钱塘江防汛抢险资源最优化调度路径研究

邬越民，穆永波，毛肖钰

（浙江省钱塘江安全应急中心，310020，杭州）

钱塘江是我国东南沿海主要河流之一，也是浙江省最大的河流，具有世界闻名的涌潮。潮波变形剧烈，涌潮对海塘的破坏力极大，因工程防御标准有限，以及灾害的突发性及等级不可估性，要求在现有防御能力的基础上提高防御技能。

近年，由于沿江两岸经济不断发展，许多沿江道路与海塘道路发生了很大变化。虽然目前各种导航系统、公共网络地图均有相关的道路信息，但其中缺少防汛抢险最需要的路宽、限高、限重、路障等信息，特别是临近海塘的相关道路信息严重缺失。当发生灾害时，路线的选择直接影响着抢险的速度，道路状况的不确定性会延误抢险时间，使抢险人员、物资、设备不能在第一时间抵达现场，导致抢险方案实施困难，因此开展钱塘江两岸的防汛抢险资源最优化调度路径研究至关重要。

一、需求分析

防汛抢险资源最优化调度系统研究不同于其他道路导航路线设计，其除了要计算最优化调度路径外，还应考虑沿江各防汛抢险仓库物资配置、设备配置、劳务配置等方面的因素影响。

1.基础信息调查需求

周边可用道路信息调查，包括路面结构、类型、路宽、长度、起止点、限高、限重、转弯半径等参数及道路影像资料。抢险物资储备信息调查，包括物资类型规格、存储地点、数量、价格等主要数据，并明确反映出抢险物资的储备情况及出仓、装车、运输等环节。抢险设备信息调查，包括待命集结地点、运输进场、油料供应等信息。抢险劳务信息调查，包括待命集结地点、运输进场、抢险机具配备、后勤保障等信息。

2.应急调度需求

在发生重大险情或台风来临前需要进行抢险防护时，要进行抢险资源的应急调度。系统应能首先反映出险位置、下达抢险所需资源的种类和数量，然后考虑前期收集的各抢险资源的存储信息，结合调度规则、交通实际路况、台风或洪水情况、天气情况等信息，向决策者推荐及时可行的调度运行路线方案。在实施过程中，决策者还可以实时监控各仓库剩余储备量、调度车辆、人员的移动路线等信息；如发现调度路线出现路障等特殊情况，系统还应允许现场人员及时上报情况，并自主调整调度路线。

二、项目研究的主要任务

通过对钱塘江沿江海塘周边道路的调查研究，建立适用于钱塘江防汛抢险的调度资源、路径、模型数据库，开发基于GIS系统的调度路径最优化分析和规划系统。在防汛抢险过程中使各种抢险资源有序调度，实现调度指挥室、调度现场的实时数据交换和互动。

三、周边道路的野外调查研究

针对钱塘江防汛抢险的特点以及沿江道路的实际情况调查分析，沿江绝大部分海塘内侧存在一条与海塘平行走向、路况较好的道路，该道路与海塘之间每隔一定距离就有一条道路相连。因此，将周边路径设定为4个层次：海塘道路、通塘道路、近塘道路及骨干路网。

道路调查的数据包括：道路的路面结构、类型、路宽、长度、起止点、限高、限重、转弯半径等参数及道路影像资料等。

四、数据库设计

本项目应用APS.NET技术建立基于网络的应用与服务，应用arcSDE建立空间数据引擎，应用SQL Server 2005建立大型关系数据库，应用ARC-GIS server创建WebGIS应用，建立路径优化分析模型。

数据库结构由空间数据库和属性数据库两部分组成。空间数据库由GIS软件采集路径信息后采用SDE管理；属性信息数据采用关系数据库进行管理。

五、调度模型设计

调度模型过程：①海塘出险后，在GIS系统下标注出险位置。②根据各种不同的险情，确定调度资源的种类、规格要求，找到满足要求的资源仓库；先找到附近可利用的资源种类和规格，再确定抢险方案。③利用调度模型计算出各资源库最短或最优的调度路径。④同时提供调度实时信息、路况信息、天气信息等修正功能，满足决策需要。

1.建立路径网络拓扑结构

调度模型的建立首先要分析调度路径中各交叉路口的数据关系，然后将其抽象为图论结构中弧与节点的关系，进而形成拓扑结构图来研究最优化路径问题，总的调度路径拓扑结构框架如图1所示。

2.最优化路径模型

寻找最短路径就是在指定网络中两结点间找一条距离最小的路。最短路径不仅仅指一般地理意义上的距离最短,还可以引申到其他的度量,如时间、费用、线路容量等。实际应用中依据调度路径特点与日常管理要求进行必要的调整与完善。

在计算最短路径的方法中,目前国内外一致公认的较好算法有迪杰斯特拉(Dijkstra)及弗罗伊德(Floyd)算法。本系统采用的是应用成熟的迪杰斯特拉算法，又称标号法。这种算法中,网络被抽象为一个图论中定义的有向或无向图,并利用图的节点邻接矩阵记录点间的关联信息。在进行图的遍历以搜索最短路径时,以该矩阵为基础不断进行目标值的最小性判别,直到获得最后的优化路径。该算法简单明了，计算直观，不足之处在于计算速度偏慢，特别是在结点多的情况下。而钱塘江沿江两岸的调度路径主要还是以单向的主干道为主，结点相对来说较少，所以采用该算法是可行的。另外为了提高算法效率，系统还引进了限定搜索区域法，以减少搜索范围，减小计算规模。

六、调度系统开发设计

1.主页面设计

钱塘江防汛抢险资源调度系统页面设计共分4个分区，分别为GIS调度地图显示区、快捷工具栏区、主要功能模块区、菜单区。详见图2。

①GIS调度地图显示区：用于显示调度查询的目标位置、相关抢险资源的信息以及显示计算后的调度路径成果。

②快捷工具栏区：布置控制GIS地图的快捷工具，如放大、缩小、平移、框选等。

③主要功能模块区：显示系统所具备的基础信息查询、最优化路径分析、调度信息发布和系统管理等功能。

④菜单区：用来分类、分层选择道路、设备、仓库、管理单位等相关信息。

2.主要功能设计

①抢险资源空间定位功能：系统可利用菜单区实现各抢险资源空间位置的多种定位形式，包含经纬度定位、标志物定位、海塘桩号定位、地名以及点图定位等多种形式。

②地理信息查询功能：系统可利用基础信息管理功能模块实现电子地图上的空间数据与对应的属性信息查询（道路、物资、抢险队伍）与分析。如选中某条道路，可获取该道路的相关矢量数据、图片数据等信息。

③最优化抢险道路分析功能：在抢险资源调度方案确定后，系统可利用最优化（最短路径、最短时间等参数）路径分析功能模块，计算出各资源的最优化调运路线，并显示在GIS系统平台中。

④调度信息发布功能：系统可利用发布功能，自动生成PDF、WORD格式的调度信息发布文件。

七、结 语

通过钱塘江防汛抢险资源最优化调度路径的研究，实现相关调度系统的开发设计，为防汛专家组和防汛指挥部制订抢险方案及时提供相关调度信息（道路信息、物资信息、队伍信息、时间信息等），成为防汛抢险决策子系统的一个重要补充，对最终赢得抢险胜利尤为重要。

[1]陈阳宇.数字水利[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]余达征,索丽生.关于防洪调度智能决策支持系统的分析与设计 [J].水文，1999（2）.