基于ERRS選址模型的地下應急物流系統建設研究*

徐一旻，楊大為，呂 偉，梁 苗，李墨瀟

(1.武漢理工大學 安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 光纖傳感技術國家工程實驗室，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學 中國應急管理研究中心，湖北 武漢 430070)

0 引言

隨著我國城鎮化進程的推進及互聯網購物的興盛，城市物流的規模和總量連創新高，引發了一系列的城市問題。地下物流系統(Underground Logistics System，ULS)為緩解地上交通壓力、助力智慧城市、智慧物流、智慧交通的發展提供了新的可行地“解決方案”。ULS具有不占用城市地面道路、清潔環保、高效快捷、穩定可靠、不受惡劣天氣影響等諸多優勢。但由于ULS空間相對封閉，運營中一旦發生意外情況，如火災、洪水、地震、恐怖襲擊等自然災害和人為災害，救援的應急資源難以快速運抵，救援行動也難以開展。因此，在規劃和設計ULS之初就需要統籌考慮增設地下應急物流系統(Underground Emergency Logistics System，UELS)，可快速恢復和保障ULS的正常運行。

對于興建ULS國內外進行了積極探索，例如：1927年英國倫敦街頭的地下“郵局地鐵”、美國的阿拉米達走廊(Alameda Corridor)、荷蘭的阿姆斯特丹地下物流系統(OLS-ASH)、2014年我國自主研發的“LuGuo種子輸送分類貯藏智慧系統”[1-2]、城市地下綜合管廊等都為ULS的建設發展提供了經驗和思路。關于ULS的理論研究，主要集中在發展ULS的可行性、必要性、技術系統、建造管理等方面[3]。Kwon等[4]基于管道運輸的概念，對地下管道運輸系統及其參數進行了定義；美國的Kenneth等[5]通過研討基于電磁動力的地下物流系統，開展了實體模型實驗；美國的 Roop[6-7]在安全貨物機車(Safe Freight Shuttle)的概念基礎上開展了實體模型技術實驗；德國的Stein[8]提出了Cargo-Cap概念，并進行了模型實驗，就目前現有的技術而言，興建ULS的經濟與技術可行性已經具備，如何優化ULS的網絡布局、功能分區、路徑優化成為新的研究熱點。在ULS的網絡布局和優化方面，荷蘭的Binsbergen等[9]研究了城市地下物流優化布局的網絡優化方法，指出市綜合物流是基于時間和空間的商品和服務的最優組合；黃歐龍等[10]、姜陽光等[11]、閆文濤[12]等分別運用SLP方法、集合覆蓋模型、雙層規劃模型等對于城市ULS配送中心、物流節點選址進行了相關研究；封莎[13]據此構建了基于蟻群算法的地下通道網絡設計的數理模型，得到地下通道最優路徑圖和一二級節點的位置；顏冰等[14]基于遺傳模擬退火的聚類算法確定一二級節點群及其覆蓋范圍，提出網絡連通度和網絡容量等評價指標并建立中心節點的2種運輸方式；馮艦銳等[15]根據應急物流的時間效率大于經濟效益的特點，引入可動態變化的權重因子優化選址模型；冉連月等[16]利用Pajek軟件綜合考慮應急救援成本、地理空間等因素，建立了“P-中心應急救援站選址模型”。上述研究成果對于ULS的布局與優化有不少借鑒意義，但較少涉及ULS與應急管理工作相結合的文獻。本文將綜合考慮建立ULS在緩解地面交通壓力的同時，設置ERRS選址模型和地下應急物流系統，使ULS的運行更加連貫和穩健，提升ULS整體的抗風險能力。

本文通過城市地面擁堵指數(TPI)，建立ULS的節點群和路徑，同時考慮救援時間、覆蓋范圍及區域數量等因素，在ULS節點群內選建應急資源儲備站(ERRS)，分2步共同建立救援時間最短和建站成本最小的多目標ERRS選址模型。另外，建立基于ERRS的UELS硬件基礎設施、地下應急管理信息化平臺、地下應急指揮系統3大部分的地下應急物流系統(UELS)模型，以便更好地開展防災減災工作，保障ULS正常運行，更好地服務于智慧城市、智慧交通、智慧物流的發展。

1 問題描述

建立地下應急資源儲備站是為儲備一定的應急資源，在突發事件發生后及時向其服務范圍內的事發地配送資源，協同救援，從而減少生命財產損失。為減少成本、提高快速響應效率，應在ULS的節點群中選建ERRS，二者組合的示意圖[17]如圖1所示。

圖1 基于交通分流的ULS-ERRS選址問題示意Fig.1 Schematic diagram of ULS-ERRS location problem based on traffic diversion

由圖1可知，在盡量緩解地上交通擁擠狀況的條件下，興建包含一二級節點及節點間通路的地下物流系統，依據地面交通擁堵指數(Traffic Performance Index，TPI)、收發點貨流量和距離遠近，將地面上若干個貨運收發點的流量分流至地下的一二級節點。一級節點之間彼此相互連通，并與物流園區連通，二級節點不能與非本區域的一級節點直接連通。為充分合理規劃和利用地下空間，應急資源儲備站將在這些一二級節點之間選取。

如上所述，可以將該問題引用圖論的方法進行描述，相關的概念如下：

定義1-鎮：地面上每個區域的中心點為一個“鎮”，每個區域的面積即為“鎮”的面積，每個區域內的貨運流量視為由鎮收發。

定義2-一二級節點：從地面收發貨流量上限為U噸的節點作為一級節點，流量上限為L噸的作為二級節點。且U>L，U和L均為正實數，令ζ=U-L。

在盡量保證每個鎮的TPI不超過4(即地上交通“基本暢通”)的前提下，將溢出的流量分流至地下。

定義3-應急資源儲備站：簡稱ERRS，儲備應急資源的站點，根據需要向有突發事件發生的需求站調運物資，存儲、配送、檢修是其三大核心功能。

定義4-需求站：被應急資源儲備站覆蓋的其他節點(包括本身)及延伸至相鄰節點間路段路徑中點的距離，通常當這些節點發生突發事件時，由距離其最近的ERRS調配應急資源。

由此，可以將基于分流的ULS-ERRS選址模型，分為2步來完成：第1步，根據地面TPI和貨流量進行分流，確定ULS的一二級節點位置及相應路徑，使節點群的數量盡可能少，同時節點群之間的路徑鏈接盡可能短；第2步，根據已確定的節點群和路徑，確定ERRS的數量及位置，使ERRS的數目盡可能少、應急資源的配送總時間盡可能短，以滿足快速響應和成本最優的實際要求。

2 ULS-ERRS選址模型

2.1 第1步模型構建

前已述及，這一步的目標是分流之后，建立的節點群的數目最少，為此作如下假設：

假設1：一二級節點的容量總可以滿足其輻射范圍內鎮的流量要求，并且由其貨運輻射范圍內的若干個鎮的流量之和確定。

假設2：每個鎮只被一個節點覆蓋服務，即單個鎮的流量僅由單個一級或二級節點負責收發。

假設3：令所有鎮的地面TPI=4(若有TPI<4的不予改變)，多余的流量將被分流至地下。

設第i鎮vi的面積為Ai(常數，已知)、TPI記為ri(鎮i=1,2,…,n)，則所有鎮的集合V={v1,v2,…,vn}；令λi為vi鎮的“運量-擁堵”比例系數，則λi可由vi鎮的初始總流量除以該鎮的初始TPI得到，即λi為常數；Πε為物流園區名，ε=1,2,…,m；Sj為一二級節點的節點名，j∈{1,2,…,n}，顯然Sj?V；Θε為物流園區ε的總貨運流量，為常數。設Qi為vi鎮總貨運量(也稱為總流量)，常數；為降低TPI，對總流量進行分流處理，其中fi為vi鎮的地下貨運總量(地下流量)，gi為vi鎮的地上貨運總量(地上流量)，且有Qi=fi+gi，分流后地面的交通擁堵狀況會有所改善。

根據如上的假設，第1步的數學模型如下：

(1)

式中：N={1,2,…,n}為所有鎮vi的集合；Λi為到鎮vi的距離小于s(s為一二級節點的最大服務半徑，常數)的備選一二級節點的集合，i∈N,Λi?N；fi表示鎮vi的地下流量；eij表示從鎮vi到最近的一二級節點Sj(Sj?V)的距離；hij為0～1變量，表示鎮vi與一二級節點Sj的流量收發關系，hij=1表示鎮vi的流量由一二級節點Sj收發，否則hij=0；xj為0～1變量，當xj=1表示點Sj為一二級節點；uj為0～1變量，當uj=0表示Sj為一級節點，當uj=1表示其為二級節點；M為充分大的正數。

上述在初始計算時，由于未對vi鎮的總流量進行分流，導致fi與gi無法適當分配，進而ri難以確定，因此對上述模型進行如下所示修改：

當初始ri<4時，保留地上流量，地下流量為0；當ri≥4時，取ri=4，由λi及Qi分別確定其地上流量gi與地下流量fi；可以先不區分具體的一二級節點，由最終算法確定的節點處的流量和與物流園區的距離，自然能區分一二級節點。據此最終模型為：

(2)

各符號含義如前，但fk是已經經過分流后所得到的地下流量。

2.2 第2步模型構建

在第1步模型確立的ULS一二級節點群和路徑圖上，考慮建立一定數量的應急資源儲備站，使總的建站數量最小即成本最小、總的在途應急資源配送時間最短。為此，作如下假設：

假設4：ERRS在物流園區與一級節點群之間選取，若有二級節點與距離其最近的ERRS的應急資源配送時間超過規定的配送時間上限，則也在該二級節點處建立ERRS。

假設5：1個需求站僅被1個ERRS覆蓋服務。

假設6：不考慮該區域內地價等因素造成的建造ERRS的成本差異，即建站的費用僅與建站數量有關。

假設7：不考慮ERRS中資源的存儲和采購費用。

假設8：不考慮區間限速，即救援配送車輛在各隧道間的行駛速度v0固定。

對式(1)～(2)中確定的節點群重新編號為1,2,…,n′，并設vi(i=1,2,…,n′)為ERRS，vj(j=1,2,…,n′)為需求站，dij(dij>0)為ERRSvi到需求站vj的最短距離，即?p,q∈n′有dij=min{d(vi,vp)+d(vp,vj),d(vi,vq)+d(vq,vj)}。

根據上述假設，建立第2步的模型如下：

(3)

若要求在關鍵節點必須建站，則只需加上如下的條件即可：

(4)

其中Δ為式(2)中確定的一級節點的標號。

綜上，基于分流的ULS-ERRS兩步選址模型建立完成：首先根據地面擁堵指數(TPI)將地面部分流量引入地下，構建ULS的節點群和路徑；然后在節點群和路徑基礎上，考慮救援距離和時間、特殊節點、覆蓋范圍及區域數量等條件，建立應急救援時間最短和建站成本最小的應急資源儲備站選址模型。

3 基于ERRS選址模型的UELS系統設計

3.1 整體設計規劃

地下物流系統(ULS)為解決城市交通擁堵問題提供了新的方向和途徑，但ULS本身也要考慮安全監測與應急管理問題，應在建設初期規劃好地下應急物流系統(UELS)。本文將地下應急物流系統(UELS)分為3大部分：基于地下應急資源儲備站的硬件設施、地下物流的信息化平臺以及地下應急指揮系統，共同支撐保障ULS的穩健、安全、高效運行。圖2為UELS框架圖。

從圖2中可以看出，應急資源儲備站(ERRS)的建設是地下應急物流系統(UELS)硬件基礎，健全的地下物流應急信息管理系統、便捷高效的應急管理信息化平臺是地下應急物流系統(UELS)的軟件支撐，地下應急物流系統指揮系統是二者的總指揮。地下應急物流系統(UELS)管理體系在一定程度上，彌補了很多地下物流系統(ULS)本身的不足，可以使地下物流系統(ULS)的優勢得以更全面更安全地實現。

圖2 地下應急物流系統(UELS)框架Fig.2 Framework of underground emergency logistics system (UELS)

3.2 UELS硬件設施

硬件基礎設施的建設對保障應急物流系統工作的順利實施起著至關重要的作用。本文通過對上述選址模型的分析，搭建了地下物流網絡，為地下物流應急管理系統搭建了重要根基，UELS的硬件設施可以在此基礎上繼續設置健全。除合理規劃興建應急資源儲備站之外，UELS基礎設施還包括應急通訊設備、應急儲備物資、應急救援決策人員以及地下交通網絡等等。科學完備的地下應急物流系統硬件設施可以使ULS的運行更加連貫和穩健，從而減輕各ERRS站點的壓力。

3.3 UELS信息化平臺

健全UELS還需要搭建ULS應急管理信息化平臺(Emergency Management Information System，EMIS)，構筑包括物聯感知平臺、視頻聯動平臺等的多功能復合子平臺。在ULS突發事件事前預防階段，進行實時動態監測，獲取最新的實況信息，進行安全維護和日常巡檢，以便提前發現安全隱患、辨識危險源；在ULS突發事件事中應急階段，充分利用應急管理信息化平臺進行快速響應，根據應急預案，對平臺內的ERRS站點群中的應急資源進行合理調度，科學規劃ERRS救援車輛的行車路徑和人員配備，可以根據優先級進行動態調整與匹配；在ULS突發事件事后處置階段，利用現場分析報告，對突發事件的性質、原因、影響范圍、損失程度、風險評估等進行總結分析，更新完善“資源池”和安全知識庫，為后續類似的突發事件提供經驗教訓。

3.4 UELS應急指揮系統

UELS的應急管理體系，有了硬件基礎和信息化平臺，必然需要構筑二者聯系的紐帶和橋梁，亦即UELS應急管理體系的“中樞神經”——應急指揮系統。UELS的應急指揮系統是以ERRS為硬件基礎，以UELS應急管理系統、UELS應急管理信息化平臺、全面應急管理體系為軟件支撐，先進的安全監測與預警預測技術和手段，對ULS中的突發事件進行事前、事中、事后等各階段進行及時有效地應對和處置。

4 結論

1)根據地面擁堵指數(TPI)，構建ULS的節點群和路徑，充分利用地下空間；結合應急物流突發性等特點，綜合考慮救援距離和時間、特殊節點等條件，建立救援時間最短和建站成本最小的應急資源儲備站選址模型，為地下應急物流系統做出應急救援保障。

2)建立地下應急物流系統，可為當前新應急管理形式下應急物流系統研究、應用推廣與管理提供理論支持。

3)本文僅考慮了地面交通流量的靜態情形，沒有考慮到地面流量增長對地下物流系統的影響，因而尚有很大的深入研究的空間，需今后做進一步的研究。