大型海上船舶溢油事故应急物资联动调度优化研究

2019-03-10陈莹珍李海伟陈保全

水道港口 2019年6期

李松,陈莹珍，李海伟，陈保全

(1.宁波大学海运学院，宁波 315211；2.宁波海事局宁波海上溢油应急设备库，宁波 315020)

海上石油运输量的快速增加以及船舶大型化的趋势，使海洋生态环境和海洋经济建设遭受大型海上船舶溢油事故的威胁不断增大。我国进口原油主力运输船舶超过10万t级，30万t满载油轮(按15个货舱计)事故半舱溢油量就可达1万t。大型集装箱和散货船自用燃油一般几千吨甚至上万吨。船舶溢油在海上风、浪、流等自然条件作用下扩散速度快，海上船舶溢油应急响应要求较高的时效性，否则将大大增加溢油处理面积、难度以及其他各项成本。2018年1月6日，装载有约13.6万t凝析油的巴拿马籍油船“桑吉”轮发生碰撞事故，全船剧烈爆燃后沉没，造成油污泄漏，事故应急调动了大量溢油应急资源，出动大批各类专业船只，累计清污面积超100平方海里。

国家溢油应急设备库(海区级)、船舶溢油专业清除公司(港口级)、散布于港口不同规模的企业应急物资等，以及专兼职应急人员队伍、各级指挥管理机构等，共同构成了我国的溢油应急资源总体架构。应对大型海上船舶溢油事故，往往需要调用大批应急资源，多方、跨域、快速应急联动。应急资源联动调度包含内容较多，如机构协调、评估判断、人员搜救、消防灭火、医疗救护、海上清污、堵漏过驳、敏感资源防护、难船控制、监视监测、警戒警备、岸线溢油清除、溢油回收物的陆上接收处置等。因应急物资和人员队伍等其他资源总体上是同步建设的，本文以应急物资替代应急资源，作为联动调度优化的主要对象。

现有的大量关于溢油应急资源调度研究的论文，其模型多侧重于物资调度最优解的获取，以及优化算法精度的改进，但论文的模型构建不能很好地切合应急响应的操作实际。同时对于目前较成熟的优化算法和运算软件来说，类似本文复杂程度一般的优化模型求解，其运算的精度和效率已不是主要矛盾，更贴近应急响应流程实际的应急物资联动调度优化模型值得进一步研究。

本文拟建立考虑海上溢油应急资源配置现状、应急资源联动调度操作实际、应急运输能力以及应急物资使用顺序等因素的，大型海上船舶溢油事故应急物资联动调度模型。然后在Matlab R2017a软件平台上应用yalmip工具箱和cplex优化求解器，求解应急物资优化调度方案。本文的研究有助于大型溢油事故应急响应条件下的散布式应急资源科学、高效、快速的联动调度，减轻船舶溢油事故危害后果。

1 模型假设及相关描述

假设1：溢油应急响应以应急资源快速到达现场、及时采取有效处理措施为首要目的。部分溢油应急物资如消油剂、围油栏等具有有效期，需定期更新，大型海上船舶溢油事故发生概率也相对较小。因此本文模型不考虑溢油应急响应的经济费用最小问题。

假设2：事故发生时溢油事故泄漏量已做基本判定，认为已知且后续不变。

假设3：受海区或岛屿地形影响，也因日常沟通协调、演练演习，事故时快速响应的便利，溢油应急物资集散点(配备有溢油应急处置船舶，一般为配备溢油应急船的国家溢油设备库、溢油专业清除公司以及大型危险品港口企业等的应急船舶停靠码头)与邻近各港口企业资源(只配置有应急物资，没有溢油应急处置船舶)具有分组对应关系，也即小范围内的联防体系。

假设4：本文不考虑应急船舶至事故发生点的航线选择，溢油应急物资集散点与溢油事故点、及邻近其他各港口企业之间距离已知。后续研究中可与自动航线规划结合，进一步在溢油应急指挥平台实现应急物资自动、智能调度。

假设5：各溢油应急物资集散点的应急物资种类和数量已知，包括小范围内联防体系可调用的物资。

假设6：应急船舶主要分为两类，应急处置船(围油栏布放、应急卸载泵和收油机运行、消油剂喷洒等)和污油储运船。其他根据事故特点还可能有消防船、运输平板驳船等。溢油应急处置船舶装载量认为容积受限，且可混装不同种类应急物资，航速在10～20 kn之间。

假设7：溢油应急船舶可多次往返该船所属的溢油应急物资集散点装载物资。模型不另计溢油处置现场的时间消耗(主要受应急物资消耗速度以及续航能力限制影响)，物资到达现场即认为可随时投入使用。认为船舶由码头到事故点航行时间，与返程所用时间一致。

假设8：溢油应急物资在事故现场根据响应流程具有一定的使用次序，如第一时间需要大量围油栏控制现场溢油进一步扩散，数台应急卸载泵(将泄漏舱的余油卸往其他油舱、压载舱或其他储运船只)，再使用收油机将海上溢油回收入污油储运船，最后零星海上溢油使用消油剂和吸油毯等处理。上述应急响应操作总体可看作成熟的作业程序，并且处置现场指挥根据险情具体情况，具有较强的灵活指挥和处置余地。如油品在海上已大量泄漏完毕，且扩散速度较快，此时首先紧急需要的是大量围油栏和收油机控制事态进一步发展。再如两船碰撞后，油品在水面附近持续泄漏，则此时堵漏、围油栏控制、卸载等，各种处置措施宜同步推进[1]。

假设9：溢油应急处置船的物资装载主要受舱容限制，结合假设8，考虑应急物资的积载因素(各类货物每一吨在货舱中正常堆积时所占的舱容)，可将不同应急物资数量转化为体积，从而简化模型建立与求解。围油栏45 m3/100 m(取典型值，不具体考虑不同类型围油栏的积载因素差异)，应急卸载泵10 m3/台，收油机10 m3/台(取中型)，溢油分散剂1.5 m3/t，吸油材料5 m3/t。

当前我国溢油应急处置船实际配置情况，主要以中、小型溢油应急处置船为主，货舱分别取为200 m3和100 m3。储油舱分别约700 m3和300 m3。以船长约60 m的中型溢油应急处置船为例，货舱可一次装载400 m围油栏，2台应急卸载泵。

假设10：不另计应急物资在码头的装船时间。一是因应急处置船舶吨位普遍不大，各船装载花费时间总体差别不大。二是绝大多数情况下，应急处置船所停靠码头紧邻应急物资仓库，第一次出运不需要等待从其他处临近仓库转运应急物资。如果第2艘次及第N艘次装载应急物资，且需要从其他港口企业应急物资仓库转运，则此时邻近各港口企业的物资已经提前经陆运或水运抵到溢油应急物资集散点码头[2]。

假设11：因消防船、污油储运船均为自航船舶，和应急处置船各自航抵事故现场，其主要受航速、距离及由事故规模决定的需求量影响。只需污油储运船的运力达到相关规定要求(如应对1 000 t级溢油事故，储运能力需大于2 000 t)，则即可认为污油储运船的抵达次序及舱容与现场溢油回收速度(或应急卸载速度)总体匹配。污油储运船的调度不列入本文调度优化模型。

假设12：在大型船舶溢油应急事故情况下，因应急处置船数量及装载能力有限，存在临时调用平板驳船单次大量运输围油栏的可能。在论文算例部分，考虑有些应急物资集散点配置了平板驳船，其运输能力设定为800 m3。

假设13：考虑应急运输的特殊性，应急物资可以适当多予估算的需求，所以假定运输船每航次都满舱，不半舱装载。

假设14：大型溢油事故应急还可能临时征调一定数量的拖船、渔船等小型船只参与应急响应，本文模型对这部分应急力量暂不考虑。

2 模型构建

根据以上假设条件的分析，应急响应的关键影响因素在于应急响应船舶对应急物资的运载能力及航行时间，因此设置决策变量、约束条件和目标函数如下：

(1)决策变量。

fij为第i个溢油应急物资集散点实际共出运的第j类应急物资的数量；yik为第i个溢油应急物资集散点第k艘船的总运输航次。

(2)模型参数[3]。

事故溢油A吨；共需要j类应急物资，需求量分别为E1，E2，…Ej，m3；Fij为第i个溢油应急物资集散点的第k类应急物资可调用数量，m3；vik∈{200，100}为第i个溢油应急集散点第k艘船的舱容；其中200 m3，100 m3分别表示中、小型船的舱容；sik∈(10，22)为第i个溢油应急物资集散点第k艘船的航速的取值范围，kn。这里对数据作以标准化处理，将各溢油应急集散点的船的数量补齐到和最多的点的船数量一样多，速度和容量取小值，如0.1，这样可以得到对称数组，方便优化计算。Di为第i个溢油应急集散点距离事故点的距离，n mile。tik为第i个溢油应急集散点第k艘船的往返运输一个航次所需时间，h。

(1)

TBik=y.×Ti=1,2…,n；k=1,2…,p.

(2)

TBik为所有应急处置船的响应航时。TC为每个应急集散点的各船航时之差，这里需排除为数组取整虚设的艘次。MaxTB为各船应急响应时间最长的一艘。

(3)

MaxTB=max(max(TB))

(4)

(3)约束条件。

(5)

fij≤Fij，i=1,2…,n；j=1,2…,m

(6)

(7)

(8)

(4)目标函数。

T=min(TC+MaxTB)

(9)

约束条件(5)为每个应急物资集散点的实际出运第j类物资之和，不小于事故总的对j类物资的应急需求。约束条件(6)为每个应急物资集散点的实际出运第j类物资，不大于每个应急物资集散点的该类物资可调用总量。约束条件(7)为每个应急物资集散点的每艘出运船舶航次乘以该船的运量，不大于每个应急物资集散点的总共的物资可调用总量。约束条件(8)为每个应急物资集散点各船舶的所有航次出运量之和应等于每个应急物资集散点的实际出运量[4]。

目标函数(9)的含义为，每个应急物资集散点所属第k艘船之间是并行航行与作业的，转化为各应急集散点的各船航时之差应该最小。MaxTB为运输时间最大的应急处置船的航时。目标函数是两者之和最小，隐含的内容：一是各应急物资集散点的船舶最长的运输时间最小，二是各应急集散点所属船舶之间所需时间差值的最小化，可以使各点的所用时间总体均等，也即总的输运时间的优化[5]，用T表示。

3 模型求解

3.1 大型溢油事故应急响应物资需求当量估算[6-7]

溢油事故泄漏量已知且后续不变，参考国家船舶溢油应急设备库设备配置管理规定(试行)中对不同等级设备库的设备配置要求，可总体估算出不同等级事故需要的应急物资量。

大型库清污能力1 000 t，应急服务半径350 nm。应急卸载泵4～6台。围油栏不少于2 200 m。收油机4～6台。溢油分散剂不低于200 t。吸油材料大于80 t。以及适当数量的消油剂喷洒装置等。

关于应急船舶主要配备两大类，一是应急处置船(可选择配置溢油围控装置、油水分离装置、应急卸载装置、清洁装置和溢油监视装备等应急处置装备，以及一定数量的吸油毡、吸油拖栏和溢油分散剂等应急处置物资)，参考《国家船舶溢油应急设备库设备配置管理规定(试行)》(2008.11)对不同等级设备库的设备配置(包括自备和协议两种形式)规定，结合调研实际，大型库(对抗1 000 t溢油)一般自备约2艘中、大型应急处置船，续航能力约5 d，船舱约200 m3，约可装载400 m围油栏，2台应急卸载泵等，储油舱可储油约700 m3。二是污油储运船不少于3艘，储运能力大于2 000 t。另外一般有其他各类辅助船舶数艘，如围油栏布放艇、自航式收油机等。

表1为参考《国家船舶溢油应急设备库设备配置管理规定》(试行)中，对1 000 t级、500 t级、200 t级设备库的配置规定，并在此基础上推理出5 000 t级和10 000 t级事故需要的应急物资估算量。假设某溢油量5 000 t级的事故，应急处置则需要调用E1围油栏4 000 m，E2应急卸载泵7台，E3收油机7台，E4溢油分散剂不低于800 t，E5吸油材料320 t。污油储运船8 000 t。将各类应急物资的数量单位近似转换为当量体积，即E1为4 950 m3，E2为200 m3，E3为250 m3，E4为1 500 m3，E5为2 000 m3。另需要污油储运能力E610 000 t，其他辅助船只模型暂不考虑。

表1 不同海上溢油等级事故所需应急物资估算Tab.1 Estimation of emergency supplies required for accidents with different offshore oil spill grades

3.2 模型实现

本文的模型主要特点是更加接近于应急物资联动调度的工作实际，模型自身构建及求解复杂程度一般，对优化求解结果也有一定的误差容忍度。同时目前各种优化求解软件功能已相当强大，如Lingo1stOptMatlabOriginProSPSSDataFit等软件，以及YalmipCplexGurobiSpams等工具箱和优化求解器等，能够较好地用于本文模型算法求解。因此本文认为大型海上船舶溢油事故应急物资联动调度优化的主要矛盾在于模型构建，模型的优化求解可通过现有软件获得较好解决。

基于Matlab R2017a软件平台，使用yalmip工具箱调用cplex优化求解器，求解溢油应急物资调度优化方案。Yalmip是Matlab的一个建模工具包，最大特色是集成和可调用外部最优化求解器，如gurobi、cplex等，也可调用Matlab自带的工具箱。虽然不同求解器多使用不同的专用语言，但Yalmip可将简便高效的Yalmip建模求解语言转换成其他求解器语言，从而可简洁方便的应用于优化问题求解。YALMIP四个主要流程包括设置决策变量、目标函数、约束条件、利用工具箱求。