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直升机失事应急救援路线双目标优化研究

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第12卷 第1期 2016年1月 中全生产科学技术 Journal of Safety Science and Technology V01.12 NO.1 Jan.2016 文章编号:1673—193X(2016)一01—0070—05 直升机失事应急救援路线双目标优化研究 孙 佳 ,盖文妹 ,代德军 (1.中国民航管理干部学院航空安全管理系,北京100102;2.北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083; 3.中国兵工物资集团有限公司运营管理部,北京100089) 摘要:近年来直升机失事事故呈上升趋势,直接威胁到人民生命财产安全,并产生严重的经济、政治负面影响。为 此,研究直升机失事应急救援路线的多目标优化问题,在提出的应急救援路径选择模型中,考虑了直升机失事所造成 的次生灾害对弧段路况的影响,优化目标是最小化路线的通行时间和当量长度。基于启发式思想,设计了求解这一模 型的双目标优化算法,并给出了算法的正确性证明,实例模拟说明了模型和算法的有效性和可行性。 关键词:应急管理;路径优化;救援;双目标;直升机 中图分类号:X913.3;U116.2 文献标志码:A doi:10.11731/j.issn.1673—193x.2016.01.013 Study on bi'objective optimization of emergency rescue route for helicopter crash SUN Jia ,GAI Wenmei ,DAI Dejun (1.Department of Aviation Safety Management,Civil Aviation Management Institute of China,Beijing 100102,China; 2.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 3.China Ordins Group Co.,Ltd,Beijing 100089,China) Abstract:The accidents of helicopter crash present an upward trend in recent years,which directly threatens the people,s lives and property and produce serious economic and political negative effect,SO the bi—objective optimization of emergency rescue route for helicopter crash was studied.In the developed model on path finding of emergency rescue,the influence of secondary disaster caused by the helicopter crash on the road condition of arc section was considered,and the optimization objective was to minimize the travel time and equivalent length of the selected path.Based on the thought of heuristics,a bi— objective optimization algorithm was designed to solve the model,and the correctness of the algorithm was proved.Practical case simulation showed the effectiveness and feasibility of the model and algorithm. Key words:emergency management;path optimization;rescue;bi—objective;helicopter 0 引 言 虽然近年来航空器制造技术的不断进步已使得航 空器安全技术状况得到较大改善,但由于驾驶员人为操 纵、航空器自身机械故障、恶劣天气等原因,航空器事故 仍难以避免…。特别是,近年来直升机失事事故呈上升 趋势,直接威胁到人民生命财产安全,并产生严重的经 应的搜寻救援预案,其中锁定直升机失事位置后的应急 救援是搜救工作的重要内容,而应急救援路线的选择问 题是确保这一工作顺利进行的前提 。国内外学者已 对此开展了相关研究,并提出一系列基于网络理论的模 型与算法 。 。一方面,这些研究大多是针对火灾、毒 气泄漏等灾害进行的,很少有文献考虑直升机失事应急 救援路线的选择优化问题。另一方面,现有研究大多将 济、政治负面影响。为积极应对上述各种紧急态势,避 免森林火灾等次生灾害的发生,国家有关部门制定了相 时间花费作为最重要的参数,优化目标是使物流传输过 程所需时间实现最小化。然而,在实际应用中,应急救 援路线的选择往往还涉及除时间以外的其他复杂因素, 收稿日期:2015—11—04 作者简介:孙佳,博士,副教授。 如安全性、经济性以及道路线的复杂性等,因此属于多 目标优化问题 。部分文献 虽然考虑了应急救援路 线的多目标优化问题,但在求解模型的算法时多是通过 线性加权的方法,将路线选择的多目标优化问题转化为 通讯作者:盖文妹,博士,讲师。 基金项目:航空运输集团应急预案体系标准化建设研究 (DGA2Ol5O654) 单目标优化问题,并假定不同优化目标的权重为常数, 第1期 中全生产科学技术 ・7l・ 而在实际的应急物流路线选择问题中,不同优化目标的 权重并不足一个常数,而是区间数…。 针对上述问题,笔者将对直升机失事应急救援路线 的优化问题进行研究,基于运筹学的理论和方法建立路 径选择的双目标优化数学模型,并设计出适合模型的算 法,以期为决策者选择最佳应急救援路线提供依据。 1 问题描述与模型建立 从图论角度来看,地面错综复杂的道路实际上是一 个连接的网络图,道路为图的边,道路之间的交点抽象 成图的点的集合,组成网络图的顶点,应急救援物资支 持保障中心所在地抽象为网络图的源结点,直升机失事 地所在地抽象为网络图的目标结点。在无向网络图上 赋予应急救援路线选择的影响因素,可把整个道路网络 布局转化为图的拓扑优化问题。为便于表述,在此给出 如下变量及名词定义: 1)设应急交通网络G( ,E),其中,V={V , , …, }为有限节点集, 为有限弧集合,E V×V, 。, , …, 表示网络中的各个节点,V 为源节点,代表参与 应急救援行动的人员的初始位置, 为目标节点,代表 需要到达的目标位置。 2)z ,J ,和£ 分别表示节点 ,Vj之间的弧的实际长 度、当量长度和通行时间,(V,,V,)E。 3)“ WTBZi0表示正常情况下人员或车辆在弧(V , )上的通行速度。77 为取决于弧( , ,)中交通工具的 影响系数;叩 为取决于风速的影响系数; 为取决于道 路积水的影响系数;p 为弧( , ,)上第m个局部通行 障碍物的当量长度系数,1≤m≤n ; 为弧( , ,)中 局部通行障碍物的个数;叼 为取决于直升机失事引发的 次生灾害的危险系数。 4)P表示 ,一 的一条有效路径,P为网络中结点 的有序序列,P 表示 ,一 的一条最佳救援路径。 在求解最佳救援路线时,综合考虑路段本身和因直 升飞机失事可能引发的次生灾害(如森林火灾)的影 响,将对人类行走速度较大的影响因素用一个危险系数 表示,计算各路段的当量长度: n ,J =叼 “ ,口。£ +∑p咖‘f (1) 在前述变量和名词定义的基础上,以通过路径所需 的总行进时间最短为主要优化目标,表征道路安全性的 “当量长度”为次要优化目标,建立直升机失事应急救 援路线选择的双目标优化数学模型(模型I): minf, ̄P)=∑…t ∑t (2) - 竹 ・ minfL(P)=∑∑Lc (3) s.t. 1 =u:・t (4) r 1 i 1 ∑ 一∑ ={(5) j=l,j ̄i “ 【0其他 一l =n 『≤1 i≠n J(6) =1,J≠i {L  U . =n (P)≤L (7) 式中: (P)为路线P的总通行时间; (P)为路线 P的当量长度; 为决策变量,i,J{1,2,…,n}, =0,1; =1表示弧( , ,)在选定的路线P上; =0表示弧 ( ,)不在选定的路线P上。式(7)表示路线P安全 可行的判定条件, .为安全通行的最低可承受值,由应 急决策者根据直升机失事引发的次生灾害的类型及人 体的脆弱性确定 。 2模型的求解算法 2.1 模型转化与求解 首先,利用理想点法 处理上述双目标优化模型, 将其转化为单目标优化模型(模型Ⅱ): minF=r — 高 一¨z— 幕 ㈩ 一 , 式(4)~(7)中: =( (P) , (P) )为理性 点,;∈R={ I, ≥0,∑r =1,i=1,2}为权重向量。 根据理想点法定理可知,模型Ⅱ的最优解是模型I 的一个有效解 。当权重向量;变化时,可以得到模型 I一系列有效解,决策者据此可选择符合需要的有效 解,即本文所求的直升机失事最佳救援路线P 。然而 对于决策者而言,权重向量的确定是一件很困难的事 情。为了解决这一问题,本文设计如图1所示的算法 流程。 2.2算法可行性证明 首先根据引入的权重向量r =(r ,1一r,),为应急 交通网络G( ,E)的弧( , .)构建一个新的路权参数 W =r。 / (P) +(1一r ) / (P) ,令P 。表示对 应于权重向量;=(r,,1一r )的模型Ⅱ的最优解,根据 公式(2)和公式(3),minF=r ( (P, ) (P) )/ (P) +r ( (P 。) (P) )/ (P) =r : 奢( + , 即minF=min ∑ 一1。作为图论的经典问题,最 短路径问题的定义是在一个赋权图的两个顶点之间找 ・72・ 中全生产科学技术 第12卷 图1双目标优化算法流程 Fig.1 The flow chart of the proposed method 出一条具有最小权值的路径 。而根据上述分析可知, 求解模型Ⅱ的最优解实际上就是寻找应急交通网络G ( ,E)中关于路权参数W ,的最短路。因此图1所示的 算法中求解模型Ⅱ的最优解可通过传统的最短路算法 实现。 然后,根据公式(8)构建2个辅助函数: (r )= (P ) (r。)= (P ),结合笔者已有的研究成果 , 容易得到下述辅助函数的性质: 性质1 若r =(Ol一卢)/3,其中[ ,卢_J[0,1], 那么: ①若 (r )<L ,则 (P )≥T(P,。)且 (P )< ,J , [Ot,r1]。 ②若 (r。)>L ,则it(P )≤T(P,.)且 (P )> , [r ,卢]。 ③若 (r )=L ,则P =P 根据性质1可知,如果模型I有最优解,那么对于 图1所示算法流程图中的任意一个搜索区间[OL, ](初 始时[OL, ]=[0,1]),可以通过选择试探点r。=(Ol一 )/3,并调用传统最短路算法求解模型Ⅱ的最优解 P 若 (r。)≠L ,根据性质1的结论①、②可知,可以 将搜索区间缩小1/3或2/3,那么通过反复迭代及试探 性搜索,都可以得到求解最佳救援路线P 的一个更小 的搜索区间,直至得到满足 (r,)=L 或循环终止条 件NC>NCmax的路径P 那么P =P 。综上所述,图 1所设计算法可行,证毕。 3实例模拟 图2为一个具有20个结点的应急交通网络,假设 应急救援物资支持保障中心为结点1所在位置,失事直 升飞机坠落地点为结点20所在位置。网络中各条弧的 长度z 初始通行速度“ 0,弧( , ,)中交通工具的影响 系数 、风速影响系数叼 、道路积水影响系数叩 、危险 系数叼 、局部通行障碍物的当量长度系数P…以及弧 ( , )中局部通行障碍物的个数n…如表1所示。 表1的数据设置可以反映实际应急交通网络的结 构并对灾害扩散对应急交通网络通行状况的影响实现 了模拟。这里根据受灾害扩散影响程度的不同将应急 交通网络与20个节点划分为3个区域,如图2所示(通 过相邻两区边界的弧被视为在前一个区域内),危险系 数叼 的不同反映了飞机失事引发的次生灾害对应急救 援交通网络中各弧段的影响,叼 的取值区间根据应急交 通网络分区划分为3个等级:区Ⅲ为1,区Ⅱ为(1, 1.5),区I为(1.5,3),具体数值根据取值区间随机假定 设置,距离失事地点较近的路段具有较高的危险系数 (例如区I内的路段),距离失事地点较远的路段具有 较低的危险系数(例如区Ⅲ内的路段)。 为验证本文算法相比传统最短路算法的优势,假定 决策者给出的当量长度的最低可承受值L.=480 m,编 译图1所示算法求解应急救援物资支持保障中心到失 事直升飞机坠落地点的最佳救援路线,结果见表2。从 表2数据可以看出,根据传统最短路算法求解的两个理 想点中:路线1—6—7—8—13—9—14一l5—20的行 驶时间最短,虽然满足了应急救援的时效性需求,但路 线的当量长度过长,超过了安全性上可承受的范围,无 法保障救援人员自身的生命安全;路线1—6—7—8—13 —18—20的当量长度最短,但是行驶时间过长,从应急 救援的时效性来看并不合理。根据双目标优化算法求 第1期 中全生产科学技术 ・73・ 解的路线为1—6—7—8—13—19—15—2O,其当量长度 相比1—6—7—8一l3—18—20少了63.79%,却只比1—6 一7—8一l3—9一l4—15—20的运输时间多了38.99%, 表1 应急救援交通网络结构及路段参数 Table 1 Initial parameters of the emergency transportation network 表2路径优化结果 Table 2 The result of rescue route selection for the crashed helicopter 据此可以得出结论,本文的双目标优化算法能同时兼顾 多其他复杂的实际因素,本文针对直升飞机失事后的应 急救援路径选择这一基础性问题建立了一个更贴近实 际的数学模型。但是在有些事故灾难中,有时可能没有 多余的救援路径可供选择,比如能只有单条可通行的路 径,甚至道路完全被损坏,此时,紧急救援物资储存点的 合理选址与优化则成为值得研究的问题。 参考文献 [1]王文博.民用航空器搜寻技术研究[D].北京:中国民用航空飞 行学院,2015:1. 时效性和安全性两方面的优化需求,因而相比传统的最 短路算法更具优势。 4 结论 1)本文直升飞机失事后造成的次生灾害对交通网 络中各弧段通行状况的影响,建立了直升机失事应急救 援路线的双目标优化模型。模型中将各弧段的安全性 建模为弧段的“当量长度”,用不同的系数来表示各弧 段的危险程度,从而实现了对应急交通网络更贴近实际 的模拟。通过将双目标优化模型转化为单目标优化模 型,设计了求解模型的双目标优化算法,算法的正确性 证明及实例模拟表明了模型和算法的正确性和有效性。 2)应急救援中还需要根据不同的事故情景考虑很 [2] 张毅,郭晓汾,王笑风.应急救援物资车辆运输线路的选择 [J].安全与环境学报,2006,6(3):51-53. 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