鄧 硯 ,孫孝波 ,范熙偉 ,齊文華

（1.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029;2.國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,北京 102211）

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)中,電力、通訊、交通、供水和燃?xì)庀到y(tǒng)等維系著城市功能和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能的一系列基礎(chǔ)性工程設(shè)施系統(tǒng),被稱為生命線系統(tǒng)[1]。作為大型復(fù)雜生命線系統(tǒng)的重要組成部分之一,電力系統(tǒng)的安全性問題直接影響到國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民的正常生活[2]。電力系統(tǒng)的故障,除了日常設(shè)備運(yùn)行故障、人為操作失誤外,很大一部分是源于自然災(zāi)害[3]。國(guó)內(nèi)外發(fā)生的多次強(qiáng)烈地震都給災(zāi)區(qū)的電力系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的破壞,這種破壞不僅會(huì)對(duì)人民生命和地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成不良影響,而且也會(huì)給需要電力保障的一系列應(yīng)急救災(zāi)工作帶來阻礙,例如電力系統(tǒng)破壞可能導(dǎo)致通訊設(shè)備失去供電,通訊系統(tǒng)中斷;夜間沒有照明會(huì)加劇災(zāi)民恐慌心理等等。因此,必須根據(jù)震后電力設(shè)施受損情況,及時(shí)調(diào)派搶修隊(duì)伍對(duì)受損設(shè)施進(jìn)行高效地應(yīng)急修復(fù),以最大限度地減少損失[4]。

2008年汶川地震后,踐行“以人為本”、“科學(xué)救災(zāi)”的救災(zāi)模式已成為中國(guó)應(yīng)急管理的主旋律。要實(shí)現(xiàn)“科學(xué)救災(zāi)”其中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是要實(shí)現(xiàn)救災(zāi)需求和救災(zāi)資源——“需”與“供”的匹配對(duì)接[5],只有這樣才能避免在救災(zāi)過程中出現(xiàn)救援隊(duì)伍過度集中或找不到救援對(duì)象、救災(zāi)物資供應(yīng)不足或極度過剩的現(xiàn)象[6-8]。以往電力應(yīng)急演練或者應(yīng)急預(yù)案編制過程中都存在著對(duì)應(yīng)急隊(duì)伍的調(diào)度問題,但很多核心環(huán)節(jié),例如電力應(yīng)急隊(duì)伍派遣的優(yōu)先級(jí)別,大多依靠應(yīng)急管理人員的直覺和經(jīng)驗(yàn)來確定,主觀性和隨意性較強(qiáng)[9-10]。為了提高電力應(yīng)急隊(duì)伍調(diào)度決策的科學(xué)性,吳文傳等[11]提出了電網(wǎng)安全預(yù)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急決策處理應(yīng)急人員的調(diào)度;張晶偉等[12]構(gòu)建了電力網(wǎng)絡(luò)中失效節(jié)點(diǎn)應(yīng)急修復(fù)最優(yōu)順序確定的優(yōu)化模型和模型求解的遺傳算法;耿澤飛等[13]提出了基于Mamdani型模糊推理的應(yīng)急隊(duì)伍需求分級(jí)方法;聶高眾等[14]根據(jù)震例統(tǒng)計(jì)提出了80多種救災(zāi)物資或救災(zāi)隊(duì)伍的實(shí)際最小需求量計(jì)算模型;李茂[15]依據(jù)力量調(diào)配的假設(shè)條件和原則,給出了在緊急救援狀態(tài)和備選路線優(yōu)先的情況下救援力量調(diào)配最優(yōu)路線的選擇思路和方法;袁媛等[4]給出了生命線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)失效的應(yīng)急搶修隊(duì)伍派遣優(yōu)化模型。但是,目前針對(duì)地震應(yīng)急期間如何快速確定電力搶修力量的需求和優(yōu)化調(diào)配的研究比較少。

本文將以震后電力搶修力量的快速優(yōu)化調(diào)配為研究對(duì)象,給出其優(yōu)化調(diào)配的技術(shù)思路和分析模型,以期為震后電力搶修輔助決策提供一些科學(xué)依據(jù)。

1 震后電力搶修力量快速優(yōu)化調(diào)配決策思路

震后電力搶修力量的快速優(yōu)化調(diào)配決策主要從需求模型的構(gòu)建、搶修優(yōu)先度的快速評(píng)判、搶修點(diǎn)和資源點(diǎn)的最短距離和優(yōu)化調(diào)配方法等4個(gè)環(huán)節(jié),構(gòu)成了完整的決策思路(見圖1)。

圖1 決策思路Fig.1 Decision approach

2 模型的建立

2.1 震后電力設(shè)備搶修力量需求分析模型

本文的需求分析包括基于近期震例的震后電力搶修人員的總體需求和基于電力專家業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)的不同變電站搶修人員需求的快速估算方法。

2.1.1 基于中國(guó)近期震例的震后電力搶修人員的總體需求估算方法

震后,決策者需要根據(jù)災(zāi)情對(duì)需要調(diào)配的電力搶修人員的規(guī)模進(jìn)行大致的估計(jì),以便于統(tǒng)籌安排本地和異地的救援力量。本文收集并整理了近年來的震例資料,發(fā)現(xiàn)震級(jí)小于5.9級(jí)且極震區(qū)烈度小于Ⅷ度的地震對(duì)電力系統(tǒng)造成的破壞較小,因此最終選取了2007年以來,震級(jí)＞5.9級(jí)且震區(qū)最高烈度≥Ⅷ度的震例共13個(gè)（表1）。

表1 震后停電用戶數(shù)和電力應(yīng)急搶修力量統(tǒng)計(jì)表1Table 1 Statistical table on the number of power outage users and power emergency repair forces after the earthquakes

地震后電網(wǎng)公司在震后能快速獲取一共有多少回線、多少變電站退電的信息,快速估算出有多少用戶停電①大中城市震后綜合救災(zāi)對(duì)策研究課題組.大中城市震后綜合救災(zāi)對(duì)策研究調(diào)研報(bào)告[R].北京：中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,2019.。本文對(duì)震后應(yīng)急期間電力搶修人數(shù)與停電戶數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)：兩者之間存在明顯的線性正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.999）。進(jìn)一步,對(duì)兩者取自然對(duì)數(shù)后,回歸得到了震后應(yīng)急期間搶修人員需求與停電用戶數(shù)量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系（圖2）,見公式（1）和（2）。因此,可以根據(jù)震后停電用戶數(shù),通過上述公式,快速、大致給出中國(guó)現(xiàn)階段震后電力搶修人員的總體需求規(guī)模。

震后應(yīng)急期間電力搶修人數(shù)與停電戶數(shù)的回歸關(guān)系：ln(y)=0.619ln(x)+0.172 （1）震后應(yīng)急期間電力搶修人員總體需求模型:y=exp(0.619ln(x)+0.172) （2）

式中：y為震后應(yīng)急期電力搶修人員規(guī)模;x為停電用戶數(shù)。

圖2 震后電力搶修人員數(shù)量與停電用戶數(shù)量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系Fig.2 The statistical relationship between the number of power emergency repair personnel and that of power outage users after the earthquakes

2.1.2 基于電力專家業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)的搶修人員需求模型——以變電站搶修為例

國(guó)內(nèi)外多次強(qiáng)烈地震都對(duì)災(zāi)區(qū)的電力系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的破壞,其中電力系統(tǒng)中高壓變電裝置的破壞尤其突出。例如：1994年美國(guó)Northridge地震230 kV和550 kV的變電站嚴(yán)重破壞造成北美地區(qū)110萬人中斷用電;1995年日本神戶地震,一批770 kV和275 kV變電站受損,導(dǎo)致260萬戶停電;2004年日本新瀉地震,11個(gè)變電所受損,滑坡造成輸電塔破壞造成28萬戶停電;1996年內(nèi)蒙古包頭地震,張家營(yíng)變電站停止供電達(dá)11 h,電力直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1億以上[3]。2017年九寨溝7.0級(jí)地震,110 kV九寨溝變電站和35 kV黃龍變電站受損,造成九寨溝縣縣城和景區(qū)停電等等。因此,本文針對(duì)電力設(shè)備受損的需求評(píng)估將以變電站為例進(jìn)行分析。

有研究表明：在我國(guó)位于震后Ⅷ～Ⅸ度區(qū)的變電站大多處于中等破壞,經(jīng)搶修,在幾天內(nèi)可恢復(fù)供電;位于Ⅶ度及其以下烈度區(qū)的變電站基本完好或輕微破壞,一般由該變電站運(yùn)維人員或少量外來?yè)屝揸?duì)伍進(jìn)行搶修即可;位于Ⅹ度及其以上烈度區(qū)的變電站大多嚴(yán)重破壞或毀壞,所需修復(fù)時(shí)間長(zhǎng),往往需要重建。因此震后Ⅷ～Ⅸ度區(qū)內(nèi)造成中等破壞的變電站是震后電力應(yīng)急搶修的主體[16]。根據(jù)電力部門專家意見,給出了震后Ⅷ～Ⅸ度區(qū)變電站造成中度破壞情境下變電應(yīng)急搶修隊(duì)伍需求的經(jīng)驗(yàn)性判定（表2）,與汶川8.0級(jí)地震、蘆山7.0級(jí)地震、九寨溝7.0級(jí)地震等震例統(tǒng)計(jì)資料基本一致。此外,對(duì)于Ⅷ～Ⅸ度區(qū)輕度破壞的變電站,至少派遣一支10人搶修隊(duì)伍進(jìn)行巡查和搶修①。該經(jīng)驗(yàn)判定原則可以適用于對(duì)Ⅷ～Ⅸ度區(qū)受損變電站逐點(diǎn)搶修力量最小需求的快速確定。

表2 震后造成中等破壞的不同類型變電站的搶修人員需求Table 2 Emergency personnel requirements for the substations with moderate damage after the earthquake

2.2 震后電力設(shè)備搶修優(yōu)先級(jí)判定模型

2.2.1 電力設(shè)備應(yīng)急搶修優(yōu)先級(jí)的判定依據(jù)

依據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司處置地震災(zāi)害事件應(yīng)急預(yù)案》[17]的有關(guān)規(guī)定和在國(guó)家電網(wǎng)、陜西渭南供電分公司、云南電網(wǎng)等部門的調(diào)研,這里將震后電力設(shè)備應(yīng)急搶修的優(yōu)先級(jí)判定依據(jù)總結(jié)為以下3方面（表3）。

表3 震后電力設(shè)備應(yīng)急搶修的優(yōu)先級(jí)判定依據(jù)Table 3 The priority judgment of power equipment emergency repair after the earthquake

2.2.2 變電站搶修的優(yōu)先度判定模型

根據(jù)上述依據(jù),提出變電站搶修的優(yōu)先級(jí)（Pe）判定原則可以表示為：

（1）設(shè)施等級(jí)（Se）：用于表示變電站的等級(jí)差別,根據(jù)變電站在電力系統(tǒng)中的重要程度進(jìn)行設(shè)施等級(jí)的賦值（表4）。

表4 變電站的等級(jí)賦值表Table 4 The assignment table of substation grade

（2）受影響的電力用戶的重要程度（Le）：表示不同用戶在地震應(yīng)急救援過程中的用電保障等級(jí)。從用戶重要性上,在知道負(fù)荷的情況下,可以用停電區(qū)域電力用戶重要性系數(shù)來度量。如果無法在震后快速獲取負(fù)荷數(shù)據(jù),從區(qū)域上,用停電地區(qū)的人口數(shù)量作為判定指標(biāo),影響區(qū)域人口數(shù)量越高,重要等級(jí)越高。表5中是電力專家對(duì)“國(guó)家抗震救災(zāi)指揮部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”中的重要用戶分類重要性系數(shù)的0～1打分,分值越高說明這個(gè)用戶在地震應(yīng)急救援過程中的用電保障優(yōu)先等級(jí)越高。

表5 各類重要負(fù)荷的搶修優(yōu)先度取值Table 5 Repair priority value of the important loads

（3）搶修難度（De）：表示搶修應(yīng)當(dāng)由易到難,難易程度主要考慮受損害程度的影響。根據(jù)張美晶等[16]在“電力設(shè)施震害及其危害性快速評(píng)估方法研究”中給出的提出的“變電站功能失效等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)”,定義了搶修系數(shù)（表6）。

表6 不同烈度區(qū)震害中變電站功能失效模式、恢復(fù)時(shí)間和搶修系數(shù)Table 6 Substation failure mode,recovery time and emergency repair coefficient in different intensity areas

（4）指標(biāo)權(quán)重的確定

利用層次分析法,計(jì)算式（3）中,α、β、γ的權(quán)值。邀請(qǐng)電網(wǎng)公司有經(jīng)驗(yàn)的專家和實(shí)際工作人員對(duì)上述3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行重要程度的打分(表7和表8）,打分計(jì)算結(jié)果為：α=0.76、β=0.18、γ=0.06。

表7 三個(gè)因素對(duì)于電力應(yīng)急搶修的優(yōu)先度判斷矩陣Table 7 The priority judgment matrix of three factors for power emergency repair

表8 比較準(zhǔn)則Table 8 Comparison matrices

最終評(píng)判模型表示為：

式中：De=0是由于造成毀壞,無法在應(yīng)急過程中搶修,需要調(diào)配利用應(yīng)急發(fā)電車、發(fā)電機(jī),或?yàn)?zāi)后重新建設(shè);De=1是由于未受到破壞,無需搶修。

2.3 震后電力搶修力量的快速優(yōu)化配送模型

震后災(zāi)區(qū)存在著需要多受災(zāi)點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行資源（救援隊(duì)伍或物資）配送的救災(zāi)場(chǎng)景,而對(duì)于應(yīng)急機(jī)構(gòu)而言,能夠用于災(zāi)區(qū)分配的資源往往是不足的,特別是在震后應(yīng)急期間,在這種情況下,要進(jìn)行科學(xué)的搶險(xiǎn)救災(zāi),首要的前提就是要解決如何實(shí)現(xiàn)不同的資源點(diǎn)和受災(zāi)點(diǎn)之間的資源科學(xué)配送的問題[20]。地震應(yīng)急以搶修效率為第一要?jiǎng)?wù),因此以完成隊(duì)伍配送所需要的總時(shí)間作為目標(biāo)函數(shù),表示為：

約束條件為：

式中：ai為各搶修資源點(diǎn)（資源點(diǎn)）能夠提供的有效的搶修人員數(shù)量（已知）,bj為在當(dāng)前擁有的總搶修人員數(shù)量下,各待搶修變電站（搶修點(diǎn)）可滿足的搶修人員需求（可由2.1和2.2分析得出）。cij代表第i個(gè)搶修隊(duì)伍的一名人員到第j個(gè)搶修點(diǎn)的最短的時(shí)間距離,利用GIS最優(yōu)路徑分析功能,依據(jù)時(shí)間成本最低原則,可以給出每個(gè)電力搶修人員所在地到每個(gè)受損電力設(shè)施之間的行進(jìn)路徑。令xij代表第i個(gè)搶修隊(duì)伍為第j個(gè)搶修點(diǎn)提供的搶修人員數(shù)量,令z為完成隊(duì)伍配送所需要的總時(shí)間。

3 震后應(yīng)急期電力搶修力量的快速優(yōu)化調(diào)配流程實(shí)現(xiàn)

3.1 優(yōu)化調(diào)配基本流程

（1）在電力系統(tǒng)受災(zāi)情況初步判定的基礎(chǔ)上,預(yù)估各變電站所需搶修人員的經(jīng)驗(yàn)需求量（表2）;同時(shí)通過搶修力量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)等明確可供派遣的電力搶救隊(duì)伍地點(diǎn)和人員數(shù)量的信息。

（2）確定各個(gè)受災(zāi)點(diǎn)的搶修優(yōu)先順序（公式4）。依據(jù)優(yōu)先系數(shù)由高到低的順序確定在當(dāng)前擁有的總搶修人員數(shù)量下,各待搶修變電站（搶修點(diǎn)）可滿足的搶修人員需求。

（3）利用GIS最優(yōu)路徑分析功能,依據(jù)時(shí)間成本最低原則,給出每個(gè)資源點(diǎn)到每個(gè)搶修點(diǎn)之間的最短行進(jìn)時(shí)間作為最優(yōu)行進(jìn)路徑cij。

（4）利用快速優(yōu)化配送模型（公式5）,基于各待搶修點(diǎn)的搶修優(yōu)先系數(shù)由高到低,采用“表上作業(yè)法”原理進(jìn)行搶修人員的分配和派送（表9）,將此模型中的xij解出,即可得到最優(yōu)的調(diào)配方案。

（5）以此類推,逐（優(yōu)先）級(jí)完成。

表9 搶修人員調(diào)配與需求關(guān)系表Table 9 Relationship between emergency repair personnel and needs

3.2 算例分析

為了驗(yàn)證上述模型,假定了一個(gè)地震發(fā)生后變電站受損和搶修情景。已知：震后有4個(gè)需要搶修的變電站的基本情況（表10）;每個(gè)受損變電站的搶修人員需求參照表2設(shè)定;表11為受損變電站的搶修優(yōu)先度判定結(jié)果;表12為各個(gè)搶修隊(duì)伍資源點(diǎn)與變電站搶修點(diǎn)之前的最短時(shí)間距離、各個(gè)資源點(diǎn)可以派出的搶修人員數(shù)量和各個(gè)搶修點(diǎn)的人員需求。

表10 受損變電站的基本情況Table 10 Information of damaged substations

根據(jù)公式（4）計(jì)算了上述4個(gè)搶修點(diǎn)的優(yōu)先度（表11）,并利用GIS最短路徑分析給出了搶修點(diǎn)到資源點(diǎn)的最短時(shí)間距離（表12）。

表11 受損變電站的搶修優(yōu)先度判定結(jié)果Table 11 Priority of emergency repair of damaged substations

表12 搶修點(diǎn)到資源點(diǎn)的最短時(shí)間距離Table 12 The shortest time distance from the emergency repair points to the resource points

根據(jù)公式（5）,給出搶修人員優(yōu)化調(diào)配的方案（表13）。A3向B1調(diào)配5隊(duì)搶修人員,A2向B1調(diào)配1隊(duì)搶修人員,A1向B2調(diào)配3隊(duì)搶修人員,A2向B3調(diào)配2隊(duì)搶修人員,A5向B4調(diào)配1隊(duì)搶修人員。

表13 搶修人員優(yōu)化調(diào)配方案Table 13 Optimized deployment plan of emergency repair personnel

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)目前地震應(yīng)急期間對(duì)電力設(shè)施應(yīng)急處置力量?jī)?yōu)化調(diào)配的實(shí)際需求,考慮到其高時(shí)效性和信息不完全的特點(diǎn),從搶修人員需求分析、搶修優(yōu)先級(jí)和優(yōu)化配送等幾個(gè)方面對(duì)地震災(zāi)區(qū)電力搶修力量?jī)?yōu)化調(diào)配問題進(jìn)行了研究,給出了一套具有合理性和可操作性的技術(shù)思路。

（1）基于震后電力設(shè)施受損情況的預(yù)評(píng)估,給出災(zāi)區(qū)總體或各個(gè)受損變電站的搶修人員需求,可以在震后應(yīng)急期高時(shí)效性的要求和信息不完全的客觀情況下為決策者提供一個(gè)的搶修人員的快速需求估算。

（2）利用便于提取的優(yōu)先度影響因素,利用層次分析法和專家經(jīng)驗(yàn),定量和定性相結(jié)合的方法在震后快速給出影響變電站搶修的優(yōu)先順序。

（3）利用運(yùn)籌學(xué)中的決策優(yōu)化算法,以完成隊(duì)伍配送所需要的總時(shí)間作為目標(biāo)函數(shù),可以在震后為決策者做出快速電力搶修人員的優(yōu)化調(diào)配提出輔助決策方案。

本文展示了該快速優(yōu)化調(diào)配各環(huán)節(jié)所需模型的建立方法。目前的需求估算主要是通過震例和電力專家的經(jīng)驗(yàn),不同地區(qū)這種需求估算可能會(huì)發(fā)生變化,在利用的時(shí)候需要開展實(shí)地調(diào)研,動(dòng)態(tài)的更新,優(yōu)先度的評(píng)判在今后的研究中也可不斷地完善和深化。

本文提出的優(yōu)化調(diào)配模型可以在震后應(yīng)急期信息獲取困難且不完全的情況下,為決策者提供一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)快速處置決策的優(yōu)化方案。這種需求不僅是在震后電力系統(tǒng)的搶修決策中存在,在通訊、供水、供氣、消防滅火和受災(zāi)人員救援等不同的救援場(chǎng)景中都廣泛存在,因此該模型的研究思路和方法,即需求評(píng)估-優(yōu)先度判定-時(shí)間最優(yōu)化決策的思路可適用于上述多種救災(zāi)場(chǎng)景的輔助決策分析中。