多發(fā)點(diǎn)地震緊急運(yùn)輸優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)①

王艷萍，劉文堂，趙永安

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），地球探測(cè)與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201）

0 引言

地震發(fā)生后交通線往往不同程度受損，導(dǎo)致交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、性能發(fā)生明顯的改變，嚴(yán)重影響了救災(zāi)隊(duì)伍、救災(zāi)物資等的運(yùn)輸。在震后交通網(wǎng)絡(luò)遭到不同程度破壞的情況下，如何從最合適的地點(diǎn)組織足夠的救援隊(duì)伍，通過(guò)最快捷的路線趕赴震區(qū)；如何從最合適的備用倉(cāng)庫(kù)調(diào)運(yùn)足夠的救援物資，并通過(guò)最快捷的路線運(yùn)抵災(zāi)區(qū)，都是決策者十分關(guān)心的問(wèn)題，也是亟待解決的問(wèn)題。

這里既有救援路徑的規(guī)劃問(wèn)題，也有運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。就救援路徑規(guī)劃問(wèn)題，王海超等［1］運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)可能受損的情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，在一定程度上為制訂地震緊急救援預(yù)案提供參考；Ozdamar L.等［2］研究了自然災(zāi)害中的應(yīng)急物流的最優(yōu)路徑問(wèn)題；Barbarosoglu G.［3］等研究了基于兩階段的災(zāi)后緊急運(yùn)輸方案；姚清林［4］研究震后緊急救援最優(yōu)路徑問(wèn)題。以上研究解決了震后由于道路的受損、交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變，救災(zāi)路線在安全性與通行質(zhì)量約束下的最短路問(wèn)題。但均沒(méi)有討論運(yùn)輸量的問(wèn)題。同時(shí)對(duì)于如何快速判斷道路受損和交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變的解決方案也沒(méi)有數(shù)據(jù)庫(kù)支持。就系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，陳紅等［5］建立了城市應(yīng)急指揮決策支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并設(shè)計(jì)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)的處理方法；王麗莉等［6］介紹了地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)思路；趙林等［7］介紹了災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方法，為多種災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)防范提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。鄧?yán)诘龋?］介紹了基于Oracle Spatial構(gòu)建多元災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)框架，分析了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的種類、屬性及特點(diǎn)，研究了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，在多元異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的基礎(chǔ)上，初步實(shí)現(xiàn)了多元災(zāi)害信息的存儲(chǔ)、查詢、繪圖及顯示等功能。周中紅［9］等利用GM（1，1）模型建立了甘肅省縣一級(jí)人口數(shù)量的增長(zhǎng)模型，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)人口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在地震發(fā)生時(shí)的動(dòng)態(tài)計(jì)算。曾繁如［10］等提出從遙感影像中提取震害信息的方法。陳文凱［11］等提出了基于GIS和RS技術(shù)的震害信息處理和快速評(píng)估方法。然而，他們都沒(méi)有涉及多發(fā)點(diǎn)救援路徑的優(yōu)選方案問(wèn)題。

筆者在多發(fā)點(diǎn)情況下地震救援路徑的優(yōu)選算法中建立了多發(fā)點(diǎn)情況下地震救災(zāi)路線的優(yōu)選算法。本文給出震后交通圖的形成過(guò)程及有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將從系統(tǒng)的功能、數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容以及圖層拼接的流程方面闡述多發(fā)點(diǎn)地震緊急救災(zāi)運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 多發(fā)點(diǎn)地震緊急救災(zāi)運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)的功能模塊

該系統(tǒng)可作為緊急救援系統(tǒng)的子系統(tǒng)，它承擔(dān)著道路信息的管理、道路受損情況的評(píng)估、道路信息的查詢、最優(yōu)路徑的分析與發(fā)布等任務(wù)，因此多發(fā)點(diǎn)地震緊急救災(zāi)運(yùn)輸系統(tǒng)的功能應(yīng)包括道路信息編輯模塊，災(zāi)情信息管理模塊，信息查詢模塊，路徑分析模塊以及道路功能評(píng)估模塊。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的功能模塊Fig.1 Function module of the system.

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

1.2.1 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

圖形數(shù)據(jù)庫(kù)是基于GIS的數(shù)據(jù)庫(kù)形式，主要用來(lái)儲(chǔ)存和處理空間信息數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的不同可以分為矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。多發(fā)點(diǎn)地震緊急救災(zāi)運(yùn)輸數(shù)據(jù)庫(kù)的圖形數(shù)據(jù)主要包括以下幾個(gè)信息：鐵路交通信息，空運(yùn)交通信息，高速公路交通信息，國(guó)道交通信息，省道交通信息，城市道路、縣道及鄉(xiāng)間小路交通信息，水路交通信息，交通節(jié)點(diǎn)信息（其中包括橋梁和隧道），經(jīng)緯網(wǎng)信息等。每種信息由一個(gè)圖層來(lái)承擔(dān)，每個(gè)圖層由兩個(gè)字段來(lái)分別容納圖中要素的編號(hào)和名稱信息，編號(hào)定義了每段交通線路的首尾節(jié)點(diǎn)，比如某段線路首尾節(jié)點(diǎn)分別是V13、V14，用V13V14表示某段線路的編號(hào)；名稱字段定義了每條線路的名稱，比如京沈高速、107國(guó) 道等。如表1所示，每一個(gè)圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)圖層名稱，它有兩個(gè)基本的屬性信息，即編號(hào)和名稱，在表中字段名所列。

表1 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)

為了搜索和計(jì)算方便，本文將各種交通網(wǎng)絡(luò)分為三個(gè)級(jí)別的搜索層來(lái)參與計(jì)算，第一層包括鐵路交通圖，航空交通圖和高速公路交通圖；第二層包括國(guó)道交通圖，省道交通圖和大型水路交通圖；第三層包括城市道路交通圖，縣道交通圖和鄉(xiāng)間小路交通圖。參與計(jì)算的順序首先是第一層，然后是第二層，最后是第三層。如圖2所示，每一層中又包含幾種交通圖。1.2.2 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

圖2 三層交通圖的設(shè)計(jì)模式Fig.2 Design pattern for three layers＇traffic map.

表2 公路運(yùn)輸屬性數(shù)據(jù)表

屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要儲(chǔ)存和處理與圖形數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的眾多屬性信息。也相應(yīng)由四個(gè)子庫(kù)數(shù)據(jù)表組成，主要包括航空運(yùn)輸數(shù)據(jù)、鐵路運(yùn)輸屬性數(shù)據(jù)、公路運(yùn)輸屬性數(shù)據(jù)、水路運(yùn)輸屬性數(shù)據(jù)以及大型水路運(yùn)輸數(shù)據(jù)，文章僅以公路運(yùn)輸屬性參數(shù)為例介紹屬性數(shù)據(jù)的組織方法。如表2所示，表中數(shù)據(jù)類型即數(shù)據(jù)的分類，比如整型（int）、字符（char）、浮點(diǎn)（float、double）。長(zhǎng)度指的是數(shù)據(jù)類型的字節(jié)長(zhǎng)度。

公路編號(hào)是給每條公路編的一個(gè)序號(hào)，為方便與圖形數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)所設(shè)；公路等級(jí)是指公路的規(guī)模或級(jí)別，這里指公路標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別［12］，包括高速公路、國(guó)道、省道、縣道、鄉(xiāng)間小路等；節(jié)點(diǎn)即公路與公路間的交匯點(diǎn)，包括高速公路入道口、高速公路出道口、十字交叉口和轉(zhuǎn)盤節(jié)點(diǎn)等；節(jié)點(diǎn)用時(shí)是指通過(guò)交通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間，運(yùn)輸在這里所花費(fèi)的時(shí)間可加在下一段弧的時(shí)間權(quán)上來(lái)處理。

路段長(zhǎng)度指兩節(jié)點(diǎn)之間某一段路的長(zhǎng)度；路段設(shè)計(jì)速度是表明公路等級(jí)與使用水平的控制性指標(biāo)，是公路設(shè)計(jì)時(shí)所確定的速度。當(dāng)天氣好、交通密度小，行車只受公路本身?xiàng)l件影響時(shí)，具有中等駕駛技術(shù)的駕駛員能安全順適地駕駛車輛的速度，即接近計(jì)算行車速度。

交通量是指在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)公路某一斷面的車輛數(shù)。本文采用設(shè)計(jì)小時(shí)交通量。其計(jì)算公式為

式中，DHV為設(shè)計(jì)小時(shí)交通量；ADT為年平均日交通量；K為第30個(gè)高峰小時(shí)交通量對(duì)ADT的比率，一般城市取11%，平原取13%，山區(qū)取15%；D為方向不均衡系數(shù)，一般取0.6。

車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定作為橋涵設(shè)計(jì)依據(jù)的公路車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)。

通行能力在一定道路和交通條件下，道路上某一路段單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一斷面的最大車輛數(shù)。

時(shí)間權(quán)是通過(guò)道路長(zhǎng)度，道路等級(jí)、交通量等基礎(chǔ)信息計(jì)算得到的，表示保證安全行駛下通過(guò)某路段的最快時(shí)間。該權(quán)值用bij表示，其計(jì)算公式為

式中，lij表示該路段的長(zhǎng)度；vpij表示該路段的預(yù)測(cè)行駛速度；ei為表示物資通過(guò)i節(jié)點(diǎn)時(shí)的用時(shí)；vd為路段設(shè)計(jì)速度；k1為受高峰時(shí)段小時(shí)交通量影響系數(shù)；k2為天氣影響系數(shù)，也即天氣影響閾值；q為道路受損影響閾值。如果從點(diǎn)vi到點(diǎn)vj無(wú)交通線，則規(guī)定bij＝∞。

容量權(quán)用cij表示，表示該段線路上的容量，也即最大通過(guò)能力，其中空運(yùn)、水運(yùn)中指單機(jī)或單船的容量。據(jù)我國(guó)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

式中：DHV為設(shè)計(jì)小時(shí)交通量；~N為設(shè)計(jì)小時(shí)交通量對(duì)應(yīng)急交通量的影像系數(shù)，考慮到日常的基本交通運(yùn)輸，應(yīng)急交通運(yùn)輸不可能占用全部道路運(yùn)輸，~N的值一般取0.5。如果從點(diǎn)vi到點(diǎn)vj無(wú)交通線，則規(guī)定cij＝0。

模擬交通圖中的弧aij（或表示為（vi，vj））是指從點(diǎn)vi到點(diǎn)vj的交通線（包括空運(yùn)、水運(yùn)、陸運(yùn)）。

天氣狀況的影響閾值的根據(jù)天氣狀況輸入信息中對(duì)天氣狀況的描述，將其影響的程度分給出天氣影響運(yùn)輸時(shí)間和運(yùn)量的等級(jí)。

1.2.3 屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的綁定

脫離了數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性數(shù)據(jù)，僅僅依靠GIS系統(tǒng)中的圖形數(shù)據(jù)是不完善的，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化計(jì)算。交通優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用混合式的存儲(chǔ)方式，即在同一界面下采用不同的形式分別存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，二者通過(guò)“編號(hào)”建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。

2 多發(fā)點(diǎn)地震緊急救災(zāi)運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1 震后交通圖的圖層拼接流程

震后交通圖的圖層拼接是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，基于圖層拼接的優(yōu)勢(shì)在于既能保證較少的計(jì)算量使得搜索時(shí)間較短，又能充分挖掘交通網(wǎng)絡(luò)的潛力。

圖層拼接的原則是盡量在高一級(jí)的圖層上搜索最短路徑并安排其運(yùn)量，首先是在第一層上搜索最優(yōu)路徑，如果該層無(wú)法找到能按時(shí)到達(dá)的路徑，就要加載第二級(jí)圖層進(jìn)行搜索。比如當(dāng)遇到受損節(jié)點(diǎn)A－B而使震前的最短路徑變成超限路徑，我們將加載第二級(jí)圖層，搜索最短路徑并賦予這條路徑最大的運(yùn)量。如果其運(yùn)量還不能滿足需要，鎖定已得最優(yōu)路徑不參與搜索，繼續(xù)搜索下一條最短路徑并賦予其最大運(yùn)量。如果在第二級(jí)圖層上找不到能及時(shí)到達(dá)的路徑或者無(wú)法滿足運(yùn)量的需要，加載第三級(jí)圖層，如上面一樣搜索最短路徑并賦予其最大運(yùn)量。如此繼續(xù)下去，直到找到滿足運(yùn)量的限時(shí)的A－B的路徑為止。如圖3所示。

2.2 多發(fā)點(diǎn)地震緊急救災(zāi)運(yùn)輸系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

多發(fā)點(diǎn)地震緊急救災(zāi)運(yùn)輸系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)應(yīng)充分體現(xiàn)包括道路信息編輯模塊，災(zāi)情信息管理模塊，信息查詢模塊，路徑分析模塊以及道路功能評(píng)估模塊在內(nèi)的幾大模塊的操作信息，另外要盡量考慮實(shí)用性、通用性。設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

3 結(jié)論

圖3 圖層拼接流程圖Fig.3 Flow－chart of layer splicing procedure.

圖4 多發(fā)點(diǎn)地震緊急救災(zāi)運(yùn)輸系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)Fig.4 Interface design of multi－start earthquake rescue transportation optimization system.

本文通過(guò)對(duì)基于圖層拼接的多發(fā)點(diǎn)地震緊急救災(zāi)運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的闡述，介紹了一種充分挖掘交通網(wǎng)絡(luò)潛力的新方法，對(duì)于解決震后應(yīng)急救援的緊急運(yùn)輸問(wèn)題提出了一條可行的思路，然而本方法尚未在實(shí)踐中得到應(yīng)用，可能會(huì)遇到的一些具體問(wèn)題還需進(jìn)一步研究解決。

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