基于系統動力學的三峽庫區水上突發事件應急救援效率研究*

余 昊 楊家其 趙學彧 尹 靚

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

基于系統動力學的三峽庫區水上突發事件應急救援效率研究*

余 昊 楊家其 趙學彧 尹 靚

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

基于三峽庫區水上突發事件救援特點及其應急救援流程，分析了救援要素間的因果關系，建立三峽庫區水上突發事件應急救援系統動力學模型.利用Anylogic仿真平臺對模型進行模擬，探討不同要素對水上突發事件應急救援效率影響的變化規律，提出了提高三峽庫區水上突發事件應急救援效率的相應措施.

系統動力學；水上突發事件；應急救援效率

0 引 言

三峽庫區自然河段河漕狹窄，礁石林立，水流湍急，通航條件十分惡劣，庫區內因蓄水、消落導致水位變幅大，霧多水深，風浪較大，地災險情突出，通航環境復雜多變.三峽庫區頻繁發生水上突發事件，應急救援效率顯得越來越重要，日趨嚴峻的內河安全形勢對庫區水上應急救助效率提出了更高的要求[1].

目前，針對突發事件應急救援研究，主要集中在協同調度優化、應急資源配置、應急基地選址等方面，在應急救援系統運作效率方面的研究相對較少.陳金晶[2]提出由事故層、水上機動救助層、集結層和供應層構成的水陸多層級應急物資協同調度網絡對水上應急救援進行研究；孔欣欣[3]基于長江重點航段水陸地理環境從應急資源組合規劃和資源運輸兩方面展開應急資源調度研究.在其他領域的應急救援研究中，很多學者使用系統動力學模型對應急資源的運輸系統進行了研究.儲文功等[4]對應急藥品供應進行了系統分析,建立了系統動力學模型,為突發事件應急藥品供應提供政策支持.楊凱等[5]在分析國家戰略物資儲備控制機理和各要素間的因果關系的基礎上,建立了戰略物資儲備控制系統動力學仿真模型,得出在不同影響因素條件下的戰略物資庫控制的運行規律,分析了不同要素對戰略物資儲備控制的影響.然而，使用系統動力學模型對水上突發事件應急救援的研究卻很少，因此，文中通過分析三峽庫區水上突發事件各影響因素間因果關系，建立了系統動力學模型來研究系統應急救援的效率問題.

1 三峽庫區水上突發事件應急救援特點及流程

定義三峽庫區的起點是江津紅花磧(長江上游航道里程723 km)，終點是宜昌中水門(長江上游航道里程3.5 km)[6].三峽庫區水上突發事件具有突發性、受地形水文氣候影響較大、救援不便、生態影響巨大等特點，因此，在三峽庫區進行水上突發事件應急救援需要考慮諸多因素.

三峽庫區水上救援力量分為專業搜救力量和社會搜救力量.專業搜救力量主要包括政府應急隊伍和海事部門應急搜救部門，而社會搜救力量主要包括專業打撈公司、過往商船，以及小型船舶.考慮到長江的狹水道離岸比較近、交通繁忙過往船舶多、嚴重災害性天氣的預防相對容易、相應的搜救難度比較小以及國家投資的局限性等特點，三峽庫區直屬海事機構直接負責內河水上專業搜救，實行“巡航救助一體化”運行模式.三峽庫區發生水上突發事件后，負責事故點管轄區域的巡航救助執法大隊通知上級海事機構，啟動應急處置預案，調動應急力量，及時發布航行通告.與此同時，包括民用船、搜救企業、社會團體，以及個人等在內的社會救援力量，對事故點進行先行救援，并做好配合后期政府救助力量進行救援的準備.根據事故等級，職能部門確定水上應急指揮機構，且由應急指揮機構對事故信息進行評估與處理，根據國家標準下達救援命令，派遣人員進行救援.

2 三峽庫區水上突發事件應急救援系統動力學模型

2.1 系統動力學應用于三峽庫區水上突發事件應急救援的可行性

系統動力學模型可以用來模擬政策影響后果和系統響應行為，著重于描述系統結構，強調系統發展過程中的行為和發展趨勢，因此更適合于中長期系統的發展研究，其主要目的是為實際問題改進或設計策略，并可以借助仿真技術來進行社會經濟的政策模擬實驗[7-9].三峽庫區水上突發事件應急救援效率的問題，其實就是研究應急救援中各個因素組成系統并協同救援的效率問題.根據三峽庫區水上突發事件應急資源配置流程分析可知，三峽庫區水上突發事件的救援過程是一個較為復雜的系統工程，各因素的相互作用決定著應急救援的效率.因此可將系統動力學用于三峽庫區水上突發事件應急救援效率的研究上.

2.2 系統邊界確定

選擇系統邊界的原則是保證仿真所解決的問題可以被回答，因此，此過程需確定系統包含的重要系統要素.根據三峽庫區水上突發事件應急救援流程分析可知，針對水上突發事件的應急救援過程是一個較為復雜的系統工程，各因素的相互作用決定著應急救援機制的效率以及模型的運行結果.文中建立系統動力學模型就是為了在分析三峽庫區水上突發事件應急救援各要素之間的關系的基礎上，找出影響三峽庫區水上突發事件應急救援的重要因素，從而提高三峽庫區管轄范圍內水上搜救部門在發生突發事件后的救援效率，為水上搜救工作提供可行、高效的方案.因此，根據建模目的，研究的系統模型的邊界包含以下內容：事故受災程度、事故等級、事故種類、專家評估、自然因素影響率、水上報警系統、監控系統、災情擴散程度、災情影響范圍、儲備基地數量、救援航道里程差異度、儲備基地物資量充足度、信息化程度、機械數量、單位機械貨物裝載速度、機械現代化程度、救援艇行駛速率、救援航道里程、救援艇運量、救援艇數量、事故點應急物資需求量、航道管制力度等參數.

2.3 因果關系分析

因果關系模型用于分析研究對象系統內部各因素之間的影響關系.系統的每個子系統都有自己的結構特點和獨特的功能，其中一個子系統的輸出是其他子系統的輸入，各子系統之間互為因果，彼此聯系.針對水上應急救援機制的研究可以分為二個層面來進行分析.第一個層面是在獲取事故發生信息之后，各部門進行協同合作與分工，進行救援準備工作，做好信息處理與分析工作，根據實際情況對事故等級做出評判，對應急物資量進行估算，并責令相關部門進行應急物資的運輸.第二個層面是儲備基地在獲得應急救援機構的救援命令后，根據事故點的應急物資需求量，儲備基地向事故點運輸應急物資.根據水上應急救援機制，對應急救援系統之間制約因素的關系進行描述，建立因果關系圖，見圖1.圖中“+”表示箭頭指向的變量隨箭尾源變量的增加而增加，“-”表示箭頭指向的變量隨箭尾源變量的增加而減少.

2.4 因果關系子系統機制分析

系統的結構決定了系統的行為.根據系統因果關系圖，可確定如下幾個子系統的要素與結構關系.

1) 協同應急救援系統 系統根據觀察事故信息流的流動來描述應急救援協同救援的過程.事故發生之后，包括事故種類、事故受災人數和事故等級在內的事故信息首先傳遞到事故信息接收機構.在傳遞過程中，有三種方式的傳遞方式會影響事故信息的傳遞速率，分別是：目擊者報警速度、船舶報警速度，以及監控系統反應速度.其中，受自然因素的影響，目擊者報警會發生不同程度的延遲，從而目擊者報警速度會受到影響.目擊者報警速度表達為

(1)

式中：vi為目擊者報警速度；vj為正常目擊者報警速度；fr為自然影響率.

圖1 三峽庫區水上突發事件應急救援因果關系圖

事故信息接收機構在接收到信息后，隨即召集專家成立專家小組對事故信息進行評估.在此過程中，專家評估情況、災情擴散程度，以及事故信息都會影響事故信息的評估速度.

(2)

式中：fs為事故信息評估率；fz為專家評估率，即專家評估情況；pz為災情影響范圍程度，即災情擴散范圍情況描述；pk為災情擴散程度.

在對事故信息做出準確評估后，應該即刻將信息傳遞到事故信息處理機構，立即進行救援，并按照事故等級向上級匯報.

(3)

式中：fc為事故信息處理率；px為信息化程度；pw為儲備基地物資量充足度；pc為救援航道里程差異度；I為儲備基地數量.

在此模型中，假定事故點與儲備基地之間的航距為事故點所在長江斷面寬度的一半，所以事故點的位置也會影響救援指令的下達，救援航道里程差異度的數值為救援航道里程與事故點所在長江斷面寬度一半的比值.同時，儲備基地信息化程度、儲備基地數量以及儲備基地應急物資量充足程度都會影響事故信息的處理速度.

2) 應急物資供需系統 水上突發事件發生之后，應急救援機構根據事故點等級等情況來確定事故點對應急資源的需求，儲備中心在接收到救援指令之后，按照事故點的需求進行應急資源的供應，此時的事故點需求量等于儲備基地供貨量.由于水上突發事件可能繼續發展，事故點應急物資量的實際需求會變大，此時應該及時反饋給儲備中心，儲備中心再次進行應急物資的運輸.

(4)

3) 應急物資運輸系統 儲備中心接收救援指令后，按照搜救指揮中心的要求，對救援物資進行裝載，裝載完畢后在岸邊集結，并快速發往事故點.應急物資在裝載過程中，系統效率會受到物資裝載速度和裝載延遲的影響，裝載量則及裝卸機械的性能與機械數量有關，裝卸機械性能的相關因素包括機械現代化程度與單位機械貨物裝載速度.

(5)

(6)

式中：vz為物資裝載速率；pj為機械現代化程度；B為機械數量；vd為單位機械貨物裝載速度.

應急物資在運輸的過程中，由于救援艇行駛速率的變化，應急物資的運輸速度會受到一定的影響.航道管制力度、航道通行能力以及航道自然環境因素會影響航道水平，航道水平和救援艇數量決定著航道擁擠度.物資運輸速度由救援艇運量、救援艇數量、航道擁擠度、救援艇行駛速度以及救援航道里程共同決定.

(7)

式中：py為航道擁擠度；vt為救援艇行駛速度；V為救援艇數量；Mv為救援艇運量；S為救援航道里程；vy為救援物資運輸速率.

(8)

式中：ph為航道水平；pb為標準通行能力；fh為航道自然環境系數；pg為航道管制力度.

(9)

式中：py為航道擁擠度；V為救援艇數量.

2.5 系統動力學流圖分析

根據上述因果關系分析，建立三峽庫區水上突發事件應急救援SD模型的流圖，見圖2.

圖2 三峽庫區水上突發事件應急救援系統動力學模型流圖

3 三峽庫區水上突發事件應急救援機制系統動力學模型仿真

3.1 模型參數設定與模型假設條件

三峽庫區水上突發事件應急救援過程中影響因素設定的根據是三峽庫區水上突發事件實際救援的參數值.模型中的變量參數輸入如下：事故等級、種類、事故受災程度取決于事故具體信息；專家評估取1；假設天氣狀況良好，自然因素影響率為1；救援航道里程為500 m；儲備基地數量為1；設事故發生在長江斷面中心，則救援航道里程差異度為1；儲備基地物資充足度為1；現代化程度能滿足現實要求；救援艇行駛速度為20～40 km/h；救援艇數量為2輛；救援艇運量為每輛救援艇20單位；出貨延遲沒有延遲；儲備基地物資充足；航道通過能力能滿足救援艇數量；航道管制根據事故等級來確定.

三峽庫區水上突發事件應急救援過程中的影響因素有很多，不能對其所有的影響因素進行仿真，因此，僅考慮重點因素，對救援過程進行假設：①儲備基地儲備物資種類數量可以滿足事故點的需求；②儲備基地距岸邊距離忽略不計；③事故點可實時接收應急資源，并及時向儲備中心反饋物資需求；④救援艇運行狀況良好，燃油充足，駕駛員狀態良好，救援艇時速與載運物資種類無關；⑤救援過程中各環節信息暢通；⑥事故點與儲備基地之間的航距為事故點所在長江斷面寬度的一半.

3.2 仿真實驗及結果分析

設定模型參數之后，利用Anylogic仿真軟件對三峽庫區水上突發事件應急救援仿真模型進行模擬.通過50次仿真模擬，得到信息量，信息化完善度，社會投入力度，救援艇數量與航道管制力度等因素對系統響應時間的影響規律.

通過仿真實驗得到了系統響應時間分別與事故信息量、事故信息接收機構信息量、事故信息評估機構信息量和事故信息處理機構信息量的關系，見圖3.系統響應時間經歷40 min，事故信息量由100單位信息降為0，事故信息流量由事故點流經事故信息接收、事故信息評估與事故信息處理，完成系統信息流量的流動；由事故點傳送到事故信息接收機構的信息量由0增長至100單位信息，并立即傳送至事故信息評估機構進行信息評估；傳送到事故信息評估機構的信息量由0增長至100單位信息，隨即將事故信息傳送至事故信息處理機構進行信息處理；傳送到事故信息處理機構的信息量由0增長至98單位信息，并立即發出救援指令對事故點進行救援.在信息傳遞過程中，有2單位殘余的信息未傳遞到系統末端，而殘余的量就意味著時間延遲.

同時由多次仿真實驗可以發現規律，系統運行了t個時間單位時，事故信息接收機構還殘余N′個單位信息量未傳送到下一機構，事故信息評估機構也殘余P′個單位信息量未傳送到下一機構，事故信息處理機構的信息量為K′,且事故信息量M=N′+P′+K′.由此驗證了事故信息量等于事故信息接收機構信息量、事故信息評估機構信息量和事故信息處理機構信息量的和.

圖3 信息量與響應時間關系

影響事故信息處理率的因素很多，信息化程度是最重要的因素之一.在考慮信息處理反饋的情形下，創建信息化完善度(CR)參數變化實驗.實驗結果見圖4.由圖4可知，隨著CR值的增大，到達目標信息量(10個單位信息量)的響應時間越短.這說明信息化程度越高，事故信息處理率越高，救援信息處理機構的響應時間越小，救援效率越高，系統協作效率越高.

圖4 信息化完善度參數變化圖

同樣，創建機械現代化程度參數變化實驗，亦可得到結論：隨著參數值得增大，到達目標信息量的響應時間越短(圖略).這說明，機械現代化程度越高，救援機構響應時間越小，救援效率越大.

事故信息傳遞率的影響因素包含三部分：分別是目擊者報警、船舶報警系統和水上監控系統，每個影響因素對系統的影響程度不同，通過單獨改變這三種影響因素的大小可以改變系統響應時間，而影響因素的大小可以歸因于社會投入力度的大小.根據仿真數據實驗，繪制三種因素的社會投入力度與系統響應時間的關系見圖5.

圖5 社會投入力度與響應時間關系圖

由圖5可知：①社會投入力度越大，系統響應時間越短，則系統效率就越高；②3種因素的社會投入力度曲線會相交于一點，稱為均衡點.當社會投入力度小于A0時，影響因素影響下的系統響應時間由大到小分別為目擊者報警、水上監控系統和船舶報警系統.當社會投入力度大于A0時，影響因素影響下的響應時間由大到小分別為目擊者報警、船舶報警系統和水上監控系統；③隨著社會投入力度的改變，對目擊者報警影響下的響應時間影響較小，對水上監控系統與船舶報警系統較大；④社會投入力度增加相同量，響應時間變化率最大的是水上監控系統.

圖6為救援艇數量與系統響應時間關系圖，由圖6可知，在救援艇數量在一定范圍內上升，系統響應時間會下降，當救援艇數量到達平衡點時，系統救援時間便不會改變，這是因為應急救援等級評估之后，所需救援物資再某種意義上是定量，過多的救援艇會造成浪費并且不會被利用到，系統響應時間也就不會改變.

圖6 救援艇數量與系統響應時間關系圖

圖7為航道管制力度與系統響應時間關系圖，由圖7可知，在一定范圍內，隨著航道管制力度的提升，系統響應時間會隨即減少.當航道管制力度到達平衡點A時，事故點附近將實行全面管制，系統響應時間將保持恒定，此時救援過程將不會受航道非救援船舶影響.

圖7 航道管制力度與系統響應時間關系圖

4 結 論

1) 救援系統信息延遲的不可避免性 在信息傳遞過程中存在著不可避免的時間延遲.時間延遲在實際中指的就是突發事件發生之后，信息由初始部門傳遞到最終部門過程中系統的協同工作是傳遞式協同(部分協同)，并不能做到完全協同.

2) 救援機構救援層級的減少可提高救援效率 水上搜救機構越早介入救援，救援效率會越高.所以，應當適當減少不必要應急機構內部行政環節，專業應急搜救機構應盡早進入救援環節.

3) 現代化水平的提高可增強水上救援效率 三峽庫區海事部門應該提升水上監控系統的現代化水平以及提升船舶報警裝置水平，在國家投入允許的條件下增加設施裝備數量，淘汰性能落后救援艇，提高儲備基地專業化程度，從而提高救援效率.

4) 航道管制的必要性 特定條件下，進行航道管制是有必要的.一定程度的交通管制是可以減少系統響應時間，提高系統救援效率.

文中的一些研究結果可為三峽庫區水上突發事件應急預案與水上安全管理提供有益的參考.例如，在突發事件發生后減少管理部門在救援過程中的層級可以更快地對事故點進行全方位的應急救援；兼顧水上突發事件的發現手段，適度提高水上報警系統與船舶報警系統的效率；提高救援過程中的信息化程度與機械現代化程度等.在今后的研究中，我們會考慮應急資源調配與儲備中心選址等多方面因素，期望能較好地解釋水上應急救援與資源調配過程中的運輸問題，并應用于更普遍的水上應急交通研究中.

[1]國務院“東方之星”號客輪翻船事件調查組.“東方之星”號客輪翻沉事件調查報告[EB/OL].[2015-12-30].http://www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_21356/2015/1230/262992/content_262992.htm.

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Research on the Efficiency of Emergency Rescue in the Three Gorges Reservoir Area Based on System Dynamics Simulation

YU Hao YANG Jiaqi ZHAO Xueyu YIN Liang

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

The characteristics of emergency rescue in the Three Gorges Reservoir Area and the process of emergency rescue are introduced, and then it analyzes the causality between the elements influencing water emergency rescue system. A dynamic model of water emergency rescue system of Three Gorges reservoir is established. By using Anylogic simulation platform to simulate the model, some change trends on response time of water emergency rescue are obtained under the influence of different factors in the system. Finally, the corresponding measures to improve the efficiency of emergency rescue in the Three Gorges Reservoir area are put forward according to these trends, and it provides practical basis for emergency rescue management in the Three Gorges Reservoir area.

system dynamics; water emergency; emergency rescue efficiency

2017-01-17

*國家自然科學基金項目資助(51279153)

U698.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.020

余昊(1990—)：男，博士生，主要研究領域為應急交通