考虑服务能力的消防救援站供需匹配优化.pdf

山 东 科 学 第 卷 第 期 年 月出版.:./.【交通运输】收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()中国博士后科学基金()作者简介:周同()男研究方向为消防资源分配、消防调度指挥优化、灭火救援及消防员训练方案优化:.通信作者刘康琳()女副教授硕士生导师研究方向为应急物流、鲁棒优化、网络优化:.考虑服务能力的消防救援站供需匹配优化周同孟子皓刘康琳(.北京市消防救援总队 作战训练处北京 .北京交通大学 交通运输学院北京)摘要:为提高消防救援站的应急服务水平、降低应急响应时间改进了现行人工决策救援供需匹配的传统方法在充分调研实证数据、自动批量获取地理数据的基础上提出了考虑服务能力的消防救援站供需匹配优化策略并将其构建为一个混合整数规划模型 基于北京市西城区的实际消防救援站点分布及高频需求节点位置对模型进行了验证 研究结果表明与仅考虑服务距离的人工决策相比该数学模型能够在短时间内实现消防救援设施的自动匹配充分调度已救援服务能力为优化应急救援供需服务匹配提供新的解决思路关键词:应急物流消防救援站匹配优化服务能力混合整数规划中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标志码():(.).山 东 科 学 年 优化城市应急管理过程和资源匹配模式对于提高城市韧性和公共服务效率具有重要意义 近年来城市火灾严重影响城市稳定和人民生命财产安全根据应急管理部消防救援局 年发布的近十年全国居住场所火灾情况 年至 年全国共发生居住场所火灾.万起造成 人遇难、人受伤直接财产损失.亿元 消防救援服务对于预防和减轻因火灾等突发紧急事件造成的损失具有重要意义已经成为城市建设的重要组成部分消防救援站作为城市的公共服务设施是城市扑救火灾和处置灾害事故的主体在城市的消防救援过程中发挥着重要的作用 消防救援站作为城市应急服务的供给方亟需在已有资源的限制下优化服务匹配关系、提高应急处置能力在学术领域消防救援人员、设备、车辆等相关应急资源的布局和服务匹配策略属于应急物流的研究范畴 与商业物流不同应急物流对于服务的时效性和救助效果提出了更高的要求 与应急物流相关的优化决策按照突发紧急事件的处理顺序具体可以分为 个阶段:灾前准备、灾时响应和灾后处理 在灾难发生前优化策略主要体现在设施建设、设施加固、库存备货、服务匹配等战略性策略上 在灾难发生时主要的优化任务是救灾物资的运输和人员疏散需要结合灾情做出实时响应包括资源分配、现场人员调度等 在灾难发生后决策者需对灾后设施重建、受损物资的修复、回收丢弃问题进行优化现有研究大多针对大规模自然灾害或一般紧急事件的服务匹配过程鲜有研究结合真实数据在城市消防救援的具体背景中展开 本文主要关注发生突发紧急事件时响应阶段的供需匹配优化策略即确定发生火灾等突发紧急事件的需求点与消防救援站之间的服务匹配关系 结合消防救援的具体业务场景来看应急指挥中心需在获取警情信息后迅速决策出警的消防救援站点、确定出警人员数量以及救援资源(消防车、灭火物资、防护设施等)高效的消防救援供需服务匹配策略能够在突发紧急事件发生时最大限度地减轻因灾造成的损失缩短救援时间、提高服务效率 然而现行消防站和需求匹配策略大多是人为设定的且服务辖区范围大多基于几何距离或大致估计对于消防救援力量的服务能力考虑不足存在调度不合理、资源浪费等现象在辖区划分、供需匹配等决策层次上较少使用定量化方法 为进一步提高应急指挥决策能力本文改进了现行人工决策救援供需匹配的传统方法在充分调研实证数据、自动批量获取两点之间驾车距离的基础上提出了考虑服务能力的消防救援站供需匹配优化策略构建混合整数规划模型利用爬虫技术自动获取高频需求点及现有消防救援站点的地理位置及实际驾车距离与专业消防救援人员合作开展研究使理论优化结果具备落地潜质 与仅考虑服务距离的人工决策相比本文提出的数学模型能够在短时间内实现消防救援设施的自动匹配充分调度已救援服务能力 相关研究背景.救援供需双方的决策研究在应急救援过程中需要同时考虑救援提供方及需求方等多个主体之间的决策并通过合理的数学模型管理手段优化救援过程 与之相关的研究内容包括城市基础设施在突发紧急事件发生时服务周边居民的匹配方案针对应急物资储备库或临时物资分拨中心的应急资源调配策略以及消防应急响应系统设施选址及车辆配置策略城市应急服务质量与消防救援站的布局、紧急事件发生的时空分布及服务匹配策略息息相关.救援服务供给端布局研究已有研究大多采用火灾风险评估、消防责任区的划分、选址数学模型、地理信息系统和城市交通网络结合方法优化消防救援站点布局 例如姜昀呈等利用(环境和生态系统的空间评价)模型和层次分析法识别出消防用地的适宜区域和潜在火灾风险的空间分布通过测绘技术对武汉市某区域的消防站进行选址 陈志芬等通过位置集合覆盖模型和最大覆盖模型对雄安新区的城市消防救援站点选址布局问题进行了分析和建模对雄安新区的安全运营管理第 期周同等:考虑服务能力的消防救援站供需匹配优化和规划建设提出了建设性意见 李栋学综合考虑了城市人口分布、火灾风险分布、城市经济发展水平、城市交通网络状况等因素结合应急设施的特点构建了多目标优化模型结合实例运用非支配遗传算法、粒子群算法、拉格朗日松弛算法对模型求解保证了结果的科学性解决了应急设施选址的问题 随着地理信息技术的发展(地理信息系统)与城市交通网络结合也可以实现城市设施的布局 阙泽胜等运用 位置分配的基本原理即在需求和供给设施布局已知的前提下根据建立的优化模型从指定的系列候选设施选址中挑选出指定数目的设施选址实现设施的优化布局方法建立了城市交通路网模型并考虑了消防救援站的可达性实现了消防救援站的优化布局 上述文献的侧重点为新建消防设施布局及规划策略忽视了对已有设施的供需服务匹配方法本文的研究适用于较为完善的消防救援站分布网络符合大部分城市消防救援场景具有普适性.救援服务过程的匹配研究需要综合考虑救援人员、位置、资源、器械等多方面因素在短时间内进行决策 目前鲜有研究在城市消防救援服务匹配的具体背景下展开大部分研究均针对大规模自然灾害或一般紧急事件 例如 等探究了地震初期救援资源的分配问题引入了动态优化模型在时间、资源数量和质量有限的情况下通过资源的合理分配提高救援效率使总死亡人数最低 对大规模自然灾害不同受灾地区的应急物资需求进行了研究使用数据融合的方法预测不同灾区的应急物资需求使用模糊聚类方法对受灾地区分组确定每个受灾地区资源分配的优先级和资源分配的数量 陈达强等在建立反映实际物资供求情形的需求与供给函数的基础上针对单一物资分配应急物流系统中单一应急出救点、多需求点情形考虑出救点物资时变供应及需求点时变消耗约束提出以应急响应时间最短为目标的应急物资分配决策模型 王苏生等建立了在公平优先原则下多受灾点多出救点的双层应急资源配置模型 田卫东等针对我国应急救灾物资储备库系统的物资调度和运输的组织特点依据受灾点的多层级储备库优先级模型建立了以应急时间最短、出救点数目最少的多出救点多受灾点的多目标优化模型 王妍妍等引入指数效用函数运用灾民物资需求的比例短缺量化公平以最小化物资短缺的延迟损失与物资分配的总成本为目标构建基于集散点配送中心受灾点三级配送网络的应急物资多阶段分配模型旨在实现应急物资分配的多阶段全局最优上述文献大多将实际应急服务设施及需求点抽象为二分网络构建需求服务匹配模型其研究对象均为一般突发紧急事件并未结合城市消防快速响应、及时施救的特点本文以地图软件提供的两点之间驾车距离最近为目标符合城市消防应急服务特点 问题描述及建模优化消防救援站和街道之间的匹配关系需要综合考虑街道的需求、消防救援站的服务能力、消防救援站和街道之间的驾车距离 街道的消防资源需求与街道的人口数量、交通网络、建筑物特点等因素相关本文仅考虑街道的人口对消防资源需求的影响人口越多对消防资源的需求权重越大 消防救援站的服务能力可以量化为所服务的街道的数量优先考虑服务周边驾车距离较近的街道 消防救援站的服务能力与消防救援站的规模大小有关可以通过消防救援站配置的消防车辆的数量来评估即消防车辆越多可以服务的乡镇或街道的数量越多限制消防救援站的服务能力并考虑街道的人口数量可以更好地优化消防救援站和街道之间的匹配关系 考虑街道人口数量的影响以及消防救援站服务能力限制建立消防救援站和街道之间总的加权驾车距离最短的数学模型确定每个消防救援站服务的街道 假设需要寻找距离所有乡镇或街道总的加权驾车距离最短的 个消防救援站建立消防救援站和街道的匹配关系本文用到的参数及决策变量如表 所示山 东 科 学 年表 符号体系 参数含义目标函数乡镇或街道的编号 消防救援站的编号 消防救援站距离乡镇或者街道中心的最短距离排序 乡镇或街道 对消防资源需求的权重与人口数量成正比乡镇或街道 到消防救援站 的驾车距离消防救援站 最多能够服务的乡镇或街道的数量决策变量 变量当距离乡镇或街道 第 近的消防救援站 和 匹配 本文构建的数学模型如下:().()()()()()()其中公式()是目标函数表示最小化所有乡镇或街道到距离前三的消防救援站总的加权驾车距离公式()表示对于任何一个乡镇或街道 只有一个消防救援站 和需求点 匹配公式()()表示对于任何一个乡镇或街道 保证距离 从更近的消防救援站 到 的驾车距离更小公式()表示对于任何一个乡镇或街道 只能选择唯一一个消防站公式()为容量约束表示任何一个消防救援站 能够服务的乡镇或街道数量不大于其容量限制公式()为决策变量约束 数值实验本文以北京市西城区为例利用上述优化模型和最短距离调度规则两种方法求解消防站供需资源匹配问题 提取基础数据中北京市西城区乡镇及街道和消防救援站的数据对上述优化模型做实例分析优化北京市西城区的乡镇及街道和消防救援站的匹配关系 除数据爬虫部分利用 编写之外本文的全部数值实验均使用 语言优化模型的求解使用 .实现.数据获取在供给端本文从北京市消防救援总队获取了北京市 个消防救援站基础数据主要记录了消防救援站的名称、地址、消防车及地理位置的数量 以西城区为例共有 个消防救援站(包含特勤站、小型站等)对每个消防救援站进行编号 根据每个消防救援站配置的消防车的数量评估消防救援站的最大服务能力()即消防救援站 最多能够服务的乡镇及街道的数量 由于涉及敏感信息本文的最大服务能力由消防局提供的真实数据脱敏后汇总在此不再一一展示在需求端本文从国家统计局第六次人口普查数据(:/./.第 期周同等:考虑服务能力的消防救援站供需匹配优化)中获得北京市各区县乡镇及街道的人口数据并通过高德(应用编程接口)自动获取对应街道的地理位置经过整理可以得到北京市 个乡镇及街道的基础数据包括乡镇街道名称、人口及经纬度具体数据汇总在表 内 由于本文所建立的数学模型为混合整数线性规划属于(非确定性多项式)难题在获取大规模实际算例精确解时十分困难因此本文选择西城区的 个乡镇或街道为研究对象进行数值实验 在设置参数时以街道人口数量除以 得到每个街道的需求权重系数()详见表 表 北京市西城区乡镇及街道基础数据 编号()街道经度纬度人口数据需求权重系数()广安门外街道.月坛街道.展览路街道.白纸坊街道.广安门内街道.牛街街道.新街口街道.金融街街道.西长安街街道.椿树街道.陶然亭街道.什刹海街道.德胜街道.大栅栏街道.天桥街道.此外本文通过高德路径规划 接口批量获取了 个高频需求点(北京市各乡镇中心位置)与已有的 个消防救援站之间的驾车距离利用爬虫技术批量获取需求点与供给点之间的驾车距离和时间得到 条最短驾驶路径数.模型优化结果与分析图()展示了优化模型显示的西城区高频需求点与消防救援站匹配关系结果其中连线表示西城区消防救援站和街道之间的匹配关系 为了进一步印证本模型的有效性本文将仅根据高德 提供的最短驾车路径排序产生的供需匹配关系在图()中呈现 图中蓝色的圆圈代表高频需求点圆的大小表示街道的需求权重红色的圆圈表示消防救援站圆的大小表示消防救援站的应急服务能力 图中的每个高频需求点与 个消防救援站相连代表与之匹配的 个消防救援站山 东 科 学 年图 北京市西城区消防救援站供需服务匹配关系图.结合一线消防救援业务及对比实验研究我们发现本模型在处理消防应急救援服务匹配问题中具有如下优势:()考虑了消防救援站的实际服务能力充分利用已有应急资源 图()展示的是没有考虑消防救援站的应急服务能力而仅依靠驾车距离的供需匹配方案可能发生两种极端情况:第一种情况是部分消防救援站匹配的高频需求点的数量(即服务的高频需求点数量)超过了自身的能力限制例如西单小型站和西郊民巷小型站分别服务了 个高频需求点远超出自身负荷 第二种情况是消防救援站的应急服务能力没有得到最大化利用即部分应急服务能力大的消防救援站匹配的高频需求点的数量过少例如府右街特勤站和西客站特勤站分别只匹配了 个高频需求点而实际中上述两个特勤站最多可以服务 和 个高频需求点仅依据驾车距离排序获得的匹配关系可能造成部分消防救援站应急服务能力的浪费也可能造成部分消防救援站负荷较重 因此匹配关系需要进一步优化()能够集成导航软件中的拥堵情况及卡车通行情况优化两点间距离设置 本文在获取实际数据时利用爬虫技术从高德 上实时获取两点之间的驾车距离和驾车时间能够充分结合不同时段的道路拥堵情况和卡车通行的实际距离优化匹配关系能够使用计算机优化技术实现将辖区划分、车辆调度等实际工作从人工决策到自动化决策的转变()结合人口统计数据优化各需求点权重在进行应急调度时考虑居民个性化需求 由于小型站的应急资源相对较少通过数学模型优化后的匹配结果假设小型站仅服务于一个高频需求点对于人口密度更大、突发紧急事件发生频次更高的地区在预设应急服务匹配站点时可以连接更多的大中型消防救援站点 结束语本文从应急物流的角度出发基于实际驾车距离研究了北京市消防救援站和周边街道的供需服务匹配优化问题实现了传统人工决策到自动决策的转变 考虑了消防救援站点的应急服务能力提出的服务匹配方案能够充分利用已有应急资源缩短应急服务时间、提高资源利用率 利用北京市西城区消防救援站的实际数据和爬虫技术获取的高频需求点数据真实模拟了本模型在实际运营场景中的计算结果能够对实际应第 期周同等:考虑服务能力的消防救援站供需匹配优化急救援过程中的辖区分配、车辆调度等现实问题提供可靠的管理建议本文仅考虑了确定性远期规划问题在未来的研究中可以探索大规模优化问题的求解算法利用随机规划、鲁棒优化等方法同时考虑不确定因素 在估计需求点的需求量时除考虑人口数据外还可以同时将交通路网、建筑物特点等可能造成突发紧急事件的因素纳入优化范畴同时在需求点划分问题时可以更加精确参考文献:张仪果 屈云超 尹浩东 等.轨道交通封站条件下应急疏散车辆路径优化.山东科学():.:./.吴超峰 龙建成 刘昊翔.基于可替换路径对的多用户均衡交通分配算法.山东科学 ():.:./.张笛 张娜 闫书丽.兼顾满意与稳定的应急救援服务供需匹配决策/.计算机工程与应用:.:/./.马娜.应急救灾三方博弈模型的均衡分析.山东科学 ():.:./.郭倩倩 焦胜.后疫情时代城市公共服务设施供需匹配策略思考.中国科技论文在线精品论文 ():.刘晗齐庆杰张玥.消防应急响应系统设施优化研究综述.中国应急管理科学():.姜昀呈 孙立坚 肖琨 等.城市消防站选址布局优化研究.测绘科学 ():.:./.陈志芬 李俊伟 卢方欣等.城市消防站选址布局优化及对雄安新区的启示.中国安全生产科学技术 ():.:./.李栋学.基于多目标化的城市应急设施选址研究.天津:南开大学.:./.阙泽胜 胡洪卫 陈素贤.基于 位置分配的城市消防站点优化布局探析.北京测绘():.:./.():.:./().:():.:./.陈达强 郑文创 丁夏等.带时变供求约束的应急物资分配模型.物流技术 ():.:./.王苏生 王岩.基于公平优先原则的多受灾点应急资源配置算法.运筹与管理 ():.:./.田卫东 赵利.面向多层级出救点的应急物资调度模型研究.计算机应用研究 ():.:./.王妍妍 孙佰清.多受灾点应急物资动态多阶段分配模型研究.中国管理科学 ():.:./.