侯 帥 王漢斌 王亞陽

（太原理工大學經濟管理學院，山西省太原市，030024）

基于NSGA-II的煤礦礦區(qū)應急救援站選址研究

侯 帥 王漢斌 王亞陽

（太原理工大學經濟管理學院，山西省太原市，030024）

闡述了應急救援站選址的現狀和影響因素，將影響因素轉化為對應的可量化目標，并針對不同的可量化目標確定模型的約束條件，構建選址多目標決策模型。應用非支配遺傳算法NSGA-II對該模型求解，并通過算例進行分析。

煤礦應急管理 站點選址 多目標決策模型 NSGA-II模型

基于礦區(qū)突發(fā)事故的危險源具有無法消除，只能辨識、檢測和預防的特點，組織及時有效的應急救援是控制災情、減少損失的關鍵手段。應急救援站是礦區(qū)突發(fā)事故應急救援的根本保障，是煤礦應急救援體系的重要組成部分。因為應急救援站一經建立，就將長期服務于該區(qū)域，所以應急救援站選址時，為了降低救援成本，提高工作效率，必須充分考慮應急救援站的合理布局。目前應急救援站的布局主要是最低限度借鑒 《煤礦安全規(guī)程》對時間和服務距離的規(guī)定，并沒有完善的理論體系支撐。國內對于突發(fā)事件救援設施選址問題的研究已經取得了一定的成果，方磊等人（2003）建立了結合AHP和目標規(guī)劃思想的應急救援設施選址模型；尤建新等人（2006）整合了P-中心模型和P-中值模型，建立了同時兼?zhèn)涔叫院蜁r效性的多目標決策模型；劉順國等人（2010）在約束條件下提出了兼具實用性和有效性礦井設置多目標決策方法，并使用0-1規(guī)劃模型求解。大多數國內學者的研究還只局限在傳統(tǒng)模型的框架中，并沒有考慮突發(fā)事件的特點，構建的模型也未能完全契合實際環(huán)境，給企業(yè)帶來的預期選址效果較不明顯。

故本文從重大突發(fā)事件選址問題的現狀和影響因素出發(fā)，確立了多個可量化目標，并針對不同的決策目標設計約束條件，建立適用于煤礦礦區(qū)應急救援站選址的多目標決策模型，繼而運用NSGA -II對該模型進行求解。通過實證分析說明該模型的可行性和有效性，為有關部門優(yōu)化應急救援站布局提供合理借鑒。

1　問題的提出

礦區(qū)應急救援站是煤礦礦區(qū)防震減災的主要部門，每個礦區(qū)都必須設立站點，承擔突發(fā)事故的應急救援工作。礦區(qū)應急救援站平時的工作是儲備應急救援物資，突發(fā)事件發(fā)生時，組建應急救援調度辦公室指揮救援工作，并及時安排專業(yè)的救援隊伍趕赴事故現場實施救援。

但是應急救援站的選址規(guī)劃在煤礦建設時并沒有得到足夠的重視，其選址乃至救援覆蓋領域的決策僅依靠負責人的經驗和專家意見決定，很容易受到成本因素的影響。不合理的應急救援站選址布局會嚴重降低其應急管理水平和救援質量，目前我國的大多數煤礦礦區(qū)尤其是舊礦區(qū)的應急救援站布局都存在不同程度的站點數量不足、服務區(qū)劃分混亂、選址規(guī)劃不科學等問題。

2　煤礦礦區(qū)應急救援站選址決策目標確定

考慮到應急救援站選址問題和一般選址問題相比具有更加嚴格的約束條件、服務的特殊性和響應的及時性，因此應急救援站的選址問題必須科學嚴謹，需要根據實際情況構建模型，靈活求解最優(yōu)方案。

應急救援站選址決策的最終目的是預防災害、有效救援和降低損失。由于國內研究起步較晚，目前對于應急救援站選址和布局的研究大多局限于實現最小成本、最大覆蓋等單目標研究。但是單目標決策方法容易造成與現實狀況偏差較大的結果，無法完全滿足現實中應急救援站選址的要求，因此必須同時考慮多種因素，構建多目標優(yōu)化模型。

一般來講，煤礦礦區(qū)應急救援站選址應考慮時間限制因素、費用因素、覆蓋范圍因素和可達性因素。

應急救援站選址決策必須利用可獲得的數據計算才能為企業(yè)提供參考，為保證研究的嚴謹性和科學性，現將決策影響因素轉化為可以定量計算的決策目標。

（1）最大時間最小目標?；跁r間限制因素的考量，要求在能夠有效救援的時間內應急救援站能趕往礦區(qū)內最遠的礦井，可將時間限制因素轉變?yōu)樽畲髸r間最小目標。

（2）應急救援站數量最少目標。考慮費用因素時，由于應急救援站的土地成本、建造費用、裝備配置、人員開支和日常訓練費用在同一礦區(qū)內不同位置沒有明顯出入，故不考慮應急救援站間的費用差，在滿足礦區(qū)安全需求的情況下，將費用因素轉變?yōu)閼本仍緮盗孔钌倌繕恕?/p>

（3）最大覆蓋目標?；趹本仍痉崭采w范圍因素的考量，使應急救援站最大服務范圍涵蓋礦區(qū)內所有礦井，將應急救援站覆蓋范圍轉變?yōu)樽畲蟾采w目標。

（4）總加權時間最小目標?；诳蛇_性因素的考量，要求盡可能縮短應急救援站到所有煤礦礦井的總加權距離，將可達性轉變?yōu)榭偧訖鄷r間最小目標。

3　煤礦礦區(qū)應急救援站選址決策模型構建及求解

本文煤礦礦區(qū)應急救援站選址研究是通過構建多目標決策來實現的。在考慮應急救援站選址多個決策目標的基礎上，分別確定決策模型的約束條件，構建多目標模型，最后應用非支配遺傳算法NSGA-II來求解。

3.1構建選址多目標決策模型

根據離散整數規(guī)劃的數學思想整合本文的決策目標，確定決策模型的約束條件，構建多目標決策模型。通過對決策目標的考量，構建的煤礦礦區(qū)應急救援站選址多目標決策模型如下:

式中:I——煤礦礦井的集合；

J——應急救援站集合；

yj——在站點候選點j處建立應急救援站，則變量yj=1，否則yj=0；

xij——若應急救援站j覆蓋煤礦礦井i，則xij=1，否則xij=0；

zij——若應急救援站j負責煤礦礦井i，則zij=1，否則zij=0；

min z1——實現了應急救援站數量最少目標；

max z2——實現最大覆蓋目標；

min z3——實現最大時間最小目標；

min z4——實現總加權時間最小目標；

ai——煤礦礦井i的權重；

tij——煤礦礦井i到應急救援站j的時間；

wt——礦區(qū)內煤礦礦井規(guī)模度；

cij——覆蓋系數；

L——可允許的最大救援時間。

其中約束條件max tij≤L限制救護時間的最大值；約束條件表示所有應急救援站數量最大值為p；約束條件xij-yj≤0表示選擇應急救援站j后，煤礦礦井i才能被應急救援站j覆蓋；保證每個煤礦礦井一定且只能被一個應急救援站覆蓋；約束條件xij∈｛0，1｝、yj∈｛0，1｝表示xij、yj為整數變量。

3.2NSGA-II求解選址決策模型

在本文中，使用非支配遺傳算法NSGA-II作為解決多目標決策模型的方法。NSGA-II主要操作步驟如下:

（1）解碼并產生初始群種。設定群體規(guī)模，即群體所含個體數目為N，預先定義隨機數的取值范圍，由程序隨機生成初始種群P0。

（2）非支配排序。對種群進行分級，即將種群中所有非劣解個體視為同一級別，令其為等級1；將這些個體移出，在剩余個體中再找非劣解，令其為等級2；重復進行分級步驟直到所有個體都有對應的等級。

（3）虛擬適應度計算。

（4）選擇、交叉、變異。通過計算擁擠度和排序，種群中每一個個體都具備兩種屬性，即擁擠距離id和非支配序irank。當irank=jrank，且id＞jd，或者irank＜jrank時，認為i個體比j個體更優(yōu)。

（5）精英策略，Rn為父代及其子代混合后的新種群，經過排序分級后，新種群Pn+1可經由填充不同的非劣解層形成，將非劣解依據擁擠距離id降序排列，依次進入Pn+1，直至Pn+1種群規(guī)模為N。

4　算例分析

假設某煤礦礦區(qū)內有10個礦井，由于成本和時間的要求，有5個候選應急救援站可供選擇?；诠叫钥剂?，設ai為1，根據現行法規(guī)，可允許的最大救援時間L為15 min。根據重心法，對5個站點到每個礦井的距離進行測量，路況等影響因素忽略不計，假設應急救援站運輸車輛是勻速的，為55 km/h，可獲得站點到礦井的救援時間tij，如表1所示。

表1　應急救援站候選點救援時間統(tǒng)計　min

覆蓋度系數cij表示應急救援站服務對礦井的覆蓋程度，覆蓋度系數cij可表示為:

式中:tjmin——應急救援站到礦井的最短救援時間，min；

tjmax——應急救援站到礦井的最長救援時間，min。

利用各站點到礦井的最長和最短時間，根據覆蓋度系數函數計算得到覆蓋度，如表2所示。

表2　應急救援站候選點覆蓋度

礦井編號應急救援站候選點1 2 3 4 5 6　0.37　0.22　0.46　0.45　0.21 7　0.91　0.76　0.63　0　0 8　1　0.95　0.93　0.82　0.17 9　0.43　0.93　0.43　0.20　0.35 10　0　0.96　0.32　0.69　0.62

為方便計算，各礦井生產規(guī)模歸一化處理，得到礦井的規(guī)模度wt，如表3所示。該礦礦區(qū)應急救援站選址多目標決策模型如下:

表3　應急救援站候選點規(guī)模度

運用非支配遺傳算法NSGA-II來求解構建的選址多目標決策模型，通過Matlab軟件實現。經過多次運行試驗比較后設定的運行參數如下:初始種群P0為50，迭代次數為500，交叉率為0.9，變異率為0.1。經過NSGA-II計算得到5組Pareto最優(yōu)解，導出所有xij=1的xij，得到具體的礦區(qū)應急救援站選址方案和其覆蓋煤礦礦井的范圍關系（例如X1，2表示2號應急救援站覆蓋1號煤礦礦井）結果見表4。

表4　礦區(qū)應急救援站選址方案及其覆蓋關系

由于求解得到的Pareto最優(yōu)解不是唯一解，因此不能直接得到哪一個方案最優(yōu)。需要綜合對比最大時間、覆蓋度、平均時間、成本等數據才能得到最佳的方案，計算結果見表5。

由表5可以看出方案1～方案3是建造2個應急救援站的方案，方案4～方案5是建造3個應急救援站的方案。5組方案都可以滿足時效和覆蓋要求，由于單個應急救援站的建設成本較大，根據決策者的成本傾向可以將5組方案按照應急救援站數量分成2種情況來進行決策。

考慮建設2個應急救援站的情況，礦區(qū)決策者注重成本的控制。在方案1～方案3中，方案1的平均時間最小覆蓋度最大，所以方案1比較好，考慮建設3個應急救援站的情況，礦區(qū)決策者在成本上沒有限制，在方案4和方案5中，方案5的平均時間較小、覆蓋度較大，所以應該選擇方案5。

由算例分析過程可以看出，應用NSGA-II求解多目標決策模型，解集收斂性好、運行速度快，并且降低了計算復雜度。而且最優(yōu)的方案是由決策者考慮的不同重點來決定，所決策出的方案更具有適用性。

表5　5組方案各項數據計算結果

5　結語

本文中的煤礦礦區(qū)應急救援站選址決策方法是基于科學、客觀的原則設計的，計算的基礎是礦區(qū)各煤礦礦井的地理位置、各礦井生產規(guī)模等客觀數據，保證了整個應急救援站選址決策過程的客觀性，避免了人為主觀因素的影響，主要計算過程可以通過計算機軟件來實現，計算結果準確，最后做出的選址方案更加科學合理。

通過分析煤礦礦區(qū)應急救援站選址的影響因素，確立了煤礦礦區(qū)應急救援站的決策目標，據此建立了煤礦礦區(qū)應急救援站選址的多目標決策模型，為實現決策目標，該模型整合了基于影響因素分析下確定的4個可量化目標，以適合自然災害或突發(fā)事件應急救援站的部署策略，具有實際應用性，為煤礦礦區(qū)應急救援站選址多目標決策確定提供了理論參考，并形成了一套新的煤礦應急救援站選址方法，對于煤礦安全生產具有很大的實用價值。

［1］ 張吉苗.煤礦事故致因理論及安全管理對策 ［J］.中國煤炭，2013（6）

［2］ 方磊，何建敏.綜合AHP和目標規(guī)劃方法的應急系統(tǒng)選址規(guī)劃模型［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2003（12）

［3］ 陳志宗，尤建新.重大突發(fā)事件應急救援設施選址的多目標決策模型［J］.管理科學，2006（4）

［4］ 劉順國，周孝華，楊秀苔.煤礦礦井設置的多目標選址決策分析［J］.數學的實踐與認識，2010（1）

［5］ 高翔.煤礦應急管理脆弱性評價及策略研究 ［D］.太原:太原理工大學，2013

［6］ 李愛平，張瑞新.煤礦應急資源優(yōu)化管理與調度監(jiān)控研究［J］.中國安全生產科學技術，2009（4）

［7］ 孫震宇，張振龍，王海燕.我國煤礦事故新特點及應急救援特征分析［J］.科技創(chuàng)新導報，2012（15）

［8］ 高翔，王漢斌.基于偏好序的煤礦突發(fā)事故應急資源調配模型［J］.消防科學與技術，2012（12）

［9］ 張銥瑩.多目標應急服務設施選址與資源配置問題研究［J］.中國安全科學學報，2011（12）

［10］ 李雙琳，馬祖軍等.震后初期應急物資配送的模糊多目標選址-多式聯(lián)運問題 ［J］.中國管理科學，2013（2）

（責任編輯 張艷華）

兩部門明確煤炭采掘企業(yè)增值稅進項稅額抵扣事宜

日前，財政部、國家稅務總局聯(lián)合發(fā)布 《關于煤炭采掘企業(yè)增值稅進項稅額抵扣有關事項的通知》（以下簡稱 《通知》），明確了兩項煤炭采掘企業(yè)增值稅進項稅額抵扣事宜，并就有關概念做出了說明。

《通知》指出，煤炭采掘企業(yè)購進的下列項目，其進項稅額允許從銷項稅額中抵扣:一是巷道附屬設備及其相關的應稅貨物、勞務和服務；二是用于除開拓巷道以外的其他巷道建設和掘進，或者用于巷道回填、露天煤礦生態(tài)恢復的應稅貨物、勞務和服務。

《通知》所稱的巷道，是指為采礦提升、運輸、通風、排水、動力供應、瓦斯治理等而掘進的通道，包括開拓巷道和其他巷道。其中，開拓巷道是指為整個礦井或一個開采水平（階段）服務的巷道。所稱的巷道附屬設備，是指以巷道為載體的給排水、采暖、降溫、衛(wèi)生、通風、照明、通訊、消防、電梯、電氣、瓦斯抽排等設備。

《通知》自2015年11月1日起執(zhí)行。

Study on the site selection of emergency rescue station in coal mine area based on the NSGA-II model

Hou Shui，Wang Hanbin，Wang Yayang
（College of Economics&Management，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

the present situation and the influence factors of site selection of emergency rescue station were elaborated，the influence factors were converted to the corresponding quantifiable objective，constraint conditions of model were determined for different quantifiable objective，multi-objective decision model of site selection was established，solved by means of Non-dominated Sorting Genetic Algorithm（NSGA-II），and analyzed by calculation examples.

emergency management of coal mine，site selection，multi-objective decision model，NSGA-II model

TD773

A

侯帥（1990-），男，漢族，山西晉中人，管理科學與工程專業(yè)礦業(yè)管理方向碩士研究生。