船舶應急物資運輸智能化聯動調度體系探討

王惠明

(成都理工大學 計算機與網絡安全學院，四川 成都 610059)

0 引 言

船舶在海面上航行過程中會遇到碰撞、擱淺等風險事故，這些船舶事故一旦發生，船舶則很容易遭到損壞。船舶在海面上一旦產生事故，很難及時進行救援，這使得船舶在海面上的事故具有很大的危險性。因此對船舶應急物資運輸調度進行系統性研究，對船舶應急物資的合理配備，降低船舶事故造成的損失有重要意義。本文借助計算機仿真驗證技術，對船舶應急物資運輸智能化聯動調度體系進行研究，有助于推動船舶應急物資運輸調動系統的構建。

1 船舶應急物資運輸

1.1 船舶應急物資運輸的影響因素

船舶應急物資調度的主要目的是將相關船舶應急物資從其存儲位置轉移到船舶事故發生地點，這是一種物資空間轉移過程。在船舶應急物資調度整個過程中會涉及到陸地運輸和海上運輸整個過程以及事故、集結、供應3 個層面。針對海上突發事件的物資運輸調度方案確定之后，距離事故點最近的救助機構則會將相關的裝備和醫療物資迅速地發往海上的事故地點，并且在救援時間內及時地將救援物資運達目的地，確保救援工作的正常開展。由于船舶海上物資的調度存在弱經濟性和時效性，這使得時間因素和經濟因素成為制約船舶海上應急物資運輸調度的主要因素。

在船舶海上應急物資運輸調度網絡中存在多供應點和反應基地，因此應急物資裝備的運輸速度和距離是最重要的影響因素，并且這2 個屬于時間因素。船舶在海面上的航行速度有絕對航行速度和相對航行速度2 種。船舶的絕對航行速度又被稱為實際航行速度，該速度是以海底為參考，并且考慮到了海風以及海流對海面上船舶航速產生的影響。以海水的流動為參考，屬于船舶在海面上的相對航行速度，因此船舶在海面上的相對航行速度只考慮海風對船舶速度的影響。由此可以看出，船舶在海面上的實際航行速度是船舶的相對航行速度和水流速度的矢量和，并且船舶的速度、海風的速度以及洋流的速度均為矢量。在船舶海上應急物資運輸調度的過程中，物資應急基地和海面船舶事故地點之間的距離一般采用經緯度進行衡量，并且為了確保速度參考系的一致性，需要對船舶在海面上的絕對速度進行求解。在對船舶的絕對速度進行求解過程中，假定船舶所在海面上的洋流和海風速度方向保持恒定。當應急物資運輸船舶向海面上船舶事故點航行的時候，其絕對航行速度的計算公式為：

當應急物資運輸船舶由海面上的船舶事故點向應急基地航行的時候，其絕對速度的計算公式為：

應急物資運輸飛行器的絕對速度是以大地為參考系的，即為對地速度，并且影響應急物資飛行器的主要因素為海面上的風速。應急物資救助飛行器向海面上事故點飛行的絕對速度計算公式為：

應急物資救助飛行器由海面船舶事故點向應急基地飛行的絕對速度計算公式為：

在對應急物資運輸調度策略規劃的過程中，船舶事故點和應急基地之間的相對距離是該策略規劃的重要因素之一。船舶事故點和應急基地之間的距離長短會直接影響應急物資在路上的運輸時間。在實際船舶應急物資運輸調度過程中，應急物資調度中心會使用AIS，GPS 等設備獲取精確的船舶事故點的坐標信息，然后進一步解算出距離。在進行兩點之間距離的解算過程中，假設A 坐標為(A1,A2)，B 坐標為(B1,B2)，同時將0°經線看成是基準線，東經為正，西經為負，對A，B兩點的坐標進行轉換，轉換之后A，B兩點的坐標分別為(A11,A22)、(B11,B22)，則AB 兩點間相隔的距離可以用式(5)進行計算，式中，a為維度差，b為經度差。

1.2 船舶應急物資運輸模型

假設船舶事故海域的船員需要得到緊急救援，并且船舶遇險船員人數為X1。則此時的救援時間最緊，需要在最短的時間內將遇險人員救出，因此救援的第一階段結束的標志為最后一名船員被救出，并且這時候救援時間為T1。設應急物資調度成本為C，第二階段救援開始時間為T2，應急基地到海面事故點的距離為li，應急物資的運輸調運的絕對速度為V→lik。每臺運輸裝備從應急基地往返事故地點一次為一個應急物資調度小周期，并且經過n個應急物資調度小周期之后，完成第一階段的救援任務，其目標函數可以表示為：

假設第n個應急物資調度小周期的貨運運輸量用qn來表示，經過n-1 個應急物資調度小周期之后，剩余的待救援人數為X1n-1，則可以得到：

船舶應急物資運到海上船舶事故地點之后，需要在事故地點停留一段時間，并進行救援工作，等到消耗型物資消耗完之后，則由下一班次的應急物資運輸船舶提供，以確保應急物資能夠持續供應。應急物資運輸調度的成本主要在于應急基地的位置、運輸裝備的船舶以及裝備停留的時間，因此第二階段的目標函數可以用式(9)來表示。式中，Cij的計算方法如式(10)所示，平均成本的計算公式如式(11)和式(12)所示。

2 船舶應急物資優化配備分析

本文研究的船舶應急物資并不只是針對某一種物資，因此本文研究方法具備通用性。由于海面上船舶事故的實際數據獲取相對比較難，因此基于船舶應急物資運輸模型進行分析，同時對船舶應急物資運輸模型中的部分變量以及函數進行合理假設。實際船舶應急物資的配備量在不同的救援階段中，其閾值的邊際貢獻呈現遞減現象，即船舶事故救援剛開始的時候，船舶物資供應數據對系統閾值的邊際貢獻比較大，但是隨著船舶應急物資投入量的不斷增加，其邊際效用不斷降低，最終使得經濟性很差。應急物資投入量和閾值之間的關系，如圖1 所示。

圖1 應急物資投入量和閾值之間的關系Fig. 1 Relationship between emergency material input and threshold

可以看出，應急物資投入量和閾值之間的關系與對數函數十分類似，考慮到實際的應急物資投入量和閾值之間的函數關系復雜且很難獲得，并且不同的船舶應急物資，其投入量和系統閾值之間的函數關系也不一樣。為了降低計算難度，用3 段對數函數來描述應急物資投入量和閾值之間的關系；公式為：

船舶應急物資運輸過程中的損失函數也是一個十分復雜的問題，為了能夠更好地分析船舶應急物資運輸，本文需要對損失函數進行假設。假設損失函數是線性的，其描述公式為：

3 船舶應急物資聯動調度仿真

3.1 船舶應急物資需求量計算

陸地上通常使用三角模糊數來處理應急物資運輸調度問題，本文將三角模糊數應用到海面上船舶應急物資調度中，并進行去模糊化處理，以便可以處理不確定環境中的應急物資運輸調度問題，并構造出應急物資運輸調運所費時間最少的模型。假設存在三角模糊數A，其隸屬度可以表示為：

當屬性的數值比較高時，則a,b,c可以選擇較大的數；當屬性的數值比較低時，則a,b,c可以選擇較小的數；當a,b,c相等時，A則是非模糊數。假設UAL的逆函數為GAL；UAR的逆函數為GAR，則模糊數A的左右期望值的計算方式，分別如式(18)和式(19)所示，則模糊數的整體期望數值的計算方法如式(20)所示。

3.2 船舶應急物資調度仿真

本文進行船舶應急物資聯動調度仿真過程中，假定本次參與應急物資運輸調度的倉庫有4 個，分別為S1、S2、S3和S4，并且需要救援的地點有2 個，分別為D1和D2。2 個救援地點距離4 個應急物資運輸調度倉庫的距離如表1 所示。每個應急物資運輸調度倉庫配有A 類和B 類2 種類型的運輸調度船舶，并且A 類運輸船舶的運載量為300 t，航行速度為8 n/mile；B 類船舶的運載量為100 t，航行速度為20 n/mile。

表1 應急倉庫距離事故點的距離Tab. 1 Distance from emergency warehouse to accident point

作為啟發算法的一種，遺傳算法在進行求解的過程中，無法得出最優的全局解。為了能夠避開這種局部最優解，使用多次求解并選擇最優的解的方法，以避免產生局部最優的情況。完成該算法的設計之后，然后對算法進行運算，配送時間和迭代次數之間的關系如圖2 所示。

圖2 配送時間和迭代次數之間的關系Fig. 2 Relationship between delivery time and iterations

將遺傳算法的迭代次數固定為10 000 次，在多次解算的過程中，得到了7 次的解算結果，如圖3所示。可以看出，7 次迭代結果中，最短的應急物資運輸調度時間為67.5 h，圖4 為應急救援能力和偏離公平度之間的關系。

圖3 不同實驗組號下的物資調度時間Fig. 3 Material scheduling time under different experimental group numbers

圖4 應急救援能力和偏離公平度之間的關系Fig. 4 Relationship between emergency rescue capability and deviation from fairness

4 結 語

隨著國家社會對船舶應急物資的重視，船舶應急物資運輸調度配置系統不斷得到完善，這使得海面上船舶事故所產生的損失不斷地降低。本文對船舶應急物資配置調度方法進行研究，對降低船舶事故產生的損失有實際指導意義。