瓊州海峽海域應急救援船舶優化配置研究

陳 寧 方曉靚

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學海南研究院2) 三亞 572025)

0 引 言

研究、實施瓊州海峽應急救援資源優化配置，增強應急保障能力，對促進瓊州海峽船舶運輸發展，助力海南自由貿易港建設具有重要現實意義.當前，資源配置研究主要集中在資源承載力評定[1]、資源配置效果評價[2]、資源庫存控制策略研究[3]、資源優化配置方法等方面，而應急救援船舶配置作為資源優化配置的重要部分，近年來有較多研究成果.陳曉旭等[4]以目標響應能力、覆蓋范圍、覆蓋事故數等為目標，綜合考慮事故特點、資源能力、地理因素、政府運營規則、備用覆蓋范圍以及平均訪問時間等因素，建立了多目標數學模型，對應急救援船舶配置方案進行研究.楊立波[5]將巡邏與救助船舶分為了不同種類，并基于對各類船舶有效救助面積與距離的定量計算，對海上巡邏與救助船舶的配置規模進行了研究.楊家其等[6]將應急資源需求視為不確定因素，以總時間及總損失最小為目標建立了應急資源魯棒優化配置模型，對三峽庫區的巡邏船的配置方案進行了研究.劉文遠等[7]在對海上事故的應急船舶調度問題進行研究時，綜合考慮了氣象、海況、應急船舶停靠位置等因素，建立了以應急時間最短為目標的多部門調度多種應急船舶的組合優化數學模型.鄒沛霖[8]通過兩種不同的評價方法對事故發生后需要人命救助時的岸基救助船舶選擇方案進行了研究.婁帥等[9]將應急救援船舶配置與應急救援站點選址集成進行研究.

文中建立了以應急總成本最低與總時間最小為目標的多目標混合整數非線性規劃模型，設計相應的模型求解遺傳算法，研究瓊州海峽南岸海口轄區應急救援船舶配置方案.并將各結果與實際情況進行對比分析，論證所提出方法與模型的有效性與合理性.

1 問題描述

1.1 瓊州海峽應急救援船舶分布現狀

應急救援船舶是指?？吭诃傊莺{南岸海口轄區水域的海事局執法船艇及南海救助局的專業救助船艇.通過船訊網和海口海事局等渠道收集，得到?？谳爡^現停靠的應急救援船艇及其性能參數，見表1.

表1 ?？谳爡^現有應急救援船艇

1.2 應急救援船舶配置問題分析

海上船舶交通事故具有多種類型，對于不同的事故，其應急處置方式、所需的應急救援力量會存在一定差異.可以針對某個區域特定時間段內的總體事故情況進行研究，并從發生特點、應急需求特點等多維度對事故類型進行合理地劃分，基于事故特點進行應急救援船舶的配置.此外，在保障救援時效性的前提下，還需要將船舶的維護和營運、燃油等成本考慮進去.通過對應急救援船舶的配置合理地規劃和選擇.

綜上，針對所研究的應急救援船舶配置問題，可以建立以規劃期內所有事故的應急救援總時長最短及規劃期內總成本最低為目標，以每類事故應急救援場景船舶調度方案、站點附近碼頭泊位容量及船舶艘數等為約束，以各站點附近碼頭所配置各類應急救援船舶艘數為主要決策變量的多目標混合整數非線性規劃模型.

2 模型構建

2.1 模型假設

本模型做如下假設：①已知有數個備選的碼頭可以提供用于應急救援船舶?？康牟次唬⑶颐總€碼頭都有可供?？坎次蝗萘康募s束；②事故發生區域和船舶所停泊的碼頭之間的距離可計算，并且同一碼頭上的各泊位至同一事故發生區域的距離視作一致；③每種船舶都可以停泊在各個碼頭的泊位上，且每種船舶都有數量上的約束；④應急救援船舶在每次完成應急救援任務后會返回原停靠泊位，且從泊位前往事故區域時與返回時的航速設為一致；⑤各個事故的應急能力需求僅考慮本研究海域所?？康膽本仍α克峁┑哪芰?，不考慮其他應急救援力量；⑥綜合考慮海上事故發生規律，以1年為一個規劃期對救助船進行規劃.

2.2 符號說明與模型建設

2.3 應急救援船舶優化配置模型建立

建立應急救援船舶優化配置模型，即

(1)

(2)

(3)

s.t.

(4)

(5)

?s∈S,?j∈J,?r∈R,?i∈I

(6)

tsj,ir≤th?s∈S,?j∈J,?r∈R,?i∈I

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式(1)～(2)為該模型的目標函數，式(1)要求為在所有事故中的總應急救援時間最小，式(2)要求為在所有事故中的總成本最小，等式右邊的第一項船舶日常運營成本，第二項為應急調度成本；式(3)為應急調度成本的各類子項，分別為船舶固定出港、燃油和營運三項成本；式(4)為在所有碼頭i配置的任意r類型船總和不得大于r類型船的最大艘數；式(5)為在任意碼頭i配置的所有r類型船總和不得大于碼頭i可供?？康淖畲蟛次粩?；式(6)為在任意事故區域j發生任意事故s時，從任意碼頭i派出的r類型船的數量不得大于該碼頭i停靠的r類型船的總數；式(7)為在任意事故區域j發生任意事故s時，從任意碼頭i派出的任意r類型船的到達時間都要小于應急響應時間最長閾值；式(8)為對于所有不參與救援的船舶，應急救援時間為0；式(9)為在任意事故區域j發生任意事故s時，從任意碼頭i派出的所有r類型船的救援時間都要小于應急救援時間最長閾值；式(10)為在任意事故區域j發生任意事故s時，從任意碼頭i派出的所有r類型船在救援時間內的人命救助能力之和大于事故類型s發生時需要的總人命救助能力；式(11)為在任意事故區域j發生任意事故s時，從任意碼頭i派出的所有r類型船在救援時間內的安全管控能力之和大于事故類型s發生時需要的總安全管控能力；式(12)為在任意事故區域j發生任意事故s時，從任意碼頭i派出的所有r類型船在救援時間內的拖帶能力之和大于事故類型s發生時需要的總拖帶能力；式(13)為針對任意高風險事故區域j+，碼頭中至少有一艘船舶能夠在應急到達時間最長閾值內到達事故區域.

3 基于遺傳算法的多目標模型求解設計

3.1 編碼設計

已知有i個碼頭可以用來?？繎本仍?，共有r種類型的船總計n艘，隨機生成初始種群，種群大小設置為X，用實數0和1來進行表示染色體，比如個體[0 1 0…0 1 1]，基因所在的位置代表在第i個碼頭是否有r種類型的船停泊，實數1表示停泊，反之則用0來表示；同時加入判斷條件1，若在第i個碼頭停泊的船舶總數量超過該碼頭的容量，則淘汰該染色體并重新生成一條，直到初始種群滿足X條染色體為止.

從上述的種群中選擇一條染色體，進行第二層遺傳算法編碼，用二進制字符串a1,a2,…,an分別代表各個事故，則二進制字符串a上面的每一位二進制數都可以視為遺傳基因，基因所在的位置代表在j區域發生s事故時，在第i個碼頭的一艘船是否參與救援，實數1表示參與救援，反之則用0來表示.同時加入判斷條件2，若從任意碼頭i派出的r類型船的數量大于該碼頭?？康膔類型船的總數，則淘汰該染色體并重新生成一條，直到初始種群滿足X條染色體為止.

3.2 適應度函數

在當前環境中的個體的適應能力用適應度函數來體現，若個體的適應能力越強，則表示此個體所代表的問題的解越優，并且此個體的優秀基因越有可能被傳遞到后代.將Pareto解集根據船舶組合方案分組后即可得到多個方案以及方案對應各項指標，建立應急救援船配置方案評價指標體系見圖1.

圖1 應急救援船配置方案評價指標體系示意圖

評價準則包括救援應急時效性和配置方案成本，救援應急時效性是指事故發生時救援船舶到達時間與救援時間之和，配置方案成本則包括日常維護成本和事故發生時應急調度成本兩方面所能提供的調整范圍.最終方案的選擇由評價指標權重和方案指標評價值共同確定.假設根據分組后的非支配解數據得到的方案指標評價值矢量為b=(b11,b21,b22)，評價指標權重矢量為W=(w11,w21,w22)，則單次方案的總得分為

(14)

通過式(14)計算船舶應急救援策略的總成本，并取其倒數作為適應度值，數值越大就代表該染色體的適應度越高.取應急救援策略中的最優方案的適應度作為全局應急救援船優化配置的適應度，數值越大就代表該染色體的適應度越高.

3.3 算法流程圖

遺傳操作：①個體選擇的方法 針對上下兩層規劃方法，均采用輪盤賭法來選擇種群的個體;②加入精英保留法 為了加快遺傳算法的優化速度，同時也為了保障最優解的存在，本研究在上下兩層規劃方法中均采用了精英保留策略;③染色體交叉的方法 所采用的染色體交叉方法是雙點交叉法.

算法流程圖見圖2.

圖2 算法流程圖

4 瓊州海峽?？谳爡^水域應急資源優化配置

4.1 相關參數的設置

1) 船型分類及其性能參數設置 不考慮新造或者引進新船的情況，船舶分類見表2，現有各類船舶的相關性能參數設置見表3.

表2 轄區應急救援船舶分類表

表3 各類應急救援船舶的性能參數

2) 事故類型及其相關參數設置 基于2012—2020年?？谳爡^的海上船舶交通事故信息，將最短應急響應時間閾值th設為3 h，同時將各事故根據其發生與需求特點進行分類，對各類事故的各項參數值根據以往事故應急救援情況進行經驗賦值.具體事故分類及其相關參數設置見表4.

表4 事故分類及其相關參數設置

3) 事故發生區域的確定 事故發生區域與高風險水域的所在位置是根據海南省重大科技計劃項目課題組對于瓊州海峽海域中事故易發區域的識別及其相對通航風險評價結果所確定，可得到該水域存在11個事故易發區域，其中包含2個高風險水域，各區域的中心點坐標見表5.

表5 事故發生區域及其相關參數設置

另外，通過2012—2020年?？谳爡^的海上船舶交通事故數據，可計算得出各類事故在各個區域的發生概率.同時計算2012—2020年的每年平均事故發生數為7，將其作為規劃期內的事故發生總數.且將各類事故發生概率與事故發生總數相乘，則可得到規劃期內各類事故的發生頻數，見表6.

表6 各類事故發生頻數統計表

4) 備選碼頭的確定 將研究水域內的馬村港港區、新海港港區與?？诟鄹蹍^的碼頭作為可供應急救援船舶?？康膫溥x碼頭.并將目前應急救援船舶所?？康慕浘暥茸鴺?，作為各個備選碼頭的地理位置.通過在船訊網上的距離計算工具可得到距離參數的各項數值(單位：n mile)，同時根據碼頭現有泊位容量情況及其泊位使用情況綜合確定各備選碼頭的可供應急救援船舶停靠的泊位數量上限，具體數值見表7.

表7 備選碼頭與事故區域間的距離與碼頭泊位容量

4.2 應急救援資源優化配置方案及結果分析

根據船訊網上船舶的實時位置及船舶參數資料，結合從?？诤Ｊ戮痔幷{研所得到的信息，可得到當前應急救援船舶的?？糠桨?，在此配船方案下，計算得到1年規劃周期內的總成本為7 214 599元，總應急救援時長為18.71 h.將所設置各項參數值代入所建立的應急救援船舶多目標優化配置模型，利用改進的多目標遺傳算法可計算得到帕累托最優的配置方案，此優化方案下的總成本為6 059 986元，總應急救援時長為15.80 h.應急救援船舶原配置及優化配置方案如表8所示.

表8 應急救援船舶原配置及優化配置方案

由表8可知：在綜合考慮經濟性與時效性的情況下，海口海事局轄區水域的應急救援船舶配置數量比原應急救援船舶配置數量減少了3艘，這一方面是由于船舶的日常維護、人力成本等運營成本非常高，因此在考慮總成本最低且同時應滿足事故點應急需求的情況下，模型求解算法會盡可能地選擇總配船數量較少的方案.另一方面，本研究所選擇的應急救援船舶包括部分執法船，在實際情況中，執法船除了需要執行應急救援任務外，還需發揮其安全、監管職能，而本模型未考慮這方面因素的影響，僅從應急救援需求方面對船舶配置方案進行了研究.另外，從優化結果而言，將優化方案與原有方案計算所得的總成本與總應急救援時長進行對比，可得出，通過對應急救援船舶進行優化配置，可在1年時間內，節約1 154 613元成本，且減少2.91 h的總應急救援時間，按照1年規劃期內發生事故數7起進行計算，平均每起事故可減少近25 min的應急救援時間，從而實現了時效性與經濟性的帕累托最優，可為?？谳爡^海上應急救援船舶配置提供科學決策依據.

5 結 束 語

本研究基于?？谳爡^海域的歷年事故數據及海南省重大科技計劃項目課題組關于瓊州海峽海域通航風險評價研究成果，建立了考慮事故特點，以總應急時長最短、總成本最低為目標，以事故應急選船方案、應急響應時間、碼頭泊位容量限制等為約束的多目標海上應急救援船舶配置混合整數非線性規劃模型，并結合海口海事局轄區水域實際情況進行研究，解決了該轄區的海上應急救援資源配置問題.在瓊、粵兩省大力推動瓊州海峽全面實現“港航一體化建設”的背景下，同時考慮兩岸的應急救援力量與事故情況，針對瓊州海峽整個海域的應急救援船舶配置方案的研究會更有意義.