韧性城市视角下台风灾害应急物资调度研究

万静静，罗梦圆，王思行，徐晓玲

(1.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 党委组织部，湖北 武汉 430070；3.浙江省应急管理科学研究院 浙江省安全工程与技术研究重点实验室，浙江 杭州 310018)

随着气候变暖，极端天气频发，同时伴随着城镇化的不断深入，城市人口不断增多，城市发展面临的复杂风险不确定特征愈发明显。我国是世界上受台风影响最严重的国家之一[1]，东南沿海和华南地区频繁遭受台风灾害的侵袭，对人民生命财产和区域的城市建设带来了巨大的威胁和挑战[2]。2012年10月，“桑迪”飓风席卷纽约，损失惨重，直接推动了纽约韧性城市建设。如今，为更好的抵御风险，城市规划的韧性水平已逐步成为城市发展思路的基本考量[3]。台风灾害的防御是检验韧性城市建设水平的重要导向和依据。台风灾害往往会带来一连串的次生灾害，应急物资调运在灾后恢复中起到了重要作用，往往是遏制次生灾害的重要因素[4]。灾害发生时，韧性城市对应急物资规划和调度要求高于传统城市[5]。应急物资调运涉及到韧性城市的经济社会运行、健康与福利、设施保障以及领导能力等多项韧性指标。

对于台风灾害下应急物资的调度问题，学者们从应急物资储备库选址与布局[6]、应急物资的动态分配[7]、应急物资配置[8]、需求程度的空间分布[9]等方面入手开展了广泛的研究。在方法上，系统动力学模型[10]、多目标优化模型[11]、随机规划模型[12]被广泛应用。此外，随着大数据、云计算、物联网、区块链、5G、人工智能等新一代信息通讯技术的快速发展，流通领域已形成数据驱动与科技赋能趋势。智慧化成为“十四五”时期物流业和应急物资调度体系的发展趋势。例如，陈湉等[13]对大数据背景下台风灾害应急物流车辆调度进行仿真模拟与模型优化。此外，主题模型文本挖掘与网络爬虫舆情分析[14]等技术亦纷纷被应用到台风灾害减灾分析中，旨在帮助解决台风灾害应急救援过程中物资调配问题。已有研究大大丰富和拓展了台风灾害应急物资调度的研究思路，为后续研究打下了良好的基础。但现有研究成果较少考虑到当前韧性城市建设的需求与特点，且对台风灾害下应急物资的动态变化特征考虑不足。

应急物资调运涉及物资分配、车辆调度、仓库选址、需求分析等问题，然而灾害情景下，每个问题的解决都涉及到信息缺失、能力缺陷、物资短缺等困难，应急物资供应系统是一种多目标、非线性、多重反馈的时变系统。为刻画复杂系统中的非线性作用以及系统运行目标，以韧性城市为视角，围绕台风灾害事件，运用系统动力学模型解析台风灾害下应急物资调度能力的影响因素，进而提出城市复杂系统下的韧性应急物资调度策略。

1 韧性城市视角下台风灾害应急物资调度

1.1 面向韧性城市的应急物资调度

韧性城市建设与应急物资调度是紧密联系的包含与支撑关系，应急物资调度能力是韧性城市建设的重点，例如以提升韧性为核心的城市交通规划[15]、模糊需求与时间窗的路径规划[16]、基于需求紧迫度的救援效率提升框架[17-18]、灾后快速重建期间应急物资调度优化[19]。常规情况下，物资调度以成本最低、速度最快、运输安全为目标，但应急物资需求是突发激增的，并且调度效率要达到快速反应要求。

面向韧性城市的应急物资调度主要包括3个阶段：①事前阶段，主要任务是构建应对不确定扰动的抵御能力，应急物资调度根据历史数据与实时数据开展分析，测度各类事件发生概率，制定科学合理的应急物资选址、应急资源储备、调度路径、调度力量以及调度任务安排等；②事中阶段，需要支持城市系统在承受外部威胁的情况下最大化吸收风险和恢复速率，不断调整自身功能以适应外部变化，应急物资调配响应程序主要包括指挥协调、供需匹配、仓储物资调用、物资运输与交付、群众与伤员转运等;③事后阶段，需要通过应急物资调度促进城市有序恢复与重建。

1.2 韧性城市视角下台风灾害应急物资调度特点

在众多的自然和人为灾害中，台风是我国南方和东部沿海常见的自然灾害，台风灾害通常会诱发暴雨、大风、风暴潮等致灾因子，引发同源混联链状次生灾害[20]。台风灾害突发性强、破坏力强、地域广，易造成交通中断、引发泥石流、房屋倒塌、城市内涝、供电通信等设施毁坏如图1所示。应急救援具有人员疏散量大、物资调度量大、人员伤亡率高等特点，难以通过断链减灾阻止次生衍生灾害的发生和发展。

图1 台风灾害三角模型

台风所致的防灾减灾需求总量是可以预测的[21]，但由于信息缺失、交通受阻、物资短缺以及受灾差异，具体场景下的群体需求动态分布难以预测[22-23]。快速获取灾害情景以及精准需求的时空演变规律，利用有限的应急物资供应，最大限度地实现物资动态需求匹配是应急物资调度的总体目标。

2 台风灾害韧性城市应急物资调度系统动力演化模型

2.1 台风灾害下韧性城市应急物资调度回路

灾后物资需求中物资可以分为定向改造型物资需求和非定向改善型物资需求，前者一般指发往救援地的耐用品或设施设备，需求总量一般固定，例如帐篷、电力设施、通讯设备；后者一般是指需要持续补给的物资，用于改善受灾区域的生活生产状况，例如食品、药品等。应急物资的分类可以参考《应急物资分类及编码》(GB/T 38565-2020)，然而在台风灾害发生时，诸多消耗性物品储备量往往由于使用期限和储藏条件等限制而普遍出现不足的情况，需要政府、企业、个人的紧急生产或调配。同时，由于应急需求分布模糊和信息不对称，物资分配过程的不确定性也极易导致供需匹配出现偏差，偏差较大的情况下还会引发一定的不满情绪和社会舆情。

对于应急物资的“需求”，主要包含物资质量、数量和种类等方面的需求。台风灾害应急物资需求具有突发快速增长性、极为多样性、紧迫时效性、分布不确定性、高社会影响性相关性等特点。由于台风灾害情景的复杂性和应急物资需求的时效性，应急物资供给数据和需求分布难以统计，灾害初期对救灾应急物资需求快速预测存在数据匮乏的困境。参考前人研究[24],构建台风灾害应急物资使用负反馈环和应急物资需求负反馈环。由于是负反馈环，在系统动力模拟时要求收敛于某一特定阈值，其次在演化过程中会出现波动，具体台风灾害应急物资调运系统动力模型因子关系如图2所示。

图2 台风灾害应急物资调运因子关系图

通常，根据需求点的地形、人口、发展水平等因素综合得到基准应急需求，而随着台风灾害演化和救援场景转换，传统的数学模型难以对其动态需求进行刻画。而马尔可夫链可对台风灾害应急物资需求进行较好预测，通过表征台风灾害情况下的设施性能、经济生产变化过程，尤其是在不同次生灾害情景下政府应急反应能力对应急物资调运水平的影响测算，进而从应急物资调运解析城市韧性提升路径。

2.2 系统流图设计与构建

由于应急需求点的脉冲需求量到达时刻和需求量不同，且应急物资的需求信息是随着事故的动态演变而不断变化的，周期应急物资需求量为：

(1)

在台风灾害应急阶段，需求规模存在非减性，也就是只可能增加或保持，不可能减弱。需求点的需求状态可转换为马尔可夫链，相邻状态的转换是有限状态的转换概率。政府的应急物资调度能力与调度时间、运输时间呈反向关系。台风灾害等级越高，所造成的破坏越大，进而提高政府应急信息反应时滞。政府应急信息反应时滞会导致应急物资调运压力的非线性增长，一般情况下反应时滞增大的同时，产生次生灾害风险的可能性越大，进而引发更紧迫的应急物资调运需求。运输时间受台风灾害的次生灾害频次的正向影响。应急物资需求量主要包括耐性设施保障、生活保障和能源消耗以及突发的脉冲需求，同时总量是否扩大受到台风灾害等级的影响。

根据图2的因果回路图，利用系统动力学的Vensim软件实现对上述动力学模型的构造，最终构造的系统流如图3所示。

图3 台风物资调运系统演化

模型设立了应急物资在途库存(箱/套/吨)、应急物资库存(箱/套/吨)和已使用量(箱/套/吨)3个水位变量，以及调度速率(箱/套/吨/小时)、到达速率(箱/套/吨/小时)和使用速率(/小时)3个速率变量，有关方程式如下：

应急物资在途库存=调度速率-到达速率

应急物资库存=到达速率-使用速率

已使用量=使用速率

调度速率=应急物资缺口量/(政府对突发事件信息反应时滞+调度时间)

到达速率=应急物资在途库存/运输时间

使用速率=应急物资库存/(使用时间-随机延时)

其中，应急物资在途库存记为Rt，应急物资库存记为C，已使用量记为Ud，调度速率记为Sd，到达速率记为Sr，使用速率记为Us。

3 仿真分析

2018年，台风“山竹”造成广东、广西等省直接经济损失超过50亿元。“山竹”台风云系直径范围达1 000 km，影响范围极为广泛。气象部门的精准预测，使得全国各地储备库紧急进入战备状态，快速建立中央到地方的物资协同协调调运准备工作。但预估到台风“山竹”的巨大破坏力，“抢购、囤粮、哄抬物价”等事件依然时有发生，台风影响范围内各地区均全面启动应急供应模式。通过模拟市级重要储备商品在商超的流通量以揭示应急物资调运的关键因素，台风灾害系统动力学模拟参数如表1所示。

表1 台风灾害系统动力学模拟参数表

根据台风灾害系统动力学模拟参数进行模拟，得到图4、图5应急物资调运效果趋势图。

图4 应急物资在途库存趋势图

图5 应急物资缺口量趋势图

通过动态模拟结果可以看出，应急物资运输存在起伏，短期之内实现大量的物资调运，而后物资调运减缓回到平缓水平。而应急物资缺口量在前期物资大量调运时缺口得以快速弥补，缺口量呈现下降趋势，且随着应急物资的不断补充，物资缺口量下降为0，而后实现物资积累。但当应急物资在途库存逐渐耗尽，下降到最低点时，即仿真时长为40的时刻，应急物资缺口量亦开始反弹，在波动中呈现上升趋势，出现了短期过量的情况，并快速恢复到应急前水平，反映出灾前物资准备与灾后快速应对的情形。通过以上测试，说明该模型能够很好地模拟台风“山竹”的情境。为进一步分析政府应对策略与灾害情境对应急物资调运的影响，针对次生灾害频次和政府应急物资调度能力进行模拟测试，得到结果如图6-9所示。

图6 次生灾害高低频次应急物资在途库存趋势图

由图6可知，当次生灾害频次增多时，在灾害发生早期，应急物资在途库存并未有明显变化，与次生灾害低频次状态在同一仿真时刻到达峰值，且其数值更大。此后，在整个仿真期间，应急物资在途库存均保持较高的水平，以确保应急物资缺口维持在一定的可控水平下。由图7可知，次生灾害高频状态下，应急物资缺口量并未出现明显失控，与次生灾害低频状态相比，两条曲线虽有交叉重合部分，但波动趋势基本相同。表明当次生灾害频次增多时，应急物资调运相应会有所提升，不会进一步导致物资大量缺失。

图7 次生灾害高低频次应急物资缺口量趋势图

由图8可知，在高调度状态下，应急物资在途库存波动放缓，所达峰值有所下降。在达峰后的一段时期，高调度曲线位于一般调度曲线下，且两者变化速率基本一致。到了仿真后期，两条曲线基本重合，变动趋势保持高度一致。可见当政府应急物资调度能力提升时，灾后短期内应急物资在途库存保持较低水平，有利于缓解调运压力。由图9可知，在高调度状态下，应急物资缺口量依然保持原有的趋势，物资缺乏未得到明显缓解。可见当政府应急物资调度能力有所提升时，灾后应急恢复在短期内仍难以实现大幅度快速修复。

图8 不同调度能力下应急物资在途库存趋势图

图9 不同调度能力下应急物资缺口量趋势图

4 结论与建议

随着全球气候变暖，我国极端天气频发，台风灾害可能造成城市内涝、河流洪水、山体滑坡、交通受阻、电力通讯中断等严重灾难或事故，还极易造成物流瘫痪、疾病传播、社会恐慌等次生灾害，带来重大人员伤亡和财产损失。台风灾害多集中于东部、南部沿海人口密集，经济发达的地区，影响范围和破坏力广，对社会经济造成巨大影响，已逐步成为我国重点防御的自然灾害。2021年7月的郑州雨灾事故对韧性城市建设规划提出了新的挑战。强化城市韧性，降低城市脆弱性，成为现代化城市建设必须重视的理念。

政府应急物资调度能力的提升可以减轻城市应急物资调度的负荷，不至于产生大量的无效调度，而随着次生灾害的增多，调度能力会有所降低，但只要保持实时调度，城市系统依然会恢复到稳定运行状态，进而体现出城市韧性水平。为此，提出如下建议：

(1)健全城市气象灾害防御组织体系，优化应急物资储备体系，科学选址，智能调运，合理设计，进而为政府应急反应时滞提供缓冲空间。

(2)加快完善城市主要气象灾害综合风险普查，构建各类灾害“一张图”的风险识别与综合应对模式，形成应急物资调运叠图框架，提升应急物资调运的实时任务分配水平。

(3)提高公众防灾减灾意识，强化台风气象灾害等极端天气防御知识的科普，从而促进承灾体向抗灾体的转变，减少应急物资需求，尤其是在次生灾害频发的情境下，受灾群众可以利用现有条件开展自救，避免应急救援过分依赖于应急物资调运。