一種海上應急救援站點的選址方法與流程

本發明涉及海上救援站點選址技術領域，尤其涉及一種海上應急救援站點的選址方法。

背景技術：

在航行過程中，因為駕駛員值班不仔細、疲勞操縱船舶等人為因素和熱帶風暴等環境因素所導致的海事事故屢見不鮮。這些事故造成了嚴重的財產損失甚至人命傷亡，而且還可能對環境產生無法修復的污染，極大地損害了人類的利益。當這些事故發生后，事故發生水域附近設定的應急救援站點及其所配置的救援資源是降低事故所產生損失的關鍵。在可能發生事故的水域中，當應急救援站點數量及分布設置適當并且配置了充足的救援物資時，失事船舶附近的應急救援站點將會很快地把救援物資運到事故發生所在水域，失事船舶將不會失去被救援的最佳時機，事故所造成的損失也會大大降低。因此，在可能發生事故的水域設置合適的應急救援站點并對其配置相應救援資源對降低在此水域發生事故所造成的損失有十分重要的作用。

為解決這一問題，可以基于帶精英策略的非支配排序遺傳算法來構建應急救援站點選址模型從而來確定應急救援站點的數量及位置分布。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中海上應急救援站點選址難度大的缺陷，提供一種海上應急救援站點的選址方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明提供一種海上應急救援站點的選址方法，包括以下步驟：

s1、根據目標海域內突發事故的歷史分布數據，按照突發事故的疏密程度將該海域劃分為不同的水域單元，并對各個水域單元設定模型參數；

s2、根據模型參數構建應急救援站點選址模型，使應急救援站點覆蓋目標海域的全部水域單元，且該模型滿足以下條件：

應急救援站點到可能發生事故的水域單元的最大距離達到最小；應急救援站點覆蓋可能發生事故的水域單元的總權重達到最大；應急救援站點與各水域單元的總加權距離要達到最小；

s3、利用多目標優化算法求解應急救援站點選址模型，得到最優解集作為應急救援站點的最佳選址位置。

進一步地，本發明的步驟s1中的水域單元包括：

高風險水域單元，發生海上突發事故數量多、密集的水域單元；

低風險水域單元，發生海上突發事故數量少、稀疏的水域單元。

進一步地，本發明的步驟s1中的模型參數包括：

h＝{h＝1,2,...,m}：目標水域中發生事故風險高的水域；

l＝{l＝1,2,...,n}：目標水域中發生事故風險低的水域；

i＝{h,l}：將水域單元抽象為對應的中心點，表示各個可能發生事故需求點的集合；

xij：應急救援站點j服務于事故需求點i；

wi：各水域單元的權重大小對應的水域單元風險值；

j＝{j＝1,2,...,k}：指定的備用應急救援站點；

ah：發生事故風險高的水域對應的時間滿意度要求；

al：發生事故風險低的水域對應的時間滿意度要求；

n：所有備用應急救援站點的數量；

p：應急救援站點的需求數量，p≤n；

tij：應急救援站點j到可能發生事故需求點i所需要的時間；

dij：應急救援站點j到可能發生事故需求點i的距離；

sj：各應急救援站點救援覆蓋范圍的限制；

di：各水域單元對應急資源的需求量；

qi：考慮到多種因素，規定某些水域單元的最少覆蓋次數；

f(tij)：各水域單元對應急救援站點應急響應時間的滿意度；

進一步地，本發明的步驟s2中構建的應急救援站點選址模型為：

目標函數：

minz2＝s

約束條件：

xij-xj≤0

其中，ui＝{uh,ul},i＝{h,l}；

進一步地，本發明的步驟s3中的多目標優化算法為基于非支配排序的nsga-ii算法。

進一步地，本發明的利用nsga-ii算法求解應急救援站點選址模型的方法具體為：

s31、在應急救援站點選址模型中對備用應急站點與各水域單元的距離，以及各水域單元的權重進行實數編碼操作,dij表示j備用選址與i域單元的距離，wi表示i水域單元的權重；

s32、在各個水域單元中隨機產生滿足約束條件的初始種群；

s33、設初始種群為非劣個體，非劣個體的目標值均優于所有其它個體，非劣個體的歸屬等級相同，均為1；然后移除非劣個體并歸檔，對剩下的個體進行篩選，得到新的非劣個體，并將它們的歸屬等級設為2；循環執行，直到每個個體均有歸屬等級為止；

s34、計算相應歸屬等級下每個個體對應的目標值，即計算式目標函數并排序，計算每個個體之間的擁擠距離，進而通過個體間的支配關系尋優：

如果個體i的三個目標值均優于個體j，那么個體i優于個體j；如果個體i的三個目標值不都優于與個體j，計算兩個個體的擁擠距離，距離大的個體較優；

s35、判斷是否達到設定的迭代次數，若達到條件，得到最優解集并退出；若沒有達到，則轉到步驟s33繼續計算；

s36、根據實際環境以及決策者的經驗判斷從得到的最優解集中篩選出最佳選址方案。

進一步地，本發明的擁擠距離計算公式為：

其中，m為目標函數的個數；dj為第j個個體的擁擠距離；uij為第j個個體在第i個目標函數的值；uimax、uimin為第i個目標函數的最大值和最小值。

本發明產生的有益效果是：本發明的海上應急救援站點的選址方法，通過對劃分的水域單元構建多目標決策的應急救援站點選址模型，并通過多目標優化算法求解應急救援站點選址模型，得到最佳選址位置；實現了海上應急救援站點選址的公平和效率原則，使發生海上事故時，救援站點能夠最快的對事故地點進行救援，大大提高了救援的效率和成功率。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明實施例的流程圖；

圖2是本發明實施例的突發事故應急資源圖；

圖3是本發明實施例的備用覆蓋示意圖；

圖4是本發明實施例的擁擠度距離示意圖；

圖5是本發明實施例的選擇應急站點算法流程圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

如圖1所示，本發明實施例的海上應急救援站點的選址方法，包括以下步驟：

s1、根據目標海域內突發事故的歷史分布數據，按照突發事故的疏密程度將該海域劃分為不同的水域單元，并對各個水域單元設定模型參數；

水域單元包括：

高風險水域單元，發生海上突發事故數量多、密集的水域單元；

低風險水域單元，發生海上突發事故數量少、稀疏的水域單元。

s2、根據模型參數構建應急救援站點選址模型，使應急救援站點覆蓋目標海域的全部水域單元，且該模型滿足以下條件：

應急救援站點到可能發生事故的水域單元的最大距離達到最小；應急救援站點覆蓋可能發生事故的水域單元的總權重達到最大；應急救援站點與各水域單元的總加權距離要達到最小；

s3、利用多目標優化算法求解應急救援站點選址模型，得到最優解集作為應急救援站點的最佳選址位置。

海上突發事故發生后，如果事故發生所在水域附近的應急救援站點距該水域不遠，該應急救援站點所配置的救援資源將在較短時間內達到該水域，那么事故所造成的損失將大大減少。而當所發生的事故比較嚴重時，需要調動多個應急救援站點的資源在較短時間內達到事故點來降低事故所造成的損失，于是需要在可能發生事故區域較大范圍地設置多個海上應急救援站點，使船舶在可能發生事故水域發生事故時能在較短時間內得到足夠的救援資源。在可能發生事故的水域上設置應急救援站點時，要考慮每個應急救援站點的覆蓋區域從而來確定其數量和分布，使設置的應急救援站點所能覆蓋的救援區域盡可能地覆蓋可能發生事故的水域。因而，需要利用覆蓋模型來對應急救援站點進行選擇。

本發明使用備用覆蓋模型來對應急救援站點進行選擇。在備用覆蓋模型中，事故發生點a在單一覆蓋情況下，由應急救援站點a向a運輸救援資源。當又有一地點i發生事故時，應急救援站點a因為正在對其他事故點實施救援或其他原因而不能提高救援力量來對i進行救援時，距離a比較近的另一個應急救援站點b具有救援i所需要的能力時，b可以盡快地趕到地點i處進行救援。在整個應急救援系統中，備用覆蓋模型對于提高救援事故點的可靠性是很有作用的，并且不需要再投入其他的資源對其配置，大大降低了成本。因此，使用備用覆蓋模型來對應急救援站點進行選擇。

應急救援站點選址模型構建過程如下：

(1)參數設定

根據往年某海域海上突發事故的分布，將該海域劃分成不同的水域單元，水域單元內發生海上突發事故數量和分布相互之間都有一定的差異，因此它們對應急救援的各種要求也不全相同，并且它們在時間上判定響應時間是否滿意也有所差異。在研究中，將發生海上突發事故數量多、密集的水域單元統一稱為高風險水域單元，發生海上突發事故數量少、稀疏的水域單元統一稱為低風險水域單元。將水域單元抽象為對應的中心點i，所對應的模型參數如下：

h＝{h＝1,2,...,m}：目標水域中發生事故風險高的水域；

l＝{l＝1,2,...,n}：目標水域中發生事故風險低的水域；

i＝{h,l}：將水域單元抽象為對應的中心點，表示各個可能發生事故需求點的集合；

xij：應急救援站點j服務于事故需求點i；

wi：各水域單元的權重大小對應的水域單元風險值；

j＝{j＝1,2,...,k}：指定的備用應急救援站點；

ah：發生事故風險高的水域對應的時間滿意度要求；

al：發生事故風險低的水域對應的時間滿意度要求；

n：所有備用應急救援站點的數量；

p：應急救援站點的需求數量，p≤n；

tij：應急救援站點j到可能發生事故需求點i所需要的時間；

dij：應急救援站點j到可能發生事故需求點i的距離；

sj：各應急救援站點救援覆蓋范圍的限制；

di：各水域單元對應急資源的需求量；

qi：考慮到多種因素，規定某些水域單元的最少覆蓋次數；

f(tij)：各水域單元對應急救援站點應急響應時間的滿意度；

(2)模型構建

本發明構建了多目標決策模型，要求海上應急救援站點覆蓋全部事故可能發生海域，并滿足“公平”和“效率”的選址原則。對于一個特定目標，需要從救援響應速度或各水域的覆蓋公平性考慮，應急救援站點到可能發生事故水域的最大距離應該達到最小；然后從應急救援站點備用覆蓋區域數量考慮，應急救援站點覆蓋可能發生事故水域的總權重應該達到最大；最后來考慮應急救援站點是否容易靠近和使用效率高低，應急救援站點與各水域單元的總加權距離要達到最小。具體建立的模型如下：目標函數：

minz2＝s(2)

約束條件：

xij-xj≤0(6)

其中，ui＝{uh,ul},i＝{h,l}；(11)

條件(4)是有關應急救援站點覆蓋時間半徑的相關約束。當應急站點在水域i的應急響應時間滿意度上達到時，可能發生事故的海域才能看作被覆蓋；條件(5)能夠使選擇應急救援站點的數量不少于風險水域i的需求量qi；剩余的應急救援站點數量為：

即為事故發生海域i要求的多次覆蓋的次數ui；條件(7)要求設置的應急救援站點數目為給定的p；條件(8)要求對需要被救援海域i進行救援的應急救援站點的應急救援物資數量多于i的需求量；目標函數(1)和條件(5)是為了使多次覆蓋的區域面積達到最大，其主要目的是讓事故多發海域具有足夠的應急救援站點為其提供救援；目標函數(2)和條件(9)要求設置的應急站點與各水域單元的最大加權距離s達到最小，為滿足“公平”要求，達到對事故多發海域快速響應的目的；目標函數(3)和條件(5)、(6)要求設置的應急救援站點覆蓋海域的加權距離最小，滿足“效率”要求。

在應急救援站點選址模型中，應急救援站點地址選擇涉及到多個指標因素，各指標因素之間相互沖突，因此應急救援站點的選擇是一個多目標優化問題，各指標因素的性能不能同時達到最佳，只能在各目標間進行權衡和折中。對于nsgaii算法，該算法解決多目標優化問題的結果是一組pareto最優解集。并且，nsgaii算法采用精英策略和多樣性保護策略以保護最優個體并防止個體在局部堆積，因而其效率和性能均優于傳統的進化算法，并減少了復雜度。因此，本文在應急救援站點選址模型中采用nsgaii算法來選擇應急救援站點的地址。

在nsgaii算法中，首先利用計算機隨機得到初始種群p0，然后進行遺傳得到子代種群q0，將p0和q0合并，并進行非劣分層排序和擁擠距離排序進而產生新的種群p。其主要過程如下：

(1)隨機得到初始種群p0，進行遺傳操作得到新的子代種群q0，此時t＝0；

(2)對p0和q0進行非支配排序，然后進行變異操作防止陷入局部最優，得到新種群qt。

(3)精英策略:合并pt和qt得到種群rt，對rt進行非支配排序，得到非劣前沿f1，f2，…，然后計算其擁擠度，進而篩選出n個優秀的個體構成新的種群pt+1，再進行變異計算得到qt+1；

(4)判斷是否達到終止條件，是，則退出；否，則轉到步驟(3)繼續計算。

為了保持種群的多樣性，防止個體局部堆積，在nsgaii算法得到所需解后，需要通過擁擠距離用來評估每一個解周圍其他解的密集程度。計算對應的適應度函數，對結果進行比較和排序。考慮到邊界解的特殊性，設其擁擠距離為∞。其他解的擁擠距離計算如下所示：

其中，m為目標函數的個數；dj為第j個個體的擁擠距離；uij為第j個個體在第i個目標函數的值；uimax、uimin為第i個目標函數的最大值和最小值。

本發明實施例中利用多目標優化算法為基于非支配排序的nsga-ii算法求解應急救援站點選址模型的方法具體為：

s31、在應急救援站點選址模型中對備用應急站點與各水域單元的距離，以及各水域單元的權重進行實數編碼操作,dij表示j備用選址與i域單元的距離，wi表示i水域單元的權重；

s32、在各個水域單元中隨機產生滿足約束條件的初始種群；

s33、設初始種群為非劣個體，非劣個體的目標值均優于所有其它個體，非劣個體的歸屬等級相同，均為1；然后移除非劣個體并歸檔，對剩下的個體進行篩選，得到新的非劣個體，并將它們的歸屬等級設為2；循環執行，直到每個個體均有歸屬等級為止；

s34、計算相應歸屬等級下每個個體對應的目標值，即計算式目標函數并排序，計算每個個體之間的擁擠距離，進而通過個體間的支配關系尋優：

如果個體i的三個目標值均優于個體j，那么個體i優于個體j；如果個體i的三個目標值不都優于與個體j，計算兩個個體的擁擠距離，距離大的個體較優；

s35、判斷是否達到設定的迭代次數，若達到條件，得到最優解集并退出；若沒有達到，則轉到步驟s33繼續計算；

s36、根據實際環境以及決策者的經驗判斷從得到的最優解集中篩選出最佳選址方案。

進一步地，本發明的擁擠距離計算公式為：

其中，m為目標函數的個數；dj為第j個個體的擁擠距離；uij為第j個個體在第i個目標函數的值；uimax、uimin為第i個目標函數的最大值和最小值。

在本發明的另一個具體實施例中：

針對渤海灣某水域應急救援站點選址為例，將研究水域劃分為20個水域單元(1～20)，有a,b,…g7個備用應急救援站點供選擇，海事部門計劃從所有備用應急救援站點中選擇建立若干個救援站點以應對海上突發事故，經調查各備用站點覆蓋水域的半徑為6海里。為研究方便，假設事故點在各水域的中心，di,j表示i應急救援站點到j水域單元的距離，每個水域單元的風險系數即權重，如表1所示。當地海事部門和相關管理部門規定所有水域單元均被覆蓋。

表1備選應急救援站點距離及風險系數

tab1thedistancebetweensearchandrescuecentersandwaters

根據上述條件和nsga-ii算法，運用matlab計算得最優解集為：

最優解(1)：

x1＝x3＝x4＝1

u1＝u2＝u5＝u6＝u8＝u12＝u13＝u14＝u16＝

u17＝u18＝u19＝u20＝1

即選擇a,c,d三個備選站點作為應急救援站點；

最優解(2)：

x1＝x3＝x6＝x7＝1

u1＝u2＝u5＝u6＝u7＝u8＝u9＝u12＝u13＝

u14＝u15＝u16＝u17＝u18＝u20＝1

即選擇a,c,g,f四個備選站點作為應急救援站點。

對于解(1)：

a點能夠覆蓋區域1,2,5,6,8,11,12,13,15,16,17,18,20；c點能夠覆蓋1,5,6,7,9,12,13,14,16,18,19；

d點能夠覆蓋1,2,3,4,8,10,14,16,17,18,19,20。

因此，a,c,d三點能夠覆蓋全部需求點，并能夠重復覆蓋風險系數較高的區域1,5,6,12,13,14,16,17,18,20。

對于解(2)：

a點和c點同解(1)，g點能夠覆蓋區域1,2,5,8,10,12,13,14,15,17,20；f點能夠覆蓋區域2,3,4,5,6,7,9,15,17,20。

a,c,g,f四點能夠覆蓋全部需求點，并能夠重復覆蓋風險系數較高的區域1,5,6,7,12,13,14,15,16,17,18,20。

這兩種方案都可以覆蓋全所有的需求點，而且能夠滿足“公平”和“效率”的要求。但是考慮到應急站點建設和維護所需要的費用，以及當地海事部門對充分合理地利用救援資源的要求，最終選擇a,c,d三個備選站點作為應急救援站點。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。