高速公路應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)＊

杜 柯 高 曙 陳先橋 黃徳啟

（武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1） 430063 武漢） （武漢理工大學(xué)智能交通研究中心1） 430063 武漢）

0 引 言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶動(dòng)了交通事業(yè)的日益發(fā)展和人流、物流、商品流的快速流通，國(guó)內(nèi)高速公路數(shù)量也急劇增加.我國(guó)交通部提出“十二五”末我國(guó)國(guó)家高速公路路網(wǎng)將基本建成，高速公路總里程將達(dá)108000km，將覆蓋90%以上的20萬(wàn)以上城鎮(zhèn)人口城市.高速公路數(shù)量和交通流量的大幅度增加將導(dǎo)致交通事故的發(fā)生次數(shù)和交通事故傷亡人數(shù)也越來(lái)越多.我國(guó)目前交通事故中約有2／3 的重傷人員因?yàn)榈貌坏郊皶r(shí)救護(hù)而死亡，只有約15%的受害者可以及時(shí)獲得及時(shí)搶救.因此，采取有效合理的交通管制方法、建設(shè)高效完整的高速公路應(yīng)急救援系統(tǒng)、及時(shí)獲取有效的事故信息、快速科學(xué)的調(diào)度應(yīng)急資源對(duì)于降低事故的傷死率、減少事故導(dǎo)致的人力物力經(jīng)濟(jì)損失、減緩交通擁堵壓力、提高高速公路安全運(yùn)營(yíng)管理效率是十分必要和迫切的［1］.本文介紹了系統(tǒng)算法的研究實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及調(diào)度方案評(píng)估.

1 高速公路應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)算法研究和實(shí)現(xiàn)

1.1 應(yīng)急資源的首次配置與調(diào)度的單事故指派模型

應(yīng)急資源的首次配置與調(diào)度的單事故指派模型以當(dāng)前事故應(yīng)急的響應(yīng)時(shí)間最短為目標(biāo)，即按照救援機(jī)構(gòu)到達(dá)事故地點(diǎn)的最短距離和救援機(jī)構(gòu)所擁有的應(yīng)急資源數(shù)量來(lái)派遣救援機(jī)構(gòu)和調(diào)度應(yīng)急資源.設(shè)救援機(jī)構(gòu)i∈L 配置ri應(yīng)急車輛，L 為救援機(jī)構(gòu)集合；當(dāng)前事故點(diǎn)f 需要nf應(yīng)急車輛，f ∈N，N 為路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合：λif為從i 到f 的最短距離；xif為從i 調(diào)度到f 的應(yīng)急車輛數(shù).則調(diào)度模型為［2］

1.2 應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度最短時(shí)間響應(yīng)指派模型

第一次采集事故信息容易發(fā)生采集事故信息不完整或事故動(dòng)態(tài)變化對(duì)資源需求發(fā)生變化等情況.應(yīng)急資源的動(dòng)態(tài)配置與調(diào)度的最短時(shí)間響應(yīng)指派模型以滿足資源需求的變化為目的，以事故多次補(bǔ)充應(yīng)急資源調(diào)度的最短應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間為目標(biāo)，根據(jù)救援機(jī)構(gòu)到達(dá)事故點(diǎn)的最短距離和救援機(jī)構(gòu)所擁有的應(yīng)急資源數(shù)量來(lái)派遣救援機(jī)構(gòu)和調(diào)度應(yīng)急資源.由于首次應(yīng)急資源調(diào)度滿足了事故應(yīng)急的大部分需求，而當(dāng)前事故多次補(bǔ)充應(yīng)急資源可當(dāng)作在同一位置發(fā)生的又一事故，所以該模型與應(yīng)急資源的首次配置與調(diào)度的單事故指派模型使用了相同的模型.設(shè)當(dāng)前事故點(diǎn)f 由于事故處理過(guò)程中資源需求的變化（事故點(diǎn)也看作f）需要再次調(diào)度nk輛應(yīng)急車輛.則

1.3 高速公路應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)高速公路事故突發(fā)性強(qiáng)和隨機(jī)性大的特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)首次采集事故信息不完整，事故的發(fā)展過(guò)程對(duì)應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度的影響，事故災(zāi)害過(guò)程對(duì)應(yīng)急資源的動(dòng)態(tài)需求變化和不同階段對(duì)應(yīng)急資源的不同需求，考慮到事故處置中以響應(yīng)時(shí)間最短為主要目標(biāo)，資源調(diào)度成本考慮較少，因此本系統(tǒng)算法根據(jù)應(yīng)急資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度最短時(shí)間響應(yīng)指派模型為重點(diǎn)研究對(duì)象.

設(shè)定ArcGIS Server的最近設(shè)施分析算法中最近設(shè)施的默認(rèn)數(shù)量為l，則系統(tǒng)中可調(diào)度的機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)即為l，機(jī)構(gòu)擁有資源的數(shù)量為u，并且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析中最近設(shè)施分析算法得出可調(diào)度的最近機(jī)構(gòu)的名稱，假設(shè)s個(gè)供選擇調(diào)度的機(jī)構(gòu)為集合M，當(dāng)前事故點(diǎn)s（?s∈N，N 為地圖所有圖層要素范圍內(nèi)的點(diǎn)），由于事故的動(dòng)態(tài)發(fā)展和變化需要再次調(diào)度資源數(shù)量為n，dis表示從i 到s 的最短距離，yis表示從i調(diào)度到s的應(yīng)急車輛數(shù)，則

根據(jù)采集到的事故信息，首次確定調(diào)度的資源類型和數(shù)量，發(fā)布調(diào)度指令并獲取交通事件的處置狀態(tài)，查詢機(jī)構(gòu)擁有資源信息是否滿足救援需求，如果滿足應(yīng)急需求，則進(jìn)行調(diào)度方案評(píng)估和存儲(chǔ)，如果調(diào)度資源數(shù)量不足則進(jìn)一步補(bǔ)充資源.調(diào)度算法流程見(jiàn)圖1.

圖1 高速公路應(yīng)急資源的優(yōu)化配置算法流程圖

算法具體實(shí)現(xiàn)主要有3個(gè)關(guān)鍵部分：

1）確定調(diào)度的應(yīng)急資源種類和資源數(shù)量交通事故發(fā)生后，高速公路管理人員接到報(bào)警后進(jìn)一步對(duì)事故信息進(jìn)行確認(rèn)和核實(shí)，詢問(wèn)并保存事故地點(diǎn)、人員傷亡情況、事故有無(wú)車輛碰撞、有沒(méi)有起火等信息，從而確定應(yīng)急資源類型.本系統(tǒng)研究的應(yīng)急資源包括救護(hù)車、消防車、路政巡邏車、交警巡邏車、吊車、清障車和平板車.根據(jù)表1判斷需要調(diào)度的應(yīng)急資源的種類和數(shù)量，事故特點(diǎn)不同決定選用應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度方法的差異性.其中救護(hù)車每傷亡2人1臺(tái)，根據(jù)火勢(shì)大小和是否有危險(xiǎn)品泄漏確定消防車數(shù)量，有危險(xiǎn)品泄漏調(diào)用兩輛消防車，火勢(shì)大小和消防車數(shù)量匹配見(jiàn)表2，消防車總數(shù)等于有無(wú)危險(xiǎn)品泄漏和火勢(shì)大小所需要的消防車之和.

表1 事故級(jí)別和應(yīng)急資源匹配表 輛

表2 火勢(shì)大小和消防車數(shù)量匹配表 輛

2）確定派遣機(jī)構(gòu)類別 本系統(tǒng)研究的高速公路應(yīng)急救援機(jī)構(gòu)類別包括交警部門(mén)、醫(yī)療部門(mén)、消防部門(mén)、養(yǎng)管部門(mén)、公路部門(mén)5個(gè)部門(mén).根據(jù)資源類型通過(guò)表3確定救援機(jī)構(gòu)類別.

表3 機(jī)構(gòu)類別及其擁有的資源類型

3）調(diào)度算法實(shí)現(xiàn) 首先設(shè)置調(diào)度的機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)集合，然后利用ArcGIS Server最近設(shè)施分析算法從L 個(gè)機(jī)構(gòu)集合中選擇距離事故點(diǎn)最近的一個(gè)機(jī)構(gòu)，并使用類Closestfacility成員函數(shù)ResourceIsEnough（）判斷該機(jī)構(gòu)擁有的某資源數(shù)量是否滿足應(yīng)急需求，如果不滿足，則繼續(xù)利用最近設(shè)施分析算法從L 個(gè)機(jī)構(gòu)集合中選擇一個(gè)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是排除上一個(gè)選擇機(jī)構(gòu)后距離事故點(diǎn)最近的機(jī)構(gòu)，以此類推，直到能夠滿足事故應(yīng)急需求，其中函數(shù)ResourceIsEnough（）采用結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn).如果處置過(guò)程中資源需求發(fā)生變化，則修改更新事故信息，利用ArcGIS Web 控件FloatingPanel進(jìn)行調(diào)度資源類型數(shù)量的修改，以便快速補(bǔ)充調(diào)度資源.利用CSS ID 選擇符和javascript函數(shù)設(shè)置FloatingPanel控件顯示位置，同時(shí)將資源類型和資源數(shù)量信息以table形式嵌入FloatingPanel控件中顯示，可以隨時(shí)彈出、移動(dòng)和縮回，實(shí)現(xiàn)救援資源的動(dòng)態(tài)修改和快速補(bǔ)充.

2 高速公路應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)采用3 層結(jié)構(gòu)的基于B／S 模式開(kāi)發(fā).以O(shè)racle 11g為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，利用ArcMap工具實(shí)現(xiàn)地圖切割、地圖圖層添加、圖層顏色形狀設(shè)置、圖層屬性添加、修改、刪除和查詢、標(biāo)簽屬性顯示、網(wǎng)絡(luò)分析、地圖文檔生成等功能；利用ArcCatalog 實(shí)現(xiàn)GeoDatabase地圖數(shù)據(jù)源生成和管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集制作、地圖服務(wù)發(fā)布和管理等功能；利用ArcToolbox實(shí)現(xiàn)地圖切割功能.系統(tǒng)包括應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊和方案評(píng)估管理模塊，實(shí)現(xiàn)事故信息采集、事故地點(diǎn)的準(zhǔn)確定位、調(diào)度路徑的快速生成、調(diào)度機(jī)構(gòu)和調(diào)度資源的可視化顯示和調(diào)度方案的科學(xué)合理評(píng)估.

1）應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊 采集事故信息事故發(fā)生后，接警人記錄報(bào)警人提供的報(bào)警信息如路線名稱、事故地點(diǎn)等，并且隨著事故的進(jìn)一步確認(rèn)和發(fā)展，完善事故信息.

生成調(diào)度方案 通過(guò)分析事故信息（包括事故發(fā)生的形態(tài)，事故級(jí)別，傷亡情況等），按照一定匹配規(guī)則得出需要派遣的應(yīng)急機(jī)構(gòu)和調(diào)度的資源數(shù)量，并在電子地圖中顯示調(diào)度資源的最短路徑、調(diào)度機(jī)構(gòu)名稱等信息.同時(shí)隨著事故信息的進(jìn)一步確認(rèn)及其動(dòng)態(tài)發(fā)展情況，進(jìn)一步生成新的調(diào)度方案，補(bǔ)充新的應(yīng)急資源.

查詢、管理事故信息和管理機(jī)構(gòu)信息 根據(jù)單一條件或組合條件查詢事故信息和機(jī)構(gòu)信息，并對(duì)事故信息和機(jī)構(gòu)信息進(jìn)行編輯、添加和刪除.

評(píng)估調(diào)度方案 應(yīng)急救援以追求響應(yīng)時(shí)間最短、應(yīng)急資源需求滿足程度最高、應(yīng)急成本最小為目標(biāo)，從定性指標(biāo)和定量計(jì)算（包括應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間、應(yīng)急成本等）2個(gè)方面對(duì)生成的調(diào)度方案進(jìn)行評(píng)估，對(duì)存在問(wèn)題的部門(mén)和人員提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以完善調(diào)度方案.

歸檔事故信息 將科學(xué)合理且實(shí)施效果好的調(diào)度方案存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，作為系統(tǒng)以后生成調(diào)度方案的參考，為進(jìn)一步提高高速公路的管理水平提供依據(jù).

2）評(píng)估管理模塊 將已經(jīng)制定的計(jì)劃以列表顯示，查看計(jì)劃內(nèi)的各調(diào)度方案的成績(jī)，并可進(jìn)一步制定針對(duì)一個(gè)或者多個(gè)調(diào)度方案新的評(píng)估計(jì)劃，評(píng)估計(jì)劃和評(píng)估指標(biāo)可以進(jìn)行查找、編輯和刪除.

2.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)ArcGIS介紹

地理信息系統(tǒng)（GIS），是對(duì)有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng).常見(jiàn)的GIS系統(tǒng)中，美國(guó)ESRI公司的ArcGIS以強(qiáng)大的空間分析功能成為最常用的GIS軟件之一.ArcGIS 桌面客戶端產(chǎn)品包括ArcInfo、ArcView、ArcEditor等，這些客戶端有統(tǒng)一風(fēng)格的桌面應(yīng)用ArcMap、ArcCatalog 和Arc－Toolbox.ArcGIS Server是GIS和網(wǎng)路技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，為廣域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)高性能的GIS 功能提供了新的解決方案［3－6］.ArcGIS Server功能分為兩大部分，一部分是它本身是一個(gè)完整的、集成的服務(wù)器端地理信息系統(tǒng)，另一部分為開(kāi)發(fā)者提供了兼容.NET 和Java的Web 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架（ADF）.

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

高速公路應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集創(chuàng)建是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析的前提，.MXD 地圖文檔生成、地圖服務(wù)發(fā)布是地圖可視化顯示的基礎(chǔ)，最近設(shè)施分析、緩沖區(qū)分析、Callback回調(diào)機(jī)制是系統(tǒng)顯示調(diào)度路徑和調(diào)度方案的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上利用ASP.NET 開(kāi)發(fā)環(huán)境，調(diào)用ADF API接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種功能.

1）.MXD 地圖文檔生成 利用ArcMap工具打開(kāi)已包含網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的Geodatabase文件，添加網(wǎng)絡(luò)分析的路徑分析、最近設(shè)施分析功能，并在內(nèi)容表中選中標(biāo)簽要素（label featrues）顯示各屬性要素的名稱.

2）地圖服務(wù)發(fā)布 通過(guò)ArcGIS Manager或ArcCatalog發(fā)布和管理地圖服務(wù).

3）地圖顯示和操作 通過(guò)ArcGIS Web控件Map控件綁定地圖服務(wù)即可顯示地圖，通過(guò)使用Navigation 和ZoomLevel控件實(shí)現(xiàn)地圖的移動(dòng)和縮放功能.

4）最近設(shè)施分析 查找距離某地方最近的醫(yī)院、機(jī)構(gòu)等其他公共設(shè)施.可分為5個(gè)步驟.（1）綁定主機(jī)名、主機(jī)用戶名、登錄密碼、發(fā)布的地圖服務(wù)名，借助ADF 提供的API函數(shù)NAServer－Proxy（）獲取ArcGIS Server發(fā)布服務(wù)的地圖資源數(shù)據(jù).（2）獲取用戶需要分析的地點(diǎn)名稱，根據(jù)地點(diǎn)名稱遍歷地圖所有圖層的要素獲得該地點(diǎn)的地圖坐標(biāo).（3）通過(guò)類NAServerClosestFacilityParams的對(duì)象cfParams設(shè)置最近設(shè)施分析參數(shù).（4）載入需要分析的地點(diǎn)坐標(biāo)和分析的設(shè)施的坐標(biāo).（5）通過(guò)函數(shù)Solve（）分析到達(dá)事故點(diǎn)的最近設(shè)施，并保存分析結(jié)果.

5）緩沖區(qū)分析 ArcGIS Server Web ADF的開(kāi)發(fā)沒(méi)有提供緩沖區(qū)的算法，在ArcObjects中實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)需要調(diào)用ItopologicalOperatork 接口.在ArcObjects中幾何對(duì)象是COM 對(duì)象，在ADF Web Controls中幾何對(duì)象是ValueObjects，需要使用ArcGIS Server提供的Convert進(jìn)行轉(zhuǎn)換.系統(tǒng)在MapResourceManager控件中采用新建Graphic Layers內(nèi)存圖像進(jìn)行緩沖圖形的描繪.

6）Callback回調(diào)機(jī)制 從客戶端通過(guò)XMLHttp方式調(diào)用服務(wù)器斷的代碼，即AJAX 技術(shù).回調(diào)的基本過(guò)程是：客戶端發(fā)出請(qǐng)求、服務(wù)器端響應(yīng)請(qǐng)求并處理、服務(wù)器端以字符串的格式返回客戶端、客戶端使用javascript函數(shù)接收字符串、指定控件被更新.

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面如圖2所示.

圖2 動(dòng)態(tài)調(diào)度界面

3 結(jié)束語(yǔ)

基于現(xiàn)有的國(guó)家、省部級(jí)等應(yīng)急處置系統(tǒng)和交通應(yīng)急管理與處置系統(tǒng)，以未來(lái)交通應(yīng)急管理與處置信息化、智能化、高效化為目標(biāo)，立足于高速公路交通流量大、車速快、事故傷亡率和經(jīng)濟(jì)損失大的特點(diǎn)，圍繞交通安全需求，總結(jié)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，提出了高速公路重特大交通 事故的應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，設(shè)計(jì)了高速公路應(yīng)急資源調(diào)度方案，并借助ArcGIS Server為.NET 平臺(tái)提供的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架（ADF），實(shí)現(xiàn)了基于ArcGIS Server的高速公路應(yīng)急資源動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)軟件，為高速公路應(yīng)急事故處置提供輔助決策支持.

［1］濮居一.高速公路重大事故應(yīng)急救援資源調(diào)度方法研究［D］.南京：東南大學(xué)，2008.

［2］秦小虎.城市交通緊急事件處理與安全系統(tǒng)模型及應(yīng)用研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2005.

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