CN108108857A - 河流突发污染事件应急资源调度寻优方法 - Google Patents

河流突发污染事件应急资源调度寻优方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，该方法以最短应急处置时间为规划目标，设定应急资源运输和应急工程构建时间之和必须小于污染物扩散到应急处置点的时间、多个应急资源仓库综合调度资源数量必须满足处置需求为约束条件；在应急资源出库和装卸时间一定的情况下，根据污染物沿河流扩散的动态过程，运用Dijkstra算法实时计算应急资源配送的最优路径，计算各个仓库所需调度各类资源数量以及资源到达应急处置点所需的时间；最终导出一个策略方案，并根据应急资源到达处置位置及处置污染物需要的作业时间之和与污染物扩散到该点的时间之比，评价应急决策方案的风险大小。

Description

河流突发污染事件应急资源调度寻优方法
技术领域
本发明地理信息系统技术领域、环境科学领域、运筹学领域和应急管理领域，具体涉及一种河流突发污染事件应急资源调度寻优方法。
背景技术
目前应急资源调度方法主要应用于地震、火灾、医疗急救和交通事故等突发事件的应急处置。其应急处置的空间位置是相对固定的，而对于突发河流污染事件的应急决策过程，动态变化因素很多，包括污染物动态扩散过程及相应变化的应急处置空间位置、应急区域路网可达性的动态变化以及应急处置点所需处置物质的变化等，再考虑污染物在扩散过程可能发生的化学反应造成的二次污染及次生灾害，单一静态的应急资源调度方法远远无法满足类似突发河流污染事件的应急决策需求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明采用以下技术方案：
一种河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于应急区域路网图，根据m个应急资源仓库的空间位置构建集合D；根据m个应急资源仓库的应急资源种类构建集合P；根据m个应急资源仓库每种应急资源的数量构建集合SI；基于应急区域河流沿岸的路网覆盖情况，选定n个应急处置点，根据n个应急处置点的空间位置构建集合L；
步骤2：计算集合D到达集合L的时间，构建集合T1；
步骤3：当突发污染事件发生时，根据污染物扩散情况构建污染物到达每一个应急处置点的时间构建集合T2；根据每一个应急处置点处置污染物的应急资源需求种类构建集合PJ；根据每一个应急处置点处置污染物的应急资源需求量构建集合SJ；根据每一个应急处置点处置污染物需要的作业时间构建集合T3；
步骤4A：根据集合T2、集合T3对集合T1进行搜索，获得在污染物到达应急处置点之前能够形成有效应急处置支持的应急资源仓库；
步骤5A：根据步骤4A的结果，调取集合PJ和SJ对集合PI和SI进行搜索，判断应急资源仓库的应急资源种类及其库存量能否完全满足应急处置点的需求。
优选地，还包括步骤6A：根据步骤5A的结果进行决策风险评价。
优选地，步骤2采用Dijkstra算法实时计算集合D中每一元素到达集合L中每一元素的最优时间。
优选地，步骤1具体包括：设d1,d2···,dm为m个应急资源仓库的空间位置，其中第i个应急资源仓库di(i＝1,2,···,m)总共拥有p种应急资源，其中拥有第k种应急资源的数量为Sik(i＝1,2,···,m；k＝1,2,···,p)；l1,l2···ln为n个应急处置点的空间位置；
步骤2具体包括：应急资源从各个应急资源仓库调度到应急处置点的时间为Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)
步骤3具体包括：lj(j＝1,2,···n)对应的污染物到达的时间为Tj(j＝1,2,···,n)；每个应急处置点需要第k种应急资源的需求量为Sjk(j＝1,2,···,n；k＝1,2,···,p)；每个应急处置点处置污染物需要的作业时间为T′j(j＝1,2,…,n)。
在另一优选方案中，步骤3之后的步骤替换为：
步骤4B：将Tj(j＝1,2,…,n)从小到大进行排序并存储到堆栈中；
步骤5B：输入所述堆栈、T′j(j＝1,2,···,n)、Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)、Sik(i＝1,2,···,m；k＝1,2,···,p)和Sjk(j＝1,2,···,n；k＝1,2,···,p)；
步骤6B:所述堆栈中Tj(j＝1,2,···,n)的排序作为第一顺序，Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)的排序作为第二顺序，对每一应急处置点j从Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)最小的应急资源仓库i开始进行调度计算，直至该应急处置点j所需应急资源满足或已遍历全部m个应急资源仓库，之后执行对下一应急处置点的计算，直至遍历全部n个应急处置点。
步骤7B：计算每一应急处置点的每一种所需应急资源得到满足的最长时间与Tj(j＝1,2,···,n)之比，得到应急调度决策风险评估值。
优选地，步骤2还包括计算集合D到达集合L的时间所对应的路径。
优选地，包括以下目标函数：
应急资源调度的总时间最短：
应急资源到达第j个应急处置点的最大时间：
max Tj＝max(Tij)
公式(2)
约束条件函数假设如下，污染物到达应急处置点的时间小于等于应急资源调度的时间和应急处置工程构建时间之和：
Tj≥max T′j+Tj
公式(3)
第j个应急处置点所需第k类应急资源的总量：
第i个应急资源仓库第k类应急资源的总量：
优选地，所述应急调度决策风险评估值的计算公式为：
R＝(Tij+T′j)/Tj 公式(6)。
优选地，所述最优时间通过应急区域路网和实时路况信息计算得到。
本发明及优选方案以最短应急处置时间为规划目标，设定应急资源运输和应急工程构建时间之和必须小于污染物扩散到应急处置点的时间、多个应急资源仓库综合调度资源数量必须满足处置需求为约束条件；在应急资源出库和装卸时间一定的情况下，根据污染物沿河流扩散的动态过程，运用Dijkstra算法实时计算应急资源配送的最优路径，计算各个仓库所需调度各类资源数量以及资源到达应急处置点所需的时间；最终导出一个策略方案，并根据应急资源到达处置位置及处置污染物需要的作业时间之和与污染物扩散到该点的时间之比，评价应急决策方案的风险大小。
本发明及优选方案将突发事件发展的动态性和应急调度方案的整体性纳入整体评估体系，解决了污染扩散动态性、路网拥挤度动态性及不同应急处置点所需处置物质种类和数量的动态性等情景下的决策寻优问题，能够导出各应急处置点的应急资源调度方案，还能够获得应急车辆行驶的路线，为应急决策提供科学依据。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例的总体流程示意图；
图2为本发明实施例1的流程示意图；
图3为本发明实施例2的流程示意图；
图4为本发明实施例2中输出调度方案具体示例示意图；
图5为本发明实施例2中输出运输路线具体示例示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举2个实施例，作详细说明如下：
如图1所示，本发明的2个实施例包括以下设计思路：
获取并输入应急资源仓库的空间位置、应急资源仓库的应急资源清单、应急处置点的空间位置、应急处置点的应急资源需求、污染物扩散情况、处置污染物需要的作业时间的信息，通过本发明2个实施例提供的应急资源调度寻优方法得到所有可行的调度方案，其中，调度方案包括应急资源调度的方案、应急资源仓库的选择方案和从应急资源仓库运输到应急处置点的运输路线方案，并提供上述方案对应的决策风险评价，而决策风险评价用于筛选出最佳的调度方案。
如图2所示，本发明的第1个实施例的要旨在于，筛选出能够在污染物到达之前即完成应急资源调度和布置的方案，其实施步骤包括：
步骤1：基于应急区域路网图，根据m个应急资源仓库的空间位置构建集合D；根据m个应急资源仓库的应急资源种类构建集合P；根据m个应急资源仓库每种应急资源的数量构建集合SI；基于应急区域河流沿岸的路网覆盖情况，选定n个应急处置点，根据n个应急处置点的空间位置构建集合L；
步骤2：计算集合D到达集合L的时间，构建集合T1；
步骤3：当突发污染事件发生时，根据污染物扩散情况构建污染物到达每一个应急处置点的时间构建集合T2；根据每一个应急处置点处置污染物的应急资源需求量构建集合SJ；根据每一个应急处置点处置污染物需要的作业时间构建集合T3；
步骤4A：根据集合T2、集合T3对集合T1进行搜索(判断要旨在于T1与T3中对应元素的和是否小于等于T2)，获得在污染物到达应急处置点之前能够形成有效应急处置支持的应急资源仓库；
步骤5A：根据步骤4A的结果，调取集合PJ和SJ对集合PI和SI进行搜索(判断要旨在于建立符合条件的T1对应的一个或多个应急资源仓库与应急处置点对应的集合，并判断全部一个或多个应急资源仓库的应急资源的和是否大于等于应急处置点处置污染物的应急资源需求量)，判断应急资源仓库的应急资源能否完全处置应急处置点的污染物；
步骤6A：根据步骤5A的结果进行决策风险评价(该决策风险评价可参照本发明实施例2中使用的评价方案)。
其中，步骤2采用Dijkstra算法实时计算集合D中每一元素到达集合L中每一元素的最优时间，以及将最优时间关联所对应的路径。
最优时间通过应急区域路网和实时路况信息计算得到，而实时路况信息可通过包括不限于从实时路况信息数据服务供应商处获得的方式。
并建立如下集合与元素的对应关系：
步骤1具体包括：设d1,d2···,dm为m个应急资源仓库的空间位置(集合D)，其中第i个应急资源仓库di(i＝1,2,···,m)总共拥有p种应急资源(集合P)，其中拥有第k种应急资源的数量为Sik(i＝1,2,···,m；k＝1,2,···,p)；l1,l2···ln为n个应急处置点的空间位置(集合SI)；
步骤2具体包括：应急资源从各个应急资源仓库调度到应急处置点的时间为Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)(集合T1)
步骤3具体包括：lj(j＝1,2,···n)对应的污染物到达的时间为Tj(j＝1,2,···,n)；每个应急处置点需要第k种应急资源的需求量为Sjk(j＝1,2,···,n；k＝1,2,···,p)；每个应急处置点处置污染物需要的作业时间为T′j(j＝1,2,···,n)。
如图3所示，本发明的第2个实施例的要旨相对于第1个实施例在于，在寻优的过程中暂不考虑能否满足时间和物资需求两个判决条件，而是根据一定的顺序执行遍历运算，该方案相对于第1个实施例，虽然从计算量的角度来说有所增加，但更加符合机器语言的表述和执行习惯，且因能够完整输出全部要素的对应关系图表和进行完整的，故为优选方案；
相对于本发明第1个实施例，本发明的第2个实施例的区别在于，步骤3之后的步骤替换为：
步骤4B：将Tj(j＝1,2,···,n)从小到大进行排序并存储到堆栈中；
步骤5B：输入堆栈、T′j(j＝1,2,···,n)、Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)、Sik(i＝1,2,···,m；k＝1,2,···,p)和Sjk(j＝1,2,···,n；k＝1,2,···,p)；
步骤6B:堆栈中Tj(j＝1,2,···,n)的排序作为第一顺序，Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)的排序作为第二顺序，对每一应急处置点j从Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)最小的应急资源仓库i开始进行调度计算，直至该应急处置点j所需应急资源满足或已遍历全部m个应急资源仓库，之后执行对下一应急处置点的计算，直至遍历全部n个应急处置点。
步骤7B：计算应急资源到达处置位置及处置污染物需要的作业时间之和与污染物扩散到该点的时间之比，评价应急决策方案的风险大小。
风险取值范围为[0,1]，风险定性分级方法如下，R∈[1.0，0.8)为高、[0.8，0.6)为较高、[0.6，0.4)为中、[0.4，0.2)为较低、[0.2,0.0]为低。
遍历全部m个应急资源仓库均无法满足资源需求，或决策风险评估值大于1的情况下，则表明为对应方案为不可选方案。
按照本发明2个实施例所述步骤进行应急资源调度，可以实现将有限的应急资源调度到最需要的应急处置点，并导出应急资源调度方案和应急车辆行驶路线，同时对应急资源调度过程进行决策风险评估。
本发明2个实施例中，还包括以下目标函数：
应急资源调度的总时间最短：
应急资源到达第j个应急处置点的最大时间：
max Tj＝max(Tij)
公式(2)
约束条件函数假设如下，污染物到达应急处置点的时间小于等于应急资源调度的时间和应急处置工程构建时间之和：
Tj≥max T′j+Tj
公式(3)
第j个应急处置点所需第k类应急资源的总量：
第i个应急资源仓库第k类应急资源的总量：
应急调度决策风险评估值的计算公式为：
R＝(Tij+T′j)/Tj 公式(6)。
如图4、图5所示，利用本发明实施例2所述的方法，以河流六价铬突发污染作为实施案例。设置A、B、C、D、E五个应急资源仓库，所存储的应急资源种类及数量如表1所示，选取a、b、c三个适合作为应急处置空间位置，所需的应急资源种类及数量如表2所示。在理想的情况下，假设应急资源出库和装卸时间和构建应急处置工程所需的时间之和(即作业时间T′j(j＝1,2,···,n))为30分钟。
表1应急资源仓库应急资源种类及数量
表2应急处置空间位置所需应急资源种类及数量
如图3所示，根据di(i＝1,2,3,4,5)(A、B、C、D、E)、lj(j＝1,2,3)(a、b、c)及应急区域路网等数据，运用Dijkstra算法获得di(i＝1,2,3,4,5)到lj(j＝1,2,3)所需的时间；根据污染扩散过程及lj(j＝1,2,3)等数据，获得污染扩散到应急处置点的时间。
将污染物扩散到达应急处置点的时间进行先后排序，并放入到堆栈中，获取应急处置点排序方案；将di(i＝1,2,3,4,5)到达该应急处置点的时间进行排序，根据di(i＝1,2,3,4,5)的物质储备清单和lj(j＝1,2,3)的所需处置物质清单等数据，从优先到达应急处置点的仓库进行物质调度，直至应急资源满足该应急处置点，并在堆栈中删除该应急处置点。
然后遍历污染物扩散到达lj(j＝1,2,3)的堆栈，根据上述物质调度过程进行调度，直至lj(j＝1,2,3)满足处置所需的资源，算法结束。若应急处置点资源无法得到满足，说明该应急处置点不能够作为应急处置，需要另选其他点作为应急处置点。
根据上述应急资源调度过程，获得应急资源调度的方案和应急车辆行驶的最优路线(图4，图5)，应急资源调度方案及决策风险评估(表3)。
表3应急资源调度方案及决策风险评估
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于应急区域路网图，根据m个应急资源仓库的空间位置构建集合D；根据m个应急资源仓库的应急资源种类构建集合PI；根据m个应急资源仓库每种应急资源的数量构建集合SI；基于应急区域河流沿岸的路网覆盖情况，选定n个应急处置点，根据n个应急处置点的空间位置构建集合L；
步骤2：计算从集合D到达集合L的时间，构建集合T1；
步骤3：当突发污染事件发生时，根据污染物扩散情况构建污染物到达每一个应急处置点的时间构建集合T2；根据每一个应急处置点处置污染物的应急资源需求种类构建集合PJ；根据每一个应急处置点处置污染物的应急资源需求量构建集合SJ；根据每一个应急处置点处置污染物需要的作业时间构建集合T3；
步骤4A：根据集合T2、集合T3对集合T1进行搜索，获得在污染物到达应急处置点之前能够形成有效应急处置支持的应急资源仓库；
步骤5A：根据步骤4A的结果，调取集合PJ和SJ对集合PI和SI进行搜索，判断应急资源仓库的应急资源种类及其库存量能否完全满足应急处置点的需求。
2.根据权利要求1所述的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于，还包括步骤6A：根据步骤5A的结果进行决策风险评价。
3.根据权利要求1所述的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于，步骤2采用Dijkstra算法实时计算集合D中每一元素到达集合L中每一元素的最优时间。
4.根据权利要求3所述的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于：
步骤1具体包括：设d1,d2···,dm为m个应急资源仓库的空间位置，其中第i个应急资源仓库di(i＝1,2,···,m)总共拥有p种应急资源，其中拥有第k种应急资源的数量为Sik(i＝1,2,···,m；k＝1,2,···,p)；l1,l2···ln为n个应急处置点的空间位置；
步骤2具体包括：应急资源从各个应急资源仓库调度到应急处置点的时间为Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)
步骤3具体包括：lj(j＝1,2,···n)对应的污染物到达的时间为Tj(j＝1,2,···,n)；每个应急处置点需要第k种应急资源的需求量为Sjk(j＝1,2,···,n；k＝1,2,···,p)；每个应急处置点处置污染物需要的作业时间为T′j(j＝1,2,···,n)。
5.根据权利要求4所述的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于，步骤3之后的步骤替换为：
步骤4B：将Tj(j＝1,2,···,n)从小到大进行排序并存储到堆栈中；
步骤5B：输入所述堆栈、T′j(j＝1,2,···,n)、Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)、Sik(i＝1,2,···,m；k＝1,2,···,p)和Sjk(j＝1,2,···,n；k＝1,2,···,p)；
步骤6B:所述堆栈中Tj(j＝1,2,···,n)的排序作为第一顺序，Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)的排序作为第二顺序，对每一应急处置点j从Tij(i＝1,2,···,m；j＝1,2,···,n)最小的应急资源仓库i开始进行调度计算，直至该应急处置点j所需应急资源满足或已遍历全部m个应急资源仓库，之后执行对下一应急处置点的计算，直至遍历全部n个应急处置点。
6.根据权利要求5其中任一所述的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于，还包括：
步骤7B：计算每一应急处置点的每一种所需应急资源得到满足的最长时间与Tj(j＝1,2,···,n)之比，得到应急调度决策风险评估值。
7.根据权利要求1-6其中任一所述的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于：步骤2还包括计算集合D到达集合L的时间所对应的路径。
8.根据权利要求4-6其中任一所述的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于，包括以下目标函数：
应急资源调度的总时间最短：
应急资源到达第j个应急处置点的最大时间：
max Tj＝max(Tij) 公式(2)
约束条件函数假设如下，污染物到达应急处置点的时间小于等于应急资源调度的时间和应急处置工程构建时间之和：
Tj≥max Tj+T′j 公式(3)
第j个应急处置点所需第k类应急资源的总量：
第i个应急资源仓库第k类应急资源的总量：
9.根据权利要求6所述的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于：所述应急调度决策风险评估值的计算公式为：
R＝(Tij+T′j)/Tj 公式(6)。
10.根据权利要求3所述的河流突发污染事件应急资源调度寻优方法，其特征在于：所述最优时间通过应急区域路网和实时路况信息计算得到。
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