海事应急救助资源选址与救助船舶配置优化模型外文翻译资料

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海事应急救助资源选址与救助船舶配置优化模型

艾云飞，刘静，张丽丽

大连海事大学交通管理学院，大连116026

关键词：海事应急救援；选址；配置；混合启发式算法；遗传算法

摘要

本文主要研究了海事应急系统中应急救助资源的位置分配配置问题，提出了一种离散的非线性整数规划模型，将模型的位置，配置和配置问题整合起来。 该模型转换为保持计算逻辑的两阶段模型。 它设计了混合启发式算法和遗传算法。 测试结果表明，混合启发式算法比遗传算法更有效，灵敏度分析研究了一些参数对最终解的影响，并采用不确定度灵敏度对齐模型来评估假设。

1. 介绍

海上紧急事件频繁发生，对环境和社会造成巨大破坏。 例如近几年的2011年渤海湾康菲石油泄漏，2013年黄岛石油化工爆炸事件，2014年马来西亚航空公司飞机失事。当海上紧急事件发生时，快速的反应对于尽可能减少损害是重要的。在所关注的预防性安全工作和应急准备规定的范围之间，总是必须保持一种平衡（Koldenhof和Van Der Tak，2013年）。为确保有效救助，应在预防阶段配置应急资源。 由于资源有限且突发事件存在很大的不确定性，海事应急资源的合理配置成为确保高效救援的关键问题。

在本文中，我们考虑海事应急系统中的问题，这在文献中尚未被提出。海上应急系统与传统的应急系统有很大的差异，并且受到海洋自然条件的影响而变得更加复杂。以下是对海事搜救进行研究的文献。李（2006）基于加拿大海岸警卫队搜救部门提供的大量数据，研究了海上救援船的位置模型。应用了最大覆盖位置问题，最大预期覆盖位置问题和最大覆盖位置问题与工作负载能力这三个覆盖位置模型。他还修改了两个已发布的模型，备用服务覆盖模型和未覆盖的需求服务的覆盖模型，考虑应对单元（即救援船）能力。Azofra等人（2007）研究了海上救援资源的配置，并根据引力模型形成了一种通用的方法，使我们能够定义个体和区域分布模型。Goerlandt等人(2012) 描述了使用离散事件模拟和蒙特卡罗技术建模海上救援服务的最新进展，确定和分析了系统绩效指标。仿真逻辑本质上是一个多服务器，多客户排队系统，尽管在这个框架中仍需解决海上救援系统的具体特征。Goerlandt等人（2014a，2014b）提出了建立一个旨在评估海上自愿海上救援系统响应特征的模拟模型的进展情况。 仿真模型由历史事件数据驱动，增加了波数据和专家引发的SRU特性。以下是一些关于石油泄漏和应急反应的文献。Montewka等人（2011）提出了一个用于分析两种最普遍的海事事故风险（碰撞与搁浅）的模型。对搁浅可能性评估提出了一种利用重力模型的新方法，其中船舶与碍航物被视为相互作用，并且其斥力模型由一个引力公式激发。在这种情况下，考虑到的情况是油船在舍尔得维克（临近赫尔辛基）的进港航道中运动，该进港航道这个通道位于赫尔辛基附近的Skoldvik的一个石油码头。Lehikoinen等人（2013）开发了一个贝叶斯网络用来检查在芬兰东部波罗的海的芬兰捞油船的恢复效率和最佳配置。 模型中包括四个可替代国内港口，五个事故点和十艘捞油船，以找到最大化恢复效率的最佳处置决策。

基于上述文献，我们研究了海上应急资源的发生前位置分配配置问题。这个问题可以分为三个部分：应急用品库的位置，应急用品的配置和救助船的配置（救援船在紧急情况下可以运送紧急物资）。

紧急情况何时何地发生时不确定的，因此覆盖模型广泛应用于应急设施的位置问题。 他们可以考虑整个区域或预定义的服务部分。 Toregas等人首先提出了可以以最小建筑成本或最小设施数量完成该区域覆盖的集合覆盖模型。Church and Revelle（1974）提出了最大覆盖位置问题（MCLP），它可以通过一定数量的设施实现需求区域的最大可能部分。 Schilling等 人（1979）通过开发串联设备分配模型扩展了MCLP，允许在系统中具有两种不同类型的服务单元。 Deskin和Stern（1981）修改了原来的MCLP，用以最大化覆盖多个需求区域的数量，这是备份覆盖问题。Gendreau等人（1997）制定了双重标准最大覆盖模型，包括两个时间限制，一个覆盖整个需求区域，另一个覆盖部分区域。 近年来，这些模型已被广泛应用于解决各种常规应急服务的位置问题。Segall（2000）提出了以医院设施位置模型为背景，作为描述确定紧急医疗的最佳容量和位置的定量方法。 Araz等人 （2007）研究了应急救助车辆的位置问题，提出了一个多目标最大覆盖位置模型，该模型解决了确定有限数量车辆的最佳基地点的问题，从而优化了服务水平目标。 Geroliminis等人 （2009）考虑到空间和时间需求特征，例如需要时服务器不可用的可能性，开发了一种在城市网络上定位紧急车辆的模型。 Canbolat和Massow（2011）研究了每个需求点的位置是随机的问题。 有时服务器在需要时不可用的概率，因此这是一个实际的问题。Verma和Gualer（2014）提供了两个位置模型，明确地考虑了灾害对响应设施和周边地区人口中心的影响。 它提供了一个详细的案例研究，使用由加利福尼亚发生的大地震造成的大规模紧急情况，以证明这些新模型的可行性。 在海上应急覆盖模型的应用中，海上应急用品储备基地的覆盖范围受到风，水流等自然条件的影响。Venauml;lauml;inen（2014）研究了芬兰湾的应急响应评估，并研究了水和风对救援船的速度的影响。Siljander等人（2015）提出了一种使用地理信息系统评估海域可及性和响应时间的方法。 所提出的方法论是海事响应的主要特征，即空间可及性，搜索和救援单位（SRU）的能力以及主要的波动条件，影响可达到的SRU速度

一般来说，应急用品储备库的选址问题和救援车辆的配置问题是非别进行研究的。这几篇文献中考虑了整体的位置和分配因素。位置分配问题首先由Curry和Skeith（1969）提出。 Wesolowsky和Truscott（1975）研究了选址和分布问题，并提出了弯曲分解方法来解决配送中心选址问题。Marianov和Serra（2002）研究了等待或排队时间所限制的多业务中心选址分配问题。Sheu（2007）针对紧急救援时期的紧急救援需求，提出了应急物流协同运行的混合模糊聚类优化方法。Sha和Huang（2012）研究了工程应急供血系统的选址分配问题，提出了多期位置分配模型。Hector等（2013年）研究了紧急医疗服务的选址调度问题，将位置调度决策纳入单一框架。 Zahiri等（2014）在输入数据的固有不确定性的情况下，在器官移植供应链中提出了一种用于多期选址分配问题的新型鲁棒规划模型。大多数文献考虑了使用全部或全部任务分配紧急资源。但紧急事件存在很大的不确定性，分配给多个储备基地的需求可以提高可靠性，更实用，所以我们采用概率分布法（Azofra等，2007）。Zahiri等人在输入数据的固有不确定性的情况下，提出了一种新型多周期位置分配问题的鲁棒规划模型。大多数文献考虑采用全有全无分配法配置应急救助资源。 但紧急事件存在很大的不确定性，分配给多个储备基地的需求可以提高其可靠性并做到更实用，所以我们采用概率分布法（Azofra et al，2007）。

在应急系统中，可靠性是模拟高不确定度的方法之一。可靠性越高，救援工作就越安全。 以强化可靠性的方式配置救援船舶，不仅可以保护救援人员，还可以确保向需要的人员及时提供应急物资

我们建立了一个集位置，分配和配置问题于一体的优化模型。有文献表明，鲁棒性和有效性不可能结合起来。我们聚焦于水上应急配置问题的有效性。在上述定义的范围内，我们的研究具有以下独特之处：

（1）海上应急物资储备基地的覆盖半径由救助船的实际速度，应急响应时间以及海洋自然条件（如风和水流等）决定。

（2）考虑了紧急需求的概率分布。基于重力模型，我们提出了储备基地之间的需求分配方法。

（3）提出了救捞船配置可靠性的概念，并参照并行系统给出了每单位水域覆盖可靠性的计算方法。

（4）该模型难以解决可变覆盖半径的问题，这取决于救助船的构型。鉴于模型，我们设计了混合启发式算法和遗传算法。

（5）该模型和算法适用于渤海湾溢油事故中的围油栏位置分配和救助船的配置问题。

本文的其余部分构架如下：第二章描述位置分配配置问题，第三章建立模型，并在第四章中设计模型算法。最后，模型和算法将应用于第五章的案例研究中，结论见第六章。

1. 问题描述
   1. 位置问题

海事应急资源预先发现位置分配配置问题的总体情况如图1所示。水域分为一些小的水域单元，每个单元的中心代表该水域单元。i=1, 2hellip; i是水域单元编号。在水域单元i中尤为重要，将在第二章2.2中进行计算。=0表示在定位应急物资储备基地时可以忽略。部分水域单元在重要水域中，应至少被两个基地覆盖。海事应急物资储备基地有几个可选方案，j=1,2,hellip;,j代表可选方案编号。代表水域单元i与备选基地j之间的距离。救助船配置于海上应急物资储备基地中。k = 1, 2..., K是救助船舶的类型。

• 1. 水域单元重要性认识

OPSIS是一种众所周知的多标准决策方法（MCDM），用于对备选方案的优先级进行排序（Sheu，2010）。本文中，我们通过它来计算水域单元的重要程度。下面总结了基于TOPSIS的决策规则涉及的主要步骤，以确定水域单元的重要程度。

水域单元 应急物资储备基地 重点水域 船舶种类

图1 位置分配配置图

第一步 形成评估矩阵

考虑到实际情况，我们假设有五个标准决定水域单元的重要性。 表示水域单元i中船舶交通流量的数量，表示水域单元i的总面积，表示一年中大风天气的数量， 表示一年中大雾天气的数量，表示一年中其他极端天气（如台风）的数量。的值越大表示该水域单元越重要。我们可以建立一个i*5的评估矩阵。

（1）

考虑到与这些标准相关的不同测量尺度，所提出的方法执行标准化程序来验证以下多标准评估过程

（2）

第二步 估计标准权重

在这一步中，我们使用熵理论来估计标准权重（Sheu，2010）。与给定标准n相关联的熵值被推导为

（3）

通过公式（3），我们可以得到给定的对应权重由下式

（4）

第三步 规范重要标准的上下界限

（5）

（6）

第四步 规范重要标准的上下界限

计算每个水域单元的所有标准欧几里德距离的上限和下限。对于每个水域单元，以总体欧几里德距离为基础。

（7）

（8）

第五步 计算给定给水域单位的重要程度

（9）

基于上述五个计算步骤的估算，我们可以得到每个水域单元的重要程度。

• 1. 应急资源储备库的覆盖范围

救助船运送海上应急物资，因此应急物资储备库的覆盖半径等于救援船受风，流等自然条件影响时在应急响应时间内达到的最大距离（假设运输路径由直线构成，并且在储备库与水域单元之间的航行中速度保持不变）。根据船舶在无外部因素影响时的研究，救助船的救助半径为R = V * T，V为船舶转速，T为应急响应时间。 但是救助船的速度受风，流和其他等自然条件的影响（张等人，2005；Venauml;lauml;inen， 2014; Siljander等人，2015）。因此救助船的实际航行速度是矢量叠加的结果，如图2所示。

（10）

是不受自然条件的影响时，从应急物资储备库j到水域单元i的k型救助船舶的航行速度;是风的影响，是流的影响，是考虑风流影响的k型救助船的实际航速。我们的研究是在预防阶段，所以我们在气象统计中使用恒定风和恒定流。

（11）

是配置k型船舶时应急物资储备库j对水域单元i的覆盖半径。如果水域单位和备选基地之间的距离大于备选基地的覆盖半径，认为备选基地不能覆盖水单位，如果,则水域单元i可以由备选基地j用k型船覆盖。是可以水域单元i的一套应急物资储备库。

• 1. 应急资源储备库之间的需求分配

如图3所示，有两种救援船舶，小船的覆盖半径为r，大船的覆盖半径为R。 水域单元1由应急资源储备库A用小船覆盖; 水域单元2由应急资源储备库A用大船覆盖; 水域单元3由应急资源储备库A和B用大船覆盖; 水域单元4由应急资源储备库A用大船覆盖

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