CN114048966A - 一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度优化方法，包括区域协同层级划分、协同调度区域的确定、事故应急响应等级划分、区域协同调度策略、区域协同调度模型建立与优化及应急资源调度路线的展示。基于区域协同理论，应急资源区域协同划分为不同层级。基于事故现场情况，划分事故应急响应等级，不同等级启动不同层级的区域协同调度，建立区域协同调度优化模型，采用粒子群算法确定区域协同调度方案，并基于GIS在应急联动指挥平台上实时展示出应急资源调度路线。本发明方法可根据事故发展的动态趋势，及时调整区域协同调度的层级，满足事故状态下应急资源需要，提高应急救援的效率。
Description
技术领域
本发明涉及化工园区应急救援技术领域，特别是涉及一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，属于应急管理系统领域。
背景技术
化工园区企业大多为危化品企业，涉及的危化品种类和数量较多，且呈现出企业分布集中、装置规模大且关联性强的特征，易发生多米诺事故，造成严重的事故后果。应急救援是控制化工园区风险的最后一个关键环节，有效的应急处置措施能够控制事故的发展，降低人员伤亡和财产损失。
化工园区事故发生之后，根据事故场景类型和时空发展特征，确定了应急资源需求类型及数量，然后如何将应急资源调度到事故发生地点，且从哪几个应急救援点调度以及每个应急救援点调度多少应急资源，是应急救援的关键。并且随着化工园区内产业关联度的提高，一家企业发生事故，其影响范围有可能扩大至园区内相关的上下游企业，具有牵一发而动全身的特点，事故应急资源的调度往往需要开展区域协同。
现阶段，化工园区发生事故时，难以量化事故后果，亦难以有效匹配区域的应急资源，因而应急调度过程中缺乏区域协同合作，往往造成盲目调配。如事故初期调配过多的消防车辆造成道路堵塞，有时反而增加了安全风险。因此化工园区应急资源区域协同调度对加强应急资源区域协同合作能力和提高应急救援效率具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，依托应急联动指挥平台，根据事故动态发展趋势，确定应急资源区域协同调度的层级，构建区域协同调度优化模型，提高区域协同合作能力和应急救援效率。
为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，具体包括以下步骤：
步骤1，获取化工园区内的地理信息，划分出应急资源协同调度的若干层级；
步骤2，确定各个层级的协同调度区域；
步骤3，构建事故应急响应等级的划分原则；
步骤4，建立化工园区应急资源区域协同调度流程；
步骤5，获取事故点应急资源需求种类、需求数量、协同区域内各应急救援点位置、各应急救援点储备应急资源种类、数量、应急资源从各应急救援点到事故点的运输时间；基于单受灾点、多应急救援点、多种类应急资源、连续型消耗的化工园区应急资源区域协同调度特征，考虑协同调度时间最短、协同度最大为目标函数，构建化工园区应急资源区域协同调度优化模型；
步骤6，采用粒子群算法求解，引入罚函数，构建适应度函数，输出最优的应急资源区域协同调度方案；
步骤7，基于应急联动指挥平台实时展示应急资源调度路线以及应急资源、应急人员和应急车辆的实时位置信息。
优选的，步骤1中划分出厂级协同、园区协同和地区协同三个层级。
优选的，步骤2中协同调度区域包括厂级协同区域、园区协同区域和地区协同区域。
优选的，步骤2中园区协同区域的确定方法为：
以所有的应急救援点为平面区域内的母点，基于道路交通网络，引入时间路径成本，即路段路阻对网络加权Voronoi图母点或发生元扩散速率的影响，并考虑了道路等级、交通负荷、车道宽度、交叉口以及车辆对路段路阻的影响，生成其Voronoi多边形，即每个应急救援点的辐射范围；
地区协同区域的确定方法为：
确定某个地区内所有的应急救援点的重心点，并将所有的重心点放在同一平面内，以其中任一重心点为原点，建立坐标系；假设以重心点P1为原点，和相隔重心点P3、P5画圆，P2和P4为相隔点；若P2和P4在P1、P3和P5确定的圆以内，则为相邻重心点；若在确定的圆以外，则为不相邻重心点；基于该方法确定平面内所有的相邻重心点，进而确定地区协同区域。
优选的，步骤3构建事故应急响应等级的划分原则具体包括以下步骤：
步骤301，基于燃烧面积、被困人员数量和潜在多米诺事故储罐数量，构建火灾事故应急响应等级；
步骤302，基于应急疏散人数、空气中有毒气体浓度、扩散范围，以及毒物泄漏事故发生后需要疏散的人数，构建毒物泄漏事故应急响应等级的划分原则。
优选的，步骤5中考虑化工园区应急资源区域协同调度特征，建立化工园区应急资源区域协同调度优化模型具体包括以下步骤：
①设定化工园区应急资源区域协同调度优化模型的假设条件；
②对协同调度时间、协同度具体分析，确定模型的两个目标函数，分别为协同调度时间最短和协同度最大；
协同调度时间最短，协同调度时间的表达式如下：
P1：
式中，ti表示应急救援点i到事故发生点的应急资源调度时间；vk表示第k种应急资源的消耗速率；Sik表示0-1变量，当应急救援点i向事故发生点A调度第k类应急资源时取1，否则取0；
协同度最大，其表达式如下：
P2：
式中，Si表示0-1变量，当应急救援点向事故发生点A调度应急资源时取1，否则取0；
③确定化工园区应急资源区域协同调度优化模型的相关约束函数。
优选的，步骤6中采用粒子群算法输出最优的化工园区应急资源区域协同调度方案时，引入罚函数，构建适应度函数具体包括以下内容：
罚函数如下：
化工园区应急资源区域协同调度优化模型的适应度函数如下：
式中，Fitness为适应度函数；α为协同调度时间最短的优化权重系数；μ为协同度最大的优化权重系数；γ为罚函数的权重系数。
优选的，步骤7中应急联动指挥平台基于GIS地图、场景数据库、资源数据库和应对数据库搭建。
优选的，应急联动指挥平台硬件包括应急联动指挥中心设备、企业端实时监控预警主机、应急救援站端服务器、视频监控设备、网络传输设备；应急联动指挥中心设备包括服务器、网络交换机、通信和数据服务器和显示屏；企业端实时监控预警主机实时采集现场视频监控设备的事故信息，通过网络传输设备将现场事故信息传送到应急联动指挥中心，在显示屏上实时展示；应急联动指挥决策人员将应急资源区域协同调度方案通过通信和数据服务器传送到应急救援站端和企业端服务器，并在显示屏和服务器上实时展示应急资源调度路线、应急人员和应急资源调度车辆的实时位置。
本发明的有益效果在于：本发明对化工园区应急资源调度的要求，不仅考虑应急资源调度时间，还注重区域协同合作效益。从化工园区事故特性出发，深入考虑化工园区应急资源区域协同调度的层级、流程以及事故应急响应等级的研判，基于协同区域内各应急救援点位置、应急资源配置种类、数量，以及事故点应急资源种类、数量的需求，优化应急资源区域协同调度等问题，并依托应急联动指挥平台，实现应急救援智能化和数字化，以满足化工园区重、特大事故的需要，提高应急救援的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度优化方法流程图；
图2：网络加权Voronoi图；
图3：邻近重心法求解地区协同区域流程图；
图4：多层级应急资源区域协同调度流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出了一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，具体包括以下步骤：
步骤1，获取化工园区内的地理信息，划分出应急资源协同调度的若干层级；
具体的，可基于ArcGIS或奥维地图的专业服务，获取化工园区内的地理信息，包括企业位置、应急救援点分布、道路交通网络等信息，构建多层级的化工园区应急资源区域协同调度策略。包括厂级协同、园区协同和地区协同等三个层级。
①厂级协同
事故发生之后，整合距离事故最近的相邻企业的应急救援力量，由事故发生企业的应急指挥办公室负责协同调度。厂级协同主要是针对当周边相邻企业配有专职的应急救援队伍时，优先调度，保障协同应急救援力量在最短时间内到达事故现场。
②园区协同
整合化工园区内所有的应急救援力量，包括政府消防队伍、企业专职消防队伍，由园区管委或所在区域政府应急指挥办公室负责协同调度。
③地区协同
整合化工园区所在地区内所有的应急救援力量，包括市或省级行政区域内的所有应急救援力量，由最高的行政区域政府应急指挥办公室负责协同调度。
步骤2，确定各个层级的协同调度区域；
确定不同层级情况下的协同调度区域，是进行协同应急调度的前提。基于步骤1划分的应急资源区域协同调度的层级，分别确定各个层级的协同调度区域，在GIS图层上动态展示。包括厂级协同区域、园区协同区域和地区协同区域。
①厂级协同区域
依据企业平面布置，明确周围相邻企业应急救援力量，确定厂级协同区域。
②园区协同区域
如图2所示，考虑化工园区内应急救援点的分布和道路交通网络，采用网络加权Voronoi图方法确定园区协同区域。
设S＝{P1，P2，P3…，P4}为平面L上的点集，C＝{l1，l2，l3…，l4}为平面L上的各种曲线组成的交通网络，则根据下式求取发生元或母点的Voronoi图区域。
式中：Tn(Pi)为发生元或母点Pi的Voronoi图区域；P为发生元或母点的集合；dni为基于道路交通网络的目标Pi距离函数；x为空间中任一点。
以所有的应急救援点为平面区域内的母点，基于道路交通网络，引入时间路径成本，即路段路阻对网络加权Voronoi图母点或发生元扩散速率的影响，并考虑了道路等级、交通负荷、车道宽度、交叉口以及自行车等因素对路段路阻的影响，生成其Voronoi多边形，即每个应急救援点的辐射范围。当Voronoi图内的任意一个地方发生事故之后，优先调度其发生元应急救援点的应急救援力量，提高了第一应急响应时间。
③地区协同区域
如图3所示，考虑某个地区内所有的应急救援点，确定其重心点，并将所有的重心点放在同一平面内，以其中任一重心点为原点，建立坐标系。假设以重心点P1为原点，和相隔重心点P3、P5画圆，P2和P4为相隔点。若P2和P4在P1、P3和P5确定的圆以内，则为相邻重心点；若在确定的圆以外，则为不相邻重心点。基于该方法确定平面内所有的相邻重心点，进而确定地区协同区域。
步骤3，构建事故应急响应等级的划分原则；
事故发生后，事故应急响应等级的研判是开展区域协同应急救援的基础。化工园区主要的事故类型包括火灾、爆炸和毒物泄漏扩散等事故，由于爆炸的发生具有瞬时性，爆炸事故的应急救援主要为爆炸后引起的火灾事故的救援，所以主要考虑了火灾事故和毒物泄漏事故应急响应等级。
①火灾事故应急响应等级
对于火灾事故，考虑燃烧面积、被困人员数量和潜在多米诺事故储罐数量等因素，构建火灾事故应急响应等级的划分原则。将火灾事故应急响应等级划分为4个等级，见表1。
②毒物泄漏事故应急响应等级
针对毒物泄漏事故，考虑应急疏散人数、空气中有毒气体浓度、扩散范围，以及毒物泄漏事故发生后需要疏散的人数，构建毒物泄漏事故应急响应等级的划分原则。将毒物泄漏事故应急响应等级划分为4个等级，见表2。
步骤4，建立化工园区应急资源区域协同调度流程；
如图4所示，基于步骤1划分的应急资源区域协同调度层级和步骤3确定的事故应急响应等级，建立化工园区应急资源区域协同调度流程。根据不同的事故应急响应等级，分别启动不同层级的区域协同应急资源调度。
当化工园区某一个企业发生事故时，启动应急响应，首先根据现场事故情况判断是否启动区域协同应急救援。如果企业能够满足自行应急处置，则不启动区域协同应急救援；如果企业不能满足应急资源需求，则需要启动区域协同应急资源调度。首先立即启动厂级协同，保证距离事故最近的相邻企业应急救援力量第一时间到达事故灾害点，协同开展应急救援。同时进行事故等级研判，如果事故等级是IV级，直接由现有协同应急救援力量应急；如果事故等级是III级，则继续启动园区协同，调动整个园区的应急救援力量；如果事故等级是II级以上，则启动地区协同，调动整个地区的应急救援力量。由于事故是不断变化的，在应急救援过程中，根据事故等级的实时研判，实时提升协同应急救援的等级。
步骤5，获取事故点应急资源需求种类、需求数量、协同区域内各应急救援点位置、各应急救援点储备应急资源种类、数量、应急资源从各应急救援点到事故点的运输时间；基于单受灾点、多应急救援点、多种类应急资源、连续型消耗的化工园区应急资源区域协同调度特征，考虑协同调度时间最短、协同度最大为目标函数，构建化工园区应急资源区域协同调度优化模型；
步骤5中考虑化工园区应急资源区域协同调度特征，建立化工园区应急资源区域协同调度优化模型具体包括以下步骤：
①设定化工园区应急资源区域协同调度优化模型的假设条件；
1)假设事故发生类型和事故现场的基本情况已知，并且事故应急资源需求类型和数量已知；
2)假设应急资源调度所需要的运输车辆是充足的，且运输承载能力一样；
3)假设所有运输车辆只要在同一时刻、同一地点出发，沿相同的路径行驶，则他们到达事故灾害点的时间是相同的，且运输时间已知。
4)假设化工园区协同应急救援区域内的应急救援点的应急资源储备量是已知的，且各应急救援点是相互独立的，不存在应急救援点之间相互调度和补给的情况。
②对协同调度时间、协同度具体分析，确定模型的两个目标函数，分别为协同调度时间最短和协同度最大；
协同调度时间最短，根据化工园区应急资源协同调度模型分析，调度时间最短应为考虑的首要目标，即如何在最短的时间内将多种应急资源调度到事故发生地点。由于化工园区应急资源调度为多种类应急资源调度问题，所以全局应急资源调度的最短时间应该为单一种类应急资源调度最短时间的最大值。协同调度时间的表达式如下：
P1：
式中，ti表示应急救援点i到事故发生点的应急资源调度时间；vk表示第k种应急资源的消耗速率；Sik表示0-1变量，当应急救援点i向事故发生点A调度第k类应急资源时取1，否则取0；
协同度最大，不仅要考虑应急资源调度时间，还应考虑区域协同合作效益。应急资源协同度可以用应急救援点的个数来表示，应急出救点的个数越少，系统越有序，应急资源协同度越大。当某一个应急救援点向事故灾害点调度了应急资源时，就可认为该应急救援点参与了应急救援工作。其表达式如下：
P2：
式中，Si表示0-1变量，当应急救援点向事故发生点A调度应急资源时取1，否则取0；
③确定化工园区应急资源区域协同调度优化模型的相关约束函数。
1)各应急救援点向事故发生点提供的应急资源的数量应小于等于其储存量，即Xik≤Qik；
2)所有应急救援点提供的各类应急资源的总量应大于等于事故发生点各类应急资源的需求量，即
3)各应急救援点向事故点提供的应急资源的数量应该为非负整数。
步骤6，采用粒子群算法求解，引入罚函数，构建适应度函数，输出最优的应急资源区域协同调度方案；
①设计粒子编码方案
在化工园区应急资源区域协同调度优化模型中，模型的解应该包括应急救援点供应的应急资源的种类和数量。因此，在粒子群算法设计时，粒子应该为位置和速度的二维数组，见下式。
式中：m为应急资源需求类型的个数；n为应急出救点的个数。
②构建适应度函数
在模型求解过程中，适应度函数是判断粒子位置优劣的标准。因此引入罚函数，构建适应度函数。
罚函数见下式：
化工园区应急资源区域协同调度优化模型的适应度函数见下式：
式中，Fitness为适应度函数；α为第一个优化目标“协同调度时间最短”的优化权重系数；μ为第二个优化目标“协同度最大”的优化权重系数；γ为罚函数的权重系数。
步骤7，基于应急联动指挥平台实时展示应急资源调度路线以及应急资源、应急人员和应急车辆的实时位置信息。
依托应急联动指挥平台，在GIS地图上实时展示应急资源调度路线，以及应急资源、应急人员和应急车辆的实时位置信息，以确保应急决策人员实时掌握应急资源调度情况，及时作出应急决策调整。
①应急联动指挥平台搭建：
基于GIS地图服务，以linux CentOs7为操作系统、Visual Studio为开发工具、C#为开发语言、SQL Server为数据库，采用B/S结构研发了基于场景数据库、资源数据库和应对数据库的应急联动指挥平台。
应急联动指挥平台硬件主要包括五部分：应急联动指挥中心设备、企业端实时监控预警主机、应急救援站端服务器、视频监控设备、网络传输设备。应急联动指挥中心设备包括服务器、网络交换机、通信和数据服务器和LED大屏。企业端实时监控预警主机实时采集现场视频监控设备的事故信息，通过网络传输设备将现场事故信息传送到应急联动指挥中心，然后在LED大屏上实时展示；应急联动指挥决策人员将应急资源区域协同调度方案通过通信和数据服务器传送到应急救援站端和企业端服务器，并在LED大屏和服务器上实时展示应急资源调度路线、应急人员和应急资源调度车辆的实时位置。
本发明的有益效果在于：本发明对化工园区应急资源调度的要求，不仅考虑应急资源调度时间，还注重区域协同合作效益。从化工园区事故特性出发，深入考虑化工园区应急资源区域协同调度的层级、流程以及事故应急响应等级的研判，基于协同区域内各应急救援点位置、应急资源配置种类、数量，以及事故点应急资源种类、数量的需求，优化应急资源区域协同调度等问题，并依托应急联动指挥平台，实现应急救援智能化和数字化，以满足化工园区重、特大事故的需要，提高应急救援的效率。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，获取化工园区内的地理信息，划分出应急资源协同调度的若干层级；
步骤2，确定各个层级的协同调度区域；
步骤3，构建事故应急响应等级的划分原则；
步骤4，建立化工园区应急资源区域协同调度流程；
步骤5，获取事故点应急资源需求种类、需求数量、协同区域内各应急救援点位置、各应急救援点储备应急资源种类、数量、应急资源从各应急救援点到事故点的运输时间；基于单受灾点、多应急救援点、多种类应急资源、连续型消耗的化工园区应急资源区域协同调度特征，考虑协同调度时间最短、协同度最大为目标函数，构建化工园区应急资源区域协同调度优化模型；
步骤6，采用粒子群算法求解，引入罚函数，构建适应度函数，输出最优的应急资源区域协同调度方案；
步骤7，基于应急联动指挥平台实时展示应急资源调度路线以及应急资源、应急人员和应急车辆的实时位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，其特征在于，步骤1中划分出厂级协同、园区协同和地区协同三个层级。
3.根据权利要求2所述的一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，其特征在于，步骤2中协同调度区域包括厂级协同区域、园区协同区域和地区协同区域。
4.根据权利要求3所述的一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，其特征在于，步骤2中园区协同区域的确定方法为：
以所有的应急救援点为平面区域内的母点，基于道路交通网络，引入时间路径成本，即路段路阻对网络加权Voronoi图母点或发生元扩散速率的影响，并考虑了道路等级、交通负荷、车道宽度、交叉口以及车辆对路段路阻的影响，生成其Voronoi多边形，即每个应急救援点的辐射范围；
地区协同区域的确定方法为：
确定某个地区内所有的应急救援点的重心点，并将所有的重心点放在同一平面内，以其中任一重心点为原点，建立坐标系；假设以重心点P1为原点，和相隔重心点P3、P5画圆，P2和R4为相隔点；若P2和P4在P1、P3和P5确定的圆以内，则为相邻重心点；若在确定的圆以外，则为不相邻重心点；基于该方法确定平面内所有的相邻重心点，进而确定地区协同区域。
5.根据权利要求1所述的一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，其特征在于，步骤3构建事故应急响应等级的划分原则具体包括以下步骤：
步骤301，基于燃烧面积、被困人员数量和潜在多米诺事故储罐数量，构建火灾事故应急响应等级；
步骤302，基于应急疏散人数、空气中有毒气体浓度、扩散范围，以及毒物泄漏事故发生后需要疏散的人数，构建毒物泄漏事故应急响应等级的划分原则。
6.根据权利要求1所述的一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，其特征在于，步骤5中考虑化工园区应急资源区域协同调度特征，建立化工园区应急资源区域协同调度优化模型具体包括以下步骤：
①设定化工园区应急资源区域协同调度优化模型的假设条件；
②对协同调度时间、协同度具体分析，确定模型的两个目标函数，分别为协同调度时间最短和协同度最大；
1)协同调度时间最短，协同调度时间的表达式如下：
P1：
式中，ti表示应急救援点i到事故发生点的应急资源调度时间；vk表示第k种应急资源的消耗速率；Sik表示0-1变量，当应急救援点i向事故发生点A调度第k类应急资源时取1，否则取0；
2)协同度最大，其表达式如下：
P2：
式中，Si表示0-1变量，当应急救援点向事故发生点A调度应急资源时取1，否则取0；
③确定化工园区应急资源区域协同调度优化模型的相关约束函数。
7.根据权利要求1所述的一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，其特征在于，步骤6中采用粒子群算法输出最优的化工园区应急资源区域协同调度方案时，引入罚函数，构建适应度函数具体包括以下内容：
罚函数如下：
化工园区应急资源区域协同调度优化模型的适应度函数如下：
式中，Fitness为适应度函数；α为协同调度时间最短的优化权重系数；μ为协同度最大的优化权重系数；γ为罚函数的权重系数。
8.根据权利要求1所述的一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，其特征在于，步骤7中应急联动指挥平台基于GIS地图、场景数据库、资源数据库和应对数据库搭建。
9.根据权利要求8所述的一种多层级的化工园区应急资源区域协同调度方法，其特征在于，应急联动指挥平台硬件包括应急联动指挥中心设备、企业端实时监控预警主机、应急救援站端服务器、视频监控设备、网络传输设备；应急联动指挥中心设备包括服务器、网络交换机、通信和数据服务器和显示屏；企业端实时监控预警主机实时采集现场视频监控设备的事故信息，通过网络传输设备将现场事故信息传送到应急联动指挥中心，在显示屏上实时展示；应急联动指挥决策人员将应急资源区域协同调度方案通过通信和数据服务器传送到应急救援站端和企业端服务器，并在显示屏和服务器上实时展示应急资源调度路线、应急人员和应急资源调度车辆的实时位置。
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