應急物資儲備庫選址及調運模型研究綜述

羅振敏, 齊柯, 程方明

(1.西安科技大學安全科學與工程學院， 西安 710054； 2.陜西省工業過程安全與應急救援工程技術研究中心，西安 710054； 3.陜西省煤火災害防治重點試驗室， 西安 710054)

近年來，隨著社會的發展和科學技術的進步，自然環境與城市安全形勢更加復雜嚴峻，各類嚴重自然災害、事故災難、公共衛生事件和社會安全事件等突發事件頻發。及時有效地將應急物資送往受災地區是挽救受災人員生命以及應對突發公共事件的有力措施，應急物資儲備庫選址和調運問題一直以來是學者們研究的熱點課題。

更趨復雜的自然氣候條件以及日益嚴重的環境污染問題給城市公共安全管理提出了更高的要求，從1998年張北地震[1]到2008年汶川地震[2]，再到近幾年新冠肺炎疫情[3]的爆發，各種突發性公共事件的影響范圍越來越廣泛，后果越來越嚴重，由于其突發性和不確定性[4]，給受災地區的發展帶來了重大的負面影響[5]，同時也暴露出應急物資儲備庫的選址和調運過程中所存在的問題。發生突發事件時，受災人員可能因物資供給不足，尤其是食物和飲用水的不足而使生命受到威脅，需要及時將救災物資準確、有效地配送到受災地區。科學的應急物資儲備庫選址才能有效補充應急物資，盡可能減少災區所需物資調配的運輸路程，現場救援更是爭分奪秒，應急物資的調運效率會直接關系到救援任務的成敗，也是救援過程需要考慮的重要環節。如何有效預防和應對突發事件，已成為政府部門面臨的重大挑戰，如何對應急物資儲備庫進行選址以及災情發生時如何將應急物資調運至災區是此類應急管理面臨的主要挑戰。針對此類問題，應急管理部要求提高災害防治能力，建立健全應急物資儲備庫以及加強對災區的救援，進一步推動了應急物資儲備庫及調運體系的相關研究工作。

前人針對應急物資選址模型、調運模型以及選址和調運模型進行了大量的研究，但其還存在一些不足的地方：選址及調運模型的動態分析；多種目標相結合的模型構建；更快速有效的算法；受災人員角度的關注。首先對應急物資選址影響因素及模型研究分析，其次從分階段物資調運、多目標規劃調運、不確定信息調運三個角度分析應急物資的調度模型，再對應急物資儲備庫選址及調運一體化模型進行分析總結，結合所存在的問題，從動態性、多元化、智能化、人性化等方面展望應急物資儲備庫選址及調運模型的未來發展方向。旨在為構建現代化應急物資儲備及調運體系提供參考。

1 應急物資儲備庫選址研究現狀

1.1 應急物資選址影響因素

應急物資儲備庫選址是一個復雜的過程，為了系統合理的規劃布局，需要充分考慮應急物資儲備庫選址的影響因素。學者們從人口、經濟、環境、交通等方面考慮儲備庫選址影響因素，具體歸納如表1所示。

根據《救災物資儲備庫建筑設計依據》，中國將應急救災物資儲備庫分為中央級、省級、市級、縣級四類。基于文獻研究總結，對于中央級儲備庫選址，郗蒙浩等[6]考慮了地區人口分布、經濟條件、交通狀況和多重覆蓋等綜合因素對儲備設施選址的影響；對于省級儲備庫選址，王芳等[7]綜合考慮儲備地的歷史地震災害、人口密度、經濟水平、交通通行能力、易救助人口，確定各備選點權重，對河北省地震災害救災物資儲備點選址進行了優化；對于市級儲備庫選址，朱莉等[8]、彭春等[9]考慮了救援中心所在區域的經濟發展水平、自然地理位置、物流發達程度、受災害影響程度、綜合交通可達性、基礎設施競爭力、應急政策關注度等因素，使儲備庫位置到達災區的運輸時間最短；對于縣級儲備庫選址的相關研究較少；也有部分學者[10-13]進行多級層面的選址研究，綜合考慮四個層級，覆蓋面更加廣泛。

表1 應急物資儲備庫選址影響因素

綜上所述，應急物資儲備庫選址無論是在中央級，還是在省級、市級、縣級，均需考慮人口、經濟、成本、交通、自然環境等因素，其目的均是在有限的物資條件和短暫的時間約束下，能夠合理地將物資快速分配到災區。現有研究大多側重于應急物資儲運過程的某些影響因素，然而，只有全面考慮各類影響因素，進行綜合分析，才能得到更為合理的選址方案。

1.2 應急物資儲備庫選址模型

應急物資儲備庫選址是保障救援工作所需各種物資供應的基礎，合理選址可有效提高應急物資的供給效率。國內外學者對應急物資儲備庫選址模型進行了大量的研究。在研究應急救災物資選址問題時，需要運用合適的模型算法進行求解。具體分析如表2所示。

表2 應急物資儲備庫選址模型分析表

從表2文獻分析中可以看出，層次分析法在應急物資儲備庫選址研究中使用較多。大量研究表明，層次分析法作為一種評估方法具有計算煩瑣及易出現不一致等缺陷，文獻[14-16]使用改進的層次分析法對應急物資選址模型進行研究。張敏等[17]選取數據包絡法對新增中央儲備庫的不同建議選址方案進行選址合理性評估。另外，利用計算機程序進行相關算法的設計，使用較多的算法包括遺傳學算法[8]、基本效用系數法和單位成本效用法[18]、啟發式算法[19-21]、層次聚類分析-改進重心(hierarchical clustering analysis-improved center of gravity, HCA-ICG)[22]、帶精英策略的非支配排序遺傳算法[23]、多目標決策方法[24]、免疫非線性算法[25]、粒子群算法[26]、基本功效系數法和單位成本效用法[27]、基于彎曲分解的兩階段隨機規劃[28]、多目標混合整數規劃算法[29]、耦合Dijkstra算法的分層序列法[30]。以上算法可分成評估方法、數學算法、啟發式算法三類，層次分析法、數據包絡法屬于評估方法，層次聚類分析、多目標規劃算法、Dijkstra算法等屬于數學算法，遺傳算法、粒子群算法等屬于啟發式算法，從時間順序看，評估方法是使用較早的一種方法，由于其主觀因素較強，后面使用數學算法和啟發式算法的較多，三種方法應用在應急物資選址模型的優缺點如表3所示。關于應急物資儲備庫選址的具體算法，大部分學者使用單一算法進行求解，將不同算法結合起來彌補各自缺陷的算法較少。大數據時代已經到來，智能數據庫的研究也逐漸走進應急管理領域，但在模型研究中的數據多是傳統數據，采用大數據類型較少，準確性有待進一步提高。

表3 應急物資調運模型算法分類及優缺點

在應急物資儲備選址的優化指標中，大多數以時間、成本、安全等為主，而以受災人員需求滿足率以及公平性為指標的研究較少。大多數研究是從相關部門的角度分析，從受災人員角度分析的不多，但受災人員掌握主動權可以相對緩解災情帶來的傷害。多數學者分析儲備庫選址均是基于靜態信息，而實際大部分災情是動態發展的，采用動態信息進行選址分析更加具有現實意義。關于應急物資儲備點的評價分析，部分評價方法如層次分析法、(technique for order preference by similarity to ideal solution, TOPSIS)法、數據包絡法均需要進行打分，其評價過程受人為因素影響較大，客觀性較差，而遺傳學算法等算法利用計算機軟件設計算法，通過算法的不斷計算找出最優解，可以減少人為計算過程的工作量以及避免出錯，但其容易出現陷入內部循環，無法得到驗證等缺陷。因此，可從評價過程入手進行改進，使用科學客觀的評價方式，減少人為因素的影響，在加強計算機專業算法應用的同時，也需要強化邏輯，從根源入手改善程序，從而得到最合適的選址方案。

2 應急物資調運模型研究現狀

應急物資調運研究在應急救援過程起著至關重要的作用，國內外學者對應急物資調運過程進行了大量研究，調運模型不斷得到優化，以下從分階段調運、多目標規劃調運和不確定信息調運三個方面對應急物資調運模型的研究現狀進行分析總結。

2.1 分階段物資調運

在突發事故發生時，應急物資的調運是一個階段性的過程，國內外許多學者將整個過程分階段研究，對搶險救災具有重要的現實指導意義。段容谷等[31]以損失最小及物資分配總距離最短為目標，建立了不同階段應急物資分配優化模型；Guo等[32]構建了基于準備階段、應急救援響應和應急災害重建的物資調運模型；余得水[33]針對災情分為72 h前和72 h后，建立應急物資調運模型；Yang等[34]提出了一個兩階段的方法來解決車輛路線和救濟分配的問題；一些學者[35-41]構建兩階段的隨機規劃調運模型；還有部分學者[42-43]將應急物資的調運過程分為若干階段，構建動態規劃模型求解方案；班亞[44]構建了應急物資調度初期和中期不同階段的模型；朱建明等[45]、王妍妍等[46]構建應急物資多階段調度模型。

國內外學者針對災情對其階段劃分，構建動態以及靜態模型，在理論方面有一定的成果，分階段的模型側重于研究配送空間(兩級、多級運輸網絡)或時間的劃分對模型結果的影響。在災害發生時，按照階段對災害進行應急物資調運對于縮短應急救援時間以及減少人員傷亡和財產損失有著十分重大的意義。

2.2 多目標規劃調運

學者們在研究應急物資的調運過程時，大部分考慮了多目標的調運模型求解方案。文獻[47-52]以時間最短和公平分配物資為目標建立調運模型；文獻[53-56]提出了時間最短、成本最低的應急物資調運模型；文獻[57]則考慮時間、成本以及公平的目標；文獻[58-61]以應急物資輸運時間最短與物資分配心理滿意度最高為優化目標構建調度模型；文獻[61-63]以滿意度最大和成本最低為目標；文獻[64-65]以最大化滿意度，最短化時間以及最低化成本為綜合目標構建調度模型；文獻[66-67]針對多個受災點，以運輸路徑最短為目標。

多目標規劃模型側重于研究不同的目標選擇，如配送時間、設施成本及災民滿意度等對模型結果的影響。研究者大多數以時間最短、成本最小為目標建立模型求解，少部分考慮到應急車輛等待、車輛往返路程等。受災人員的滿意度、覆蓋人口最大化等目標是物資分配公平的體現，行程最短以及出救點數量最少等目標是時間和成本的體現，所以學者們以時間、成本、公平為目標構建應急物資多目標規劃模型，兩兩組合以及三者組合起來進行研究，體現出時間、成本、公平是應急物資調運過程中必不可少的三個因素。

2.3 不確定信息調運

在實際救援任務中，往往有許多信息是不確定的，僅僅研究確定信息在實際多變的救援情況下是比較片面的。近年來，由于應急需求的迫切性，國內外學者對不確定信息調運模型的研究愈漸深入。文獻[68-70]考慮需求未知的情況下研究應急物資調運問題；文獻[71]考慮了動態需求、產能約束和優先事項不確定的動態模型對災后救災物資的調配問題；文獻[72]對具有時間、成本等不確定信息的可持續多車場應急調度問題進行了探索；文獻[73]確定在疏散人口、時間窗和森林火災傳播的不確定性下所需的車輛、調度和路線；文獻[74]在傷情隨機惡化和運輸時間不確定情境下研究應急物資的調度問題；文獻[75-76]實現不確定條件下的物資分配問題；文獻[77]建立需求量、車輛運輸時間、單位成本不確定信息的模型進行調度求解；文獻[78]引入區間數來描述調度決策中的不確定因素，建立最小化決策模型。

包含不確定信息的模型，如魯棒模型、隨機規劃模型、模糊規劃模型等側重于研究如何表征救援中的不確定信息，使救援結果能最大程度貼近實際情況。過去，有關應急物資分配的研究大多停留在單階段不確定性決策和多階段確定型決策的層面上，近年來，部分學者開始關注需求的動態變化特征，根據不確定信息建立調度模型，對應急物資運輸更加具有實際意義。

通過對分階段物資調運、多目標規劃調運、不確定信息調運三類模型的分析，可見對于應急物資在分階段調運研究中，大部分學者對應急物資調運過程的階段劃分較為模糊，且較少使用符合實際的動態模型。對于應急物資在多目標規劃調運研究中，大部分學者直接或間接地將多目標模型轉化為單目標模型，這種求解方案相對簡單，但未實現真正的多目標優化。對于應急物資在不確定信息的調運研究中，在對不確定性信息求解模型時，穩定性相對較差，可對其穩定性進一步優化。三類模型相結合研究，同時考慮分階段、多目標、不確定信息的調運模型更加具有指導意義。

3 應急物資儲備庫選址及調運聯合模型研究現狀

近年來，突發事件的不斷發生和應急管理部的成立要求該方向的研究更加完整和嚴謹化，將應急物資儲備庫選址及調運模型一體化研究是學者們的重點研究對象，合理的應急物資儲備庫位置是應急物資及時供給到受災點的關鍵，應急物資能否快速運達受災點又是對儲備庫位置是否合理的校驗。應急物資儲備庫選址及調運模型分析如表4所示。

國內外學者對應急物資儲備庫選址及調運模型綜合研究，考慮到整個系統的影響因素。在算法上使用混合算法，在一定程度上提高了算法的精準度。災情階段分為災前和災后階段，國內外學者多是對災前階段的準備工作進行大量研究，而面對災后階段的突發狀況，如儲備庫受損、部分物資不足等的研究較少。對于實現不同目標的研究中，學者們考慮到時間、成本、滿意度、路線最優等目標，雖然學者們對這些進行了大量的研究，但大多數目標只能針對某個災情階段，在不同階段優先考慮的目標也是不相同的，比如，在災情初期應考慮時間因素為主，在災情后期，時間可作為次要因素，成本因素轉為主要因素。在應急物資儲備庫選址和調運模型中，模型中的各種因素多是靜態的，與實際災情中的動態發展有一定的出入。

表4 應急物資儲備庫選址及調運模型分析表

4 發展方向

應急物資儲備庫選址和調運模型研究雖然已積累了豐富成果，但仍需不斷提升以適應新時代應急管理需要。對中國知網中的文獻搜索查詢“應急物資”“選址”“調運”等詞，對2021年12月以前的407篇文獻進行整理，運用Citespace軟件進行關鍵詞圖譜分析，如圖1所示。應急物資、應急物流、選址、物資調運等詞出現的頻次較高且分支較多，是近些年來研究的熱點，動態調運、智能算法、多目標等詞在近幾年出現的頻次較高，是目前研究的重點對象，結合以上分析以及關鍵詞圖譜分析從以下四個方面對未來發展方向進行展望。

圖1 應急物資選址及調運關鍵詞圖譜Fig.1 Keyword atlas of emergency material site selection and transportation

(1)建立適應全災種多場景的應急物資動態選址及調運模型。在應急物資儲備庫選址和調運過程研究中，以靜態模型為主的優化結果僅能滿足某一類場景的需要，而實際救援救助過程中不同的災害類型、受災人員的需求、道路的變化等條件都是動態的，考慮多災種場景變化的動態優化模型才能適應應急救援過程的實際需要。

(2)考慮多指標結合的統籌優化模型。應急物資調運模型應同時關注分階段調運、多目標規劃調運和不確定信息調運。采用階段劃分模型確立科學的時間節點，在考慮時間、成本、公平的一級目標基礎上，構建多目標統籌的指標體系，全面考慮二級、三級目標，充分考慮調運過程的不確定信息，不斷優化應急物資調運模型。

(3)探索更快速有效的算法。過去發生災害事故的應急處置救援過程相關數據缺失嚴重，智能算法無法發揮優勢，隨著信息化技術的發展，災后應急的信息留存和數據庫建立逐漸完善，可充分利用大數據分析，引入智能算法精準預測應急物資需求量等關鍵決策信息，基于動態地災情數據、承載體信息和交通運行數據等信息，提升應急物資儲備庫選址和調運模型算法的求解精度和收斂性。

(4)關注以受災人員為研究核心的模型。以往研究多是從支撐政府相關部門救災工作的角度考慮，應急物資多考慮受災人員的基本保障需求，為體現“人民至上，生命至上”，應急物資選址及調運的研究應加強受災人員相關要素的關注度，根據受災人員對物資種類、數量、時間等方面的需求進行調運優化研究，提高災后救助的人性化水平。

5 結論

(1)在應急物資儲備庫選址方面，對相關文獻進行了回顧與整理，從中央級、省級、市級、縣級四個方面總結了應急物資儲備庫選址的影響因素，并從具體算法、災情階段、優化指標、關注角度以及信息狀態等多個維度分析模型并提出存在的問題，為應急物資儲備庫選址模型研究提供參考。

(2)在應急物資調運模型研究中，整理了救災過程不同階段建立的分階段調運模型，分析了以時間、成本和公平性為目標建立的多目標規劃調運模型，梳理了基于不確定信息建立的不確定信息調運模型。總結出應從多方面考慮應急物資調運模型，建立分階段、多目標的不確定信息應急物資調運模型，豐富其研究視角和內容。

(3)基于應急物資儲備庫選址和調運模型現狀的研究總結，從動態性、多元化、智能化、人性化等方面展望了其發展方向。建立適應全災種多場景的應急物資動態調運模型，考慮多指標結合的統籌優化研究，建立更充分的數據庫，加強受災人員相關要素的關注度，不斷優化應急物資儲備庫選址和調運模型研究，協助綜合防災規劃與減輕突發事故造成損失工作的開展。