（交通运输规划与管理专业论文）基于GIS的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究.pdf

上海海事大学硕士论文基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 摘要 随着海上船舶溢油危害逐渐地被人们所认识，各国都加强了对海上溢油应急管理 的研究工作，其中船舶溢油应急反应决策支持的数字化技术正逐步成为大家的研究热 点。但是综观国内外对于船舶溢油应急反应决策支持数字化技术的研究，我们发现大 部分都局限于对于溢油扩散态势的模拟上，而缺乏对应急计划与应急资源调运问题的 集成研究。因此，我们在国家自然科学基金的资助下决定开发一套海上船舶溢油应急 决策支持系统( 0 s d s s ) ，旨在为溢油事故应急处理提供信息和决策支持。本文开发 的海上船舶溢油应急资源调运系统为o s d s s 的一个子系统。 在技术路线上，本文主要以海上船舶溢油应急反应中的应急资源调运为专题研究 对象，以系统科学为指导，运用系统工程的方法，把应用运输学、运筹学、地理信息 系统、制图学、计算机组件技术等多学科结合起来，进行交叉与综合研究。 基于已有的研究成果，本文主要做了以下的工作： ( 1 ) 详细回顾了国内外应急资源调运的研究现状，并总结出了应急资源调运目 标的发展方向；详细分析了g i s 在应急资源调运管理中的应用方向，为系统设计提供 了理论基础和设计思路。 ( 2 ) 根据海上溢油应急资源调运的特点，构建了基于“应急开始时间最早”、 “限定期限前提下出救点个数最少”为目标的多资源多出救点应急调运模型。在这个 基础上，文章对模型的算法问题进行了深入探讨和计算机实现。 ( 3 ) 对海上溢油应急资源调运系统进行了需求分析，明确了系统的总体功能、 逻辑结构以及主工作流程：研究了m a p x 组件技术和系统的集成问题以及基于m a p i n f o 的电子海图制作技术；最后在此基础上设计并建立了地理信息系统必不可缺的空间数 据库以及相关的属性数据库。 ( 4 ) 根据系统设计的目标，实现了系统的主要功能。 关键字：船舶污染应急管理资源调运地理信息系统 蛸每海事大学硕士论文基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 a b s t r a c t w i t ht h ea w a r e n e s so ft h es e r i o u ss i t u a t i o no ft h eo i ls p i l la c c i d e n t sa ts e a ， m a n yc o u n t r i e sa t t a c hm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c eo nt h er e s e a r c hw o r ko ft h e c o n t i n g e n c ym a n a g e m e n tf o rd e a l i n gw i t ht h o s ea c c i d e n t s r e c e n t l y , t h ed i g i t a l t e c h n o l o g yo ft h e0 i is p i l lc o n t i n g e n c ym a n a g e m e n t i sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h ef o c u s o fa l lt h er e s e a r c hw o r k b u tw ef i n di tt h a tm o s to ft h er e i a t e dr e s e a r c h e sf o c u so n t h es i m u l a t i o no ft h ed i f f u s i o nt e n d e n c yo ft h es p i l l e do i l ，b u tl a c kt h ei n t e g r a t e d r e s e a r c ho nt h ec o n t i n g e n c yp l a na n dt h er e s o u r c ea l l o c a t i o na n dt r a n s p o r t s ow e d e c i d e dt od e v e l o pap i e c eo fs o f t w a r en a m e do s d s st h a ti sa i d e db yt h en s f c ， i no r d e rt oi m p r o v et h ed e c i s i o n - m a k i n gl e v e lw h e nd e a l i n gw i t ht h eo i l s p i l l a c c i d e n t s 。t h es y s t e md e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sas u b s y s t e mo ft h eo s d s s 。 a st ot h et e c h n i c a ll i n e 。t h ed i s s e r t a t i o na p p l i e st h em e t h o do fs y s t e m e n g i n e e r i n gw i t h t h eg u i d a n c eo ft h et h o u g h to fs y s t e mt h e o r y , i n t e g r a t e st h e m u t t i d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g e ，s u c ha st h eo p e r a t i o n a lr e s e a r c h 、g i s 、g r a p h i c s 、 c o m p o n e n tt e c h n o l o g y , e t c ，t h e nd e v e l o p st h es y s t e mo fc o n t i n g e n c yr e c o u r s e a l l o c a t ea n dt r a n s p o r tf o rd e a l i n gw i t ht h eo i ls p i l l i n ga c c i d e n t sa ts e a i nt h i sd i s s e r t a t i o n 。t h ea u t h o rt r i e st od ot h ef o l l o w i n gw o r kb a s e do nt h e e x i s t i n gr e t u r n s ； ( 1 ) r e v i e w i n gt h er e s e a r c h e so nt h er e s o u r c ea l l o c a t i o na n dt r a n s p o r t a n d p o i n t i n go u tt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h er e s o u r c ea l l o c a t i o na n dt r a n s p o r t ； a n a l y z i n gt h ea p p l y i n gi s s u eo ft h eg i si n t h ef i e l do fc o n t i n g e n c yr e s o u r c e a l l o c a t i o na n dt r a n s p o r ti no r d e rt op r o v i d et h et h e o r yf o u n d a t i o na n dt h et r a i no f t h o u g h t so ft h es y s t e md e s i g n ( 2 ) b a s e d o nt h ec h a r a c t e r so ft h ec o n t i n g e n c yr e c o u r s ea l l o c a t i o na n d t r a n s p o r t t h ed i s s e r t a t i o nc o n s t r u c t st w om o d e l sf o rt h ec o n t i n g e n c yr e c o u r s e a l l o c a t i o nb a s e do nt h eg o a lo f h el e a s tc o n t i n g e n c yt i m e ”a n dt h eg o a lo f t h e 上海海事大学硕士论文 基于o i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 l e a s tr e s c u ep o i n tw i t h i nt h el i m i t e dt i m e ”t h e n ，t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h e a d t h m e t i co ft h et w om o d e l sa n di m p l e m e n t st h e mo nt h ec o m p u t e r ( 3 ) a n a l y z i n gt h ed e m a n do ft h es y s t e m ，d e f i n i n gt h eg e n e r a lf u n c t i o n 、l o g i c s t r u c t u r ea n dt h em a i n w o r kf l o wo ft h es y s t e m ；s t u d y i n go nt h es y s t e mi n t e g r a t i o n i s s u eo fm a p xa n dt h ef a c t u r et e c h n o l o g yo ft h ee l e c t r o n i cs e a - m a p ；b a s e do nt h e a b o v ea n a l y s i s ，t h ea u t h o rd e s i g na n di m p l e m e n tt h es p a t i a ld a t ab a s ea n dt h e p r o p e r t yd a t a b a s eo ft h es y s t e m ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ng o a l ，t h ea u t h o ri m p l e m e n t st h em l a t e df u n c t i o no f t h es y s t e m y el o n g ( t r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o np l a n a n dm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r s h ix i n k e yw o r d s ：v e s s e lp o l l u t i o n s ，c o n t i n g e n c ym a n a g e m e n t ，r e s o u r c ea l l o c a t e ，g i s 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致湔的地方外，不包含其他人或者其他机 构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡 献均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：学日期：出 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存 论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作：卑争靳弛龃吼巡 上海海事大学硕士论文 基于g i g 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着全球经济的发展，海上货运量大幅度增长，油船的数量和吨位也越来越大。 而随着油类进出口量的增加以及油轮进出港口次数的增加，发生油船海损事故的机率 和严重程度也在提高。近年来，在中国海域和国际上都发生过不少突发性船舶溢油事 故，如国际上比较著名的“t o r r y c a n y a o n ”、“a m a c o c a r d i z ”号事故，以及发生 在我国的“东方大使”号、“加翠”号、珠海“闽燃供2 ”号等事故。海上溢油事故 不但给当地渔业、水产养殖业、旅游业等造成巨大的损失，也严重损害了海洋以及海 岸的自然环境和生态环境。据统计，从1 9 6 8 年至1 9 9 7 年间全球发生溢油量大于1 万加 仑( 3 4 吨) 的各类溢油事故共计7 3 7 1 次，平均每3 2 小时就发生一次。其中溢油量大于 1 0 0 万加仑的大事故每年平均发生1 2 1 3 次，而大于1 0 0 0 万加仑的重大事故至今已发 生过6 5 次。海上溢油事故多为突发性事件，溢油事故发生后能否迅速而有效地做出溢 油事故应急反应并采取应急措施，对控制污染、减少污染损失以及清除污染等都起着 关键作用。在溢油事故多发海域( 特别是港口) ，我们必须建立溢油应急反应系统，以 确保海洋生态系统的安全，减少溢油事故所造成的经济损失。 在早期的对海上溢油应急管理的研究中，人们对纯技术上的研究远远优先于应急 计划及战略规划的研究。然而，2 0 世纪7 0 年代、8 0 年代发生的几起油污事件表明： 虽然各国对治理船舶溢油事故进行了多年的研究，但是总的应急反应能力并没有提 高。其主要原因一是事前没有形成有效的溢油应急计划；二是当事故发生对，应急资 源不能被及时运送到事故现场。对此，我们认为：从本质上讲，一个好的船舶溢油应 急计划需要回答以下几个问题：该做什么、先做什么、谁来做、需要什么资源、如何 找到这些资源、如何将这些资源在第一时间内运到现场等。从总体上看，溢油应急计 划的研究应包括两个方面的内容：是应急管理体系的设计和评估；二是应急资源的 优化组织。在应急资源的优化组织方面，从9 0 年代以来，一系列的规划研究分析技 术被引入和应用。如：美国运输系统研究中心会同海岸警卫队在9 0 年代完成了一个 上海海事大学顾士论文 基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 研究项目，该项目明确了更为清楚的应急资源的需求和配置。国家海岸警卫队根据研 究结果，及时修改和调整了重要应急资源的预先设置计划。c h a r n e s 等人运用机会约 束目标规划研究了应急资源的优化分配以及应急调度问题。此外，麻省理工学院在 n o a as e a 基金的资助下，也正试图对基于战略、战术和操作等不同层面的溢油应急 资源的优化调配问题进行理论建模“1 。 而另外一方面，船舶溢油应急反应决策支持的数字化技术也在不断地发展中。近 几年来国内外学者对溢油相关软件的开发做了大量的工作。国外起步较国内要早，因 此成熟的软件较多。a h a i - r a b e h 等人针对阿拉伯海湾开发了g u l f s p i l lv e r s i o n 2 0 c 3 1 溢油模拟软件。该软件采用了三维溢油模型可对油膜在各种环境下的行为和归 宿进行精确的模拟。o s r a “1 软件不仅用于溢油行为的模拟，还可用于对溢油易发海域 的预测。g r a h a mc o p e l a n d 针对b r u n e is h e l f 海于2 0 0 2 年开发了o i l t r a c k 溢油模拟软 件。1 。由s i n t e f 附开发的o s c a r 软件可对溢油的行为、归宿进行模拟，还可对溢油浓度、 溢油深度以及岸线受污染程度进行模拟，同时该软件提供了应急物资的分布情况和简 单的应急策略。o s t m 叫作为澳大利亚溢油应急计划的一部分主要完成对溢油行为的 模拟为应急计划的制定提供依据。r i a m 。1 和c o m b o s “”都是由臼本科学家针对日本海和 东京海湾开发的模拟软件。r i a m 有四个部分组成：地理与环境数据库、日本海海域潮 流模型、溢油模拟模型、气象数据处理子系统；c o m b o s 的模拟对象是深水中溢漏油污 和有毒气体，该系统采用c l a r k s o n 提出的深水油污、气体泄漏运动模型对水中的油及 气体的行为进行模拟并预测水体中污染物的浓度及对周边生态环境影响的程度。国内 一些大学和科研单位在此方面也做了一些尝试。早期的有傅孙成“。等开发的溢油微机 视算系统，该系统资考虑了溢油的漂移和扩散没能考虑溢油的归宿，所以模拟精度和 准确度较低。张波“”等对原来国内基于d o s 环境的溢油模拟系统进行了改进，开发了 中文w i n d o w s 环境下的海上溢油预报系统，该系统比国内原有的模拟系统多了评价环 境影响的功能。随着国内对溢油事故及应急反应的不断重视，溢油相关软件的设计和 开发不断成熟。熊德琪等“”开发的珠江口区域海上溢漏污染物动态预测系统在预测内 容、精度等方面比原先的同类系统有很大提高。 但是综观上述软件，我们可以看出，对于船舶溢油应急反应的决策支持的研究， 大都局限于对于溢油扩散态势的模拟上，而缺乏对应急计划与应急资源调运问题的集 成研究。因此，我们在国家自然科学基金( 项目名称：航运对长江流域水环境的影晌 卜海海事大学硕士论文 基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 调控机制的基础研究；项l f l 编号：7 0 2 7 3 0 1 9 ) 的资助下决定开发一套海上船舶溢油应 急决策支持系统( 0 s d s s ) 。本文开发的海上船舶溢油应急资源调运系统为0 s d s s 的一 个子系统，其中的地理环境背景为上海港长江口海域。 1 2 研究方法和技术路线 本文以海上船舶溢油应急反应中的应急资源调运为专题研究对象，以系统科学为 指导，运用系统工程的方法，把应用运输学、运筹学、地理信息系统、制图学等多学 科结合起来，进行交叉与综合研究。 拟采用的技术路线如图卜l 所示： 图i - i 技术路线 上海海事大学硕上论文 基于o l s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 1 3 本文所做的工作 基于已有的研究成果，本文主要做了以下的工作： ( 1 ) 详细回顾了国内外应急资源调运的研究现状，并总结出了应急资源调运目标 的发展方向：对g i s 进行了概述，并详细分析了g i s 在应急资源调运管理中的应用方 向，为系统设计提供了理论基础和设计思路。 ( 2 ) 根据海上溢油应急资源调运的特点，构建了基于“应急开始时间最早”、“限 定期限前提下出救点个数最少”为目标的多资源应急调运模型。在这个基础上，文章 对模型的算法问题进行了深入探讨和计算机实现。 ( 3 ) 对海上溢油应急资源调运系统进行了需求分析和系统设计，并建立了地理信 息系统必不可缺的空间数据库以及相关的属性数据库。 ( 4 ) 根据系统设计的目标，实现了系统的主要功能。 4 上海海事大学硕士论文基于g 1 s 的海上船舶溢油应急瓷源调运系统的开发研究 第二章国内外研究现状分析 2 1 应急瓷源调运的国内外研究现状 应急资源调运与一般的物资调运有着本质的区别，一般的物资调运往往以总体调 运成本最少作为优化的目标，而对于处于特殊环境中的应急资源调运，由于事情的紧 急性，往往是以应急时问开始最早作为优化的目标( 很明显，应急开始时间越早往往 对抑制灾害事故的蔓延越有利) ，而在满足时间紧迫性条件下，我们当然也希望调运 系统的稳定性最好，所付出的应急成本最少。根据查阅的众多资料，我们发现，总体 来说，国内外对应急系统的研究上，对应急资源优化配置的研究多于对应急资源实时 调运的研究，对陆地灾害应急资源调运的研究多于对水域灾害应急资源调运的研究。 对于应急资源调运的国内外研究情况，根据收集到的资料，综述如下： 刘春林、盛昭瀚、何建敏在文献【1 4 中讨论了基于连续消耗系统的单资源应急 多出救点的应急资源调运问题。作者针对应急系统多点出救问题的特点，引入了连续 可行方案的概念，并提出了以最早应急开始时间为目标的数学模型及相应的求解算 法。不过，作者在本文中仅仅讨论了“基于应急时间开始最早”单目标的确定型应急 问题，没有考虑系统稳定性问题。 刘春林，何建敏，盛昭瀚在文献【1 5 中讨论了一次性消耗系统单资源多出救点 应急资源调度问题。应急系统调度问题通常仅把“应急时间最短”作为系统的优化目 标，易导致出救点数目较大的情况。无论从系统的稳定可靠性还是费用考虑，这种现 象的发生是极其不利的，针对这一特点，作者提出了基于“时间最短”、“出救点数目 最少”的多目标数学模型，考虑决策者偏好的模糊性，作者采用模糊规划的思想方法 处理该问题，并给出了相应的求解算法。 刘春林、何建敏、盛昭瀚在文献【1 6 】中讨论了考虑多重目标的一次性消耗系统 的单资源多出救点选择问题。作者针对应急系统的特点，提出了基于“时间最短”、 “出救点数目最少”的多目标数学模型。考虑决策者偏好的模糊性，作者采用模糊规 划的思想方法处理该问题，并给出了相应的求解算法。 5 e 海海事大学硬上论文 基于g i s 的海上船舶溢池应急瓷源调运系统的开发研究 刘春林、何建敏、盛昭瀚等人在文献【1 7 】中讨论了不确定条件下的一次性消耗 系统单资源多出救点的应急资源调运问题。当从出救点到应急地点时间为区间数时， 给出了“使得应急开始时间不迟于限制期r 的可能度最大的方案”的求解算法。作者 从非路径角度分两种情况讨论应急系统多出救点组合优化方案的求取问题：i ) 当出 救点到应急地点所需时间均为普通实数时，提出了基于“时间最短”的单目标间题和 基于“时间最短前提下，出救点数目最小”的两阶段问题及其求解方法；2 ) 当出救 点到应急地点所需时间为区间数时，提出了“使得应急开始时间不迟于限制期l 的可 能度最大的方案”的求解方法，作者的重点是研究后一个问题。 刘春林、何建敏、施建军在文献【1 9 1 中讨论了物资需求约束条件下连续性消耗 系统单资源多出救点的紧急物资调度问题。根据连续应急问题的特点，给出了应急时 间最早前提下出救点数目最少以及限制期条件下出救点数目最少的应急模型。并且从 理论上证明了模型求解方法的正确性。 刘春林、旌建军、李春雨在文献 2 0 j 中运用模糊集理论讨论了有资源需求约束 的一次性消耗系统单资源多出救点应急组合调度方案的求取问题。受许多因素影响， 平息事故所需的应急资源量有时是不确定的，通过引入模糊集的概念，从决策者的角 度，任何方案的应急资源数量都对应一个需求约束满意度。另一方面，应急问题客观 上要求方案的应急开始时间尽可能早，这样，任一方案又对应一个时间约束满意度。 通过运用模糊优化的技术方法，本文给出了该问题的优化模型及相应求解方法。并且， 考虑到方案稳定性或费用，文中的算法解是所有最大满意度方案中出救点数目最少 的。 高淑萍，刘三阳在文献1 2 1 】中针对多资源连续消耗应急系统调度问题中出救点 到应急地点的时间不确定性，采用集对分析中的联系数概念进行描述和求解，并定义 了联系数的序关系的概念，给出了基于联系数韵多资源连续消耗应急系统的应急对间 最早的模型和算法。在文章的最后，作者给出了基于文献 1 8 的算例，算例表明，作 者提出的基于联系数的多资源应急系统调度模型令人满意，并且比文献 1 8 更具实际 意义。但作者并未讨论当需求量和供应量为不确定的情况下以及一次性消耗应急系统 的应急资源的调度问题。 刘春林、沈厚才在文献1 2 2 1 中运用模糊集理论讨论了次性消耗系统单资源多 出救点应急资源调度问题。作者从应急问题的特点出发，考虑时问紧迫性及系统稳定 6 上海海事大学硕士论文基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 性因素，建立了应急时间最早、出救点数目最少的多目标数学模型，并运用模糊集理 论，通过定义模糊决策集，采用模糊优化方法成功给出了该问题的求解方法。针对目 标函数值离散的特点，作者采用加权模糊目标集，多目标问题转化为单目标问题。全 文的最主要内容是给出方案集q ，并且证明了最优解一定能在q 中获取，从而把问 题的求解转化成在数日不多的方案中寻找最优解。 高淑萍，刘三阳在文献 2 3 1 中通过建立二层优化数学模型讨论了连续消耗系统 单资源多出救点选择的问题。在应急系统调度问题中，若把应急时间最短作为系统优 化的目标，常常产生出救点数目过大的弊端。从费用和可靠性的角度考虑，出救点数 目越小越好。作者以应急时间最短为前提，建立了使出救点数目最少的二层优化数学 模型，并给出求解算法。数值算例脸证了所建立模型的合理性与算法的有效性。但作 者没有对多资源应急系统“在应急时间最短的前提下，出救点数目最少”问题进行讨 论。 谢规良、孙树栋、刘冉、倪颖杰在文献 2 4 1 中提出了一种基于关键设备的计划 调度模型，虽然不是针对应急系统，但是其“基于关键设备”的思想对应急资源的调 运有一定的启发作用。作者用局部资源优化代替全局资源优化的方法，阐述了关键设 备的定义和评定指标，建立了基于关键设备的计划调度模型，并给出了相应的算法。 此外，作者还介绍了该模型在西安航空发动机( 集团) 有限公司某车间具体实现的情 况。 刘洋、陈英武、谭跃进在文献【2 5 】中讨论了在计划执行过程中需求有变动时资 源调运方案的调整方法，虽然文章针对的仅仅是一般的调度系统，但文章提出的动态 调度思想对应急资源的调运有一定的启发作用。文中讨论的含时间窗口的多资源调度 问题，是一个包括资源分配和时间窗口分配的两阶段优化过程。在初始调度方案执行 过程中，由于新的任务需求的到达，需要对视始方案进行调整，以使整个调度方案最 优。作者针对这种情况，分析了该问题中的主要约束条件，建立了含时间窗口的多资 源动态调度模型，给出了一种启发式迭代修改求解方法，并以含时间窗口的多机调度 问题为例，对模型和算法进行了验证。 通过上述分析，我们可以看出，应急资源的调度问题，往往要考虑如下因素： 是一次性消耗系统还是连续消耗系统：是单资源调度问题还是多资源调度问题； 是仅考虑单目标问题还是考虑多目标问题；在考虑多目标问题的前提下，各个目标 7 上海海事大学硕士论文基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 之间是并列关系还是有优先级别的；需不需要考虑资源需求量、供应量或者是运输 时间的随机模糊因素；需不需要考虑关键设备；在计划执行途中，需求发生变 化怎么办等等。 综观国内外学者的研究现状，我们可以发现，大多是研究都集中在单资源的应急 调度上，对于单资源的应急调度显得比较成熟。而对多资源的应急调度问题，由于其 复杂性以及考虑因素的多样性，学者们研究得较少。但是对于海上溢油事故的应急资 源调度问题，由于其往往需要多种应急资源配合使用，所以必须考虑多资源的各种状 况，又由于海上溢油应急反应系统属于一次性消耗问题( 具体概念在第三章讲) ，这 就迫使我们必须研究一次性消耗系统的多资源多出救点应急资源调度问题。 2 2g i $ 在资源管理中的应用综述 本系统最大的特点是其是基于地理信息系统而开发的，所以我们有必要理解下 g i s 的国内外研究现状。 g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，即地理信息系统，是在计算机硬件、 软件系统支持下，对整个或部分地球表层( 包括大气层) 空间中的有地理分布数据进 行采集、存储、管理、运算、分析和可视化表达的信息处理和管理系统。一个典型的 g i s 系统主要包括四个基本部分：计算机硬件系统、计算机软件系统、空间数据、系 统的应用人员及组织机构。除上述四个基本组成部分外，有的学者还将g i s 应用模型 作为g i s 组成的第五部分”1 。 随着计算机技术的发展，g i s 系统软件和应用软件也也目趋成熟和完善，并且向 着以下方向发展：与面向对象技术结合，最近几年研制的地理信息系统软件大多数采 用面向对象的技术，如s m a l l w o r l d 、g a d 等；与i n t e r n e t 结合，使g i s 的信息处理 模式由传统的集中式转向客户机服务器( c s ) 或浏览器服务器( b s ) 模式；与专 家系统、神经网络结合，用于解决复杂地学问题；与g p s 、r s 、d p s 结合，使g i s 数 据的获取和更新技术取得重大进展。这些新技术的发展，为我们开发基于g i s 的船舶 溢油应急资源调运系统提供了许多新的思路。 g i s 的应用领域很广，如前所述，与空间位置相关的领域都是地理信息系统的重 上海海事大学硕士论文 基于g 1 5 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 要应用领域，例如：1 ) 资源管理。包括森林和矿产资源的管理、野生动植物的保护、 土地资源潜力的评价和土地利用规划等：2 ) 区域规划。城市和区域规划具有高度的 综合性，涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化、金融等因素，g i s 能为 规划人员提供强大的根据，帮助规划人员对数据进行分析，从而实现区域规划的科学 化；3 ) 辅助决策。g i s 利用拥有的数据和互联网传输技术，已经实现了电子商务的 革命，满足企业决策多维性的需求，企业可以利用g i s 迅速有效管理空间数据，进行 空间可视化分析，寻找商业地域规律，研究商机时空变化的规律，不断为企业创造新 的机会。 在把6 i s 应用于资源管理领域，国内外很多学者都做了尝试。 徐中华，李云峰，王疆霞在文献 2 7 1 中综述了6 i s 在水资源科研和管理领域的应 用现状与发展趋势，指出g i s 技术应用的发展趋势是从实现存储信息、建立数据库、 查询检索、统计分析和自动绘图等基本功能转向建立多功能、多目标、多层次的专业 化评价分析模型、智能化的专家系统和空问决策支持系统。 肖庆来，马玉洁，田文超，祝国瑞在文献1 2 8 1 中分析了g i s 在大庆石化物流运 输管理中应用的可行性，阐述了基于g i s 的多种约束条件存在的行车路线最优化及时 间表的制定问题。作者通过建立行车路线优化模型，对物流系统业务辖区所在地的基 础地理数据的收集和量化之后形成可以琴! l 用的g i s 基础数据模型，再通过一定的优化 算法，获得能够指导石化物流运输实际作业的方案。 赵军凯，赵庆良，赵秉栋在文献1 2 9 中简要综述了地理信息系统技术及其发展 动态，介绍了g i s 在水文水资源方面的应用概况，并探讨了在水文水资源领域中应用 6 i s 所面临的一些问题，并指出目前大多数6 i s 仍是侧重于数据获取、存储、管理和 查询检索的初级阶段，其空间分析、预测预报、决策支持功能很低，是以后的发展方 向。 刘越岩，周勇，肖辉在文献【3 0 】中利用组件式地理信息系统软件开发了农用地 分等定级估价信息系统( a l e i s ) 作为研究平台，对湖北省鄂州市农用地进行了定级 评价，从而为该地区农用地的合理利用与管理提供依据。作者采用总分值频率直方图 划分农用地级别，并实现定级结果以图的形式自动输出。 聂艳，周勇，陈平，肖辉在文献【3 l 】中首先采用灰色关联分析法筛选定级因子， 层次分析法确定相应的权系数；矢量化相关图层并提取农贸中心和道路作缓冲区分析 9 上海海事大学硕士论文基于g l s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 后；采用多边形法确定耕地评价单元；通过采用不同的分值函数对因子属性值进行标 准化；最后采用综合指数模型计算定级指数并根据聚类分析法将鄂州市耕地划分为5 级，利用a r c g i s 实现定级结果图的输出。作者同时利用g i s 引入缓冲区分析方法来 获取部分评价因子数据，提高了评价结果的准确性。 林孝松在文献【3 2 中在g i s 软件的支持下对研究区域的农业气候资源进行了量 化分析与评价。在评价数据的获取方面，作者应用g i s 平台将整个研究范围划分为很 多较小面积的空间对象，并将收集的气象台站农业气候资源各要素数据按照拟合的回 归方程推广到整个研究范围的所有空间对象中，从而建立基于单个网格的区域农业气 候资源数据库，提高了研究区域数据的精度，有利于各资源要素的综合量化评价与分 析。在系统中，g i s 软件的信息表现与可视化功能极大地增强了区域农业气候资源综 合量化评价结果的表现。 张金前，韦素琼在文献【3 3 】借助a r c v i e w3 2 软件和统计分析技术，分析了泉 州市1 9 8 5 年2 0 0 0 年间土地利用类型的数量变化和空间变化特征，主要利用了g i s 的空间分析功能。 金宝石，查良松，陈明星在文献【3 4 】中利用芜湖市1 9 9 0 年、2 0 0 0 年两个时相 的遥感影像进行城市土地利用解译，提取城市新、旧建成区区块用地，通过g i s 软件提 供的空间统计分析功能，对城市用地空间分布进行定量分析与描述，从而揭示城市用 地及其扩展规律。作者主要利用了g i s 的空间分析功能和缓冲区分析功能。 杨华在文献1 3 5 中采用g i s 和r s 技术，对1 9 5 7 年至1 9 9 8 年期间铜梁县双山乡 张家沟流域土地利用交化的时空过程进行历史形态分析，并结合相关统计资料，揭 示了土地利用变化的规律，找到了土地利用变化的主要因素。 从上述的分析中我们可以看出，g i s 在资源管理领域，主要应用于以下方面： ( 1 )结合地图进行空间分析； ( 2 )结合地图进行缓冲区分析 ( 3 )利用g i s 进行路径分析 ( 4 )利用g i s 的统计分析功能预测事物发展态势 ( 5 )利用g i s 的可视特点，实现数据的可视化输出 这些具体应用对于我们进行应急资源的调运管理，具有很好的参考价值，我们将 在下面的系统设计中，综合考虑这些因素，进行系统的开发。当然，在整个o s d s s 1 0 上海海事大学硕上论文基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 中，6 i s 还有一个重要的功能，就是作为溢油趋势模拟的平台，这部分内容不属于本 文讨论的范围，我们将另文阐述。 2 3 本章小结 本章我们首先详细回顾了国内外应急资源调运的研究现状，并总结出了应急资源 调运目标的发展方向，为下文海上溢油应急资源调运模型的构建指明了方向；接着， 我们对g i s 进行了概述，并详细分析了g i s 在应急资源调运管理中的应用方向，为下 文系统设计提供了理论基础和设计思路。 上海海事大学硕士论文基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 3 1 需求的提出 第三章应急资源调运模型的选择与构建 在海上溢油应急资源调运的实施过程中，合理的出救点选取有着重要的意义。为 了将损害造成的损失降到最低，应使救灾工作尽早地展开。从系统的稳定性出发，我 们又希望出救点的个数尽可能少。同时，根据对上海海事局危防处工作人员的调研， 我们发现海上溢油应急资源多资源的调运是个一次性消耗系统，所谓一次性消耗系 统就是指需求的全部救援资源( 数量、种类) 都到达才能进行应急活动的系统。在海 上溢油应急事故中，多种应急资源在实际中往往是通过汽车运输到一个应急点集合后 再通过船舶等交通工具运输到海上进行旋救。 3 2 单资源调运模型与算法研究 当应急事故所需要的资源只有一种时，我们称其为单资源问题。单资源应急调运 问题相对比较简单，但却也非常重要，因为它是多资源多出救点应急调运问题的基础。 在一个海上溢油应急系统中，我们假设n 个资源出救点分别为4 ，4 ，4 ， 有一个溢油应急地点为a ，在发生溢油事故后，专家经过判断，溢油应急点a 需要资 源x ，需求量为z 。我们设第i 个资源出救点对资源工的现存储量为鼍，第f 个资源 出救点对资源x 的供应量为。这里1 s i n ，且蕾z x ，并且对于任一个4 ，z 0 且不全为0 ，从4 到a 的运输时间为( o ) 。不失一般性，我们假定s f ：s s 。 要求给出一调度方案使得在保证应急需求的情况下，应急开始的时间最早，或者是在 应急开始时间能尽量早的前提下，从系统稳定性角度考虑，出救点个数能最少。 上海海事大学硕士论文基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 3 2 1 基于应急时间开始最早的应急资源调运模型与算法 根据上述的分析，任可行方案( 设为m ) 司表不为： 中= 池，五。) ，：，) ，矗) ) ，其中，d 。，d ：，d 。为数列l ，2 ，竹子列 的一个组合，称之为一个排列，并且艺l 工，表明从忍个出救点中挑出噍，矗z ， d k 等出救点来提供所需资源参加应急，并且对该资源的数量为五，五：，五。 记所有方案的集合为q 。 我们用z ( 垂) 表示方案垂对应的开始时间，就可以得到基于应急时间开始最早的 单资源调运模型： 删n 丁( 垂) l 唾q j ( 3 1 ) 在事实上，对不同的系统雨言，z ( 垂) 的表示方法可能有所不同，这里我们针对 的是次性消耗系统，另外我们已经假定f ls f ：s s ，这时，我们设所选的最优方 案为中，且薹c 石s 砉t ，其中p 我们称为临界下标， 则f = 似，珈( 舢：) ，( a p 一一薹枷 同时我们得到丁p ) 一 总的算法如下： 步骤1 求出需要出动的最少出救点个数，设为n ； 步骤2 求出前n 1 个出救点所承担的出救任务； 步骤3 求出最后一个出救点所承担的出救任务； 步骤4 输出相应结果。 该算法的特点是：选取离事故点a 最近的出救点4 参与应急，如果它的全部物资 量墨小于需求量x ，则再让第二近的出救点4 参与应急，如果4 和以的全部物资量 上海海事大学硕士论文基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 之和_ + x 2 还小于需求量x ，则让第三近的出救点4 参与应急，如此等等，直至满足 应急物资的需求。 3 2 2 基于应急时间开始最早前提下出救点数目最少的应急资源调运模型与算法 以应急开始时间最早作为目标的方案可能很多，无论从费用的角度或者是系统稳 定性的角度来说，考虑“应急时间开始最早前提下出救点数目最少”这个问题更有实 际意义，因为出行车辆的多少直接关系到系统的稳定性和可靠性，并且从费用角度来 说，出行车辆的多少又直接关系到系统的总费用。 所以，假设我们用( 垂) 表示方案中对应的出救点的数目，再已知m + 为仅考虑开 始时间最早的最优解，并j t t ( 中) = t p ，则考虑应急时间开始最早前提下出救点数目 最少的模型可这样表示： m i n n ( m ) 其中，r ( 中) 一o l 中q( 3 2 ) 其含义就是在若干组应急开始时间最早且相同的应急资源点组合中，选择一个应 急出救点个数最少的组合来参与应急工作。 综合上面的分析，我们设计了下述的算法： 步骤1 求出单单考虑应急开始时间最早这一条件的应急开始时间t 。； 步骤2 求出应急开始时间为t 。的所有出救点组合； 步骤3 从所求出的所有出救点组合中选择一组出救点个数最少的组合； 步骤4 根据算法获得的出救点排列输出各个应急资源点的出救任务。 这里的算法，我们参考了刘春林、何建敏、施建军在文献【1 9 】中的思想。同时， 在算法设计的过程中，我们发现，刘等在文献【1 9 】中提出的应急开始时间最早前提 下出救点数目最少的算法在最后一步，仅从中间步骤给出的应急资源点集合中寻找最 优解，并没有考虑到由于仅考虑出救点个数问题而剔除的应急资源点实际在最后有可 上海海事大学硕士论文基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 能仍被选中的情况，因此，他给出的最优解实质仅是局部最优解，仅是全局可行解， 而非全局最优解。这里，我们给予了修正。 3 3 多资源组合调运模型与算法研究 当应急事故所需要的资源不止一种时，我们称其为多资源组合调运问题。多资源 组合调运问题由于涉及到多种应急资源，其调运过程比单资源调运过程要复杂得多。 此问题描述如下：在一个应急系统中，有n 个出救点4 ，4 ，4 l ，有一个 应急地点a ，在突发事件中，应急点a 共需要m ( i n 1 ) 种资源，定义为墨，x ：， 以，需求量分别为墨，x 2 ，。我们设第f 个出救点对第j 种资源的现存储量 为，第i 个出救点对第j 种资源的供应量为毛。这里1 s i s 玎，1 s ，s m ，且 苫x ，j = 1 ，2 ，m ，并且对于任一个4 ，2 0 且不全为0 ( j = 1 ，2 ， r n ) ，从4 f 到a 的运输时间为t i ( t i 0 ) 。不失一般性，我们假定s 乞“s 。要求 给出一调度方案使得在保证应急需求的情况下，应急开始的时间最早，或者是从系统 稳定性的角度要求出救点的数目最少。 3 3 1 基于应急时间开始最早的多资源调运模型构建 根据题意，任一可行方案m 可表不为：m l 伸。，m ：，庙，其中， 垂一 0 屯，) ，：，x d z ) 0 气，碗，) 表示第门砷资源的应急调度方案，吐，如，吐 女 为数列1 ，2 ，n 子列的一个组合，称之为一个排列，并且t ，= z j ，j = 1 ，2 ， m ，表明从n 个出救点中挑出d 。，d ：。，d 。等出救点来提供第，种资源参加应急， 并且对该资源的数量为，t ：，矗，。记所有方案的集合为q 。 上海海事大学硕士论文 基于g i s 的海上船舶溢油应急资源调运系统的开发研究 对某一个方案巾，我们设应急开始时间为r ) 。这里应急开始时间是指所有需 求的资源都到达应急点且满足应急点需求量的时间。 从而，我们得到基于应急时问开始最早的应急资源调运模型可以表示如下： 设调运方案为中，则其必须满足以下条件 m