李 立，鄧雨桐，牟玲玲

(河北工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，天津 300401)

危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)陌踩珕?wèn)題已受到許多學(xué)者的持續(xù)關(guān)注。危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故不僅會(huì)對(duì)承運(yùn)商等企業(yè)自身造成一定的損失，還會(huì)對(duì)道路通行以及周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，甚至危及道路周邊人員的人身安全，所以對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑進(jìn)行優(yōu)化，降低事故發(fā)生概率，減輕事故造成的危害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前我國(guó)針對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化問(wèn)題的研究主要集中反映在優(yōu)化目標(biāo)的選擇上，不同的研究者會(huì)采用不同的優(yōu)化目標(biāo)，而早期的一些研究主要針對(duì)單一目標(biāo)對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化。如劉浩學(xué)等根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法的思想，建立了一套危險(xiǎn)品運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并根據(jù)該評(píng)價(jià)體系確定危害最小的運(yùn)輸路線方案并進(jìn)行模糊綜合計(jì)算；任常興等依據(jù)Pareto的最優(yōu)化處理方法，對(duì)多個(gè)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行分析，并選出了最小運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)路線；王云鵬等為了降低危險(xiǎn)品城市運(yùn)輸危害，利用GIS對(duì)特定地區(qū)建立道路網(wǎng)絡(luò)，并分析影響危險(xiǎn)品城市運(yùn)輸?shù)囊蛩兀紤]了事故產(chǎn)生的危害、事故造成的風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)事故的補(bǔ)救能力，建立了基于GIS的危險(xiǎn)品城市運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型。

近些年，我國(guó)越來(lái)越多的學(xué)者在危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化的研究方面開(kāi)始趨向于多目標(biāo)，但是偏向于靜態(tài)分析。如夏秋等將人口暴露和環(huán)境污染兩個(gè)指標(biāo)用于計(jì)算危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸過(guò)程中不同路徑的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并依據(jù)該指數(shù)選擇最優(yōu)路徑；葉熾球在考慮危險(xiǎn)品運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)時(shí)加入社會(huì)恐慌度，并利用標(biāo)號(hào)法和啟發(fā)式算法求解模型；孫文斐等考慮危險(xiǎn)品需求、時(shí)間以及風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)約束條件建立了危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型，并選擇粒子群算法求解模型；柴獲等考慮3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，分別為經(jīng)過(guò)某一區(qū)域的運(yùn)輸車總數(shù)最小、起訖點(diǎn)之間的運(yùn)輸總距離最短以及行駛在人口眾多地區(qū)的距離最短，建立了危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛調(diào)度優(yōu)化模型并在多目標(biāo)進(jìn)化算法的基礎(chǔ)上考慮概率因素對(duì)模型進(jìn)行求解；張萌等通過(guò)改進(jìn)經(jīng)典的

ε

-約束法，對(duì)建立的以最大事故后果和最小運(yùn)輸成本為目標(biāo)的危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛路徑優(yōu)化模型進(jìn)行求解；Hu等考慮了減少危險(xiǎn)品運(yùn)輸總風(fēng)險(xiǎn)、總成本以及最大化客戶滿意度3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，建立了危險(xiǎn)品運(yùn)輸多目標(biāo)定位路徑模型，并設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)權(quán)重遺傳算法來(lái)獲得模型的Pareto解。

除了上述研究外，我國(guó)還有一些學(xué)者在危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑多目標(biāo)的研究中考慮了時(shí)間因素的影響。如項(xiàng)前等設(shè)置最小運(yùn)輸時(shí)間、最小事故概率和最小暴露人群的危險(xiǎn)系數(shù)3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，建立了交通路徑優(yōu)化模型并利用改進(jìn)的蟻群算法計(jì)算最優(yōu)路徑；代存杰等針對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)分布問(wèn)題，考慮了政府和承運(yùn)商不同角度的優(yōu)化目標(biāo)，建立了運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)分布情況模型對(duì)運(yùn)輸中的風(fēng)險(xiǎn)大小、運(yùn)輸費(fèi)用和時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合求解最優(yōu)解，隨后又將到達(dá)時(shí)間窗加入約束條件，并根據(jù)危險(xiǎn)品的運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)的期望值以及標(biāo)準(zhǔn)差為優(yōu)化目標(biāo)建立模型，對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑選線進(jìn)行了優(yōu)化；孫文霞等提出了基于時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用綜合阻抗最小化的時(shí)間依賴網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算方法，并依據(jù)該算法選擇危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)淖顑?yōu)路徑。

在國(guó)外，對(duì)于危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化的研究在21世紀(jì)初就開(kāi)始傾向于利用多目標(biāo)來(lái)處理危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)倪x線問(wèn)題。如Leonelli等將危險(xiǎn)品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)看作由節(jié)點(diǎn)和電弧構(gòu)成的圖，節(jié)點(diǎn)為路徑交叉點(diǎn)，電弧為路徑，考慮個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)而定義電弧成本，把危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為“最小成本流”問(wèn)題；Kara等提出了一個(gè)新的雙層規(guī)劃模型，該模型代表了政府和承運(yùn)商在確定危化品運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)輸成本時(shí)做出的不同決策以及它們之間的相互作用，并依據(jù)該模型確定?；纷罴堰\(yùn)輸路段；Zografos等以風(fēng)險(xiǎn)最小化、成本最小化為雙目標(biāo)建立了?；愤\(yùn)輸路徑優(yōu)化模型，并通過(guò)改進(jìn)Solomon 開(kāi)發(fā)的相應(yīng)插入算法解決具有時(shí)間窗的雙目標(biāo)車輛路徑的優(yōu)化問(wèn)題；Alumur等提出了一種新的多目標(biāo)定位路徑模型，以解決危險(xiǎn)廢物的處置中心定位問(wèn)題和如何將危險(xiǎn)廢物低成本、低風(fēng)險(xiǎn)地運(yùn)輸?shù)教幹弥行牡膯?wèn)題；Erkut等建立比較風(fēng)險(xiǎn)和成本的模型，提出該模型的啟發(fā)式解決方法；Zero等引入模糊邏輯建立危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑選擇模型，并提出了基于標(biāo)簽設(shè)置算法的兩種拓展算法對(duì)模型進(jìn)行求解。

綜上所述，所有學(xué)者的研究都不可避免地將危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故風(fēng)險(xiǎn)作為危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑選擇的優(yōu)化目標(biāo)，不同的學(xué)者對(duì)其建立的模型不同，但大部分學(xué)者都是采用靜態(tài)分析方法進(jìn)行建模，缺少動(dòng)態(tài)分析，少部分學(xué)者考慮了時(shí)間窗作為約束條件對(duì)其建模，但所選方法較為復(fù)雜且較難體現(xiàn)動(dòng)態(tài)分析的過(guò)程。鑒于此，本文為了深入研究時(shí)空變化對(duì)于危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑選擇的影響，首先通過(guò)構(gòu)建時(shí)空矩陣存儲(chǔ)道路數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)作為模型的修正因子用以模擬事故率和事故后果，并結(jié)合成本因素建立綜合、動(dòng)態(tài)、多目標(biāo)的危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型；然后通過(guò)改進(jìn)NSGA-Ⅱ算法的編碼方式和求解目標(biāo)函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的求解；最后以出入天津港的疏港公路為研究區(qū)域進(jìn)行了實(shí)證研究。

1 危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型

危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程是動(dòng)態(tài)變化的，因此本文以建立時(shí)空矩陣的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸動(dòng)態(tài)過(guò)程的描述，并賦予時(shí)空矩陣中每個(gè)元素一個(gè)新的數(shù)值。將危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故率與事故后果相結(jié)合，利用時(shí)空矩陣對(duì)其進(jìn)行重新模擬計(jì)算，并結(jié)合成本因素建立危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型。

1.1 問(wèn)題描述

危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化問(wèn)題的研究可以描述為危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛在路網(wǎng)

G

=(

N

，

A

)中選擇一條最優(yōu)的路徑行駛，其中

N

表示路網(wǎng)中連接點(diǎn)的集合，設(shè)

n

表示路網(wǎng)中的特定的連接點(diǎn)，即

n

∈

N

；

A

表示路網(wǎng)中不同路段的集合，設(shè)

a

表示路網(wǎng)中特定的路段，即

a

∈

A

。由于道路狀況每時(shí)每刻都在變化，因此要確定一個(gè)路段的風(fēng)險(xiǎn)情況還需要知道該路段所處的時(shí)間段。假設(shè)以到達(dá)點(diǎn)特定連接點(diǎn)

n

的時(shí)間點(diǎn)所在的時(shí)間段表示運(yùn)輸車輛處于以

n

為起點(diǎn)的路段的時(shí)間段。將一天中危險(xiǎn)品可運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間劃分為若干個(gè)時(shí)間段，

T

表示時(shí)間段的集合，

t

表示若干時(shí)間段中的一個(gè)，即

t

∈

T

。

1.2 時(shí)空矩陣構(gòu)建

建立一個(gè)由

i

×

j

個(gè)元素組成的矩陣，即：

(1)

矩陣中，

i

為路網(wǎng)中路段的總數(shù);

j

為劃分的時(shí)間段的總數(shù);

φ

表示路段

a

在時(shí)間段

t

內(nèi)時(shí)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。下面介紹該數(shù)值的計(jì)算方法。該數(shù)值的計(jì)算方法借鑒高峰小時(shí)系數(shù)的計(jì)算方法。高峰小時(shí)系數(shù)是指這一天中在某一小時(shí)內(nèi)通過(guò)某一路段車輛最多的一小時(shí)內(nèi)的所有車輛數(shù)占全天通過(guò)該路段的全部車輛數(shù)的比重。該系數(shù)可以反映客流量在全天最集中時(shí)所占全天客流量的比值，某一小時(shí)內(nèi)的客流量越大，則該系數(shù)越大。根據(jù)該思想，本文假設(shè)某一時(shí)間段內(nèi)路段的交通量越大，該時(shí)間段內(nèi)所對(duì)應(yīng)的

φ

值越大。因此，把全天24 h分為23個(gè)均等的時(shí)間段，在路段

a

上時(shí)間段

t

內(nèi)的交通量占全天交通量的比重作為

φ

值，以此類推即可確定矩陣中各個(gè)元素的值。

1.3 影響因素

1.3.1 事故率

事故是指由于意外造成的損失或?yàn)?zāi)禍。事故率則是可能發(fā)生事故的概率。事故率是危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)，事故率越大，表明危險(xiǎn)品運(yùn)輸發(fā)生事故的可能性越大。事故率的計(jì)算方法可以根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，通過(guò)一定的計(jì)算得到。通過(guò)參考Abkowitz等的文獻(xiàn)，將危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故率的值設(shè)定為

l

×10，該值在許多研究中得以應(yīng)用。其計(jì)算公式如下：

p

=

l

×10

(2)

式中：

p

表示路段

a

上的事故率；

l

表示路段

a

的長(zhǎng)度(km)。

1.3.2 事故后果

危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故后果即是指發(fā)生事故后造成的影響。根據(jù)危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故類型，可將其劃分為有毒氣體擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸3種類型。其中,火災(zāi)分為池火災(zāi)、山火災(zāi)和噴火災(zāi);爆炸分為自由蒸汽云爆炸和沸騰液體擴(kuò)散蒸汽爆炸。不同的事故類型造成的事故后果不同。

在前人的許多研究中，危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故后果的嚴(yán)重程度主要采用事故波及的人口數(shù)來(lái)衡量。危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故無(wú)論是危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散，還是危險(xiǎn)品發(fā)生燃燒甚至爆炸，都可能會(huì)對(duì)事故發(fā)生地周圍的人員造成一定的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅生命安全。因此，本文對(duì)事故后果的研究中，也同樣著重于危險(xiǎn)品事故影響人數(shù)的計(jì)算。

本文研究的危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故影響的總?cè)藬?shù)由事故發(fā)生路段的內(nèi)部人口數(shù)和該路段的周圍人口數(shù)共同組成。假設(shè)路段周圍的人口數(shù)固定不變，路段內(nèi)部人口數(shù)隨時(shí)間變化，其計(jì)算方法如下：

POP

,=

pop

,,in+

pop

,out

(3)

pop

,,in=

m

×

V

,

(4)

V

,=

T

×

φ

(5)

pop

,out=

S

×

λ

(6)

式中:

POP

,表示路段

a

在時(shí)間段

t

內(nèi)發(fā)生事故受影響的總?cè)藬?shù)(人)；

pop

,,in表示在時(shí)間段

t

內(nèi)路段

a

內(nèi)部的總?cè)藬?shù)(人)；

pop

,out表示路段

a

外部受事故影響的總?cè)藬?shù)(人)；

m

表示平均一輛車所承載的人數(shù)(人)；

V

,表示路段

a

在時(shí)間段

t

內(nèi)通過(guò)的車輛數(shù)(輛)；

T

表示路段

a

一天內(nèi)通過(guò)的車輛數(shù)(輛)；

φ

表示時(shí)空矩陣中相應(yīng)的修正系數(shù)；

S

表示危險(xiǎn)品運(yùn)輸發(fā)生事故所影響周邊地區(qū)的總面積(km)；

λ

表示路段

a

周邊地區(qū)的人口密度(人/km)。

1.3.3 運(yùn)輸成本

由于人力成本是個(gè)固定值，油耗成本是與路程長(zhǎng)短相關(guān)的線性函數(shù)，所以危險(xiǎn)品的運(yùn)輸成本

C

可表示為與運(yùn)輸距離相關(guān)的線性函數(shù)。設(shè)

ε

表示每公里油耗成本，危險(xiǎn)品的運(yùn)輸成本可表示如下：

(7)

1.3.4 車輛到達(dá)時(shí)間

不同時(shí)間段內(nèi)道路的交通量不同，而最適合描述路段通行時(shí)間與路段交通量之間關(guān)系的函數(shù)是路阻函數(shù)。本文采用BRP路阻函數(shù)模型來(lái)計(jì)算危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛在路段

a

上處于時(shí)間段

t

內(nèi)的實(shí)際通行時(shí)間。該函數(shù)模型的計(jì)算方法為

f

,=

l

[1+

α

(

V

,/

C

)]/

v

(8)

式中：

f

,表示危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛在路段

a

上處于時(shí)間段

t

內(nèi)的實(shí)際通行時(shí)間(min)；

l

表示路段

a

的長(zhǎng)度(km)；

C

表示路段

a

的通行能力；

v

表示車輛在該路段交通量為零時(shí)自由行駛的速度；

α

和

β

為待標(biāo)定系數(shù)。根據(jù)時(shí)間段

t

以及路段

a

的不同可由公式(8)計(jì)算出相應(yīng)路段的實(shí)際通行時(shí)間。車輛到達(dá)路段

a

時(shí)所用的通行時(shí)間表示為該車輛經(jīng)過(guò)之前

n

個(gè)連接點(diǎn)的通行時(shí)間之和。

1.4 危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型建立

傳統(tǒng)的危險(xiǎn)品運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)的確定方法為事故率和事故影響人數(shù)的乘積，該方法只是分析靜態(tài)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。然而在危險(xiǎn)品實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，考慮到受時(shí)間因素的影響，不同的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生事故的概率以及受影響的人數(shù)是不同的。因此，依據(jù)本文構(gòu)建的時(shí)空矩陣，模擬真實(shí)的危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故率和事故后果，并結(jié)合成本因素，建立了危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型如下：

(9)

(10)

(11)

式中:

TR

(

P

)表示危險(xiǎn)品運(yùn)輸過(guò)程起訖點(diǎn)之間所有路徑的風(fēng)險(xiǎn)值之和；

p

表示路段

a

發(fā)生事故的概率。

2 模型求解算法設(shè)計(jì)

通過(guò)比較Deb等在文章中介紹的NSGA-Ⅱ算法和NSGA-Ⅲ算法可知，前者更適用于雙目標(biāo)模型的求解，而后者適用于3個(gè)及以上的多目標(biāo)模型的求解。因此，本文采用NSGA-Ⅱ算法，并對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)。

首先，在算法模塊中，傳統(tǒng)的NSGA-Ⅱ算法采用二進(jìn)制編碼方式，雖然該編碼方式直觀、方便，但在解碼過(guò)程中生成的路徑往往不能連通成一個(gè)完整的行駛路徑，從而導(dǎo)致在求解每一條染色體的目標(biāo)函數(shù)值時(shí)，出現(xiàn)不滿足約束矩陣的情況。因此，本文采用基于優(yōu)先級(jí)的編碼方式來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二進(jìn)制編碼方式。

基于優(yōu)先級(jí)的編碼方式是一種間接編碼方式，該編碼方式的特點(diǎn)是染色體的每一位元素互不相等，擁有其獨(dú)有的編碼和解碼規(guī)則。編碼需要構(gòu)造編碼函數(shù)，加入路徑中連接點(diǎn)的數(shù)據(jù)并隨機(jī)生成個(gè)體完成實(shí)例化。編碼成的每條染色體不直接表示路徑，需要有獨(dú)特的解碼方式進(jìn)行解碼得到路徑。該編碼方式采用的是自然數(shù)排列編碼，簡(jiǎn)單易懂。解碼需要一個(gè)解碼矩陣，用于存儲(chǔ)以各個(gè)連接點(diǎn)為起點(diǎn)的有向邊的終點(diǎn)，即該連接點(diǎn)可到達(dá)的下一個(gè)連接點(diǎn)。無(wú)論如何編碼，依據(jù)道路的連通規(guī)則設(shè)置的解碼矩陣均可翻譯出一條合理的路徑。因此，本文自行設(shè)計(jì)了編碼矩陣和解碼矩陣。

下面舉例說(shuō)明基于優(yōu)先級(jí)的編碼方式。編碼形成的染色體見(jiàn)表1，路徑連接圖見(jiàn)圖1，行駛方向?yàn)閺木幪?hào)小的連接點(diǎn)到編號(hào)大的連接點(diǎn)，則該條染色體所表示的路徑為1-4-7-8-9?？梢?jiàn)，該編碼方式一定可以翻譯出一條連通的路徑。

表1 染色體編碼

圖1 路徑連接圖Fig.1 Path connection diagram

其次，針對(duì)自定義問(wèn)題模塊，傳統(tǒng)的NSGA-Ⅱ算法只能解決靜態(tài)的雙目標(biāo)問(wèn)題，而本文所設(shè)計(jì)的模型中的數(shù)據(jù)需要依據(jù)時(shí)間路段的不同而動(dòng)態(tài)地發(fā)生變化。因此，本文在設(shè)計(jì)NSGA-Ⅱ算法自定義問(wèn)題模塊時(shí)，采取加入判斷跨越時(shí)間段語(yǔ)句，如果跨越則調(diào)用下一時(shí)間段數(shù)據(jù)，否則，就不需要調(diào)用，以求解不同時(shí)間段不同路徑的函數(shù)值。同時(shí)，在數(shù)據(jù)輸入部分輸入各個(gè)時(shí)間段的全部數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)的模型求解算法的步驟如下：

Step1:設(shè)計(jì)自定義問(wèn)題模塊，在該模塊中輸入上文建立的模型及相應(yīng)數(shù)據(jù)，并加入判斷跨時(shí)間段語(yǔ)句。

Step2：設(shè)置編碼規(guī)則，采用基于優(yōu)先級(jí)的編碼方式對(duì)染色體進(jìn)行編碼，構(gòu)造編碼、解碼矩陣。

Step3：生成初始種群，對(duì)初始種群進(jìn)行非支配型排序。

Step4：進(jìn)行選擇、交配、變異等操作產(chǎn)生第一代子代種群。

Step5：將父代和新產(chǎn)生的子代合并。

Step6：將合并后的種群快速非支配型排序，并計(jì)算它們的擁擠度。

Step7：根據(jù)非支配關(guān)系和擁擠度篩選出合適的個(gè)體組成新的父代。

Step8：進(jìn)行選擇、交配、變異等操作產(chǎn)生子代。

Step9：重復(fù)上述Step5～8，直到滿足條件。

3 實(shí)證研究

本文以天津港為例，驗(yàn)證該模型及算法。天津港位于天津市的濱海新區(qū)，是海河的入?？?。天津港所處的地理位置獨(dú)特，其既屬于京津冀城市群，又處在環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的范圍內(nèi)，因此天津港是我國(guó)北方的一個(gè)重要港口，其對(duì)于我國(guó)北方的貿(mào)易往來(lái)有著重要的影響。天津港占地面積為132 km，雖然其占地面積較小，但天津港的腹地可延伸至東北、華北甚至是西北地區(qū)，包含了14個(gè)省(區(qū)、市)，總面積約500萬(wàn)km，同時(shí)可連接?xùn)|北亞和中西亞，未來(lái)面積將會(huì)更大。

往返天津港的危險(xiǎn)品運(yùn)輸路線以天津港為中心點(diǎn)向內(nèi)陸延申，其中高速公路有京津高速、京津塘高速、濱石高速、京臺(tái)高速、榮烏高速、海濱高速、津?yàn)I高速、長(zhǎng)深高速等，國(guó)道有103，省道有106、217、312、105、206等。這些路線勢(shì)必要經(jīng)過(guò)天津市濱海新區(qū)，而濱海新區(qū)是天津市一個(gè)重要市轄區(qū)，其人口密度較大，再加上天津港的貨物運(yùn)輸量大，尤其是危險(xiǎn)品運(yùn)輸頻繁，安全風(fēng)險(xiǎn)大。在經(jīng)歷天津港“8·12”危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)爆炸事件后，不僅天津港危險(xiǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)問(wèn)題需要得到重視，來(lái)往天津港的危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛也同樣需要關(guān)注。因此，在危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中必須要保證該過(guò)程的安全性，以避免發(fā)生事故威脅到周邊人民的安全。故本文利用上述建立的模型及算法，針對(duì)出入天津港的主干線進(jìn)行分析，選擇出一條最優(yōu)的危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑。

3.1 建立危險(xiǎn)品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)

本文利用GIS建立了天津港危險(xiǎn)品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型，其過(guò)程如下：①在GIS中導(dǎo)入包含天津港的天津市濱海新區(qū)地圖，并選擇合適的地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系；②新建Shapefile文件，將出入天津港的主干線路徑圖在GIS中標(biāo)識(shí)出來(lái)，包括國(guó)道、省道和高速公路，并選擇與上文相同的地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系建立了天津港危險(xiǎn)品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，見(jiàn)圖2。

圖2 天津港危險(xiǎn)品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Dangerous goods transportation network of Tianjin Port

本文利用空間配準(zhǔn)矢量化對(duì)天津港危險(xiǎn)品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電子地圖作為后續(xù)研究使用，并將其導(dǎo)入個(gè)人地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)該地圖建立拓?fù)鋱D層，設(shè)置拓?fù)湟?guī)則即不能有懸掛點(diǎn)、不能重疊，并根據(jù)規(guī)則檢驗(yàn)路徑之間連接的正確性。

3.2 道路屬性數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

建立天津港危險(xiǎn)品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)電子地圖后，需要對(duì)其道路屬性建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表以存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，所建立的道路屬性數(shù)據(jù)表見(jiàn)表2。

表2 道路屬性數(shù)據(jù)表

建立道路屬性數(shù)據(jù)表后，道路的實(shí)際長(zhǎng)度即為L(zhǎng)ength字段所表示的長(zhǎng)度，該字段可利用計(jì)算幾何選項(xiàng)計(jì)算得到。不同路段的風(fēng)險(xiǎn)值和通過(guò)該路段所需的時(shí)間需要依據(jù)模型計(jì)算得出。

3.3 道路數(shù)據(jù)收集

對(duì)天津港危險(xiǎn)品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)建模后，需要收集道路有關(guān)數(shù)據(jù)，本文中道路相關(guān)數(shù)據(jù)取自一項(xiàng)對(duì)天津市公路網(wǎng)機(jī)動(dòng)車起訖點(diǎn)調(diào)查的交通分析研究報(bào)告。該研究結(jié)果指出，一天24 h內(nèi)的車輛數(shù)在全市范圍內(nèi)的分布是有一定規(guī)律的，并分析了不同路段的交通適應(yīng)性，即一天24 h內(nèi)的折算交通量，還列出了調(diào)查過(guò)程中得到的一天24 h中每一小時(shí)內(nèi)的折算交通量，通過(guò)綜合分析即可根據(jù)各路段數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的時(shí)空矩陣。本文假設(shè)各個(gè)路段不同時(shí)間段內(nèi)的車輛數(shù)比例相同，該比例僅與時(shí)間段有關(guān)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)，綜合整理出各時(shí)間段車輛數(shù)比例如表3所示,將該數(shù)據(jù)代入時(shí)空矩陣，即可列出完整的時(shí)空矩陣。

表3 各時(shí)間段車輛數(shù)比例

3.4 危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故后果建模

本文利用風(fēng)險(xiǎn)建模軟件ALOHA對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故后果進(jìn)行評(píng)定。

ALOHA軟件是由美國(guó)環(huán)保署化學(xué)制品突發(fā)時(shí)間和預(yù)備辦公室、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理響應(yīng)和恢復(fù)辦公室共同開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序。該軟件中的風(fēng)險(xiǎn)建模程序可以根據(jù)化學(xué)制品事故發(fā)生地點(diǎn)、當(dāng)時(shí)天氣情況以及化學(xué)物質(zhì)從容器中的逸出方式來(lái)判斷威脅區(qū)域。ALOHA軟件評(píng)判威脅區(qū)域的方法是依據(jù)應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃指南(ERPG)，該指南根據(jù)人體暴露在有毒氣體環(huán)境中約1 h的受害程度分為三個(gè)等級(jí)：ERPG-1、ERPG-2、ERPG-3，該等級(jí)越高表示人體受害程度越大。

本文以滿載的液苯運(yùn)輸車發(fā)生爆炸事故為例，該運(yùn)輸槽車的儲(chǔ)罐為容積1.81 t、直徑1.22 m的臥式儲(chǔ)罐，設(shè)定液苯爆炸的假設(shè)條件見(jiàn)表4。

表4 液苯爆炸假設(shè)條件

利用ALOHA軟件模擬得到的數(shù)據(jù)顯示，液苯運(yùn)輸車爆炸產(chǎn)生的火焰直徑為68 m，來(lái)自液苯爆炸產(chǎn)生的熱輻射影響范圍直徑為640 m，模擬生成的影響范圍如圖3所示，同時(shí)列舉了液苯運(yùn)輸車爆炸發(fā)生時(shí)在幾條路徑上可能造成的影響區(qū)域見(jiàn)圖4。

圖3 液苯爆炸的影響范圍Fig.3 Influence range of liquid benzene explosion

圖4 天津港液苯運(yùn)輸車發(fā)生爆炸時(shí)的實(shí)際影響區(qū)域Fig.4 Possible actual influence area of liquid benzene transportation vehicle explosion in Tianjin Port

3.5 結(jié)果分析

對(duì)天津港危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑各連接點(diǎn)進(jìn)行編碼，以方便進(jìn)行路徑描述,具體運(yùn)輸路徑編碼圖如圖5所示。

圖5 天津港危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑編碼圖Fig.5 Code map of dangerous goods transportation path in Tianjin Port

假設(shè)危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛從圖5中點(diǎn)1于上午9時(shí)出發(fā)，目的地為點(diǎn)13，利用上述數(shù)據(jù)收集以及事故后果建模得出的數(shù)據(jù)代入模型，并利用改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行求解，求得的結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 運(yùn)行結(jié)果

由表5可知，路徑1-2-9-7-8-13的風(fēng)險(xiǎn)值較低而成本值較高，路徑1-2-3-5-6-7-8-13的風(fēng)險(xiǎn)值較高而成本值較低，雖然兩條路徑各有優(yōu)劣，但是第一條路徑的風(fēng)險(xiǎn)值更小而成本比較接近第二條路徑，且該路徑適應(yīng)度更高，因此路徑1-2-9-7-8-13更適合天津港危險(xiǎn)品運(yùn)輸。

4 結(jié) 論

本文首先以構(gòu)建時(shí)空矩陣的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)氖鹿事屎褪鹿屎蠊M(jìn)行真實(shí)模擬，結(jié)合運(yùn)輸成本建立綜合、動(dòng)態(tài)、多目標(biāo)危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型，并利用BRP函數(shù)模型求得不同路段的通行時(shí)間;然后設(shè)計(jì)并改進(jìn)了NSGA-Ⅱ算法模塊中的編碼方式和自定義問(wèn)題模塊中求解目標(biāo)函數(shù)的方式，使其更適用于本文模型的求解；最后以出入天津港的主干線為研究區(qū)域進(jìn)行實(shí)證研究，通過(guò)收集道路相應(yīng)數(shù)據(jù)并結(jié)合天津港危險(xiǎn)品事故情景建模得到的事故威脅區(qū)域，利用本文建立的模型及算法選出了一條最優(yōu)的危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑，證明了研究的可行性。

但本研究還存在一定的不足，如所選取的危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑較短，導(dǎo)致運(yùn)輸時(shí)間不長(zhǎng)，時(shí)變風(fēng)險(xiǎn)的變化幅度較小，后續(xù)可以延長(zhǎng)危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑，使時(shí)變風(fēng)險(xiǎn)變化幅度加大，以探討危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題。