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        災(zāi)難救援應(yīng)急物資配送問題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

        2012-11-28 02:59:58彭永濤
        鐵道運輸與經(jīng)濟 2012年4期
        關(guān)鍵詞:物資救援應(yīng)急

        陳 剛,彭永濤

        (西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院,四川 成都 610031)

        近年來各種災(zāi)難頻發(fā),無論是 2004年的印度洋海嘯、2008年的汶川地震,還是 2010年的海地地震及 2011年的日本地震海嘯都造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計,全球每年發(fā)生的災(zāi)難達 500次以上,75 000 人因此而死亡,2億人受災(zāi)[1]。災(zāi)難的發(fā)生導(dǎo)致大量應(yīng)急物資需求,而快速準(zhǔn)確地將應(yīng)急物資運送到受災(zāi)點是災(zāi)難救援的關(guān)鍵,因而應(yīng)急物資的分配和應(yīng)急車輛路徑的選擇成為災(zāi)難救援研究的2個核心問題。有關(guān)文獻從不同角度或分類對應(yīng)急物流進行了綜述[1-2]。從問題類型及解決方法的角度,結(jié)合災(zāi)難救援應(yīng)急物資配送問題分類綜述,探討相關(guān)問題研究具有重要的現(xiàn)實意義。

        1 應(yīng)急物資分配問題

        1.1 基于數(shù)學(xué)組合方法

        基于數(shù)學(xué)組合方法的應(yīng)急物資分配問題實際上是出救點選擇問題,問題的基本數(shù)學(xué)描述如下[3]:A1,A2,…,An為 n個應(yīng)急物資出救點,A 為受災(zāi)點,x 為應(yīng)急物資需求量,Ai的物資可用量為 xi(xi>0)≥x(i=1,2,…,n),從Ai到 A 需要的時間為ti(ti>0),設(shè)t1≤t2≤…≤tn,要求給出一方案(確定參與應(yīng)急的出救點及各自提供的應(yīng)急資源數(shù)量),在滿足約束條件下使應(yīng)急開始時間最早。

        國內(nèi)最早開始研究應(yīng)急物資分配問題的是劉春林等[4-6],考慮在應(yīng)急物資連續(xù)供應(yīng)條件下,分別以應(yīng)急開始時間最早、出救點數(shù)目最少、使應(yīng)急開始時間不遲于限制期 t 的可能度最大的方案等為優(yōu)化目標(biāo),并通過組合優(yōu)化、模糊規(guī)劃、兩階段規(guī)劃等方法求解模型。這些研究僅限于單受災(zāi)點、單物資種類,適合電力供應(yīng)系統(tǒng)、供暖供氣系統(tǒng)及消防救援系統(tǒng)等連續(xù)性應(yīng)急系統(tǒng),但不適合大規(guī)模突發(fā)事件的救援活動。此后,國內(nèi)學(xué)者對這個問題進行了深入研究,增加了總費用最小[7]、損失最小或滿意度最大[8]等目標(biāo),應(yīng)急物資種類由1種擴展到多種[9],受災(zāi)點也由1個擴展到多個[10],出救點選擇問題研究進展情況如表1所示。

        表1 出救點選擇問題研究進展情況

        1.2 基于模糊聚類方法

        Sheu和Chen[11]針對大規(guī)模災(zāi)難應(yīng)急物資分配問題,提出了一個3階段優(yōu)化算法,第1階段基于應(yīng)急物資需求及優(yōu)先權(quán)對災(zāi)區(qū)進行模糊聚類,第2階段根據(jù)聚類結(jié)果進行物資分配,第3階段根據(jù)物資分配結(jié)果規(guī)劃車輛路徑。在此基礎(chǔ)上,Sheu[12]考慮了時變需求預(yù)測和動態(tài)供給情形,以臺灣地震為研究背景,提出一個由應(yīng)急物資商、應(yīng)急物資配送中心及受災(zāi)地構(gòu)成的3層應(yīng)急物流概念框架,并為關(guān)鍵救援時期響應(yīng)應(yīng)急救援需求的應(yīng)急物流共同配送提出了一個混合模糊聚類優(yōu)化方法。在其最新研究成果中,Sheu[13]提出一個不完整信息條件下大規(guī)模自然災(zāi)害動態(tài)應(yīng)急物資需求管理模型,該模型包含基于數(shù)據(jù)融合的需求預(yù)測、模糊聚類受災(zāi)區(qū)域、對受災(zāi)區(qū)域分組的優(yōu)先權(quán)進行排序3個步驟。

        1.3 基于網(wǎng)絡(luò)流理論

        Haghani和Oh[14]基于時空網(wǎng)絡(luò)的概念,把災(zāi)難救援問題處理為大規(guī)模、多商品、多運輸方式帶時間窗的網(wǎng)絡(luò)流問題,提出了2種啟發(fā)式算法,一種算法利用問題的內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和約束條件將模型分解為子問題求解,另一種算法是利用交互式修復(fù)和運行方式,即在每次迭代逐步固定整數(shù)變量,直到所有整數(shù)變量都為定值。Tzeng等[15]考慮到公平性,提出了一個多目標(biāo)規(guī)劃方法,3個目標(biāo)分別為總成本最小、總運行時間最短及物資需求滿足率最大,前2個目標(biāo)追求的是效益,第3個目標(biāo)考慮的是公平,保證應(yīng)急物資配送到所有的需求點。Yi和 Kumar[16]提出用蟻群優(yōu)化算法解決應(yīng)急救援活動中的物流問題,把原來的應(yīng)急物流問題分解為構(gòu)建車輛路徑和多種類物資調(diào)度2個階段,第1階段在蟻群算法信息素軌跡的引導(dǎo)下建立隨機車輛路徑,第2階段建立了基于求解程序 (Solver) 的網(wǎng)絡(luò)流來解決不同車輛流和物資之間的分配問題。Yan和 Shih[17]認為應(yīng)急物資配送及中斷道路搶修之間是有關(guān)聯(lián)的,為應(yīng)急物資配送及中斷道路搶修構(gòu)建了時空網(wǎng)絡(luò),并以總時間最短為目標(biāo)建立了一個多目標(biāo)、多商品的混合整數(shù)網(wǎng)絡(luò)流模型。

        1.4 基于其他理論和方法

        大規(guī)模突發(fā)事件往往會中斷路網(wǎng),正常的車輛配送無法進行,Barbarosoglu等[18]為災(zāi)難救援運作中直升機任務(wù)計劃建立了一個雙層數(shù)學(xué)規(guī)劃模型,上層為戰(zhàn)術(shù)層,決策直升機隊的組合、飛行員的分配及直升機的任務(wù);下層為操作層,決策直升機的路徑、裝卸配送計劃及燃料補充計劃。Chang 等[19]基于情景規(guī)劃方法將洪水應(yīng)急物流問題描述為2個隨機規(guī)劃模型,借助地理信息系統(tǒng)提出模型的解決方法,為政府部門洪水災(zāi)害應(yīng)急物流提供決策工具。楊繼君等[20]設(shè)計了應(yīng)急資源調(diào)度的多模式分層網(wǎng)絡(luò),提出了基于合作博弈的應(yīng)急資源調(diào)度模型與求解算法,將應(yīng)急資源的合理調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為對合作博弈調(diào)度模型的核心求解問題。

        2 應(yīng)急車輛路徑問題

        車輛路徑問題 (VRP) 一直是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題中最基本的問題之一,國內(nèi)外關(guān)于車輛路徑問題的研究已經(jīng)很多。目前大部分 VRP 問題的研究都是在商業(yè)背景下,主要以成本最小為目標(biāo),應(yīng)急背景下的 VRP 問題研究不多,主要以應(yīng)急時間最短或災(zāi)區(qū)損失最小為目標(biāo)。Lin 和 Batta[21]結(jié)合軟時間窗、多周期及分批配送的車輛路徑問題,為災(zāi)難救援運作關(guān)鍵物品配送問題提出了一個多目標(biāo)整數(shù)規(guī)劃模型。陳森等[22]利用物資要素和時延要素之間的轉(zhuǎn)換,同時考慮搶修路段和車輛配送,建立了路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、車輛路徑聯(lián)合優(yōu)化模型,提出基于遺傳算法和動態(tài)規(guī)劃的求解算法。田軍等[23]借助模糊數(shù)學(xué)中的三角模糊數(shù)描述應(yīng)急物資需求量,利用聯(lián)系速度時間依賴函數(shù)模擬真實的動態(tài)路網(wǎng)交通狀況,建立應(yīng)急物資配送動態(tài)調(diào)度多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型。徐志宇等[24]建立了分批配送車輛路徑模型 (SDVRP),實現(xiàn)為滿足需求最小化、總配送時間最短化、各受災(zāi)點失衡度最低化3大目標(biāo),但只是通過簡單的加權(quán)平均將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化成單目標(biāo),同時模型也只考慮了單出救點和單物資品種。應(yīng)急車輛路徑問題目前研究的目標(biāo)約束及算法如表2所示,在這些模型中受災(zāi)點的物資需求量都是已知的。

        應(yīng)急車輛路徑問題拓展標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。從目標(biāo)函數(shù)來看,單目標(biāo)研究較多,多目標(biāo)研究較少;從供應(yīng)特征來看,目前的研究大多數(shù)是單出救點,但多出救點、多品種、多周期是未來研究的發(fā)展趨勢;從需求特征來看,目前的研究大多是需求量確定的情況,也有少部分學(xué)者開始考慮模糊或時變需求,并在建模的時候考慮時間窗;從車輛特征來看,應(yīng)急救援一般都考慮車輛數(shù)有限、車容量不同的情況;從運輸方式來看,目前還都是以單一的運輸方式為主;從解決方法來看,由于都是 NP-hard問題,沒有人用精確算法,大部分學(xué)者考慮用啟發(fā)式算法解決問題,仿真研究也相對較少。

        3 研究方向

        盡管應(yīng)急物資配送問題的研究已經(jīng)有了一定的成果,但與大規(guī)模突發(fā)事件應(yīng)急救援的實踐需要還有一定的差距,未來應(yīng)急物資配送問題的研究可以主要集中在以下方面。

        (1)考慮應(yīng)急物資需求不確定的情況。目前大多數(shù)文獻都是考慮需求已知的情況,但災(zāi)難發(fā)生后,災(zāi)區(qū)一般都比較混亂,統(tǒng)計工作難以開展,必須通過其他手段來明確各個受災(zāi)點的物資需求量。

        表2 應(yīng)急車輛路徑問題目前研究的目標(biāo)約束及算法

        (2)建立更符合實際災(zāi)難救援的應(yīng)急物資配送模型。目前所查閱到的國內(nèi)外文獻都只考慮了應(yīng)急救援的某個階段,未能全面描述應(yīng)急物資從儲備庫到配送中心再到受災(zāi)點的配送場景,不能完全用來指導(dǎo)應(yīng)急救援實踐。

        表3 應(yīng)急車輛路徑問題拓展標(biāo)準(zhǔn)

        (3)探索更快速更有效的算法。目前求解應(yīng)急物流優(yōu)化模型的算法主要有遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等,在解決多目標(biāo)模型時遺傳算法具有較好的適應(yīng)性,而蟻群算法和粒子群算法在解決單純的路徑問題時優(yōu)勢明顯,因此可以進一步研究這幾種算法的融合,提出更加快速高效的啟發(fā)式算法。

        (4)結(jié)合其他理論研究應(yīng)急物資分配問題。應(yīng)急物資分配方案的多利益/多目標(biāo)沖突決策,與博弈論的最大化個人支出收益思想接近,控制論中的魯棒規(guī)劃作為不確定信息處理方法,可以很好地解決應(yīng)急物資配送問題中的信息不確定性對于決策的影響,這些理論為應(yīng)急物資配送研究提供了新思路。

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