基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资源调配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资源调配方法，包括：1、将不确定的航行时间和资源需求量表示为三角模糊数，用时间隶属度函数的全积分对模糊应急开始时间进行确定化表示，用需求量隶属度表示溢油点所接收的资源数量满足需求的程度，从而设定应急系统的时效性和需求满意度目标函数。2、将救援船只总的航行安全性指标最大作为安全性目标，将救援船只总数最少作为经济性分目标。3、对各个分目标进行无量纲化，利用线性加权法以系统的时效性、需求满意度、安全性和经济性为优化目标建立多目标规划模型。本发明能有效处理救援船只航行时间和溢油点资源需求量的不确定性。
【专利说明】基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资源调配方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船舶溢油事故应急资源调配【技术领域】，具体地指一种基于多目标模糊 规划的海上船舶溢油事故应急资源调配方法。
【背景技术】
[0002] 由于近年来我国石油进口量逐年增加，海上船舶溢油事故的发生越来越频繁。在 船舶溢油事故应急救援过程中，合理高效地调配应急资源对于控制污染的扩散和减少经济 损失至关重要。然而，海上应急环境具有灾情无法准确估计、自然条件恶劣、海况和气象状 况变化莫测等特点，另外，溢油事故所引起的火灾或爆炸给应急船只的航行安全和救援过 程安全带来巨大风险。因此，海上船舶溢油事故应急资源调配与其他应急资源调配问题相 比有其特殊性，主要体现为：溢油点的资源需求量和配送船只航行时间具有很强的不确定 性；配送船只航行过程本身面临很大的危险性；海上溢油事故多由自然灾害引发，因此往 往涉及到多个溢油点。基于以上分析，有必要综合考虑溢油应急救援过程中的各方面因素， 提出海上船舶溢油事故应急资源调配方法。
[0003] 目前应急资源调配主要采用路径优化、组合优化和目标规划等方法。
[0004] 1.基于路径优化的方法：在有多个需求点的应急系统中，从单个应急资源配送中 心出动单个车辆或船只对多个需求点巡回配送,在综合考虑配送中心与各需求点之间运输 时间、运输成本和各需求点资源需求量等因素的情况下，建立优化模型求解出最优配送路 径，使得配送的总时间最短、成本最低。该方法的缺点是无法处理多应急资源配送中心的资 源调配问题，而且巡回配送的方式不适用于对时效性要求很高的应急事故处置问题。
[0005] 2.基于组合优化的方法：在多应急资源配送中心和单需求点的应急资源调配问 题中，考虑时间紧迫性等约束条件，确定参与配送的应急资源配送中心和各个应急资源配 送中心出动的资源数量。该方法的缺点是无法处理多需求点的资源调配问题。
[0006] 3.基于目标规划的方法：在多应急资源配送中心和多需求点的应急资源调配问 题中，采用直达配送方式出动多个车辆或船只分别在各应急资源配送中心和各需求点之间 实施应急资源配送，以应急配送完成时间最短为目标，利用数学规划的方法计算出由各应 急资源配送中心送往各需求点的各类资源数量，即应急资源调配的最优方案。该方法的缺 点是目标函数的设定往往无法同时考虑应急调配的各方面要求，而且无法考虑应急环境中 的不确定性因素。
[0007] 参考文献：谈晓勇，刘秋菊.应急配送车辆调配优化研究综述与展望.计算机应用 研究，2012,29(9):3212-3215。
[0008] 参考文献：刘春林，施建军，李春雨.模糊应急系统组合优化方案选择问题的研究 [?1].管理工程学报，2002，16(2):25-28。
[0009] 参考文献：谢金星，薛毅.优化建模与LIND0/LING0软件.北京：清华大学出版社， 2005。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是要提供一种基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资 源调配方法，该方法充分考虑了海上船舶溢油事故应急资源调配的实际环境和实际要求， 有效处理了配送船只航行时间和溢油点资源需求量的不确定性，并将配送船只的安全性作 为优化目标之一，同时建立了适用于海上应急配送实际情况的经济性目标函数。从而能够 求解出在资源受限情况下最及时、高效、安全、经济的方案。
[0011] 为实现此目的，本发明所设计的基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资 源调配方法，其特征在于，它包括如下步骤：
[0012] 步骤1 :已知应急资源配送中心的数量为n，各应急资源配送中心分别记为 A1,A2，…，Ai,…，An，1彡i彡n，当海上船舶溢油事故发生后，利用卫星的地理信息系统确定 发生船舶溢油事故的溢油点的个数m，并将各溢油点记为B1,B2，…，Bj,…，B1^l彡j<m，通 过定位获取各应急资源配送中心到各溢油点之间的距离，通过查询参数得到配送船只的最 快巡航速度，用应急资源配送中心Ai到溢油点Bj的距离除以巡航速度，得到配送船只在应 急资源配送中心Ai到溢油点Bj之间航行时间的最可能值，由于海上风向和海水流向对 配送船只速度影响较大，且海风和海流的方向和速度时变性较强，因此根据经验公式计算 出配送船只在应急资源配送中心Ai到溢油点h之间的最大航行时间和最小航行时间 4」，最大航行时间的计算公式为=I. 2*tl，最小航行时间的计算公式为Pij =0.S^mij，配送船只在应急资源配送中心Ai到溢油点Bj之间的航行时间表示为模糊数t? ij一（t ij，t ij，t ij);
[0013] 海上船舶溢油事故应急资源为收油机,工作人员查询各应急资源配送中心内的收 油机储备台数，得到各应急资源配送中心内的收油机储备台数ai，并利用卫星照片得到各 个溢油点处的溢油面积，根据如下经验公式计算出溢油点Bj资源需求量的最可能值、最 小值b1,.和最大值IZj :
【权利要求】
1. 一种基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资源调配方法，其特征在于，它 包括如下步骤： 步骤1 :已知应急资源配送中心的数量为n，各应急资源配送中心分别记为A11A2，… ，Ai,…，An，1彡i彡n，当海上船舶溢油事故发生后，利用卫星的地理信息系统确定发生船舶 溢油事故的溢油点的个数m，并将各溢油点记为B 1, B2，…，Bj,…，B11^l彡j <m，通过定位获 取各应急资源配送中心到各溢油点之间的距离，通过查询参数得到配送船只的最快巡航速 度，用应急资源配送中心A i到溢油点Bj的距离除以巡航速度，得到配送船只在应急资源配 送中心Ai到溢油点B j之间航行时间的最可能值，由于海上风向和海水流向对配送船只 速度影响较大，且海风和海流的方向和速度时变性较强，因此根据经验公式计算出配送船 只在应急资源配送中心A i到溢油点h之间的最大航行时间和最小航行时间t^，最大航 行时间的计算公式为Cij = 1. 2*^，最小航行时间的计算公式为= 0. 8*^， 配送船只在应急资源配送中心Ai到溢油点Bj之间的航行时间表示为模糊数= U1ij, ^ij); 海上船舶溢油事故应急资源为收油机,工作人员查询各应急资源配送中心内的收油机 储备台数，得到各应急资源配送中心内的收油机储备台数％，并利用卫星照片得到各个溢 油点处的溢油面积，根据如下经验公式计算出溢油点B j资源需求量的最可能值bY最小值 b1』和最大值IZj :
其中，M为溢油面积，符号Γ 1表示向上取整，ΙΛ、和K的单位为台，溢油点h的应 急资源需求量可表示为模糊数4 =0% 6。，; 然后，计算出配送船只在应急资源配送中心Ai到溢油点Bj之间航行的安全性指标，由 于配送船只面临的危险是溢油所造成的爆炸或火灾，所以配送船只的安全性指标与溢油面 积密切相关，定义配送船只在应急资源配送中心A i到溢油点Bj之间航行的安全性指标为 Pij，其计算公式为： Pij = 1/M 其中，M为溢油面积； 步骤2 :设定如下海上船舶溢油事故应急资源调配约束条件： 对于任意一个应急配送中心Ai,收油机的实际供应量不大于该收油机的储备台数，即 m Σ% ^/，其中，为应急资源配送中心Ai应该向溢油点Bj配送的收油机台数，％为各 应急资源配送中心内的收油机储备台数； 溢油点h接收到的收油机的台数不小于溢油点h对收油机需求量的最小值b^，即
步骤3 :通过以下步骤301?步骤304,对配送船只在应急资源配送中心Ai到溢油点Bj 之间的航行时间模糊数进行确定化处理，设定溢油事故应急资源调配的时效性目标函 数，并在满足约束条件的前提下，求解时效性目标函数的最大值和最小值； 步骤301 :用变量Xij e {〇, 1}来反映应急资源配送中心Ai到溢油点Bj上配送船只通 过的情况，当需要配送船只从应急资源配送中心Ai往溢油点Bj配送资源时，Xij = 1 ;否则， Xij = 0,即
步骤302 :由于对于任意一个溢油点Bj，其溢油事故应急资源调配完成时间为所有向该 溢油点h配送的配送船只全部到达的航行时间，所以任意一个溢油点h的溢油事故应急资 源调配完成时间的模糊数G为
其中乜表示溢油点h的应急配送完成时间的最小值，K表示溢油点h的应急配送完 成时间的最可能值，表示溢油点h的应急配送完成时间的最大值； 设任意一个溢油点h的溢油事故应急资源调配完成时间的模糊数^的隶属度函数 为：
其中，= -rJ)/(T;n -?)为左隶属函数， /r(J}) = (7} -TJ)/(77 -IJ)为右隶属函数，Tj表示往溢油点Bj配送资源的所 有船只全部到达的航行时间，即溢油点M勺应急任务完成时间； 溢油点Bj的应急配送完成时间Γ N D用上述模糊数&的全积分表不为：
其中，α为乐观系数，a e (〇, 1); 步骤303 :将海上船舶溢油事故应急资源调配中各溢油点Bj应急配送完成时间的平均 值定义为平均应急配送完成时间T，并将T作为海上船舶溢油事故应急资源调配的时效性 分目标函数，可得海上船舶溢油事故应急资源调配时效性目标函数的表达式为：
步骤304 :在满足步骤2所表示出的海上船舶溢油事故应急资源调配约束条件的前提 下，利用现有的数学规划法求解出上述海上船舶溢油事故应急资源调配的时效性分目标函 数T的最大值Tmax和最小值T min ; 步骤4 :通过以下步骤401?步骤404,对模糊的溢油点应急资源需求量进行确定化处 理，设定海上船舶溢油事故应急资源调配的需求满意度目标函数，并在满足步骤2所表示 出的海上船舶溢油事故应急资源调配约束条件的前提下，求解需求满意度目标函数的最大 值和最小值； 步骤401 :定义变量q表示溢油点&实际接收到的收油机台数，即
步骤402 :溢油点h的资源需求满意度巧为溢油点h点接收到的收油机台数 h代入到应急资源需求量模糊数$的模糊隶属度函数中得到的数值，巧;/eP的计算公式 为：
将溢油点Bj中海上船舶溢油事故应急资源调配需求满意度的平均值定义为溢油点Bj 的海上船舶溢油事故应急资源调配需求满意度Qj,可得Qj的表达式为：
步骤403 :将海上船舶溢油事故应急资源调配过程中各溢油点Bj需求满意度Qj的平均 值定义为海上船舶溢油事故应急资源调配过程的平均需求满意度Q，并将海上船舶溢油事 故应急资源调配过程的平均需求满意度Q作为海上船舶溢油事故应急资源调配的需求满 意度目标函数，可得海上船舶溢油事故应急资源调配需求满意度分目标函数的表达式为：
步骤404 :在满足步骤2所表示出的海上船舶溢油事故应急资源调配约束条件的前提 下，利用现有的数学规划法求解出海上船舶溢油事故应急资源调配的需求满意度目标函数 Q的最大值Qmax和最小值Qmin ; 步骤5 :采用如下方式设定应急系统的安全性目标函数：采用取对数的方法对配送船 只在应急资源配送中心Ai到溢油点Bj之间航行的安全性指标进行指标转化，并以配送船只 总的航行安全性指标作为海上船舶溢油事故应急资源调配安全性目标函数，可得海上船舶 溢油事故应急资源调配安全性目标函数S的表达式为：
其中，Pij为配送船只在应急资源配送中心Ai到溢油点Bj之间航行的安全性指标，变量 Xij为应急资源配送中心Ai到溢油点Bj上配送船只通过的情况； 然后，在满足步骤2所表示出的海上船舶溢油事故应急资源调配约束条件的前提下， 利用现有的数学规划法求解出海上船舶溢油事故应急资源调配安全性目标函数S的最大 值Smax和最小值S min ; 步骤6 :用如下方式设定海上船舶溢油事故应急资源调配的经济性目标函数：以配送 船只总数X作为海上船舶溢油事故应急资源调配的经济性目标函数，其表达式为：
然后，在满足步骤2所表示出的海上船舶溢油事故应急资源调配约束条件的前提下， 利用现有的数学规划法求解出海上船舶溢油事故应急资源调配的经济性目标函数X的最 大值Xmax和最小值X min ; 步骤7 :通过以下步骤701?步骤703,设定海上船舶溢油事故应急资源调配的总目标 函数； 步骤701 :将海上船舶溢油事故应急资源调配的时效性、需求满意度、安全性和经济性 看成处于同一优先级的多个分目标，利用现有的线形加权法设定海上船舶溢油事故应急资 源调配的总目标函数，对时效性、需求满意度、安全性和经济性分目标的值进行无量纲化处 理，设无量纲化处理后的时效性、需求满意度、安全性和经济性分目标的值分别为&、G Q、Gs 和Gx，则它们的表达式为： GT = (Tmax-T)/(Tmax-Tmin)， Gq - (Qmax-Q) / (Qmax-Qmin) ? Gs= (Sfflax-S)/(Sfflax-Sfflin), Gx= (Xfflax-X)/(Xmax-Xmin) 其中，Tmax为海上船舶溢油事故应急资源调配的时效性分目标函数T的最大值，Tmin为 海上船舶溢油事故应急资源调配的时效性分目标函数T的最小值；Qmax为海上船舶溢油事 故应急资源调配的需求满意度目标函数Q的最大值，Q niin为海上船舶溢油事故应急资源调 配的需求满意度目标函数Q的最小值；SMX为海上船舶溢油事故应急资源调配安全性目标 函数S的最大值，S min为海上船舶溢油事故应急资源调配安全性目标函数S的最小值；Xmax 为海上船舶溢油事故应急资源调配的经济性目标函数X的最大值，Xmin为海上船舶溢油事 故应急资源调配的经济性目标函数X的最小值；T为海上船舶溢油事故应急资源调配的时 效性分目标函数，即平均应急配送完成时间；Q为海上船舶溢油事故应急资源调配的需求 满意度目标函数，即海上船舶溢油事故应急资源调配过程中各溢油点的平均需求满意度Q ; S为海上船舶溢油事故应急资源调配安全性目标函数，即配送船只总的航行安全性指标；X 为海上船舶溢油事故应急资源调配的经济性目标函数，即应急配送船只总数； 步骤702 :海上船舶溢油事故应急资源调配要求平均应急配送完成时间T越小越好，平 均需求满意度Q越大越好，配送船只总的航行安全性指标S越大越好，配送船只总数X越小 越好，而且，在分目标值的无量纲化表达式中，各分目标值与其经过无量纲化处理后的值成 反比，因此，海上船舶溢油事故应急资源调配的总目标函数的表达式应为： G = Gt-Gq-Gs+Gx 步骤703 :在满足步骤2所表示出的海上船舶溢油事故应急资源调配约束条件的前提 下，利用现有数学规划法求解出海上船舶溢油事故应急资源调配的总目标函数G取最大值 时对应的的取值，其中，1彡i彡n，1彡j彡m，此时求出的 qij即为应急资源配送中WAi 应向溢油点Bj配送的收油机台数，配送船只按照该qij的结果进行海上船舶溢油事故应急 资源的调配。
2. 根据权利要求1所述的基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资源调配方 法，其特征在于：所述步骤302中，乐观系数α为〇. 5。
3. 根据权利要求1所述的基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资源调配方 法，其特征在于：所述步骤304、步骤404、步骤5、步骤6、步骤703中采用的数学规划法为参 考文献《优化建模与LINDO/LINGO软件》中记载的数学规划法。
4. 根据权利要求2所述的基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资源调配方 法，其特征在于：所述乐观系数由决策者根据本次应急资源调配的实际情况确定，乐观系数 越大，则表示决策者越偏向于溢油点M勺应急配送完成时间的最大值T 1r即右隶属函数在 全积分中所占有的权重越大。
5. 根据权利要求1所述的基于多目标模糊规划的海上船舶溢油事故应急资源调配方 法，其特征在于：所述应急资源配送中心至少有两个，所述发生船舶溢油事故的溢油点也至 少有两个。
【文档编号】G06Q10/04GK104376375SQ201410637997
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】付钰, 吴晓平, 李洪成, 陈泽茂 申请人:中国人民解放军海军工程大学