基于風險分析的軍用危險品道路運輸線路優化

我國的軍用危險物資一般有武器彈藥(包括報廢彈藥)、火箭推進劑、各種油料等3 大類［1］。在運輸的過程中，若發生爆炸，可引燃周圍可燃物而釀成火災，爆炸氣體形成的空氣沖擊波，可造成對周圍的破壞，嚴重的可摧毀附近的建筑物及設施并造成人員傷亡。

軍用危險品從生產到儲存、使用都需要通過運輸環節才能實現其戰斗力，道路運輸網的建設給軍用危險品運輸提供了快捷通道，但由于其具有特殊的理化性質，無論是平時還是戰時，都具有極大安全隱患［2］。若發生運輸事故，不僅會污染環境，而且會因未能及時補充作戰物資而影響部隊戰斗力。運輸線路優化不僅要節約成本，最重要是降低風險。因此，針對降低運輸風險的軍用危險品道路路線優化研究具有一定的現實意義。

1 危險品運輸風險分析

軍用危險品道路運輸是由人員、運輸工具、公路線路、裝載貨物及周圍不斷變化的環境等組成的系統，這個系統由于受到各種因素的影響而存在安全風險。為降低危險品道路運輸的風險，有必要進行風險分析。風險分析是指通過辨識軍用危險品運輸過程中的影響因素，估計各種因素可能發生的概論，計算出在不同運輸條件下的運輸風險，從而作出正確判斷，其目的在于辨識出影響系統安全的最基本因素［3］。通過分析軍用危險品道路運輸系統，其風險影響因素主要有相關人員、軍用危險品、裝卸設施設備、外部環境等。對軍用危險品運輸的風險分析過程可以看作是公路運輸網、運輸風險源、影響區域三者交互分析的結果［4］，風險分析的框架如圖1 所示。

圖1 危險品道路運輸風險分析框架

危險品公路運輸存在的危險點表現在運輸網、運輸風險源、影響區域3 個方面，而通過圖1可以發現，這三者存在著一定程度上的交叉影響，對風險的影響程度不同，危險品運輸過程中不同的路線有不同的運輸風險。本文選取運輸事故率、影響人員數、環境風險、運輸時間4 個風險指標，將風險指標作為選線指標，按照權重結合為一個風險值。

2 選線優化

2.1 選線風險影響因素

由于危險品公路運輸要考慮的主要問題是減低風險，直接影響到線路優化的方向。線路優化問題即運輸路線選擇問題，這是個多目標問題;而危險品運輸的目的是使得運輸風險最小，這就是線路優化的根本目的，線路優化的約束條件則是運輸風險的各種影響因素，線路優化要達到這個目的，就要將影響風險的各種因素考慮進去。為了解決這個多目標問題，將風險影響因素轉化為風險值來選擇最佳路徑，同時，依照道路狀況，如道路等級、設計限速、交通量等，以及影響人員、天氣狀況等因素影響運輸過程優化選線，而且選線決策中應更多地考慮輸沿線影響人員風險［4］。為此，從減小風險的角度使用運輸事故率、影響人員數、環境風險、運輸時間4 個選線優化指標，并且以最小化運輸事故率和最小化影響人員數為主要優化目標來定義風險值。

軍用危險品公路運輸的可行路徑由一系列路段P構成，定義P={1，2，…，n};Pi為第i路段的泄露事故率，事故/a;di為第i路段的路線長度，km;Ci為第i路段風險區的影響人員總數，人;而對于危險品道路運輸沿線的影響人員可以分為路上影響人員C1、路外影響人員C2、沿線聚集中心人員C3等3 類［5］。由此可以得到如下的選線評價指標，即選線函數。

(1)運輸事故率P:

式中:P為總的運輸事故率;φi為第i路段危險品的運輸事故率;P(R/A)i為第i路段危險品運輸事故中的條件泄露概率;ni為第i路段運輸車輛數。

(2)影響人員數量C:

(3)環境風險Ε:

式中:ρi為人員出現的概率;Si為第i運輸路段危險品泄露后的影響敏感區環境面積［5］。

(4)運輸時間T:

式中Vi為第i路段平均運輸速度。

2.2 選線風險值

設選線評價指標m(1≤m≤4)，表示為一個集合fi={f1，f2，…，fm};l為運輸起點O至終點D間的一條可行路徑，則路徑的選線函數可表示為fk，它由多個目標函數組成，由于評價指標都是越小越優，則可表示選線函數為

由于各個選線目標函數的單位不同，為了比較，先求解各個目標屬性的最小評價值，然后標準化選線函數的單位，使其為無量綱的數值［6］。可將最優線路的評價函數轉化為

式中:fk(l)為路徑第k個選線函數的評價值;f*

k(l)為路徑第k個選線函數的最小評價值。則危險品道路運輸的風險值可以表示為

2.3 選線方法

路段的風險值由各個目標的風險值組成，需結合Dijsktra 最短路算法求解危險品運輸最優路徑［7］。該算法求非負賦權圖中起點vs到終點vt的最小風險值路線，具體步驟如下。

(1)對于一個有權重的有向圖G，以V表示所有頂點的集合，每一個圖中的邊都是2 個頂點所形成的有序元素對，(u，v)表示從頂點u到v有路徑相連，每條邊(u，v)賦以一個實數F(u，v)，稱為邊的權，這里權值F(u，v)取為該路段的風險值F。

(2)若有一條從u到v的邊，若是最小權值路徑，則把u到v的邊加在這條路徑后面，得新路徑權值為d(u)+F(u+v)，判斷其是否小于目前已知的d(v)的風險值;若是，則將d(v)用d(u)+F(u+v)取代，如此擴展計算，可得從起點到終點的最小風險值路線及風險值。

(3)算法中保留頂點集合S與Q，已算出的最小風險值d(v)的頂點放在S中，其他頂點放在Q中，開始時S為空，每一步都會有Q中滿足d(u)值最小的點移動到S中來。

(4)最后的結果得到從起點vs到終點vt的一條最小風險路，這條路即是最優路線，該路線總的風險值為各路段風險值之和。

3 實例分析

以某道路運輸網為例，該道路拓撲圖如圖2 所示。設從v0-v7運送10 t 的軍用危險品物資，通過調查路段的事故率、影響人員數、環境風險、運輸時間等基本信息，建立拓撲如圖2 所示。

在給出的危險品道路運輸路網拓撲圖中，一共有8 個頂點、12 條有向路段，各個路段的相關選線函數的取值見表1。

圖2 軍用危險品道路運輸路網拓撲

表1 路段取值數據

將各選線值進行標準化處理后，按照其對運輸風險值的重要程度，在這里主要依據文獻［5］中的權值參考，賦予這幾個指標以權重:35% P+30% C+20% E+15%T，結合Dijkstra 最短路算法求解，得到最小風險值路徑(用虛線表示)，如圖3 所示。

圖3 最小風險路線

按照傳統的運輸方式，為最快速度地運送軍用危險品物質，一般會選擇運輸時間最短的路線lminT為v0-v1-v5-v7，按照本文的綜合風險值最小的最短路算法，綜合風險最小的路徑lminF為v0-v1-v2-v6-v7。對比二者的標準化風險值，lminF(值為2.92)明顯地小于lminT(值為3.85)，運輸風險值減小24.2%。可見，最短運輸距離路線并非最佳路線，傳統的最短運輸時間方法，雖然節約了運輸時間，但會承擔很大的運輸風險。通過最小風險權值選線方法進行路線優化，雖然增加了運輸時間，但極大地減小了運輸事故率、影響人員數等，也就減小了運輸風險，達到了運輸路線優化的效果。

4 結 語

針對降低軍用危險品的道路運輸中風險的路線優化問題，可以有效地減小運輸事故率、影響人員數等，從而最大程度地降低運輸風險。本文在對運輸風險組成因素進行詳細分析的基礎上，確定了選線指標，采用最短路徑結合的方法尋找最佳的運輸路線。通過實例計算結果，表明此方法可較好地應用于軍用危險品的運輸，能獲得最小風險值的最優路線，從而有效平衡各個選線指標，為軍事運輸選線決策部門提供有一定參考價值的決策技術和方法。

［1］ 高殿森，梅全亭，呂楠. 軍用危化物資道路運輸環境風險與防范對策探析［J］.中國儲運，2010(11):107-109.

［2］ 丁許龍，易云耀，劉俊杰.軍用危險品運輸風險評估［J］. 商品與質量，2011(S9):175-176.

［3］ 高進東，馮長根，吳宗之.風險分析的質量評價研究［J］. 中國安全科學學報，2001，11(2):65-66.

［4］ 吳宗之，任常興.危險品道路運輸選線問題分析［J］.安全與環境學報，2006，6(2):84-88.

［5］ 任常興，吳宗之，李晉. 基于風險分析的危險品道路運輸多目標Pareto 最優選線［J］. 中國安全生產科學技術，2008，4(2):9-12.

［6］ 毛華，趙小娜，毛曉亮. 危險品運輸中的最小風險最大流算法［J］.計算機工程，2012，38(9):268-270.

［7］ 高隨祥. 圖論與網絡流理論［M］. 北京:高等教育出版社，2009:13-15.