超大城市航空应急救援场点布局优化

皮 骏，吉亚铭，齐福强

(中国民航大学通航学院，天津 300300)

随着工业化与城市化进程的加速，我国越来越多的地区形成人口规模在千万级别的超大城市，极大程度地带动了区域内社会与经济的发展，但也对城市综合治理能力提出了巨大挑战。林德尔等[1]认为超大城市公共安全体系的复杂性取决于构成要素的复杂性，公共突发事件的复合型、脆弱性人群聚集与流动，救援时联动机制的低效等特点，使超大城市公共安全体系区别于一般公共安全体系。超大城市一般具有人口密度大、城市空间高度压缩、交通规律性拥堵等特点，当遇到公共突发事件时，传统应急救援模式效率低下、管理手段单一、通达性差，不能满足复杂多变灾害导致的应急救援需求，往往会造成难以估量的严重后果。而航空应急救援具有响应速度快、机动性强、救援范围广等特点，是世界上许多经济发达国家采取的最有效应急救援手段，譬如美国拥有成熟高效的航空应急救援体系[2]，所提供的航空搜救服务可覆盖国内各个区域，特别在直升机紧急医疗救护(HEMS)方面成果斐然；德国建立了覆盖全国的航空紧急救援组织(DRF)[3]，救援用直升机服务于基点医院50 km的半径范围，国土内任意一点救援均可以在15 min获得航空救援服务。但相较于发达国家完善的航空应急救援体系，现阶段我国的航空应急救援力量薄弱，城市中尚存在航空应急救援基础设施数量少、装备不完善、布局不合理等问题，在应对重大突发事件时，不能保障航空应急救援有序开展，不能有效地与传统的应急救援方式合理配合，形成综合立体城市应急救援体系。因此，加大力度规划建设航空应急设施，合理系统地布局航空应急救援场点，是完善超大城市综合应急救援网络的当务之急。

综上，本文在充分考虑影响航空应急救援场点布局原则的前提下，结合网络层次分析建立了航空应急救援场点布局影响因素的评价模型；引入应急设施选址问题经典模型p-中值模型，在区域内对航空应急设施候选点和应急需求点间建立对应的服务关系，并利用MATLAB软件求解所建立模型的加权最大距离最小化问题，得到满足不同层次p值下航空应急任务需求的网络结构与服务关系，得出区域内最为合适的航空应急救援网络布局。通过从定性与定量角度分析总结航空应急救援场点布局规划方法与结构，可为今后开展超大城市航空应急救援网络布局提供参考。

1 航空应急救援场点布局原则

在进行航空应急救援场点布局时，要充分结合以往开展救援工作所积累的经验，结合重大突发事件具有的破坏力强、发生频率低、波及范围大等特点，考虑大规模紧急突发事件可能带来的灾害后果，建立航空应急管理机制，以确保灾害发生时航空应急救援工作的顺利展开。航空应急救援工作要求救援机构以人为本，最大限度地保障人民人身和财产安全，应急救援网络必须全面覆盖全区域；同时也要求各级应急救援场点在应急救援中心的统一领导下分级负责应急救援工作，以确保救援工作的有序高效。因此，航空应急救援场点的布局原则[16]主要包括公平性、时效性和效率性。

(1) 公平性：应急救援属于公共服务事业，具有承担社会责任的义务，不能以地区人口少、经济水平落后为借口，在公共事件突发时不施以援手，延误救援时机，带来巨大的安全损失。因此，在设置航空应急救援设施候选点时，不能存在救援网络覆盖不到的救援区域，必须保障应急救援设施可以覆盖区域内的所有目标需求点。

(2) 时效性：重大公共突发事件一般具有较强的破坏力，且具有一定的扩散性、连带性，处理不当往往会造成二次灾害，给人民人身和财产安全造成更大的损害。因此，紧急状态下的应急救援工作需要保障在短时间内快速救援应急需求点，救援花费的时间越短，所能挽回的损失就越多。在进行航空应急救援场点布局时，要结合应急设施选址模型，保证整体应急救援网络距离最小，各应急需求点能得到有效的响应。

(3) 效率性： 在构建航空应急救援网络时，受地域条件、空域环境等情况约束，航空应急救援场点的服务能力具有一定上限，同时为了保障航空应急救援网络可以覆盖所在城市全部区域，并确保区域内所有应急需求点发生突发事件时均可得到有效救援，且其候选点的应急救援能力又不能过低，所开展的应急救援工作需确定航空应急救援网络的建设成本并与应急救援能力成正比，即争取用最小的建设成本建成覆盖全救援区域的航空应急救援网络。

2 航空应急救援场点布局的影响因素分析

通用航空应急救援场点的布局，不同于民用运输机场选址问题，亦不同于传统的应急救援设施布局规划问题，既要考虑应急救援场点作为通用机场(或直升机坪)的安全有序运行，即需从空侧与陆侧两方面对比分析应急救援场点布局的影响因素，又要将应急救援场点作为应急救援网络中的节点，与传统的地面救援设施相结合，同时也要考虑不同功能城区对应急救援需求不同的实际情况，从而保证整个城市应急救援工作的合理开展，使应急救援网络具有连通性、高效性。因此，航空应急救援场点布局的影响因素可分为保障机场稳定运行的因素和提升应急救援搜救效率的因素，为此建立了影响航空应急救援场点布局的基于二级准测层的层次分析模型。

为了确定航空应急救援场点的布局的影响因素类别，首先需要通过查阅历史统计资料确定城市灾害事故率、地区人口经济水平、城区功能差异[17]因素，确保所构建的应急救援体系符合当地的实际情况；其次通过GIS技术确定地面救援机构布局因素，以确保传统应急救援机构可与航空应急救援网络相结合，提升应急救援效率；最后通过《通用机场建设标准》[18]确定场址因素，诸如场区工程标准、设计起降机型、空域环境、飞行程序设计等，保证所选取的应急救援场点满足通用机场建设标准。综合考虑多种途径建立了航空应急救援场点布局影响因素的网络层次分析模型，见图1。

图1 航空应急救援场点布局影响因素的网络层次分析模型Fig.1 Analytic network model for influencing factors of aviation emergency rescue site layout

3 航空应急救援场点布局模型构建

中值问题是指在应急救援候选点中进行应急设施位置选取，在已知应急设施数量的前提下，保证应急设施点与应急需求点间整体加权最大距离最小，满足此条件的应急服务对应关系即为航空应急救援的网络中值。依据p-中值模型时需考虑以下假设前提：①依据城区现有救援设施选取若干点作为航空应急救援设施侯选点和应急需求点，各点的选取结果互不干扰且呈离散式分布；②依据各点位置坐标可以建立任意两点间距离矩阵；③所选建的航空应急设施数量受到资金影响存在限制；④构建的航空应急救援网络对该区域需要满足全覆盖，每个应急需求点至少存在一个航空应急救援设施候选点为其提供服务。

问题描述：在城区内选取i个点为航空应急救援设施侯选点，j个点为应急需求点，计划从i个候选点中选取p个点作为航空应急设施点，各点间的位置坐标已知，依据各点位置建立任意两点间的距离矩阵，并依据网络层次分析模型对两点间距离加权，获得加权的距离矩阵；选取p-中值模型作为应急设施选址模型，在考虑资金与建设成本的前提下，确定可以建成的航空应急设施点数量存在上限pmax，并依据不同航空应急设施数量p值构建对应关系的航空应急救援网络；同时为了保证所有应急需求点至少可以得到一个航空应急救援候设施候选点的服务，获得不同p值下的网络服务关系。

依据前文的分析假设，确定航空应急救援场点布局的数学模型如下：

(1)

(2)

(3)

xij≤yi

(4)

(5)

xij,yi∈{0,1},∀i,j

(6)

式中：p为航空应急救援设施点数量；widij为赋值网络中节点的权重距离；xij=1表示航空应急救援设施候选点i为应急需求点j提供服务；yi=1表示航空应急救援设施候选点i被选中作为航空应急救援场点。

约束条件：公式(1)为目标函数，保证求解的应急需求点与最近的航空应急救援设施点的最大加权距离最小；公式(2)表示在所有航空应急救援设施候选点中选取p个点作为航空应急设施建设点；公式(3)表示有一个特定的航空应急救援设施点i为应急需求点j服务；公式(4)表示航空应急救援设施侯选点i在选中的情况下，可以为应急需求点j提供服务，不可以出现未选中点覆盖区域；公式(5)表示所求的Z值为目标函数最优，保证规划问题满足目标函数；公式(6)表示若航空应急救援设施候选点i被选中为1，yi=1，否则yi=0，若航空应急救援设施候选点i为应急需求点j提供服务，则xij=1，否则xij=0。

4 航空应急救援场点布局的案例分析

为了提升城市综合治理水平，完善城市航空应急救援网络建设，某超大城市拟决定建设若干航空应急救援设施候选点以覆盖全地区。在综合考虑地区现有医疗、消防、公安等救援水平的前提下，先将该城市划分为15个需求区域(其中点11、12、15为工业区，点2、3、4、7、10为商业区，点1、5、6、8、9、13、14为住宅区)，并将区域中心位置作为区域内坐标选点，坐标选点在本模型中默认为航空应急救援设施候选点和应急需求点重合；然后从航空应急救援设施候选点中选取p个点作为航空应急救援设施点，并依据航空应急救援设施点位置建立航空应急救援网络，且保证每个应急需求点至少有一个航空应急救援设施点为其提供服务。具体步骤如下：

步骤1：将选取的15个位置坐标点在卫星地图中按1∶10 000比例尺标注,并采用ArcGIS将卫星地图中经纬度坐标转化为直角坐标，并移动坐标轴得到方便计算的直角坐标系，各个航空应急救援设施候选点与应急需求点均呈离散分布，见图2。

图2 p-中值问题需求点简化图Fig.2 Simplified diagram of p-median problem demand points

步骤3：结合网络层次分析影响航空应急救援场点布局的选址因素，建立层次分析模型，并进行一致性检验，得到各选址因素所占的比例权重，见表1。依据各选址因素的比例权重对15个航空应急救援设施候选点展开层次分析总排序，获取各航空应急救援设施候选点的网络层次分析权重(见表2)，并将任意两点间距离矩阵进行加权处理，得到权重距离矩阵。

表1 航空应急救援场点布局选址因素的比例权重Table 1 Weights of aviation emergency rescue sitelocation factors

对构建的选址因素层次分析模型进行一致性检验，检验结果为CR=CI/RI=0.092 9<0.1,具有满意的一致性。另外，得到各灾害需求点层次分析总排序，并计算得到航空应急救援网络中各灾害需求点的比例权重，见表2。

表2 航空应急救援设施候选点选址因素层次分析模型层次总排序Table 2 Hierarchical total ordering of analytic hierarchy model for aviation emergency rescue candidate facility sites

步骤4： 受制约因素的影响，可修建的航空应急救援设施点存在数量上限pmax，将加权救援距离矩阵代入MATLAB软件可计算得到不同航空应急救援设施点数量条件下的最大加权距离最小化问题的最优解，见表3。

步骤5：依据不同航空应急救援设施点数量下应急设施点与应急需求点的服务关系和应急救援设施点的位置坐标，作图得到航空应急救援网络结构图组(见图3)，并比较不同p值下航空应急救援设施点可覆盖网络的差异，进行结果分析。

由图3和表3可以看出：

(1) 所构建的航空应急救援网络呈发散形式，随着航空应急救援设施点数量的增加，其网络结构由主城区单中心发散结构转化为多中心发散结构，即城区中心-郊区环状的网络结构。在正常情况下，城区与郊区的航空应急救援设施点均为本区域提供服务，不产生空中交通流量冲突；一旦发生紧急突发公共事件，其区域航空应急救援设施点可能因救援任务剧增而部分失效，其他地区内航空应急救援设施点可为该区域提供支援服务。

表3 p-中值模型求解结果Table 3 p-median model results

图3 不同p值下航空应急救援设施点与应急需求点对应的服务关系网络图 Fig.3 Diagram of service relation network between aviation emergency rescue facilities and disaster demand points under different p values

(2) 受航空应急救援设施点数量的影响，整个航空应急救援网络的服务水平也会受到限制。在航空应急设救援施点数量较少(如p=1)时，所有应急需求点均由一个航空应急救援设施点提供服务，航空应急救援网络存在拥堵现象，因过于忙碌可能会造成暂时服务失效，不能满足需求；反之，在航空应急救援设施点数量足够的情况下(p≥2)，救援任务因航空应急救援设施点增加而分流，航空应急救援网络布局也更加合理。

(3) 随着航空应急救援设施点数量的增加，航空应急救援网络的整体加权距离也越小，但当航空应急救援设施点数量p=5时，最大加权距离边际效用的下降幅度较大，其表现形式为城区(商业区、居民区)双中心-郊区(工业区)环状结构的航空应急救援设施布局形式，比航空应急救援设施点数量p=4时的主城区单中心布局更加合理；同时当航空应急救援设施点数量p=6时，其布局虽然合理，但最大加权距离边际效用的下降幅度较小且建设成本增加明显。

5 结 论

围绕超大城市航空应急救援场点布局优化研究，首先依据超大城市灾害及航空应急救援需求，确定航空应急救援场点布局原则；然后通过历史统计数据、GIS技术等方法对航空应急救援场点布局的影响因素进行分析，并结合应急救援设施选址经典模型即p-中值模型，构建了航空应急救援设施点与应急需求点的目标函数，明确了区域内航空应急救援设施点与应急需求点对应的服务关系，同时构建了超大城市航空应急救援网络，进而建立了一种适用于超大城市的航空应急救援场点布局优化方法；最后将该方法应用于某案例分析，以验证方法的可靠性和可行性。结果表明：在充分考虑超大城市人口密度大、灾害类型多、应急需求强等特点的前提下，进行航空应急救援场点布局时，必须要考虑其区域内应急救援工作的差异化需求，所建立的商业区、居民区与工业区间航空应急救援场点可相互支援其他地区的救援任务，且尽量不产生空中交通流量冲突；确立了中心城区(商业区、居民区)需设立多处发散结构的航空应急救援场点，远郊工业地区需设立多点环主城区的航空应急救援场点，即主城区多中心-远郊环状形式的布局结构，可为今后开展超大城市航空应急救援场点布局工作提供参考。