基于动态规划的险情救援方法研究

訾 润

（青岛消防支队平度大队，山东 青岛 266000）

地质灾害频发，加之人为原因造成的火灾、泄露和污染等，给消防救援工作造成了极大困难[1]。尤其是与化工类产品相关的险情救援，不仅难度大，而且救援风险高。化工类产品的原料、中间品和最终品是各种形式的化学物质，其在常规状态下是稳定、安全且无害的，一旦处于高温高压、特殊催化剂和特殊反应过程中，则会出现物质的重新生成或物态的转变，从而变为有毒、有害的物质[2]。以火灾发生后的险情为例，如果是化工厂发生火灾，在高温灼烧的情况下，大量的化工产品会从固态变为液态或气态。液态在高温下会发生沸腾喷溅现象，气态则容易挥发和扩散[3]。这些经过高温反应的化学物质，大都是有毒、有害的液体或气体，还具有较强的腐蚀性，会给救援人员和周边设备带来较大危害，需要充分考虑险情救援的方法，尤其是合理的安全范围设定和救援路径设计，这与救援效率和救援效果密切相关。

1 险情救援的安全范围分析

为了有效解决险情救援问题，该文仍然以化学品发生火灾的特殊案例进行分析。原因是化学品发生火灾的抢险救援难度大、安全保证系数低。如果能妥善应对化学品火灾的险情救援，其他的常规险情救援就更可以有效应对了。

化学品发生火灾后，其救援的最大难点在于化学品的毒性和高腐蚀性，同时化学品还会在高温灼烧的过程中发生物态转换，从而形成沸腾、可喷溅的液态物质或者具有毒性的可挥发气态物质。

救援人员一方面要扑灭火情，另一方面要特别注意躲避液态化学品的喷溅腐蚀并避免吸入气态化学品而中毒。从救援人员的个人防护措施来看，穿戴防护服，尤其是佩戴防毒面具，可以有效地保护自身安全，避免化学品液态腐蚀和化学品气态毒害。但是，仅从救援人员个体的微观防护角度加以防护还是不够的，需要从宏观空间维度进行安全范围分析并采取相应的防护措施。

在燃烧的化学品储罐和尚未发生燃烧的化学品储罐之间设置有效的隔离屏障，避免液态化学品沸腾喷溅和火势蔓延是一种最常用的手段，具体执行如图1 所示。

图1 燃烧的化学品储罐和尚未发生燃烧的化学品储罐的隔离防护措施

从图1 可以看出，3 个圆柱体代表了化学品储罐。其中，最左侧的化学品储罐已经发生了灾情，处于燃烧状态。而右上化学品储罐和下方化学品储罐都处于安全状态，尚未发生燃烧。在该情况下，救援抢险的第一步工作不是急于扑灭已经燃烧的化学品储罐，而是先保护尚未发生燃烧的化学品储罐，避免灾情进一步蔓延。如图1 所示，在燃烧化学品储罐和尚未燃烧的化学品储罐之间架设隔离屏障，对火情和可能喷溅传播的化学品进行物理隔离，是非常有效的救援措施。该隔离措施在防范有毒物的固体烟尘颗粒扩散、沸腾液体喷溅方面是特别有针对性的。通过该隔离处理方法，可以避免化学品储罐各种物态物质发生扩散，有利于避免灾情蔓延和险情进一步扩大，同时有利于保护险情区域内的工作人员和救援人员，以更高的安全度去完成救援。

采取首要的隔离措施后，进一步对救援人员采取安全保护措施，这就需要设定安全距离。安全距离是指通过增大救援人员距险情点的距离和范围，来避免火焰灼烧和有毒物侵害。除了要考虑救援人员的安全性外，还要考虑救援设备操作过程中的技术参数，即救援设备的合理操作范围。在救援过程中，利用灭火器、高压水枪等工具进行灭火处理时也要充分考虑安全距离。安全范围设置如图2 所示。

图2 燃烧的化学品储罐救援的安全距离

在图2 中，左侧的化学品储罐发生燃烧，救援人员和救援车辆需要保持一定的安全距离后再实施救援。否则，燃烧化学品储罐内的液态物质可能会喷溅进而灼伤救援人员或损坏救援车辆。当然，救援的安全距离不一定是一个固定的数值，其更可能是一个合理的救援范围，该范围应该既能保证救援人员和救援车辆的安全，又能避免燃烧化学品储罐因罐内液体喷溅而伤及救援人员和救援车辆。

2 基于动态规划的险情救援方案

上述研究工作探讨了实施救援工作时，应如何对具有毒性和腐蚀性的险情点实施隔离保护和规划安全救援距离。接下来将考虑如何从救援出发点到险情点对救援路径方案进行设计。

对大多数险情而言，其空间位置与救援力量的常住地之间都会存在较远的距离，当救援力量到达险情点时有多种可以选择的方案。显然，让救援力量在最短时间内到达险情点是救援路径方案的核心目标。但需要注意的是，最短时间到达并不等同于选择最短救援路径。原因是救援车辆行驶时还要充分考虑各条路线上的拥堵情况，因此需要采用决策模型来完成救援路径方案设计。

考虑当前GPS 地图已经非常完善，可以实时采集到地图上任意节点的信息，因此可以将救援路径方案的决策问题设定为全局规划问题。可用于全局规划的方法较多，如栅格法、禁忌搜索法、模拟退火法、图割法、网流法以及动态规划法等。该文采用动态规划的方法，对险情救援的路径方案选择进行相应决策。

所谓动态规划，就是在综合考虑全局已知信息的情况下，将决策任务拆解成若干个阶段，充分结合每个阶段全局信息的动态变化来生成决策。可见，动态规划既考虑了全局任务的空间特征，又考虑了各个时间节点上动态变化的时间特征。在时间轴线上，将总体决策任务分解为若干个不同的环节，每个环节用标号k来表示。由此，每个环节的状态信息可以采用xk来表示。系统从一个状态发展变化到另一种状态，并如何完成这种发展变化即是决策。该文用uk来表示第k个环节状态得以实现的决策，并且可以确定每个环节决策所要使用的准则为Vk，n。

可见，基于动态规划的方法完成任务的决策具有清晰的思路和流程。但需要指出的是，动态规划中某一个阶段决策完成后，是不可以向前逆推的，如果前一个环节的决策出现问题，甚至是严重错误，后续环节也无法对前面的结果进行更改。这就要求动态规划的决策过程必须确保每个环节的正确性，即使不是最佳结果，也不能是最差结果。

在每个环节运用动态规划的方法完成决策的过程中，其准则执行的数学形态如公式（1）所示。

式中：Vk，n表示确定每个环节决策所要使用的准则；vk（xk，uk）表示准则函数在第k个环节所具有的状态；xk表示一个环节的状态信息；uk表示第k个环节状态得以实现的决策。

从上述模型可以明显看出，每个环节的准则函数会受前一个环节的准则函数的影响，只有确保各个环节之间的演变准则都是最佳或者是较好的，才能得到最终的令人满意的决策方案。

在该文中，将动态规划应用于险情救援的路径方案选择决策时，除了要考虑最短距离外，还要考虑可能存在的拥堵所造成的延时情况。需要在一般距离准则的基础上，再增加一个拥堵情况的考量模块，从而可以得到第k个环节的准则函数新设定形态，如公式（2）所示。

式中：vdata（xk，uk）表示只考虑距离数据的准则函数；vsmooth（xk，uk）表示考虑拥堵情况的准则函数部分；xk表示一个环节的状态信息；uk表示第k个环节状态得以实现的决策。

在动态规划决策中，可以用正确（M）、向左正确（L）、向右正确（R）3 种情况来表示路径在当前点是否处于最理想位置。据此，路径从当前位置向下一个位置延伸时存在7 种可能的情况，如图3 所示。

图3 动态规划路径节点延伸的7 种可能情况

3 险情救援的仿真试验验证

图4 中，横坐标代表险情点，考虑火灾发生时一般多为多点火情，因此该文设置了5 个险情点。纵坐标代表救援路径的节省程度，单位为%。白色矩形代表常规方法节省的距离长度。带剖面线矩形代表执行动态规划方法节省的距离长度。该文所说的常规方法是以距离为唯一判断依据来选择救援路径的。从图4 的对比情况可以看出，执行动态规划来优化险情救援路径，在5 个险情点上的救援距离更短。

图4 采用动态规划险情救援方案和常规方法的险情救援方案的救援路径对比

进一步对比采用动态规划险情救援方案和常规方法的险情救援方案在救援时间长、短上的差异，结果如图5 所示。

图5 采用动态规划险情救援方案和常规方法的险情救援方案的救援时间对比

图5 中，横坐标代表险情点，考虑火灾发生时一般多为多点火情，因此该文设置了5 个险情点。纵坐标代表救援时间的节省程度，单位为%。白色矩形代表常规方法节省的时间长度。带剖面线矩形代表执行动态规划方法节省的时间长度。该文所说的常规方法是以距离为唯一判断依据来选择救援路径的。从图5 的对比情况可以看出，执行动态规划来优化险情救援路径，在5 个险情点上的救援时间更短。比较图4 和图5 可知，执行动态规划路径优化，救援时间缩短的幅度更明显。

4 结论

险情救援关系人民的生命和财产安全，也关系社会的稳定和团结。该文以化学品发生燃烧后造成的险情为例，探讨了实施救援工作时，应如何对具有性和腐蚀性的险情点实施隔离保护和规划安全救援距离。在该基础上，进一步提出了基于动态规划的险情救援路径优化决策方法。试验结果表明，执行动态规划的救援方案可以使缩短救援距离，并在更短的时间内完成救援。

上述研究工作探讨了实施救援工作时，应如何对具有毒性和腐蚀性的险情点实施隔离保护和规划安全救援距离。在该基础上，该文进一步提出了基于动态规划的险情救援路径优化决策方法。为了验证前2 步工作的有效性，该文进行了试验，具体如下。

对比并分析采用动态规划险情救援方案和常规方法的险情救援方案在救援路径长、短上的差异，结果如图4 所示。