余 昊 楊家其 趙學彧 尹 靚

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

基于系統(tǒng)動力學的三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援效率研究*

余 昊 楊家其 趙學彧 尹 靚

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

基于三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件救援特點及其應急救援流程，分析了救援要素間的因果關(guān)系，建立三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援系統(tǒng)動力學模型.利用Anylogic仿真平臺對模型進行模擬，探討不同要素對水上突發(fā)事件應急救援效率影響的變化規(guī)律，提出了提高三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援效率的相應措施.

系統(tǒng)動力學；水上突發(fā)事件；應急救援效率

0 引 言

三峽庫區(qū)自然河段河漕狹窄，礁石林立，水流湍急，通航條件十分惡劣，庫區(qū)內(nèi)因蓄水、消落導致水位變幅大，霧多水深，風浪較大，地災險情突出，通航環(huán)境復雜多變.三峽庫區(qū)頻繁發(fā)生水上突發(fā)事件，應急救援效率顯得越來越重要，日趨嚴峻的內(nèi)河安全形勢對庫區(qū)水上應急救助效率提出了更高的要求[1].

目前，針對突發(fā)事件應急救援研究，主要集中在協(xié)同調(diào)度優(yōu)化、應急資源配置、應急基地選址等方面，在應急救援系統(tǒng)運作效率方面的研究相對較少.陳金晶[2]提出由事故層、水上機動救助層、集結(jié)層和供應層構(gòu)成的水陸多層級應急物資協(xié)同調(diào)度網(wǎng)絡對水上應急救援進行研究；孔欣欣[3]基于長江重點航段水陸地理環(huán)境從應急資源組合規(guī)劃和資源運輸兩方面展開應急資源調(diào)度研究.在其他領(lǐng)域的應急救援研究中，很多學者使用系統(tǒng)動力學模型對應急資源的運輸系統(tǒng)進行了研究.儲文功等[4]對應急藥品供應進行了系統(tǒng)分析,建立了系統(tǒng)動力學模型,為突發(fā)事件應急藥品供應提供政策支持.楊凱等[5]在分析國家戰(zhàn)略物資儲備控制機理和各要素間的因果關(guān)系的基礎上,建立了戰(zhàn)略物資儲備控制系統(tǒng)動力學仿真模型,得出在不同影響因素條件下的戰(zhàn)略物資庫控制的運行規(guī)律,分析了不同要素對戰(zhàn)略物資儲備控制的影響.然而，使用系統(tǒng)動力學模型對水上突發(fā)事件應急救援的研究卻很少，因此，文中通過分析三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件各影響因素間因果關(guān)系，建立了系統(tǒng)動力學模型來研究系統(tǒng)應急救援的效率問題.

1 三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援特點及流程

定義三峽庫區(qū)的起點是江津紅花磧(長江上游航道里程723 km)，終點是宜昌中水門(長江上游航道里程3.5 km)[6].三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件具有突發(fā)性、受地形水文氣候影響較大、救援不便、生態(tài)影響巨大等特點，因此，在三峽庫區(qū)進行水上突發(fā)事件應急救援需要考慮諸多因素.

三峽庫區(qū)水上救援力量分為專業(yè)搜救力量和社會搜救力量.專業(yè)搜救力量主要包括政府應急隊伍和海事部門應急搜救部門，而社會搜救力量主要包括專業(yè)打撈公司、過往商船，以及小型船舶.考慮到長江的狹水道離岸比較近、交通繁忙過往船舶多、嚴重災害性天氣的預防相對容易、相應的搜救難度比較小以及國家投資的局限性等特點，三峽庫區(qū)直屬海事機構(gòu)直接負責內(nèi)河水上專業(yè)搜救，實行“巡航救助一體化”運行模式.三峽庫區(qū)發(fā)生水上突發(fā)事件后，負責事故點管轄區(qū)域的巡航救助執(zhí)法大隊通知上級海事機構(gòu)，啟動應急處置預案，調(diào)動應急力量，及時發(fā)布航行通告.與此同時，包括民用船、搜救企業(yè)、社會團體，以及個人等在內(nèi)的社會救援力量，對事故點進行先行救援，并做好配合后期政府救助力量進行救援的準備.根據(jù)事故等級，職能部門確定水上應急指揮機構(gòu)，且由應急指揮機構(gòu)對事故信息進行評估與處理，根據(jù)國家標準下達救援命令，派遣人員進行救援.

2 三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援系統(tǒng)動力學模型

2.1 系統(tǒng)動力學應用于三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援的可行性

系統(tǒng)動力學模型可以用來模擬政策影響后果和系統(tǒng)響應行為，著重于描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，強調(diào)系統(tǒng)發(fā)展過程中的行為和發(fā)展趨勢，因此更適合于中長期系統(tǒng)的發(fā)展研究，其主要目的是為實際問題改進或設計策略，并可以借助仿真技術(shù)來進行社會經(jīng)濟的政策模擬實驗[7-9].三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援效率的問題，其實就是研究應急救援中各個因素組成系統(tǒng)并協(xié)同救援的效率問題.根據(jù)三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急資源配置流程分析可知，三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件的救援過程是一個較為復雜的系統(tǒng)工程，各因素的相互作用決定著應急救援的效率.因此可將系統(tǒng)動力學用于三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援效率的研究上.

2.2 系統(tǒng)邊界確定

選擇系統(tǒng)邊界的原則是保證仿真所解決的問題可以被回答，因此，此過程需確定系統(tǒng)包含的重要系統(tǒng)要素.根據(jù)三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援流程分析可知，針對水上突發(fā)事件的應急救援過程是一個較為復雜的系統(tǒng)工程，各因素的相互作用決定著應急救援機制的效率以及模型的運行結(jié)果.文中建立系統(tǒng)動力學模型就是為了在分析三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援各要素之間的關(guān)系的基礎上，找出影響三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援的重要因素，從而提高三峽庫區(qū)管轄范圍內(nèi)水上搜救部門在發(fā)生突發(fā)事件后的救援效率，為水上搜救工作提供可行、高效的方案.因此，根據(jù)建模目的，研究的系統(tǒng)模型的邊界包含以下內(nèi)容：事故受災程度、事故等級、事故種類、專家評估、自然因素影響率、水上報警系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、災情擴散程度、災情影響范圍、儲備基地數(shù)量、救援航道里程差異度、儲備基地物資量充足度、信息化程度、機械數(shù)量、單位機械貨物裝載速度、機械現(xiàn)代化程度、救援艇行駛速率、救援航道里程、救援艇運量、救援艇數(shù)量、事故點應急物資需求量、航道管制力度等參數(shù).

2.3 因果關(guān)系分析

因果關(guān)系模型用于分析研究對象系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間的影響關(guān)系.系統(tǒng)的每個子系統(tǒng)都有自己的結(jié)構(gòu)特點和獨特的功能，其中一個子系統(tǒng)的輸出是其他子系統(tǒng)的輸入，各子系統(tǒng)之間互為因果，彼此聯(lián)系.針對水上應急救援機制的研究可以分為二個層面來進行分析.第一個層面是在獲取事故發(fā)生信息之后，各部門進行協(xié)同合作與分工，進行救援準備工作，做好信息處理與分析工作，根據(jù)實際情況對事故等級做出評判，對應急物資量進行估算，并責令相關(guān)部門進行應急物資的運輸.第二個層面是儲備基地在獲得應急救援機構(gòu)的救援命令后，根據(jù)事故點的應急物資需求量，儲備基地向事故點運輸應急物資.根據(jù)水上應急救援機制，對應急救援系統(tǒng)之間制約因素的關(guān)系進行描述，建立因果關(guān)系圖，見圖1.圖中“+”表示箭頭指向的變量隨箭尾源變量的增加而增加，“-”表示箭頭指向的變量隨箭尾源變量的增加而減少.

2.4 因果關(guān)系子系統(tǒng)機制分析

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)的行為.根據(jù)系統(tǒng)因果關(guān)系圖，可確定如下幾個子系統(tǒng)的要素與結(jié)構(gòu)關(guān)系.

1) 協(xié)同應急救援系統(tǒng) 系統(tǒng)根據(jù)觀察事故信息流的流動來描述應急救援協(xié)同救援的過程.事故發(fā)生之后，包括事故種類、事故受災人數(shù)和事故等級在內(nèi)的事故信息首先傳遞到事故信息接收機構(gòu).在傳遞過程中，有三種方式的傳遞方式會影響事故信息的傳遞速率，分別是：目擊者報警速度、船舶報警速度，以及監(jiān)控系統(tǒng)反應速度.其中，受自然因素的影響，目擊者報警會發(fā)生不同程度的延遲，從而目擊者報警速度會受到影響.目擊者報警速度表達為

(1)

式中：vi為目擊者報警速度；vj為正常目擊者報警速度；fr為自然影響率.

圖1 三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援因果關(guān)系圖

事故信息接收機構(gòu)在接收到信息后，隨即召集專家成立專家小組對事故信息進行評估.在此過程中，專家評估情況、災情擴散程度，以及事故信息都會影響事故信息的評估速度.

(2)

式中：fs為事故信息評估率；fz為專家評估率，即專家評估情況；pz為災情影響范圍程度，即災情擴散范圍情況描述；pk為災情擴散程度.

在對事故信息做出準確評估后，應該即刻將信息傳遞到事故信息處理機構(gòu)，立即進行救援，并按照事故等級向上級匯報.

(3)

式中：fc為事故信息處理率；px為信息化程度；pw為儲備基地物資量充足度；pc為救援航道里程差異度；I為儲備基地數(shù)量.

在此模型中，假定事故點與儲備基地之間的航距為事故點所在長江斷面寬度的一半，所以事故點的位置也會影響救援指令的下達，救援航道里程差異度的數(shù)值為救援航道里程與事故點所在長江斷面寬度一半的比值.同時，儲備基地信息化程度、儲備基地數(shù)量以及儲備基地應急物資量充足程度都會影響事故信息的處理速度.

2) 應急物資供需系統(tǒng) 水上突發(fā)事件發(fā)生之后，應急救援機構(gòu)根據(jù)事故點等級等情況來確定事故點對應急資源的需求，儲備中心在接收到救援指令之后，按照事故點的需求進行應急資源的供應，此時的事故點需求量等于儲備基地供貨量.由于水上突發(fā)事件可能繼續(xù)發(fā)展，事故點應急物資量的實際需求會變大，此時應該及時反饋給儲備中心，儲備中心再次進行應急物資的運輸.

(4)

3) 應急物資運輸系統(tǒng) 儲備中心接收救援指令后，按照搜救指揮中心的要求，對救援物資進行裝載，裝載完畢后在岸邊集結(jié)，并快速發(fā)往事故點.應急物資在裝載過程中，系統(tǒng)效率會受到物資裝載速度和裝載延遲的影響，裝載量則及裝卸機械的性能與機械數(shù)量有關(guān)，裝卸機械性能的相關(guān)因素包括機械現(xiàn)代化程度與單位機械貨物裝載速度.

(5)

(6)

式中：vz為物資裝載速率；pj為機械現(xiàn)代化程度；B為機械數(shù)量；vd為單位機械貨物裝載速度.

應急物資在運輸?shù)倪^程中，由于救援艇行駛速率的變化，應急物資的運輸速度會受到一定的影響.航道管制力度、航道通行能力以及航道自然環(huán)境因素會影響航道水平，航道水平和救援艇數(shù)量決定著航道擁擠度.物資運輸速度由救援艇運量、救援艇數(shù)量、航道擁擠度、救援艇行駛速度以及救援航道里程共同決定.

(7)

式中：py為航道擁擠度；vt為救援艇行駛速度；V為救援艇數(shù)量；Mv為救援艇運量；S為救援航道里程；vy為救援物資運輸速率.

(8)

式中：ph為航道水平；pb為標準通行能力；fh為航道自然環(huán)境系數(shù)；pg為航道管制力度.

(9)

式中：py為航道擁擠度；V為救援艇數(shù)量.

2.5 系統(tǒng)動力學流圖分析

根據(jù)上述因果關(guān)系分析，建立三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援SD模型的流圖，見圖2.

圖2 三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援系統(tǒng)動力學模型流圖

3 三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援機制系統(tǒng)動力學模型仿真

3.1 模型參數(shù)設定與模型假設條件

三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援過程中影響因素設定的根據(jù)是三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件實際救援的參數(shù)值.模型中的變量參數(shù)輸入如下：事故等級、種類、事故受災程度取決于事故具體信息；專家評估取1；假設天氣狀況良好，自然因素影響率為1；救援航道里程為500 m；儲備基地數(shù)量為1；設事故發(fā)生在長江斷面中心，則救援航道里程差異度為1；儲備基地物資充足度為1；現(xiàn)代化程度能滿足現(xiàn)實要求；救援艇行駛速度為20～40 km/h；救援艇數(shù)量為2輛；救援艇運量為每輛救援艇20單位；出貨延遲沒有延遲；儲備基地物資充足；航道通過能力能滿足救援艇數(shù)量；航道管制根據(jù)事故等級來確定.

三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援過程中的影響因素有很多，不能對其所有的影響因素進行仿真，因此，僅考慮重點因素，對救援過程進行假設：①儲備基地儲備物資種類數(shù)量可以滿足事故點的需求；②儲備基地距岸邊距離忽略不計；③事故點可實時接收應急資源，并及時向儲備中心反饋物資需求；④救援艇運行狀況良好，燃油充足，駕駛員狀態(tài)良好，救援艇時速與載運物資種類無關(guān)；⑤救援過程中各環(huán)節(jié)信息暢通；⑥事故點與儲備基地之間的航距為事故點所在長江斷面寬度的一半.

3.2 仿真實驗及結(jié)果分析

設定模型參數(shù)之后，利用Anylogic仿真軟件對三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急救援仿真模型進行模擬.通過50次仿真模擬，得到信息量，信息化完善度，社會投入力度，救援艇數(shù)量與航道管制力度等因素對系統(tǒng)響應時間的影響規(guī)律.

通過仿真實驗得到了系統(tǒng)響應時間分別與事故信息量、事故信息接收機構(gòu)信息量、事故信息評估機構(gòu)信息量和事故信息處理機構(gòu)信息量的關(guān)系，見圖3.系統(tǒng)響應時間經(jīng)歷40 min，事故信息量由100單位信息降為0，事故信息流量由事故點流經(jīng)事故信息接收、事故信息評估與事故信息處理，完成系統(tǒng)信息流量的流動；由事故點傳送到事故信息接收機構(gòu)的信息量由0增長至100單位信息，并立即傳送至事故信息評估機構(gòu)進行信息評估；傳送到事故信息評估機構(gòu)的信息量由0增長至100單位信息，隨即將事故信息傳送至事故信息處理機構(gòu)進行信息處理；傳送到事故信息處理機構(gòu)的信息量由0增長至98單位信息，并立即發(fā)出救援指令對事故點進行救援.在信息傳遞過程中，有2單位殘余的信息未傳遞到系統(tǒng)末端，而殘余的量就意味著時間延遲.

同時由多次仿真實驗可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，系統(tǒng)運行了t個時間單位時，事故信息接收機構(gòu)還殘余N′個單位信息量未傳送到下一機構(gòu)，事故信息評估機構(gòu)也殘余P′個單位信息量未傳送到下一機構(gòu)，事故信息處理機構(gòu)的信息量為K′,且事故信息量M=N′+P′+K′.由此驗證了事故信息量等于事故信息接收機構(gòu)信息量、事故信息評估機構(gòu)信息量和事故信息處理機構(gòu)信息量的和.

圖3 信息量與響應時間關(guān)系

影響事故信息處理率的因素很多，信息化程度是最重要的因素之一.在考慮信息處理反饋的情形下，創(chuàng)建信息化完善度(CR)參數(shù)變化實驗.實驗結(jié)果見圖4.由圖4可知，隨著CR值的增大，到達目標信息量(10個單位信息量)的響應時間越短.這說明信息化程度越高，事故信息處理率越高，救援信息處理機構(gòu)的響應時間越小，救援效率越高，系統(tǒng)協(xié)作效率越高.

圖4 信息化完善度參數(shù)變化圖

同樣，創(chuàng)建機械現(xiàn)代化程度參數(shù)變化實驗，亦可得到結(jié)論：隨著參數(shù)值得增大，到達目標信息量的響應時間越短(圖略).這說明，機械現(xiàn)代化程度越高，救援機構(gòu)響應時間越小，救援效率越大.

事故信息傳遞率的影響因素包含三部分：分別是目擊者報警、船舶報警系統(tǒng)和水上監(jiān)控系統(tǒng)，每個影響因素對系統(tǒng)的影響程度不同，通過單獨改變這三種影響因素的大小可以改變系統(tǒng)響應時間，而影響因素的大小可以歸因于社會投入力度的大小.根據(jù)仿真數(shù)據(jù)實驗，繪制三種因素的社會投入力度與系統(tǒng)響應時間的關(guān)系見圖5.

圖5 社會投入力度與響應時間關(guān)系圖

由圖5可知：①社會投入力度越大，系統(tǒng)響應時間越短，則系統(tǒng)效率就越高；②3種因素的社會投入力度曲線會相交于一點，稱為均衡點.當社會投入力度小于A0時，影響因素影響下的系統(tǒng)響應時間由大到小分別為目擊者報警、水上監(jiān)控系統(tǒng)和船舶報警系統(tǒng).當社會投入力度大于A0時，影響因素影響下的響應時間由大到小分別為目擊者報警、船舶報警系統(tǒng)和水上監(jiān)控系統(tǒng)；③隨著社會投入力度的改變，對目擊者報警影響下的響應時間影響較小，對水上監(jiān)控系統(tǒng)與船舶報警系統(tǒng)較大；④社會投入力度增加相同量，響應時間變化率最大的是水上監(jiān)控系統(tǒng).

圖6為救援艇數(shù)量與系統(tǒng)響應時間關(guān)系圖，由圖6可知，在救援艇數(shù)量在一定范圍內(nèi)上升，系統(tǒng)響應時間會下降，當救援艇數(shù)量到達平衡點時，系統(tǒng)救援時間便不會改變，這是因為應急救援等級評估之后，所需救援物資再某種意義上是定量，過多的救援艇會造成浪費并且不會被利用到，系統(tǒng)響應時間也就不會改變.

圖6 救援艇數(shù)量與系統(tǒng)響應時間關(guān)系圖

圖7為航道管制力度與系統(tǒng)響應時間關(guān)系圖，由圖7可知，在一定范圍內(nèi)，隨著航道管制力度的提升，系統(tǒng)響應時間會隨即減少.當航道管制力度到達平衡點A時，事故點附近將實行全面管制，系統(tǒng)響應時間將保持恒定，此時救援過程將不會受航道非救援船舶影響.

圖7 航道管制力度與系統(tǒng)響應時間關(guān)系圖

4 結(jié) 論

1) 救援系統(tǒng)信息延遲的不可避免性 在信息傳遞過程中存在著不可避免的時間延遲.時間延遲在實際中指的就是突發(fā)事件發(fā)生之后，信息由初始部門傳遞到最終部門過程中系統(tǒng)的協(xié)同工作是傳遞式協(xié)同(部分協(xié)同)，并不能做到完全協(xié)同.

2) 救援機構(gòu)救援層級的減少可提高救援效率 水上搜救機構(gòu)越早介入救援，救援效率會越高.所以，應當適當減少不必要應急機構(gòu)內(nèi)部行政環(huán)節(jié)，專業(yè)應急搜救機構(gòu)應盡早進入救援環(huán)節(jié).

3) 現(xiàn)代化水平的提高可增強水上救援效率 三峽庫區(qū)海事部門應該提升水上監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平以及提升船舶報警裝置水平，在國家投入允許的條件下增加設施裝備數(shù)量，淘汰性能落后救援艇，提高儲備基地專業(yè)化程度，從而提高救援效率.

4) 航道管制的必要性 特定條件下，進行航道管制是有必要的.一定程度的交通管制是可以減少系統(tǒng)響應時間，提高系統(tǒng)救援效率.

文中的一些研究結(jié)果可為三峽庫區(qū)水上突發(fā)事件應急預案與水上安全管理提供有益的參考.例如，在突發(fā)事件發(fā)生后減少管理部門在救援過程中的層級可以更快地對事故點進行全方位的應急救援；兼顧水上突發(fā)事件的發(fā)現(xiàn)手段，適度提高水上報警系統(tǒng)與船舶報警系統(tǒng)的效率；提高救援過程中的信息化程度與機械現(xiàn)代化程度等.在今后的研究中，我們會考慮應急資源調(diào)配與儲備中心選址等多方面因素，期望能較好地解釋水上應急救援與資源調(diào)配過程中的運輸問題，并應用于更普遍的水上應急交通研究中.

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Research on the Efficiency of Emergency Rescue in the Three Gorges Reservoir Area Based on System Dynamics Simulation

YU Hao YANG Jiaqi ZHAO Xueyu YIN Liang

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

The characteristics of emergency rescue in the Three Gorges Reservoir Area and the process of emergency rescue are introduced, and then it analyzes the causality between the elements influencing water emergency rescue system. A dynamic model of water emergency rescue system of Three Gorges reservoir is established. By using Anylogic simulation platform to simulate the model, some change trends on response time of water emergency rescue are obtained under the influence of different factors in the system. Finally, the corresponding measures to improve the efficiency of emergency rescue in the Three Gorges Reservoir area are put forward according to these trends, and it provides practical basis for emergency rescue management in the Three Gorges Reservoir area.

system dynamics; water emergency; emergency rescue efficiency

2017-01-17

*國家自然科學基金項目資助(51279153)

U698.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.020

余昊(1990—)：男，博士生，主要研究領(lǐng)域為應急交通