损失约2 5 0 0 亿，各种自然灾害损失约1 5 0 0 亿，交通事故 损失约2 0 0 0 亿，卫生和传染病突发事件的损失5 0 0 亿元，以上共计6 5 0 0 亿元， 损失相当于当年全国g d p 的6 。2 0 0 4 年，全国各类突发事件5 6 1 万起，造成 2 1 万人死亡、1 7 5 万人受伤。全年自然灾害、事故灾难和社会安全事件造成的 直接经济损失超过4 5 5 0 亿元。2 0 0 5 年各类突发公共事件5 4 0 万起，死亡人数大 约2 0 万人，直接经济损失约3 2 5 3 亿元。虽然突发公共事件造成的损失已经呈 逐年下降的趋势，但是严峻的现实情况还是不容人们乐观【2 】。 再来看看1 9 9 0 年至今全球大规模停电事件造成的影响： 1 9 9 0 年4 月2 5 日，由沙尘暴引起的停电在埃及首都开罗及主要城市造成了 严重混乱。 1 9 9 3 年工1 月5 日，连续六个月的干旱少雨使水电设施难以正常运转，希腊 首都雅典及周围地区当天经历了几个小时的全面停电，4 0 0 多万人生活受到影 响。 1 9 9 4 年8 月2 4 日，整个意大利南部停电，1 8 0 0 多万居民在漆黑中度过了 数小时。 1 9 9 6 年7 月2 日，爱达荷州输电线路发生的故障使美国西部1 5 个州和加拿 大及墨西哥的部分地区断电，大约2 0 0 万人的工作生活受到影响。 1 9 9 6 年8 月1 0 日，美国西部9 个州发生断电事故，致使这一地区的空中和 地面交通陷入混乱，许多工厂被迫停产，数百万人的正常生活受到严重影响。 1 9 9 8 年1 月，美国东部气候反常，许多输电线因结冰而折断，导致大面积 断电。事故给缅因州中部1 9 万人、纽约州北部1 0 万人以及新罕布什尔州2 万 人的生活带来不便。 1 9 9 8 年1 月，菲律宾吕宋岛大停电，3 5 0 0 多万人受影响，约占菲律宾人口 3 第一章绪论 的一半。 1 9 9 8 年1 月，由于冰雨使电线冻结折断，加拿大东部3 0 0 多万人在超过一 星期的时间了失去了电力供应。 1 9 9 9 年1 2 月2 6 日，约3 6 0 万个法国家庭由于暴风雨而遭遇停电数日。 2 0 0 1 年1 月2 日，由于电站发生故障，印度北部约2 0 0 多万居民失去电力 供应。 2 0 0 2 年5 月，菲律宾吕宋岛再次发生大范围停电，4 0 0 0 多万人受影响。 2 0 0 3 年2 月3 日，阿尔及利亚主要电站故障导致全国停电数小时。 2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国东部时间下午4 时2 0 分，以纽约为中心的美国东 北部和加拿大部分地区发生大面积停电事故【3 1 。 ( 4 ) 社会冲击巨大。突发公共事件往往不仅仅对事件主体本身有巨大的影 响，也对社会和环境产生非常严重的不良后果。通常突发公共事件引发的后果 具有多米诺效应，一个环节出了问题，导致众人不想见到的后果依次出现。比 如，大雨倾盘导致交通中断，交通中断导致运输中断，运输中断导致物资中断， 物资中断导致物资短缺，物资短缺导致物价上涨等等依次下去。随着经济发展、 城市化水平提高和科技进步，城市人口不断增加，城市规模不断扩大，社会财 富大量集中于城市，所以发生突发公共事件时，往往伴随着严重的人员伤亡和 财产损失，尤其是当大型服务设施或工业生产发生突发公共事件时，事故后果 就更加严重。 公共突发事件造成的影响并不仅仅止于人员伤亡、经济损失，还会给民众 带来巨大的心理伤害。比如，地震发生之后，公众的心理会遭受巨大的冲击， 事故阴影会存在很长时间。 1 1 3 应急管理主要研究内容 针对突发公共事件的巨大危害性， 力来研究突发公共事件应急管理工作， 来的损失。 各国政府投入了大量的人力、物力、财 目的就是尽可能的减少突发公共事件带 目前国内外为针对突发公共事件应急管理的研究内容主要包括如下几个方 面：l 、预案编制，2 、人员疏散，3 、资源管理，4 、决策支持，5 、教育培训等 几个方面吲。 4 第一章绪论 其中，资源管理研究又分为资源调度和资源配置这两部分，它在应急管理 中占据着重要的位置。应急资源配置研究在实际中有很重要的意义。 1 1 4 应急资源优化配置研究意义 突发公共事件应急资源的配置是一个非常复杂、相互联系的过程。如果平 时没有准备，一旦发生事故，就会发生救灾主体措手不及，忙而无序，仓促应 对的局面。 1 9 7 6 年唐山这个不设防的城市遭遇了强地震带来的灭项之灾。突如其来的 灾难给这座城市在应急方面造成了被动。虽然当晚就有了指挥部，但是面对巨 大的灾难，党政领导人和将军们完全没有应急的经验。所以当时的资源配置局 面是“仓促、混乱、火烧火燎 。即使像日本这样在突发事件管理上比较先进的 国家，在1 9 9 5 年阪神大地震中也出现了该地区抗震设施滞后于城市建设、震后 救灾估计不足、行动迟缓、协调性差等致命的问题【5 】。 与此相反的是，2 0 0 1 年发生在美国的9 1 1 事件使美国人经历了前所未有的 巨大压力。灾难是空前的，其调配的资源力量不论是数量、质量还是类型都是 前所未有的。尽管在事后反思时还是发现了很多问题，但是美国人在紧急应对 中对各种社会资源的调配及救援效率却给我们上了一堂生动的示范课。这一次 应急救援中，美国相对完善的减灾体制、良好的指挥系统和相对完备的救援力 量直接促成了紧急状态下各种社会资源的高效配置 6 1 。 通过上述几个例子，很明显可以知道一个城市只有拥有完善的应急管理体 制才能更好的应对突发事件。随着社会的发展和生活水平的提高，人们对如何 有效减缓公共突发事件的损失和后果给与了很大的关注。许多研究人员认为应 急资源的配置情况在应急管理活动中具有重要作用，并针对如何优化资源配置 问题展开了许多研究。 应急资源优化配置研究的意义： ( 1 ) 可以增强所编制应急预案的合理性和实用性； ( 2 ) 为应急决策者提供资源分配决策支持，尽可能减缓突发公共事件带来 的损失； ( 3 ) 减少突发公共事件的社会影响和经济影响，利于社会和谐发展。 5 第一章绪论 第二节应急资源配置国内外研究综述 国内外一些专家学者都针对应急资源配置问题进行了不同侧重点的研究， 目前尚处在探索阶段。 1 2 1 国内研究现状 国内针对应急资源的研究还不是很多，主要是集中在应急出救点数量的研 究上，而且都是比较广义的研究。 刘春林分别从出救点和路径选择两个方面研究了应急管理中的应急资源配 置问题，建立了此类问题的广义模型，并给出了在多种条件下最优方案的求解 算法。该文力图建立一个广义的资源配置模型，在突发事件的处理中考虑了资 源的重要性，但是文章仅仅考虑了时间，没有考虑到资源和需求的匹配问题， 同时没有考虑到多个灾害在不同地点同时发生的情况【7 】。 高淑萍等人以应急时间最短为前提，建立了使出救点数最少的二层优化数 学模型，并给出了求解算法。她是基于刘春林提出的应急物资连续消耗的前提 进行的研科引。 以上研究都还是停留在静态模型的基础上，实际中常常由于信息不充分， 资源的配置往往非常的不充分，造成应急管理中资源不到位，仓促混乱等等情 况的发生。 针对上述需要，池宏等认为，应急管理在某时刻后的后续任务是随所完成子 任务的效果和所处环境的状态变化而变化，而这种变化过程是应对阶段结果和 发展趋势的一个博弈过程。由于应急资源预先并不是针对某一类突发事件有序 存放的，因此需要预先针对各种类型的突发事件建立虚拟的管理体制、结构与预 案，以保证突发事件出现后其它资源的有效配置和措施的实施。由于管理内容的 动态变化，使得我们在某一阶段进行资源优化配置时既要考虑已确定项目的资 源优化配置，又要考虑下阶段的资源再分配例。 w a n gs u s h e n g 等人根据大规模突发公共事件应急反应的特点，给出了可以 解决多场所灾害或多资源供应商的情况下资源冲突的问题的最优化应急配置的 优化算法，该算法主要是从局部最优解中按照既定参数进行不断调整来获得最 优资源分配方案【l o j 。 6 第一章绪论 1 2 2 国外研究现状 国外针对应急资源配置的焦点主要集中在自然灾害方面，较之国内就显得 比较具体，而且研究方式都属于给出一个模型，然后求解最优分配方案这种模 式。 g b a r b a r o s o g l u 等人撰文讨论了地震救灾物资运输计划编制中的两阶段随机 规划框架。文章认为，当出现地震信号时，防灾救灾物资的运输可以分为两个 阶段，首先是根据最先得到的地震信息，判断地震的震级，根据不同震级出 现的可能性，建立了一个不同生活资源、通过不同的运输方式经过运输网络运 送到灾区的模型，目标是使运输费用和不同运输方式之间的转换货物量最小。 第二个阶段，在第一个阶段的基础上，判断可能产生的损失大小，然后根据不 同结果发生的可能性，建立第二个随机规划模型，目标是使总费用最小，运输 模式转换成本和在第二阶段中持有量和短缺导致的损失最小【1 1 1 。 德国的e f i e d r i c h 等人把地震后的区域分为搜救区域，稳定区域和立即恢复 区域，综合考虑了时间，伤员等级分类等因素，把地震后搜救阶段分成不同的 阶段，通过考虑二次灾害引起的死亡人数，搜救阶段的死亡人数，因为搜救能 力不够而导致的死亡人数等等，并且表示成数学等式，最后建立一个以地震造 成的死亡人数为目标函数，资源的限制作为约束条件的地震后资源优化分配模 型。该文章考虑的是物资资源的优化配置。作者通过c + + 结合了模拟退火法和 禁忌搜索法来求解模型的解【1 2 1 。 s a 嘶a yj a i n 等人认为在紧急事件发生之前，城市的第一反应者就应该接受专 门的模拟训练，事故发生后这些人第一批到达现场，肩负着向指挥中心反馈现 场信息的重大任务，指挥中心在接到现场的信息之后，立即提出现场周围的地 理资料，同时对突发事件进行后果模拟预测，模拟可能的灾害后果，然后再结 合现场情况指导反应者进行应急救援活动，进行现场的资源配置。文章同时也 谈到要在紧急情况下全部采用专家对事件的不同方面进行模拟是高投入的事 情，同时在有输出结果后还有进行数据的转移和协调一致，这个过程耗费时间 比较长【1 3 l 。 e f i o r u c c i 等人给出了一个自然灾害管理时的最优资源分配。他们认为在自 然灾害事件发生时，资源是一个连续变量，范围内的服务需求是集中型的服务 需求。该文章在一个有向图的基础上，引入一系列的虚拟服务需求节点，给出 7 第一章绪论 了一个动态模型。模型的目标函数主要考虑以下三部分的问题：个是和评估 破坏相关的部分，一个是对图中节点资源分配不足的相关部分，第三是资源在 不同节点之间相互转移的成本。同时给出了一系列的约束条件。文章作者认为， 自然灾害的管理是两个不同的动力学描述：一个是对事件物理过程的描述，一 个是对资源的干涉。文章最后举了一个森林火灾应急管理的例子，论证了采用 该方法进行资源配置的优越性【1 4 j 【1 5 j 。 第三节本文研究内容 通常认为应急资源包括物资资源，人力资源和智力资源。本论文主要研究 应急物资资源配置这一部分，在国内外的研究文献中，“物资资源通常直接称 为资源，为简洁起见，本文采用“应急物资”表示应急物资资源。 常见的应急物资分类如下表1 1 ： 表1 1 应急物资分类表【1 6 】 分类具体类别 常见物资 第一类防护用品防护服，潜水服( 衣) ，防爆服，盔甲等 第二类生命救助止血绷带，救捞船，减压舱，氧气机等 第三类 生命支持便携呼吸机，输液设备，高压氧舱等 第四类救援运载救护车，医疗救生船，救生飞机等 第五类 临时食宿 炊事车，供水车，简易厕所，罐头等 第六类污染清理消毒车，垃圾箱，消毒杀菌药品等 第七类动力燃料发电车，防爆防水电缆，干电池等 第八类工程设备推土机，抽水机，通风机，电焊机等 第九类器材工具千斤顶，灭火器，水，绳索，信号弹等 第十类照明设备探照灯，应急灯，防水灯，矿灯等 第十一类通讯广播海事卫星电话，广播车，移动电话等 第十二类交通运输钢梁桥，沙漠车，气垫船，沼泽水橇等 第十三类工程材料帆布，钢丝，麻袋( 编织袋) 水泥等 由于应急物资数量和种类繁多，本文在进行应急物资研究时，为了便于研 究的开展都考虑单种物资的配置情况。 8 第一章绪论 本论文主要研究内容包括两大部分，详细情况如下： 第一部分主要进行应急准备阶段应急物资优化配置。首先介绍了一些常见 的事故后果模拟模型和软件方法，认为通过这些事故后果模型可以便于计算突 发公共事件潜在的损失值，然后在一定量应急物资的前提下，结合应急物资所 能发挥的作用，引入运筹学中的动态规划法，建立了一个以整体损失值最小为 目标函数的数学模型，并给出了模型的算法和求解程序。 第二部分是在突发公共事件发生后，即应急响应阶段，结合现场情况进行 应急物资配置研究。主要给出两种方法，一是结合应急预案中原有的应急物资 配置方案和应急现场反馈回来的情况，采用群体决策法进行应急物资配置；二 是对一些事故发生范围和后果难以确定且应急预案中很难提供详细物资配置方 案的突发事件，如森林火灾，地震，先根据现场信息运用事故模拟软件或模型 对事故进行多阶段后果模拟，以此得出每个阶段的应急物资需求量，在保证资 源供应点能保证灾害现场的连续消耗的情况下，得出一个目标函数为损失值最 小的模型。 本论文框架分五个章节，如下： 第一章前言，主要包括论文研究背景、意义；国内外研究现状；本论文的 研究方向和内容。 第二章突发公共事件应急准备阶段的应急物资优化配置，先介绍相关的事 故后果模型和软件，然后基于得出的事故后果情况和应急物资数量，同时结合 动态规划法，给出一个应急物资优化配置模型，最后给出了模型求解的算法和 求解程序。 第三章主要给出两种方法进行物资配置，一是结合应急预案中的应急物资 方案和现场反馈信息，得出新的物资配置方案后，提出七步群体决策法来解决 事故发生后应急物资配置决策难题；二是对一些事故发生范围和后果难以确定 且应急预案中很难提供详细物资配置方案的突发事件，把应急过程分成多个阶 段，在保证事故现场资源连续消耗的前提下，给出一个目标函数为损失值最小 的模型。 第四章是给出了两个案例，针对第二章和第三章中提及的方法进行了应用， 并且根据应急准备阶段的应急物资优化配置模型的算法，用t c l 对算法进行了 编程，给出了相应软件的界面，便于分配方案的得出。 第五章结论和展望，对整篇论文的主要内容和创新点进行总结，并提出该 9 第一章绪论 研究方向需要进一步开展研究的方面。 1 0 第二章应急准备阶段应急物资优化配置 第二章应急准备阶段应急物资优化配置 应急预案又称应急计划，是针对可能的重大事故( 件) 或灾害，为保证迅 速、有序、有效地开展应急与救援行动、降低事故损失而预先制定的有关计划 或方案。它是在辨识和评估潜在的重大危险、事故类型、发生的可能性及发生 过程、事故后果及影响严重程度的基础上，对应急机构职责、人员、技术、装 备、设施( 备) 、物资、救援行动及其指挥与协调等方面预先做出的具体安排。 应急预案明确了在突发公共事件发生之前、发生过程中以及刚刚结束之后，谁 负责做什么，何时做，以及相应的策略和资源准备等。 在应急准备阶段对应急物资的优化配置，实际上是针对可能发生的突发公 共事件制定应急物资分配方案。通过对危险区域进行危险源辨识和风险分析可 以知道相关区域易发的事故类型，然后通过相关事故后果模型和软件，可以得 出相关事故的损失值。这样就为应急准备阶段制定出合理的应急物资配置方案 打下了坚实的基础。 在制定应急预案过程中，除了要针对目标区域进行事故后果评价之外，还 要注意到很多时候由于存储费用，场地等限制因素的影响，应急物资的数量不 可能是无限的放大。因此，某个应急物资储存点的物资数量是有限的。如何更 好的利用已有物资为应急救援做出最大化的贡献是许多研究人员关注的问题。 本章主要讨论在已知相关危险区域事故类型的基础上，借助于相关的事故 后果模型和软件，计算事故可能的损失值，根据一定的应急物资，借助于动态 规划法，然后给出了一个应急物资的优化配置模型，最后给出了模型求解的算法 和程序。 2 1 1 常见事故模型 第一节事件后果模型和软件 常见事故模型包括火灾、爆炸、毒物泄露三大方面。毒物泄露模型包括气 体泄漏量计算模型和液体泄露量计算模型，重气扩散模型和中性气体扩散模型， 第二章应急准备阶段应急物资优化配置 有毒液化气体泄露毒害区估算模型等等。火灾爆炸模型包括池火灾，闪火模型， 沸腾液体扩展蒸气爆炸( b l e v e s ) 和蒸气云爆炸模型等等。 2 1 2 常见事故后果模型软件 常见事故后果模型软件是把常见事故后果模型通过计算机手段快速直观的 计算出事故后果和影响区域。国外常见的事故后果模拟软件有s a f e t i ( s o f l w a r e f o ra s s e s s m e n to ff l a m m a b l e ，e x p l o s i v et o x i ci m p a c t ) ，s a f e m o d e ( s a f e t y a s s e s s m e n tf o re f f e c t i v em a n a g e m e n to fd a n g e r o u se v e n t s ) ，r i s k c u r v e s 和 e f f e c t s 等等【1 7 1 8 】。下表是几种常见事故后果模型软件的比较。 表2 1 几种常见事故后果模型软件 软件名称 内含事故后果模型软件功能 ( 1 ) 火球或沸腾液体扩展蒸气爆炸事故；( 2 ) 易 燃物质瞬时受压火灾事故；( 3 ) 易燃物质连续受压可以比较真实地 火灾事故；( 4 ) 易燃物质“冷藏”泄漏事故：( 5 )反映事故现场的 s a f e t i 池火；( 6 ) 有毒物质瞬时受压泄漏事故；( 7 ) 有毒 破坏情况，计算 物质连续受压泄漏事故；( 8 ) 重气扩散模型；( 9 )事故的影响程度 中性气体扩散模型；( 1 0 ) 自由湍流喷射模型；( 1 1 )和范围。 物质蒸发模型。 ( 1 ) 化学物质泄漏模型；泄漏率；( 2 ) 急骤蒸发 计算；( 3 ) 两相射流特性及扩散；( 4 ) 扩散模型； ( 5 ) 空气中中性蒸气扩散；( 6 ) 重气扩散；( 7 ) 定量风险评价 s a f e m o d e 火灾模型；( 8 ) 池火热辐射效应模型；( 9 ) 以t n t 当量为基础的爆炸模型；( 1 0 ) 蒸气云爆炸；( 1 1 ) 储罐爆炸；( 1 2 ) 超压效应。 ( 1 ) 社会风险和个人风险曲线；( 2 ) 可任意选择要适用于工业定 事故场景；( 3 ) 工厂附件受事故影响的人数计算模量危险分析，可 r i s k c u r v e s 型。以评价工厂附近 的危险性。 1 2 第二章应急准备阶段应急物资优化配置 续表 软件名称 内含事故后果模型软件功能 ( 1 ) 气体、蒸气或液体容器中泄漏模型；( 2 ) 湍具有危险评价和 性自由射流模型；( 3 ) 沸腾液体和非沸腾液体的蒸建模功能。 e f f e c t s 发；( 4 ) 天然气扩散；( 5 ) 池火和火球或沸腾液体 扩展蒸气爆炸的热辐射；( 6 ) 蒸气云爆炸。 第二节应急物资优化配置方法 2 2 1 应急物资优化配置的前提 在应急准备阶段，利用事故后果模型和软件对相关危险区域进行事故后果 模拟，可以知道危险区域在发生事故的情况下大概的影响范围和伤亡人数。通 常情况下，由于受到物资存储场所，地点和储存条件以及成本等多方面的限制， 应急物资的数量是受到一定限制的，也就是说，本章讨论的前提是应急准备阶 段，危险区域周边的应急物资数量是一定的。 要使有限的应急物资在应急反应时能够要发挥合理的效用，应急管理过程 有序进行，在应急准备阶段就需要对应急物资进行合理优化的配置，给出合理 的应急物资分配方案，为应急反应做好充分的准备。 2 2 2 应急物资优化配置方法的选取 突发公共事件通常会导致大规模的损失和破坏，所以在应急准备阶段要充分 考虑到可能的多个灾害点。也就是说，在进行应急物资配置的时候，需要整体 考虑多个灾害点的情况进行配置。这样，应急物资优化配置问题就可以看成是 一个多阶段决策问题。 首先要知道什么是多阶段决策问题。如果一类活动过程可以分为若干个互 相联系的阶段，在每一个阶段都需作出决策( 采取措施) ，一个阶段的决策确定以 后，常常影响到下一个阶段的决策，从而就完全确定了一个过程的活动路线， 则称它为多阶段决策问题。 多阶段决策过程最优化的目标是要达到整个活动过程的总体效果最优。由 1 3 第二章应急准备阶段应急物资优化配置 于各段决策间有机地联系着，本阶段决策的执行将影响到下一阶段的决策，以 至于影响总体效果，所以决策者在每阶段时不应仅考虑本阶段最优，还应该考 虑对最终目标的影响，从而做出对全局来讲是最优的决策。而应急物资优化配 置目标就是追求让应急物资发挥整体最佳效用。 而动态规划( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 是求解多阶段决策过程最优化的一种数 学方法，所以本章采用动态规划法来解决应急准备阶段的应急物资优化配置问 题。 2 2 3 动态规划法简介 2 0 世纪5 0 年代初美国数学家r e b e l l m a n 等人在研究多阶段决策过程 ( m u l t i s t e pd e c i s i o np r o e e s s ) 的优化问题时，提出了著名的最优化原理( p r i n c i p l e o f o p t i m a l i t y ) ，把多阶段过程转化为一系列单阶段问题，逐个求解，创立了解决 这类过程优化问题的新方法动态规划。1 9 5 7 年出版了他的名著d y n a m i c p r o g r a m m i n g ，这是该领域的第一本著作。 动态规划问世以来，在经济管理、生产调度、工程技术和最优控制等方面 得到了广泛的应用。例如最短路线、库存管理、资源分配、设备更新、排序、 装载等问题，用动态规划方法比用其它方法求解更为方便。虽然动态规划主要 用于求解以时间划分阶段的动态过程的优化问题，但是一些与时间无关的静态 规划( 如线性规划、非线性规划) ，只要人为地引进时间因素，把它视为多阶段 决策过程，也可以用动态规划方法方便地求解。 由上述可知，动态规划方法与时间关系密切，随着时间过程的发展而决定 各时段的决策，产生一个决策序列，这就是“动态 的意思。然而它也可以处 理与时间无关的静态问题，只要在问题中人为地引入“时段 因素，将问题看 成多阶段的决策过程即可。 2 2 3 1 基本概念 使用动态规划方法解决多阶段决策问题，首先要将实际问题写成动态规划 模型，此时要用到以下概念： 阶段是对整个过程的自然划分。通常根据时间顺序或空间特征来划分阶段， 以便按阶段的次序解优化问题，常用字母k 表示阶段变量。 状态表示各个阶段开始时过程所处的自然状况。动态规划中的状态具有如 】4 第二苹应急准备阶段应急物资优化配置 下性质：它应该能够描述过程的特征并且具有无后向性，即当某阶段的状态给 定时，这个阶段以后过程的演变与该阶段以前各阶段的状态无关，也就是说， 当前状态都是过去历史的一个完整总结，过程的过去历史只能通过当前状态去 影响它未来的发展，这称之为无后效性。如果所选定的变量不具备无后效性， 就不能作为状态变量来构造动态规划模型。通常还要求状态是直接或间接可以 观测的。描述状态的变量称状态变量。变量允许取值的范围称允许状态集合。 用j 。表示第k 阶段的状态变量，它可以是一个数或一个向量。 当一个阶段的状态确定后，可以做出各种选择从而演变到下一阶段的某个 状态，这种选择手段称为决策，在最优控制问题中也称为控制。描述决策的变 量称决策变量。变量允许取值的范围称允许决策集合。用仉( s 。) 表示第k 阶段处 于状态时的决策变量，它是的函数，用( 靠) 表示了的允许决策集合。 策略，决策组成的序列称为策略。各个阶段决策决定之后，整个问题的决 策序列就构成一个策略，用p 。函。( s 。) ， ：( s ：) ，“。( s 。) ) 表示。对每个实际问题， 可供选择的策略有一定的范围，称为允许策略集合，记作p ，。，使整个问题达到 最优效果的策略就是最优策略。 动态规划中本阶段的状态往往是上一阶段状态和上一阶段的决策结果。如 果给定了第k 段的状态s 七，本阶段决策为巩( ) ，则第k + 1 段的状态+ 。也就完 全确定，它们的关系可用如下公式表示： + 1 = 疋( & ，) ( 2 1 ) 由于它表示了由k 阶段到七+ l 阶段的状态转移规律，所以称之为状态转移方 程。 由于衡量所选定策略优劣的数量指标称为指标函数。一个疗段决策过程，从 1 n n 叫做问题的原过程，对于任意一个给定的k ( 1 k 刀) ，从第k 段到第n 段 的过程称为原过程的一个后部子过程。巧，。( 墨，p 。) 表示初始状态为s 。采用策略 p 。，。时原过程的指标函数值，而圪，。( ，p 。一) 表示在第k 阶段，状态为采用策 略为p 。时，后部子过程的指标函数值。最优指标函数记为以( & ) ，它表示从第 k 段状态& 采用最优策略p 七，到过程终止时的最佳效益值。五( 吼) 与 圪，。( & ，仇m ) 之间的关系为： 五( & ) = 圪，。( ，p 幼) = o p t ( s t ，p k , n ) ( 2 2 ) 式中印f 表示最优化，根据具体问题分为r 矗放或者m i n 。 将多阶段决策过程划分阶段，恰当地选取状态变量、决策变量及定义最优 1 5 第二章应急准备阶段应急物资优化配置 指标函数，从而把问题看成是同一族类型的子问题，然后逐个求解。 求解时要从边界条件开始，逆或顺过程行进方向，逐段递推寻优。在每个 子问题求解时，都要使用它前面已求出的子问题的最优结果，最后一个子问题 的最优解，就是整个问题的最优解。 动态规划法是既把当前一段与未来各段分开，又把当前效益和未来效益结 合在一起的一种最优化方法，因此每段的最优决策选取是从全局考虑的，与该 段的最优选择一般是不同的。 动态规划的基本方程是递推逐段求解的根据，一般的动态规划方程可以表 示为： i 无( s ) = o p t 【v t ( s t ，u t ) + 以+ 1 ( g k + 1 ) 】七= 7 , 刀一1 ，1 1哦陬氏( ：0 ( 2 3 ) 【 + l ( s 川) = l = z jj 式中v a s 。，u i ) 为状态为，决策为u k ( s t ) 时对应的第k 阶段的指标函数值【1 9 】。 第三节动态规划法在应急物资配置中的应用 2 3 1 建立动态规划模型要点 建立动态规划的模型，就是分析问题并建立问题的动态规划基本方程。成 功地应用动态规划方法的关键，在于识别问题的多阶段持征，将问题分解成为 可用递推关系式联系起来的若干子问题，或者说正确地建立具体问题的基本方 程，这需要经验与技巧。而正确建立基本递推关系方程的关键又在于正确选择 状态变量，保证各阶段的状态变量具有递推的状态转移关系+ ，= 瓦( ，u 。) 。 一般地，建立动态规划模型的要点为： 1 分析题意，识别问题的多阶段特性，按时间或空间的先后顺序适当地划 分为满足递推关系的若干阶段，对非时序的静态问题要人为地赋予“时段概 念。 2 正确地选择状态变量，使其具备两个必要待征： ( 1 ) 可知性：即过程演变的各阶段状态变量的取值，能直接或间接地确定； ( 2 ) 能够确切地描述过程的演变且满足无后效性。即由第k 阶段的状态8 。出 1 6 第二章应急准备阶段应急物资优化配置 发的后部子过程，可以看作是一个以j 。为初始状态的独立过程。这一点并不是 每个问题都很容易满足的，例如，著名的“货郎担问题，有个城镇，要求一 个售货员从某城出发，到各个城镇去售货，每个城镇去且仅去一次，最后回到 原来的出发城镇，求最短路线。这个问题如果像处理最短路径问题一样，把城 镇位置作为状态变量，显然不满足无后效性，而需要把包含该城镇在内及以前 走过的全部城镇的集合定义为状态，才能实现无后效性。 3 根据状态变量与决策变量的含义，正确写出状态转移方程“= 瓦( ，) 或者转移规则。 4 根据题意明确指标函数圪j ，最优指标函数 ( ) 以及七阶段指标 v , ( s k ，) 的含义，并正确列出最优指标函数的递推关系及边界条件( 即基本方 程) 。 上面指出的是建立动态规划模型的一般步骤，有些问题则由于具体情况不 同，不可能或没有必要这样建模，关键是要灵活地运用最优化原理【2 0 】。 2 3 2 模型的相关前提和条件 要用动态规划法来解决应急物资优化配置的问题，首先就要正确认识物资 优化配置的过程本质。通常情况下，如果发生一些小的突发事件，只需要配置 小部分的物资就可以解决问题。如果同时发生了多起突发事件，或者发生了一 起特别重大突发事件的时候，这时候如果没有应急预案的支持，决策者可能束 手无策。应急预案中涉及的物资优化配置过程是一个复杂的过程，目的是要使 有限的物资要尽可能的发挥最大的作用。 在物资配置过程中，在突发公共事件后果评价的基础上，要采用动态规划 法来解决问题，首要的问题就是“阶段 的划分。正如前文所言，通常根据时 间顺序或者空间特征来划分。在具体的应急预案中，针对的是可能的重大事故 ( 件) 或灾害。本文认为，此时“阶段 可以由多个应急目标点来划分，比如 说同时有a ，b ，c 三个应急点发生突发公共事件，那么就可以认为这是一个三 阶段的物资分配过程；也可以是通过事故是否发生次生灾害来划分阶段，比如 地震发生后到地震后大坝的坍塌就可以作为一个阶段，而大坝坍塌后可以作为 后一个阶段。在实际中，以应急点作为划分“阶段 的依据更显得合理一点。 其次是状态变量的选择。要采用动态规划法，必须要满足两个条件：一是 1 7 第二章应急准备阶段应急物资优化配置 最优化原理；二是要满足无后效性，也就是说当前状态都是过去历史的一个完 整总结，过程的过去历史只能通过当前状态去影响它未来的发展。在应急物资 的分配过程中，如果采用应急点作为状态变量，显然是不能满足无后效性的， 而应该采用包含某应急点在内及之前应急点所用的物资数量集合定义为状态， 才能满足无后效性。 2 3 3 应急物资优化配置模型的建立 基于上述假设，针对事故灾害应急管理的应急物资分配特点，运用动态规 划方法，假设应急物资配置过程涉及个灾害点，也就是说存在个阶段，在 此基础上构造数学模型，对应急物资进行优化配置。在应急过程中调配一定数 量的物资满足应急需求，各参数变量表示如下。 k 为应急阶段( k = - i ，2 ，) ；x k 是动态规划模型中的状态变量，表示到 k 阶段时已经调用的应急物资总量；砧。是模型中的决策变量，表示可供选择的 决策方案；w k 表示k 阶段的应急物资需求量。眈为由1 阶段到k 阶段所有决策 变量的集合。 假定m ，w n 为独立随机变量，由应急点的灾害情况决定。应急过 程已调用物资i x , ，应急物资需求量以及应急决策变量u 。之间关系如图2 1 所示。 “丘一，飞)“n l ( 钒1 ，+ l pd 毒( ) 七j七+ 1 j 砘一砭+ 1 一2 一。 上( 砭，心) 。( 瓴l ，l ，1 ) 上 l 图2 1 基于动态