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        突發(fā)事件下應急物流網(wǎng)絡修復方法研究

        2015-12-22 05:39:00

        王 偉

        (北方民族大學 商學院,寧夏 銀川 750021)

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        突發(fā)事件下應急物流網(wǎng)絡修復方法研究

        王偉

        (北方民族大學 商學院,寧夏 銀川 750021)

        摘要:闡述了突發(fā)事件下應急物流網(wǎng)絡關鍵節(jié)點和關鍵邊的定義,提出了考慮網(wǎng)絡拓撲結構和運輸需求優(yōu)先級等因素的評估指標,以及關鍵節(jié)點和關鍵邊的識別方法,最后通過算例分析了該方法的有效性.

        關鍵詞:應急物流網(wǎng)絡;關鍵節(jié)點;修復策略

        應急物流是指為應對各類突發(fā)事件而對物資、人員、資金的需求進行緊急保障且以時間效益的最大化和災害損失的最小化為目標的一種特殊的物流活動.與常態(tài)物流活動相比,應急物流具有更突出的非預見性、需求急迫性和弱經(jīng)濟性等特征.應急物流網(wǎng)絡是應急物流節(jié)點、線路及設施組織相互聯(lián)系的集合,是應急物流得以實現(xiàn)的重要基礎.突發(fā)事件發(fā)生后,在考慮網(wǎng)絡拓撲結構和運輸需求量的前提下,如何利用有限的資源對網(wǎng)絡進行修復、提高應對突發(fā)事件的能力、最大限度地恢復整個網(wǎng)絡的暢通,是需要研究的問題.

        目前,突發(fā)事件下網(wǎng)絡修復的研究主要集中在復雜網(wǎng)絡和道路網(wǎng)絡兩方面.在復雜網(wǎng)絡方面,對網(wǎng)絡拓撲結構的研究較多,集中在分析節(jié)點被刪除后網(wǎng)絡特征參數(shù)的變化等.2006年,譚躍進等[1]提出了一種評估復雜網(wǎng)絡節(jié)點重要度的節(jié)點收縮方法,認為最重要的節(jié)點就是將該節(jié)點收縮后網(wǎng)絡的凝聚度最大,該方法綜合考慮了節(jié)點的連接度及經(jīng)過該節(jié)點最短路徑的數(shù)目,克服了節(jié)點刪除法的弊端.2008年,朱靜等[2]給出了關鍵節(jié)點的定義方法,提出了一種基于聚合度大小排序的關鍵節(jié)點識別方法,給出了識別流程.在道路網(wǎng)絡方面,學者Sato[3],Arimura[4],F(xiàn)iedrich[5]和Feng[6]等研究了突發(fā)事件發(fā)生后道路網(wǎng)修復方案制定的問題.這些研究大多以車輛路徑模型來研究突發(fā)情況下路網(wǎng)修復方案的制定,而在實際中應用起來很困難.因此,筆者從運輸需求和運輸網(wǎng)絡拓撲結構等多方面綜合考慮,提出了應急物流網(wǎng)絡關鍵節(jié)點和邊的識別指標和方法.

        1應急物流網(wǎng)絡關鍵節(jié)點和邊

        應急物流網(wǎng)絡關鍵節(jié)點是指在應急物流網(wǎng)絡中,對維持或恢復應急物流網(wǎng)絡正常功能起重要作用的節(jié)點[7].同樣,應急物流網(wǎng)絡關鍵邊是指在應急物流網(wǎng)絡中,對維持和恢復應急物流網(wǎng)絡正常功能起重要作用的邊.在正常情況下,應急物流網(wǎng)絡的關鍵節(jié)點和關鍵邊在維持應急物流網(wǎng)絡的功能時起重要作用,突發(fā)事件并不影響應急物流網(wǎng)絡上所有的節(jié)點或邊,而只影響網(wǎng)絡上一部分節(jié)點或邊,此部分節(jié)點的失效會傳播開,影響網(wǎng)絡上其他的節(jié)點或邊.如果這些節(jié)點或邊屬于網(wǎng)絡上關鍵的點或邊,則可能會直接影響到系統(tǒng)的關鍵服務和整個系統(tǒng)功能.所以突發(fā)事件發(fā)生后,一個較好的方法應能夠迅速可靠地識別系統(tǒng)的關鍵節(jié)點或邊,有針對性地采取一定措施修復關鍵節(jié)點或邊,盡快恢復系統(tǒng)的運輸服務能力,以提高系統(tǒng)的抗毀性能.

        2關鍵節(jié)點(邊)的判定

        關鍵節(jié)點和關鍵邊的識別就是從應急物流網(wǎng)受損的節(jié)點和邊的集合中,根據(jù)節(jié)點或邊被修復后對網(wǎng)絡功能的貢獻程度排序.對網(wǎng)絡性能的貢獻越大,節(jié)點或邊就越重要,在網(wǎng)絡中起的作用就越關鍵,所以關鍵節(jié)點或邊的判定就是要研究能夠標志貢獻度的指標.

        2.1變量定義

        2.2判定策略

        根據(jù)應急物流網(wǎng)絡的特點定義了兩種判定策略,一種從修復前后運輸路徑廣義費用的變化角度定義重要度,另一種從修復前后運輸路徑恢復的運輸量角度定義重要度.

        (1)

        (2)

        在突發(fā)事件下應急物流網(wǎng)上的運輸需求是分優(yōu)先等級的,有些貨物是緊缺貨物,必須及時送達,其優(yōu)先級較高,在關鍵節(jié)點和關鍵邊的識別過程中就必須考慮優(yōu)先等級.再者,運輸路徑的運輸量也是影響節(jié)點或邊重要性的關鍵因素,故將路徑運輸量的大小作為衡量關鍵節(jié)點的重要因素,在重要性測度指標中予以體現(xiàn).

        (3)

        (4)

        (5)

        3關鍵節(jié)點的判定方法

        突發(fā)事件發(fā)生后,假設物流網(wǎng)的網(wǎng)絡狀態(tài)可以被實時監(jiān)控,網(wǎng)絡上所有節(jié)點間的運輸需求量可以由統(tǒng)計數(shù)據(jù)和預測數(shù)據(jù)綜合得出,其關鍵節(jié)點和邊的識別步驟如下:

        (6)

        ②取Iuns(xk)=0的節(jié)點,按Ipath(xk)值的大小排序,令n″s為Iuns(xk)=0的節(jié)點的個數(shù),則有

        Ipath(x″1)≥Ipath(x″2)≥…≥Ipath(x″n″s).

        (7)

        (8)

        圖1 鐵路網(wǎng)示意圖Fig.1 The sketch map of railway network

        ④算法結束.

        4算例

        本算例選取某區(qū)域局部應急物流網(wǎng)(鐵路網(wǎng)),對前面提出的關鍵節(jié)點和關鍵邊的測度指標與識別方法進行驗證.此局部物流網(wǎng)有A,B,C,D,E,F共6個節(jié)點和8個區(qū)間,節(jié)點之間的線路長度見圖1.

        突發(fā)事件發(fā)生后,線路BE,BC,DF受損.假設在突發(fā)事件的影響下,此區(qū)域物流網(wǎng)上運輸?shù)呢浳锏膬?yōu)先等級分為緊缺貨物、重要貨物和普通貨物,緊缺貨物權值設置為3、重要貨物權值設置為2、普通貨物權值設置為1.各節(jié)點間的運輸需求量和運輸需求優(yōu)先級見表1.

        表1 運輸需求量和優(yōu)先級

        注:括號內(nèi)為運輸需求的優(yōu)先級,括號外為運輸需求量,單位為車.

        根據(jù)前面提出的識別方法,通過式(3)可以計算出受損線路BC,BE,DF被恢復后網(wǎng)絡運輸路徑廣義費用變化的評估結果,具體結果如表2所示.通過式(5)可以計算出受損線路BC,BE,DF被恢復后運輸量的評估結果,具體結果如表3所示.

        表2 受損線路的I?path(·)值

        表3 受損線路的I″uns(·)值

        由前面的識別流程可知,受損線路BC,BE,DF的重要度排序為I(DF)≥I(BE)≥I(BC).由圖1可知,受損線路都在救援人員和救援設備可達處,所以先修復受損線路DF.

        假設線路DF被修復后各節(jié)點間的運輸需求量和運輸需求的等級不變,則根據(jù)前面提出的識別方法,通過式(3)和式(5)計算出受損線路BC,BE被恢復后網(wǎng)絡運輸路徑廣義費用的變化和增加的運輸量的評估結果,具體結果如表4所示.

        表4 線路DF修復后,未修復的受損線路的I?path(·)和I″uns(·)值

        由前面的識別流程可知,受損線路BC,BE的重要度排序為I(BE)≥I(BC).再由圖1可知,受損線路都在救援人員和救援設備可達處,所以先修復受損線路BC,然后再修復受損線路BE.因此,突發(fā)事件后,物流網(wǎng)受損線路的修復時序方案為DF,BE,BC.

        計算了圖1所示網(wǎng)絡的各條邊的介數(shù),其結果如表5所示.

        表5 邊的介數(shù)值

        從表5可以看出,受損線路BC,BE,DF的重要度排序為I(BE)≥I(DF)≥I(BC).

        運用基于介數(shù)的重要性判定指標與本研究提出的判定指標計算的排序結果不同,因為不同指標是從不同角度來反映同一問題的.本研究提出的指標判定方法是基于“節(jié)點修復后對網(wǎng)絡功能的影響”的思路建立的,與基于介數(shù)的判定方法相比,其考慮運輸需求優(yōu)先等級和運輸需求量與突發(fā)事件發(fā)生后優(yōu)先恢復運輸大通道、大動脈的思路是一致的.因此,在研究如何識別突發(fā)事件下鐵路網(wǎng)關鍵節(jié)點或邊的問題時,本研究提出的方法具有一定的優(yōu)越性.

        5結語

        本研究基于“節(jié)點修復后對網(wǎng)絡功能的影響”的思路,考慮了運輸需求優(yōu)先等級和運輸需求量,分別從網(wǎng)絡被修復前后路徑廣義費用的變化和恢復的運輸量兩個角度構建了識別指標,提出了識別方法和步驟.算例分析表明,本研究提出的方法比基于介數(shù)的重要性判定方法有一定的優(yōu)越性,能夠反映突發(fā)事件影響下物流網(wǎng)的整體特性.

        參考文獻:

        [1]譚躍進,吳俊,鄧宏鐘.復雜網(wǎng)絡中節(jié)點重要度評估的節(jié)點收縮方法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,2006(11):79-83.

        [2]朱靜,楊曉靜.地域通信網(wǎng)的關鍵節(jié)點識別方法[J].探測與控制學報,2008,30(增刊):55-58.

        [3]Sato T,Ichii K.Optimization of post-earthquake restoration of lifeline networks using genetic algorithms[J].Japan Society of Civil Engineers,1996,537(35):245-256.

        [4]Arimura M,Tamura T,Saito K.Application of genetic algorithms model for road investment of restoration planning[J].Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies,1999(2):55-69.

        [5]Fiedrich F,Gehbauer F,Rickers U.Optimized resource allocation for emergency response after earthquake disasters[J].Safety Science, 2000(35):41-57.

        [6]Feng C M,Wang T C.Seismic emergency rehabilitation scheduling for rural highways[J].Transportation Planning Journal, 2005,34(2):177-210.

        [7]王偉.鐵路網(wǎng)抗毀性分析與研究[D].北京:北京交通大學,2011:12.

        [8]Erik J.Redundancy importance:links as rerouting alternatives during road network disruptions[J].Procedia Engineering,2010(3):129-137.

        Research on the repair method of emergency logistics

        network under emergency

        WANG Wei

        (SchoolofBusiness,BeifangUniversityofNationalities,Yinchuan750021,China)

        Abstract:This paper introduces the definition of critical node and critical edge on emergency logistics network. The evaluation index considering the factors of network topology and transport demand on passenger and cargo is put forward, and the identifying method of critical node and critical edge is also given. Finally, the effectiveness of this method is verified through an example.

        Key words:emergency logistics network; critical node; repair strategies

        作者簡介:王偉(1983-),男,寧夏平羅人,講師,博士,主要研究方向為應急物流網(wǎng)絡優(yōu)化.

        基金項目:國家民委重點實驗室研究項目(4400302471)

        收稿日期:2014-11-25

        中圖分類號:U113

        文獻標志碼:A

        文章編號:1674-330X(2015)01-0048-05

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