地铁施工中应急物资的储备优化研究*

□ 韩乐琦 □ 刘新科 □ 项 薇,3 □ 吴成宇 □ 石钟淼 □ 何淑波

1.宁波大学 机械工程与力学学院 浙江宁波 315211 2.宁波市轨道交通集团有限公司建设分公司 浙江宁波 315211 3.宁波大学先进储能技术与装备研究院 浙江宁波 315211

1 研究背景

随着我国经济的不断增长,城市轨道交通建设发展迅速[1]。地铁建设工程量大,施工环境复杂,施工人员面临着多种多样的事故风险[2]。作为应对突发公共事件储备的战略物资,应急物资能够为事前防护、事中救援、事后恢复提供相应保障。目前轨道交通建设过程中,事故应急管理由于涉及规划、管理、施工、专业抢险等多个单位,管理分散,导致应急物资储备存在庞杂无序、归属不清、分类混乱等问题。在出现事故时,容易出现应急物资短缺,无法及时到位等尴尬情况,甚至导致二次事故。基于此,在地铁施工过程中的应急物资准备阶段,有必要对应急物资储备做精细化研究,引入分级概念,在制定有效应急物资分类方案的同时制定应急物资优化配置决策,保证重要应急物资在有效时间内发挥抢险作用。

综合国内外文献,应急物资分类分级研究多基于严重自然灾害进行,如地震、冰雹[3-7],而且应急物资配置方法已应用于多种救援情景中,如救护车部署、医院床位配置、自然灾害应对等[8-10]。针对轨道交通事故背景下的应急物资储备优化研究则较少,其中文献[11-12]研究发现,传统地铁建设项目缺乏完整的物资数据库,对于物资归属及储备问题的认识严重不足,有必要对物资进行合理划分。周慧娟[13]以铁路应急过程中使用的资源作为研究对象,对铁路专业资源及社会应急资源进行细分,并且从铁路应急管理角度出发,深入研究铁路应急资源配置问题。徐之恒[14]引入收益函数及贡献力函数概念,建立物资配置模型,同时通过仿真验证模型的有效性。刘欣[15]分别从静态、动态两个方面对地铁资源配置问题进行优化,提高地铁运营阶段的应急工作能力。

笔者以地铁施工为背景,提出应急物资的科学评价体系,通过模糊聚类构建合理的应急物资分类分级及储备管理模式。针对储备模式中重要应急物资的优化配置问题,以抢险及时性为目标构建应急物资优化配置模型,通过应急物资连续概率分布描述地铁施工事故的不确定需求,同时采用蒙特卡洛法模拟仿真得到各储备点资源配置的最优期望值,为施工单位及抢险部门在事故前规范应急物资归属,科学管理应急物资储备数量,在事故发生后高效有序开展救援工作提供指导。

2 应急物资评价体系

合理的应急物资评价体系是应急物资分级研究的基础。要提高物资应急效率,必须构建一个特征涵盖广的多层次应急物资评价体系。秉持客观、公正原则,笔者从应急物资自身价值、社会环境、储备条件等方面进行考虑,选择重要性、稀缺性、存储性作为三类评价指标,同时针对不同的评价指标细化出多个底层指标,建立三层应急物资评价体系,如图1所示。

▲图1 应急物资评价体系

3 应急物资分级模型

在应急物资评价体系确定后,构建基于地铁施工应急物资的模糊聚类分级求解模型。基于轨道交通施工专家知识及经验,采用层次分析法,经过判断矩阵、求解、一致性判断检验等步骤后,确定评价指标权重,同时专家对应急物资集合G的相应指标做相关模糊评价。通过隶属度矩阵、模糊评价矩阵、评价指标综合值等一系列计算步骤后,汇总各应急物资权重综合评价值,输入SPSS软件进行聚类分析,最终得到分级结果,并经过特征分析,对各级应急资源推荐正确的管理模式。应急物资分级研究流程如图2所示。

▲图2 应急物资分级研究流程

4 应急物资储备优化

储备优化配置的本质是根据施工点潜在风险,在应急管理预备阶段完成应急物资配置。应急物资相比普通物资,具有时效性、弱经济性、不确定性等特点,采用合理的资源配置,能够在发生事故后第一时间做出响应,一旦错过最佳时间,可能导致事故扩大,会给抢险工作带来更大的挑战。为保证应急物资在有限时间内发挥价值,以抢险及时性作为研究的首要目标。

不同于传统工程,地铁施工存在危害性大、不确定性强等特点,通常存在多个部门并行建设,所有施工点都可能发生应急事件。发生重大事故时,通常需要调用多个储备点同时进行抢险救援,并且施工事故的衍生特点往往需要多种应急资源协同救援,进而避免二次事故发生。

综合分析,对应急物资分级结果进行筛选,以重要应急物资作为研究对象,基于多事故点-多储备点-多类型应急物资储备,以到达时间最短为目标构建优化配置模型。

5 优化模型构建

(1)

基于多事故点-多储备点-多类型应急物资储备,以综合应急资源惩罚函数最小为目标,根据应急资源约束条件构建配置优化模型。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

tij≥0

(7)

i∈I

(8)

j∈J

(9)

k∈K

(10)

6 蒙特卡洛法求解

不确定性是事故发生最本质的特征。受环境、人为、管理等因素影响,在地铁施工过程中,无法判断可能发生的突发事件级别及对应的所需应急物资数量。为此参照地铁建设管理规范标准文件中应急事故等级划分标准,将地铁施工事故划分为五个等级,见表1。统计历史地铁施工事故,应用数据库资源确定施工事故等级发生概率,同时对于应急物资不确定需求特点,以历史抢险数据作为样本,统计分析各应急物资的需求分布规律。

表1 地铁施工事故等级

7 实例分析

7.1 概况

笔者以宁波市地铁建设工程为例,经过实地调研及专家咨询,汇总地铁施工过程中所需配置的70余种应急物资。在分析中发现,应急物资的功率、型号、载质量不同,细化出较多功能相似的应急物资。因此，为了简化研究,以应急作用为主要研究差异点,不考虑功率、型号等差别,并对部分应急物资进行模块化组合分析,最终选取引孔机、发电机、污水泵、聚氨酯等28种应急物资作为研究对象,完成地铁应急物资储备优化研究。

▲图3 模型求解步骤

7.2 应急物资分级结果

选择10位来自轨道交通建设规划部门、应急抢险部门与施工单位的专家进行问卷调查,以减小主观经验偏差。专家对各应急物资进行权重分析和模糊评价,之后计算各应急物资三类评价指标综合值,汇总后通过SPSS软件进行系统聚类,测量距离选择二次方欧氏法。最终形成应急物资的四级组别,引入平均综合值来区分这四级应急物资的特性,明确三类特点。应急物资综合评价值比较如图4所示。

▲图4 应急物资综合评价值比较

由图4可以看出,不同级别应急物资三类评价指标差异明显。对四级应急物资各评价指标均值进行特征分析,得到合理的管理模式,见表2。

Ⅰ级应急物资的特点为三类评价指标评价值都在0.8左右,在抢险过程中起主要作用。Ⅰ级应急物资都为大型应急设备,成本高,体积大,导致施工站点达不到储备环境要求,多施工站点自行储备也会造成成本急剧增大,且产生闲置浪费。所以对于Ⅰ级应急物资,可以集中储备管理来共享,储备中心选址需要优化决策,满足各个站点救援公平目标,做到快速调运,保证救援及时性。施工站点可以与附近企业签订租赁合同,在事故发生后第一时间进行调配。

表2 应急物资管理模式

Ⅱ级应急物资三类评价指标值仅低于Ⅰ级,都为专用型应急物资,稀缺性评价指标值相对较高。除污水泵、电焊机外,其余应急物资保质期较短。稀缺性需要保证应急物资储备充足,储备周期短会导致应急物资储备过多,产生更多的变质库存。基于两方面冲突,使Ⅱ级应急物资与Ⅰ级管理模式相似,可以集中储备管理,共享应急物资,减少储备数量。为解决保质期较短问题,需要构建合理的库存模型,其中安全库存保证事故发生时应急物资储备充足,库存上限从地铁建设事故弱经济性特点着手控制储备成本。对于Ⅱ级应急物资管理,业主必须在施工合同中明确规范,量化具体储备要求,保证严格监控应急物资的使用情况。

Ⅲ级应急物资三类评价指标值属于中下水平,大多为应急设备,在抢险过程中起辅助作用,体积小,储备周期长,所以可要求施工站点按照合同进行采购,同时采取一般管理方法即可。

Ⅳ级应急物资三类评价指标值都最低,对于Ⅳ级应急物资管理,业主在合同中不需要明确具体采购数量,施工站点可考虑自身施工周期、施工环境等特点,同时考虑成本因素,如运输、储备成本等,来优化配置,做到合理差异化配备。

7.3 应急物资优化配置

宁波在地铁建设施工过程中多个站点并行施工,施工站点数为9,应急物资储备点数为4,施工站点及储备点分布如图5所示。由于地铁建设工程的复杂性,在施工过程中会出现不同的事故风险类型,施工站点及储备中心应规划不同应急物资的储备,以保证事故发生时能够协调应急物资调运进行抢险。为简化研究,笔者提出假设,并对已知条件进行汇总。

▲图5 施工站点及储备点分布

(1) 基于分级研究输出结果,可以认为Ⅱ级应急物资为重点研究对象,Ⅱ级应急物资的管理模式为储备中心重点管理,因此仅考虑在储备中心配置Ⅱ级应急物资。

(2) 不同事故类型对应的应急物资不同,笔者以地铁施工过程中最常见的透水事故为例,事故发生后储备中心运输聚氨酯、3 kW污水泵、医疗箱三种应急物资进行抢险救援。其余Ⅱ级应急物资在考虑其它事故发生的情况下研究方法相同,在此不重复介绍。

(3) 通过地图应用程序搜索,对储备点到施工站点最短时间进行汇总,见表3。不考虑运输途中特殊情况发生,即最短时间固定。

(4) 施工不考虑自身特殊环境,假设各施工站点事故等级概率分布相同,并且对应应急物资分布规律也相同。参照地铁事故等级,应用数据库资源确定施工事故等级分布概率,同时根据统计数据得到不同等级事故下三种应急物资需求量服从正态分布规律,记为N(D,σ),见表4。其中,D为随机需求量的数学期望值,σ为变量的方差值。

表3 储备点至施工站点最短时间 min

表4 应急物资需求量

(5)E5为换乘站点,处于市区最繁华位置,其余站点差异性因数和与E5间的距离成反比。施工站点差异性因数见表5。

(6) 参考文献[16],将事故发生后储备点立刻输送应急物资至施工站点的时间设置为20 min。为便于计算,假设到达时间在同一个时间间隔内的成本因数βij相同。随着延误时间的增加,成本因数βij呈指数型增长,以此来体现延迟越接近事故承载极限,事故后果越严重的特点。成本因数βij为：

表5 施工站点差异性因数

将上述已知参数代入配置优化模型,根据求解步骤求解储备点配置期望值。设置循环次数M为1 000,输出结果稳定,各储备点三类应急物资储备最优期望值见表6。由此保证在满足应急物资需求条件下使抢险延迟惩罚值最小,从而保证抢险的及时性。

8 结束语

地铁施工事故发生后,应急物资是工程抢险及紧急救助的基础与保障。笔者对宁波地铁施工建设中所需应急物资展开分级及配置研究。

表6 储备点应急物资储备最优期望值

针对地铁施工应急物资庞杂且无序的现实情况,采用模糊聚类分级模型对应急物资完成级别划分,推荐管理模式。其中,Ⅰ级应急物资进行租赁储备或者集中调配,Ⅱ级应急物资由储备中心重点管理,且需要构建合理的库存模型,Ⅲ级、Ⅳ级应急物资评价指标值处于中下水平,施工站点采取一般管理即可。

选择Ⅱ级应急物资作为多事故点-多储备点-多类型应急物资配置问题的研究对象,构建以惩罚函数最小为目标的应急物资配置模型。针对事故发生和应急物资需求的不确定性,提出以数据库历史事故为样本统计分析各等级事故发生概率,以及应急物资需求分布规律。针对事故发生的随机性,提出采用蒙特卡洛法抽样随机模拟事故的发生,循环多次最终得到各储备点多类型应急物资最优配置量。基于实例模拟九个施工站点随机发生不同等级事故,得到四个储备点三类应急物资的具体储备策略,为实际地铁施工场景应急物资储备提供可行方案。