（管理科学与工程专业论文）化学品泄漏后的应急疏散调度模型及其算未予研究.pdf

：、 jpj ， - 勃 庸 卜 0 at h e s i si nm a n a g e m e n ts c i e n c ea n de n g i n e e r i n g e v a c u a t i o ns c h e d u l i n gm o d e la n di t s a l g o r i t h m si nt h e c a s eo fc h e m i c a lr e l e a s e b yz h a n gl o n g b i a o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ux i a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 - 彳 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二6 二 思。 学位论文作者签名：掀p 驺见 日 期：硼8 年7 同j 妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半吖两年口 学位论文作者签名：欲_ 醛忍 签字日期：沙哪骞7 国膨日 导师签名：h 使 签字日期：洲、7 ，垆 的矿。v 。， ， a 、 ， r 东北大学硕士学位论文 摘要 化学品泄漏后的应急疏散调度模型及其算法研究 摘要 随着科技的发展，有毒化学品的种类和数量不断增加，但在生产、储用和使用过程 中，有毒化学品意外事故时有发生，尤其是泄漏事故，给人们的安全健康和生存环境带 来巨大危害。例如，2 0 0 4 年4 月1 5 日，重庆江北区重庆天原化工总厂发生氯气泄漏事 件，9 人失踪死亡，1 5 万群众被疏散。就在刚刚过去的2 0 0 7 年，中国发生了超过 11 3 0 0 0 起化学品泄漏事件，同样在美国也有3 2 0 2 2 起化学品相关的泄漏事件发生。为 此，有必要探索如何充分利用现有的应急资源，建立大范围人员疏散调度模型，以及相 应的优化算法，以减低事故所造成的损失。 本文分析了应急疏散的特点、研究的基本问题以及其在整个应急管理领域所处的位 置，对其从多个角度进行了分类，并对宏观层面的疏散计划与疏散政策的制定和微观层 面上的建模方法与相应算法进行文献综述。在此基础上本文对化学品泄漏后的疏散问题 进行了全面的研究，并且根据疏散者是否有自行疏散能力，将疏散问题分为主动疏散和 被动疏散两个子问题来考虑： ( 1 ) 对于被动疏散问题，本文的研究主要从两个角度着手进行，即如何将疏散车辆 尽快调派到事发区域和如何将疏散者尽快转移到安全区域。建立了基于分组、分时段和 分优先级的策略的模型，并针对该问题的特点开发出了一个有效的基于贪婪规则的、具 有良好实时性的启发式算法一被动疏散车辆调度与选路算法( v s r - p e 算法) 。 ( 2 ) 在主动疏散问题中，本文主要研究如何将疏散者转移到安全区域的问题，同时， 与被动疏散问题不同的是，该问题中还考虑了交通网络路径容量的限制。在对影响主动 疏散调度最优性的因素进行分析的基础上，本文开发了基于贪婪规则的启发式算法一 路径容量受限的主动疏散选路算法( t c c r a e 算法) 。 最后，本文还对v s r - p e 算法和t c c r - a e 算法的有效性和对大规模问题的适用能 力进行了仿真实验。 关键词：应急管理；疏散调度；启发式；化学品泄漏；网络流问题 一 ? ： j e v a c u a t i o ns c h e d u l i n gm o d e la n di t sa l g o r i t h m si nt h ec a s e o fc h e m i c a lr e l e a s e a bs t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y ，b o t hc a t e g o r i e sa n dq u a n t i t i e s o ft h e h a z a r d o u sc h e m i c a l si n c r e a s e dt r e m e n d o u s l y ，b u tt h ec h e m i c a l sr e l a t e da c c i d e n t s ，e s p e c i a l l y r e l e a s eo n e s ，h a p p e na l lt h et i m e sd u r i n gt h e i rp r o d u c t i o n , s t o r a g ea n du s a g e ，a si sg r e a t l y t h r e a t e n i n gt h eh e a l t ho fr e s i d e n t s a n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t f o r e x a m p l e ，ag a sl e a ki nc h o n g q i n g ，c h i n a i nd e c e m b e r2 0 0 3s p r e a dt o x i ch y d r o g e ns u l p h i d e a c r o s sm o u n t a i nv i l l a g e s ，k i l l i n g2 4 3p e o p l ei no n eo fc h i n a sd e a d l i e s ti n d u s t r i a la c c i d e n t s m o r et h a n41 0 0 0v i l l a g e r sw e r ef o r c e dt oe v a c u a t ef r o mt h e i rh o m e sa n dt h o u s a n d so f s u r v i v o r ss u f f e r e dl u n gd a m a g ea n db u m so nt h e i re y e sa n ds k i n s m o r er e c e n t l y ，i n2 0 0 7 ， o v e r113 ，0 0 0c h e m i c a lr e l e a s ea c c i d e n t sh a p p e n e di nc h i n a , a n da b o u t2 2 9 ，0 0 0r e s i d e n t sw a s r e s c u e do r 。e v a c u a t e d a l s oi nt h eu n i t e ds t a t e s ，t h e r eh a v eb e e n , 3 2 ，0 2 2c h e m i c a lr e l a t e d s p i l le v e n t sr e p o r t e di n2 0 0 7 t h e r e f o r e ，i ti sb a d l yn e c e s s a r yt oe x p l o r eh o w t om a k eg o o d u s eo fa v a i l a b l ee m e r g e n c yr e s o u r c e st oe s t a b l i s hc o r r e s p o n d i n ge v a c u a t i o ns c h e d u l i n gm o d e l a n di t sa l g o r i t h m s ，a i m i n ga tr e d u c i n gt h el o s sc a u s e db yc h e m i c a lr e l e a s ea c c i d e n t s t h et h e s i sa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m e r g e n c ye v a c u a t i o n , b a s i cp r o b l e m ss t u d i e d b yo t h e rr e s e a r c h e r s ，a n dw ec a t e g o r i z et h ee v a c u a t i o np r o b l e mf r o ms e v e r a la s p e c t s a l s o ， w ep r e s e n tas t a t e o f - a r tt ob o t ht h ee v a c u a t i o np l a n n i n ga n dc o r r e s p o n d i n gp o l i c i e sf r o m t h e m a c r o s c o p i cl e v e l ，a n dm o d e l l i n gm e t h o d sa n dr e l e v a n ta l g o r i t h m sf r o mt h em i c r o s c o p i c l e v e l t h e nt h et h e s i ss t u d i e st h ee v a c u a t i o np r o b l e mi nt h es c e n a r i oo fc h e m i c a lr e l e a s e ， w h i c hi sd i v i d e di n t ot w os u b p r o b l e m sa c c o r d i n gt ow h e t h e rt h ee v a c u e e sh o l dt h ea b i l i t yo f s e l f - e v a c u a t i n g ，t h a ti s ，a c t i v ee v a c u a t i o np r o b l e m a n dp a s s i v ee v a c u a t i o np r o b l e m ： ( 1 ) r e g a r d i n gt ot h ep a s s i v ee v a c u a t i o np r o b l e m ，t h i st h e s i sd i v i d e i ti n t ot w os t a g e st o r e d u c et h ec o m p l e x i t y ，t h a ti s ，h o wt od i s p a t c ht h ee v a c u a t i o nv e h i c l e st oa f f e c t e da r e a s ，t h e n 1 1 0 wt ot r a n s f e rt h ee v a c u e e st os a f ea r e a sa ss o o na sp o s s i b l e w em o d e lt h ep r o b l e mw i t ht h e g r o u p e d ，s t a g e d ，a n dp r i o r i t i z e ds t r a t e g y ，t h e nd e v e l o pa n e f f e c t i v ei n - t i m eg r e e d yr o l eb a s e d h e u r i s t i ca l g o r i t h m ：v e h i c l es c h e d u l i n ga n dr o u t i n gt op a s s i v ee v a c u a t i o na l g o r i t h m ( v s r - p e a l g o r i t h m ) u i ( 2 ) t oa c t i v ee v a c u a t i o np r o b l e m ，o u rr e s e a r c hm a i n l yf o c u s e sh o wt oe v a c u a t et h e r e s i d e n t si nt h ea f f e c t e da r e at os a f ea r e aa ss o o na sp o s s i b l e a tt h es a m et i m e ，d i f f e r e n tf r o m p a s s i v ee v a c u a t i o np r o b l e m ，t r a f f i cc a p a c i t yi sc o n s i d e r e da sac o n s t r a i n ti no u rm o d e l b a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h eo p t i m a l i t yo fa c t i v ee v a c u a t i o np r o b l e mf r o mt h e p e r s p e c t i v eo ft h e o r y ， w ed e v e l o pah e u r i s t i ca l g o r i t h m ：t r a f f i cc a p a c i t yc o n s t r a i n e d r o u t i n ga l g o r i t h mt oa c t i v e e v a c u a t i o n ( t c c r - a ea l g o r i t h m ) f i n a l l y ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s sa n dt h e i r s c a l a b i l i t yt ol a r g es c a l ep r o b l e mo fv s r - p ea n dt c c r a ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：e m e r g e n c ym a n a g e m e n t ；e v a c u a t i o ns c h e d u l i n g ；h e u r i s t i c ；c h e m i c a lr e l e a s e ；n e t f l o wp r o b l e m 一 2 2 2 按受影响区域的不同分类l o 2 2 3 按是否有预警期分类1 1 2 2 4 按危险区域和安全区域的相对位置分类1 1 2 2 5 按突发事件场景的不同分类1 2 2 3 疏散建模方法及相应算法综述1 2 2 3 1 基于数学优化的方法综述1 3 2 3 2 基于仿真的方法综述1 6 2 4 存在的问题18 2 4 1 研究对象中存在的i - j 题1 8 2 4 2 研究方法中存在的f - j 题18 2 4 3 解决疏散w 口- j 题的思路1 9 2 5 本章小结1 9 第3 章化学品泄漏后被动疏散问题的模型与算法2 0 3 1 模型假设2 0 3 2 模型建立2 1 3 3 模型求解2 2 3 3 1 最早到达车辆供应点。2 2 3 3 2 车辆满载问题2 3 3 3 3 毒气泄漏后受影响区域风险的确定2 4 3 3 4v s r - p e 算法的伪代码2 5 3 4 算法复杂度分析2 6 3 5v s r - p e 算法仿真2 6 3 6 本章小结2 7 第4 章化学品泄漏后主动疏散问题的模型与算法2 9 4 1 模型假设一2 9 4 2 模型建立2 9 4 3 问题求解3 0 4 3 1 理论基础3 0 4 3 2t c c r - a e 算法3 2 4 3 3 算例一3 3 4 4 算法复杂度分析3 5 4 5 本章小结3 5 2 ， 一 第5 章化学品泄漏后主动疏散问题的算法仿真3 7 5 1 仿真实验设计3 7 5 1 1l i n g o 简介3 7 5 1 2 仿真实验框架3 8 5 2 仿真结果与分析3 9 5 2 1 疏散者数量对算法效率的影响3 9 5 2 2 交通网络节点数对算法效率的影响4 0 5 3 本章小结”4 l 第6 章结论与展望4 2 6 1 结 仑4 2 6 2 工作展望4 3 参考文献4 4 致谢4 9 3 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 危险化学品是指具有易燃、易爆、毒害、腐蚀、放射性等性质，在生产、运输、装 卸和储存保管等过程中，易造成人身伤亡和财产损毁而需要特别防护的物品。危险化学 品一旦发生爆炸或者泄露事故，跟其它安全生产事故相比其后果和影响更大，这是因为： ( 1 ) 危险化学品对人体的伤害是很大的，一旦泄露之后，它的毒气以及它本身的液 体容易对人体产生一些危害，所以它跟其它的工业事故就不太一样了。 ( 2 ) 很多危险化学品的生产企业是建设在市区附近、人员稠密的地方，按现在的标 准看，就是它的安全距离不够，所以一旦发生泄露，对周边居民的影响是很大的，化学 品挥发之后，在空气当中，必然对周边的群众产生危害，所以它一旦发生泄露之后，要 疏散上千人、上万人、十几万人，如果没有及时地采取有效的人员应急疏散管理措施， 将会产生灾难性的后果。 近年来，国内外发生的一系列重大危险化学品泄漏事故也恰恰印证了上述的观点。 例如，1 9 8 4 年1 2 月3 日印度博帕尔联合碳化公司发生5 5 吨甲基异氰酸脂泄漏事故，造 成3 1 5 0 人死亡，5 万人失明，近8 万人终身残疾，受这起事件影响的人数多达1 5 0 万， 世界为之震惊。1 9 7 6 年发生在意大利塞韦索的环已烷泄漏事故，造成需应急疏散的人数 为2 2 万人。2 0 0 4 年4 月1 5 日，重庆江北区重庆天原化工总厂发生氯气泄漏事件，1 5 万群众被疏散，9 人失踪、死亡。在刚刚过去的2 0 0 7 年，中国发生了超过11 3 0 0 0 起化 学品泄漏事件3 0 1 ，同样在美国也有3 2 0 2 2 起化学品相关的泄漏事件发生【3 。 有毒气体泄露之后造成的损失的大小在很大程度上取决于对毒气的监测、预警工 作，但是如果没有良好的计划、调度方案，必然会造成疏散过程的无序、道路拥塞，进 而增加人员的伤亡情况。计雷等人在突发事件应急管理一书中指出“在危难发生时 人员撤离这样的细节问题上，需要对以往的理论、技术方法进行深入的剖析，给出最优 的解决方案，避免一遇到突发事件就出现类似全民总动员式的资源巨大浪费。”为 此，有必要探索如何充分利用现有的交通设施和人防工程，建立大范围人员疏散模型， 以及建立考虑交通网络的时变特性的优化调度模型。 1 2 问题描述 应急疏散是指在灾难发生后，将受影响区域( 或潜在受影响区域) 内的人员尽快、 以尽量可靠的方式转移到安全区域。 本节首先明确一下应急疏散在整个应急管理研究体系中所处的位置。目前的研究中 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 一般将应急管理分为预防( p r e v e n t i o n ) 、准备( p r e p a r e d n e s s ) 、反应( r e s p o n s e ) 、 恢复( r e c o v e r y ) 四个阶段。应急疏散是灾难发生后的行为，因而属于反应阶段所考虑 的问题。同时，反应阶段需要进行以下几方面的工作( 如图1 1 所示) ： ( 1 ) 应急人员的部署。包括事故相关领域的专家、消防、搜救、公安、交警、政府 等部门的人员； ( 2 ) 受影响区域人员的疏散； ( 3 ) 避难所的选址、搭建； ( 4 ) 应急物资的部署。包括减灾物资( 如防毒面具) 以及避难所内人员的生活物资。 ， 八 、 图1 1 应急反应阶段所研究的问题 f i g 1 1 p r o b l e m sr e s e a r c h e da tt h es t a g eo fe m e r g e n c yr e s p o n s e 由于应急事件一般都具有突发性的特点，因此对包括应急疏散在内的反应阶段的工 作都应事先建立相应的应急预案，做到未雨绸缪。从这层意义上讲，应急疏散又是准备 阶段的工作之一。 以下将对应急疏散的特点以及其研究的基本问题进行介绍。 1 2 1 应急疏散的特点 1 2 1 1 一般应急疏散的特点 高东椰、刘新华指出应急问题具有突发性、不确定性、弱经济性和非常规性【2 9 1 ，而 这四大特点同样适用于应急疏散过程，另外应急疏散还具有动态性、依赖性和强制性的 特点。 ( 1 ) 突发性 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 顾名思义，由突发事件所引起的应急疏散过程，最明显的特征就是其突然性。这就 对应急疏散的时效性提出了更高的要求，无论是有预警期的突发事件( 如飓风) 还是无 预警期的突发事件( 如火灾) ，都必须要求将受影响区域的人员在最短时间内，以最快 捷的流程和最安全的方式进行疏散。 ( 2 ) 不确定性 应急疏散的不确定性，主要是由于突发事件的不确定性，决策者无法准确地估计突 发事件的持续时间、影响范围、强度大小等情况，使得对是否进行疏散，什么时间开始 疏散，在多大范围内进行疏散，如何疏散这一系列问题的决策变得更加困难。 ( 3 ) 弱经济性 由于应急疏散的高时效性要求，经济效益原则将不适合再作为首要目标进行考虑。 受影响区域人员的生命、健康安全才是应急疏散的重中之重。因此，应急疏散的目标具 有明显的弱经济性，并且在大多数情况下成为一种纯消费性的行为。 ( 4 ) 非常规性 为了尽可能减低灾难的影响，首先要有一个组织精干、权责集中的机构进行统一指 挥和调度，以确保疏散过程的协调一致。同时，当针对疏散需要征调应急人员、车辆、 减灾物资时，各单位必须最大能力地满足。 ( 5 ) 动态性 一方面，由于突发事件的不确定性，其影响范围、持续时间等都是随时间动态变化 的。另一方面，在大规模疏散的情况下，大多数共享的资源都是有限的，例如交通网络 的容量，可调用的疏散车辆，以及医院、避难所的接待能力等。因此这些应急资源的可 用性在不同的时间也都是变化的。 ( 6 ) 依赖性 在应急事件发生后，疏散并不是应急反应决策者需要考虑的唯一因素。应急人员( 如 消防、搜救人员) 的准确部署、应急物资的及时供应等过程同样也与疏散过程共享交通 网络的容量、可调用的疏散车辆等资源。因此应急疏散过程与应急反应中的其他过程是 相互依赖的。 ( 7 ) 强制性 在疏散过程中可能遇到一部分受影响区域的群众不愿疏散或者提出暂时无法满足 的要求，例如一个家庭乘同一辆车，携带大量的物资等。在这种情况下，应急人员就需 要强制进行疏散，以保证当事人以及更多其它人员的生命安全。 1 2 1 2 化学品泄漏后应急疏散的特点 在化学品泄漏的情况下，其疏散过程又有其自身的特点： 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 ( 1 ) 受影响区域的形状、位置、危险程度都是动态的。有毒气体的化学组成成分不 同，对人体的危害程度也不同。而且由于受到风速、大气湿度、温度等因素的影响，有 毒气体的传播路径和范围也都在随时间发生变化。 ( 2 ) 疏散者的多样性。总体上说，在一定时间范围内滞留在毒气中对人体是相对安 全的，但只要超过了这个界限疏散者的健康和生命就会受到严重威胁。对于这个问题可 以用带有时间窗的运输模型来解决。但是，疏散者中还包括已经受伤的人群，且不同体 质、不同年龄的人的安全疏散时间是不同的，而这些情况却是在其他疏散情况所不具有 的。 ( 3 ) 不同时段需要转移的疏散者的人数也是不同的。在事态不严重的情况下，可以 采取一些就地( i n - p l a c e ) 保护措施，这当然是一种更为经济的方法。随着事态的发展， 可能对于一些受影响较严重的区域或者滞留于危险区域时间较长的人群就需要进行紧 急疏散，而对于其他区域仍可采取静观其变的措施。因此，不同的事态情况下，需要转 移的人数也是不同的。 1 2 2 应急疏散基本问题 灾时应急疏散管理的主要工作就是要对整个疏散系统进行合理规划，使其发挥最大 效率，把受影响区域内的人员迅速及时地转移到安全地点。围绕这个目标，应在规划基 础设施( 包括交通网络、人防设施) 、制定疏散预案、实施有效的交通管理等方面开展 研究。疏散系统的效率可用多种指标衡量，如疏散时间、疏散距离、灾害发生前安全逃 离的人数等，因此疏散问题的实质是一个多目标优化问题。一般地，应急疏散问题的内 容至少应包括t 确定需要疏散人员的范围，确定作为疏散目的地的安全场所，确定疏散 路线，使人员在最短的时间内，安全地达到疏散目的地。 图1 1 中的虚线框出了应急疏散问题。图中数字所代表的含义如下，l ：从外部调用 车辆将受影响区域内的伤员疏散到医院；2 ：从医疗机构将救护车和滞留于医院的外调 车辆派往受影响区域；3 ：利用救护车将伤员疏散到医院；4 ：受影响区域内的人员自行 疏散到避难所；5 - 从外部调用车辆将受影响区域内的人员转移到避难所；6 ：滞留于避 难所的车辆派往受影响区域。最后，图中未画出受影响区域内的人员自行疏散到其他安 全区域( 除医院和避难所外) 的情况。 结合以上的描述，本文对应急疏散基本问题总结得出： ( 1 ) 应急疏散的起源地包括： 事发点； 事发点周围的受影响区域。 ( 2 ) 应急疏散的主体包括： 1 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 受影响区域内受伤的居民； 受影响区域内未受伤的居民； 受伤的救援人员。 ( 3 ) 应急疏散的目的地包括： 医疗机构； 位于安全区域的亲戚或者朋友处； 避难所。 ( 3 ) 应急疏散的方式包括： 主动疏散，或称为自行疏散。这又可以分为步行疏散( 如楼宇疏散) 和自驾车 疏散( 如飓风疏散) 。包括图1 1 中的过程5 。 被动疏散。疏散者，包括伤员、医院的病人、残疾人、儿童、老年人等，在灾 难发生后没有或很少有自行疏散能力，因此需要及时安排搜救人员或车辆进行疏散。包 括图1 1 中的过程1 、2 、3 、5 、6 。 从建模的角度看，主动疏散是网络流问题，而被动疏散则可以看作是v r p ( v e h i c l e r o u t i n gp r o b l e m ) 问题。但是被动疏散与经典的v i 冲问题还是有所区别的。后者一般 假设一辆车的容量至少可以满足一个需求点，或者说任何一个需求点的需求量都不超过 车辆的容量。这就导致一个需求点不需要两辆或以上的车来供应，从而将问题转化为 t s p 问题或者多个t s p 问题来进行求解。然而这种假设并不总是成立的，在大规模疏散 的情况下，需要被动疏散的人员数量常常会远远超过一辆车的容量。 ( 4 ) 应急疏散属于多物资，多供、需点的问题，此处的多物资包括： 疏散车辆。其中，车辆供应点相当于疏散车辆供应点，事发点相当于疏散车辆 需求点； 救护车。其中，医院相当于救护车供应点，事发点相当于救护车需求点； 伤员。其中，事发点相当于伤员供应点，医院相当于伤员需求点； 普通疏散者。其中，事发点相当于普通疏散者供应点，避难所相当于普通疏散 者需求点。 1 2 3 本文研究内容 本文以有化学品体泄漏事故作为研究疏散问题的背景，并且假设以下的场景：某化 工厂发生爆炸，造成毒气泄漏，工厂内的一线员工已经发现有受伤的情况，而且由于毒 气不断的扩散，需要以最快的速度将化工厂周围受影响区域的居民疏散到安全区域，同 时将伤员疏散到医疗机构。需要注意的是，此处所指的安全区域并不一定是避难所，而 是指受影响区域以外的区域，即本文将在2 2 4 中提到的安全临界点的概念。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 本文将化学品泄漏后的疏散问题分为主动疏散和被动疏散两个子问题分别进行研 究。对于主动疏散问题，本文主要关注如何在交通网络的路径容量受约束的情况下进行 车辆的调度和车辆路径的选择的问题，即( 1 ) 何时，( 2 ) 从哪个受影响区域点，( 3 ) 沿着 哪条路径，( 4 ) 疏散多少车辆，( 5 ) 到哪个安全地。对于被动疏散问题，本文将外调的 疏散车辆与被动疏散人员看作一种应急物资来进行调度，因此被动疏散问题是一个多物 资调度问题。另外，就运输能力来说，该问题是一个多供给点、多需求点的问题。就被 动疏散来说，该问题是一个多供给点( 受影响区域) 、多需求点( 安全区域节点) 的问 题。总之j 主动疏散问题是一种多物资，多物资供应点，多物资需求点的复杂的组合优 化问题。 同时，由于被动疏散者中的普通疏散者很容易转化为伤员，并且主动疏散的人员也 可能转化为伤员，而两类人员的疏散目的地是不同的，因此对于被动疏散过程中的疏散 者就需要对以下两种情况进行考虑。对于普通疏散者：( 1 ) 何时，( 2 ) 从何处调车辆，( 3 ) 调集多少车辆，( 4 ) 到哪个受影响区域，( 5 ) 将多少疏散者，( 6 ) 送到哪个安全点；对于 伤员：( 1 ) 何时，( 2 ) 从哪个急救中心，( 3 ) 调集多少救护车，( 4 ) 到那个受影响区域， ( 5 ) 将多少伤员，( 6 ) 送到哪个医院。 1 3 本文主要工作 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 本文分析了应急疏散的特点、研究的基本问题以及其在整个应急管理领域所处 的位置，对其从多个角度进行了分类，并对宏观层面的疏散计划与疏散政策的制定和微 观层面上的建模方法与相应算法进行文献综述。本文工作的重点放在后者的讨论上，从 建模过程中所考虑的因素、模型的优化目标和建模策略三个方面作了详细的综述。 ( 2 ) 本文对化学品泄漏后受影响区域的应急疏散的两种方式，即主动疏散和被动疏 散分别进行了研究。对于被动疏散问题，由于目前的研究中尚未发现对该类问题进行专 门的研究，因此本文从建模角度进行了研究，同时提出了解决该类问题的、具有良好实 时性的被动疏散车辆调度与选路( v s r - p e ) 算法。对于主动疏散问题，由于问题界定 已经非常清楚，因此主要从算法角度进行研究，并提出了路径容量受限的主动疏散选路 ( t c c r a e ) 算法。 ( 3 ) 对本文所介绍的v s r p e 和t c c r - a e 算法设计了仿真试验，并给出详细的计 算结果，以此全面的评估算法的效果。 1 4 理论和实际意义 车辆优化调度问题是一个有约束的组合优化问题，属于n p 难题，甚至许多已经被 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 证明是n p c 问题。随着问题输入规模的扩大，求解时间呈几何级数上升。 同样，本文中研究的主动疏散问题是一个能力约束的网络流问题，已经被证明为 n p c 问题。对于被动疏散问题的复杂度，( 1 ) 如果只考虑车辆分配问题，由于车辆供应 量和安全点处的接待能力都是有限的，则该模型可以看作是一类二次指派问题 ( q u a d r a t i ca s s i g n m e n tp r o b l e m ，q a p ) ，而q a p 是最常见的n p - c 问题之一；( 2 ) 如 果只考虑车辆路径选择的问题，该问题属于动态v r p ( v e h i c l er o u t i n gp r o b l e m ) 问题， 此类问题大多数也都为n p 问题。 因而传统的运筹学方法( 如线性规划、分支定界、动态规划等) 已经无法在短时间 内得到结果，很难适用于大规模的疏散问题研究，因此需要采用启发式算法进行求解。 启发式算法的研究的最根本意义就是通过研究问题本身的规律来进一步通过忽略大量 的比较差的可行解来寻找较优解，其虽然牺牲了一定的准确性，但却更大程度上的提高 了算法的运行效率。本文的研究过程中，为了解决主动疏散和被动疏散问题，本文将提 出两个有效的基于贪婪规则的启发式算法。同时为了满足实际疏散过程中的需要，本文 开发的算法中对实时性作了充分的考虑。 本文的研究虽然是以化工厂爆炸后的疏散为背景进行的，但是加以适当改造，本文 所提出的算法同样可以应用于其他情况下的疏散调度。 1 5 本文章节安排 本文的章节安排如下： 第一章，对本文的研究背景进行了介绍，同时在对一般应急疏散问题的特点和研究 内容进行分析的基础上，提出了本文的研究内容和主要工作，并且对其理论和实际意义 进行了分析。 第二章，按照自上而下、从宏观到微观的原则对应急疏散问题进行了文献综述。对 应急疏散问题进行了分类，并着重对疏散建模方法进行概括、总结。最后指出目前研究 中存在的问题，并提出了解决疏散问题的集成思路。 第三章，对化学品泄漏后的被动疏散过程进行了建模，并提出了解决该问题的基于 启发式的实时调度算法一被动疏散车辆调度与选路算法( v s r - p e ) ，同时对v s r - p e 算法的有效性进行了仿真实验。 第四章，对化学品泄漏后的主动疏散过程进行了建模，并提出了解决该问题的基于 启发式的路径容量受限的主动疏散选路( t c c r a e ) 算法。 第五章，对第四章提出的t c c r - a e 算法进行了仿真实验，并通过与线性规划方法 的比较，从计算时间和最优性两方面进行了详细的讨论。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第六章，进行结论与展望，总结本文的结论与主要贡献，同时也交代了本文研究进 一步需要做的工作和相关研究的发展方向。 东北大学 三里岛 计算机软、硬件技术的发展，运筹学理论的逐渐成熟也给应急管理问题的研究奠定了基 础。作为灾害应急管理研究中一个不可或缺的子课题，疏散问题也越来越引起了人们的 关注，相关论文逐年增加，已经成为国际上的一个研究热点。 所谓疏散问题主要研究如何将尽快处于危险区域的居民以及伤员转移到安全区域。 目前，已经有一些关于疏散问题的综述【3 - 1 2 1 。这里本文从系统工程的角度出发，按照自 上而下、从宏观到微观的原则将关于疏散的研究概括为以下两大部分： ( 1 ) 疏散计划与疏散政策 这是作为国家机构以及相关企业为用于灾害救援而拟订的与疏散相关的整体计划、 政策以及预案。 ( 2 ) 疏散模型及相应算法 关于疏散的具体模型和算法，这是支撑疏散系统的关键技术。 本章将按照此分类进行综述。其中疏散模型及相应算法是本文综述的主要部分。 2 1 疏散计划与疏散政策 u r b i n ae 和w o l s h o nb 等关注了美国各个州的疏散计划和政策，并在2 0 0 2 到2 0 0 5 年的四篇文献中对此进行了综述【1 0 。1 3 】。 u r b i n ae 和w o l s h o nb ( 2 0 0 3 ) 从交通的角度综述了美国各个州对于飓风疏散的计 划和政策，既包含了传统的交通文献，也包含了对沿海各受飓风威胁的各州的交通及应 急管理部门的调查【l l 】。总结了目前的疏散管理政策、信息交流方式和决策原则。其综述 表明从1 9 9 8 年开始交通专业人员开始介入疏散计划的制定当中，带来了与交通相关的 技术和经验，包括：疏散需求的预测、疏散交通分析和建模，以及智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y a e m ，i t s ) 技术的应用，作者还着重强调了各州的交通部门和应急管 理部门正在实践的用于提高将来疏散能力一些新方法，如反向流操作和智能交通系统。 u r b i n ae 和w o l s h o nb ( 2 0 0 5 ) 综述了飓风疏散涉及到的交通工程学的各个方面： 交通系统计划、准备和响应的政策和操作【1 2 】；交通的操作、管理和控制【1 3 1 。对各州的疏 散政策进行了较为全面的介绍，具体包括：命令和控制策略、使用的疏散类型、实施和 强制原则，也提及了一些疏散建模方法。虽然该研究是针对飓风疏散，可是对于其他灾 害的疏散也可适用。 一 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 国内的学者同样也做了大量的工作。翟怀海对城市应急情况下不同规模的应急疏散 运输问题给出了建议【1 4 】；姜云昭等对地震次生灾害影响下的应急疏散问题进行了研究 u 5 j ；国家各部委也针对突发性公共事件、自然灾害、化学品泄漏等突发性危机事件颁布 了2 0 0 多项应急预案【1 61 7 】。尤其是近年来伴随着信息技术的发展，不少学者提出了城 市突发事件网格化管理【1 引、城市应急联动系统1 9 1 的概念，并在北京、上海等城市进行了 应用。 2 2 应急疏散问题分类 由于突发性灾难事故发生的背景( s c e n a r i o ) 、规模不同，应急疏散问题所采用的 研究方法是不同的。因此在介绍疏散建模方法之前，本文有必要先对应急问题进行分类。 2 2 1 按疏散的规模分类 根据疏散的规模，应急疏散问题可以分为大规模疏散问题和小规模疏散问题。在小 规模疏散的情况下，可能利用最短路算法或者前n 条最短路算法就能够解决。但是在大 规模疏散时，各种应急资源，特别是交通网络资源，是有限的，需要采用网络流的方法 来进行研究。另外，减轻路网拥塞的方法有两个：第一是优化疏散过程，在时、空两个 维度更合理的利用路网能力；第二是优化疏散网络，例如可以对网络瓶颈处的路段实施 交通管制，将双向车道临时改为单向车道【2 0 2 2 1 。 2 2 2 按受影响区域的不同分类 根据受影响区域的不同，应急疏散问题可分为： ( 1 ) 区域疏散 对较大范围内的区域进行疏散，包括化工厂毒气泄漏、核设施爆炸导致的社区疏散、 飓风和海啸导致的城市疏散等。 ( 2 ) 建筑物疏散 最典型的是建筑物内的火灾疏散，也可以包括从飞机、地铁、船舶等的疏散。9 1 l 事件以来，对建筑物疏散的研究得到了越来越多的关注。此处值得一提的是，随着北京 2 0 0 8 奥运会的临近，国内学者对于体育场馆的疏散进行了大量的研究 2 3 - 2 5 】。 这两类疏散问题由于场所的不同，导致疏散的特征不同，在研究方法上也有所区别。 对于建筑物疏散问题，可以使用基于网络的宏观的优化模型来研究，也可以使用基于网 格的微观的仿真模型来研究，关注此类问题的研究人员主要是灾害救援方面的研究人 员；对于大规模区域疏散，不适合使用基于网格的微观仿真模型来研究，而适合使用基 于网络的优化模型来研究，关注此类问题的研究人员主要是智能交通领域的研究人员。 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 2 2 3 按是否有预警期分类 y i c h a n gc h i u 等人( 2 0 0 7 ) 将疏散问题按照是否有预警期分为1 2 6 j ： ( 1 ) 短预警期( s h o r tn o t i c e ) 。短预警期的疏散问题一般有2 4 小时到7 2 小时的应 急提前期 2 7 】，从而允许应急管理决策机构在考虑灾难的时空特征的基础上进行疏散策略 的制定、选优，例如飓风疏散。 ( 2 ) 无预警期( n on o t i c e ) 。当大规模、无任何征兆的灾难发生后便产生了无预警 期的疏散问趔2 引，例如火灾疏散。 2 2 4 按危险区域和安全区域的相对位置分类 所谓危险区域( 或受影响区域) 和安全区域并不一定是完全分离的(