萬靜靜，羅夢圓，王思行，徐曉玲

(1.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 黨委組織部，湖北 武漢 430070；3.浙江省應(yīng)急管理科學(xué)研究院 浙江省安全工程與技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 310018)

隨著氣候變暖，極端天氣頻發(fā)，同時伴隨著城鎮(zhèn)化的不斷深入，城市人口不斷增多，城市發(fā)展面臨的復(fù)雜風(fēng)險不確定特征愈發(fā)明顯。我國是世界上受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一[1]，東南沿海和華南地區(qū)頻繁遭受臺風(fēng)災(zāi)害的侵襲，對人民生命財產(chǎn)和區(qū)域的城市建設(shè)帶來了巨大的威脅和挑戰(zhàn)[2]。2012年10月，“桑迪”颶風(fēng)席卷紐約，損失慘重，直接推動了紐約韌性城市建設(shè)。如今，為更好的抵御風(fēng)險，城市規(guī)劃的韌性水平已逐步成為城市發(fā)展思路的基本考量[3]。臺風(fēng)災(zāi)害的防御是檢驗韌性城市建設(shè)水平的重要導(dǎo)向和依據(jù)。臺風(fēng)災(zāi)害往往會帶來一連串的次生災(zāi)害，應(yīng)急物資調(diào)運在災(zāi)后恢復(fù)中起到了重要作用，往往是遏制次生災(zāi)害的重要因素[4]。災(zāi)害發(fā)生時，韌性城市對應(yīng)急物資規(guī)劃和調(diào)度要求高于傳統(tǒng)城市[5]。應(yīng)急物資調(diào)運涉及到韌性城市的經(jīng)濟社會運行、健康與福利、設(shè)施保障以及領(lǐng)導(dǎo)能力等多項韌性指標(biāo)。

對于臺風(fēng)災(zāi)害下應(yīng)急物資的調(diào)度問題，學(xué)者們從應(yīng)急物資儲備庫選址與布局[6]、應(yīng)急物資的動態(tài)分配[7]、應(yīng)急物資配置[8]、需求程度的空間分布[9]等方面入手開展了廣泛的研究。在方法上，系統(tǒng)動力學(xué)模型[10]、多目標(biāo)優(yōu)化模型[11]、隨機規(guī)劃模型[12]被廣泛應(yīng)用。此外，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、5G、人工智能等新一代信息通訊技術(shù)的快速發(fā)展，流通領(lǐng)域已形成數(shù)據(jù)驅(qū)動與科技賦能趨勢。智慧化成為“十四五”時期物流業(yè)和應(yīng)急物資調(diào)度體系的發(fā)展趨勢。例如，陳湉等[13]對大數(shù)據(jù)背景下臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急物流車輛調(diào)度進行仿真模擬與模型優(yōu)化。此外，主題模型文本挖掘與網(wǎng)絡(luò)爬蟲輿情分析[14]等技術(shù)亦紛紛被應(yīng)用到臺風(fēng)災(zāi)害減災(zāi)分析中，旨在幫助解決臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急救援過程中物資調(diào)配問題。已有研究大大豐富和拓展了臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急物資調(diào)度的研究思路，為后續(xù)研究打下了良好的基礎(chǔ)。但現(xiàn)有研究成果較少考慮到當(dāng)前韌性城市建設(shè)的需求與特點，且對臺風(fēng)災(zāi)害下應(yīng)急物資的動態(tài)變化特征考慮不足。

應(yīng)急物資調(diào)運涉及物資分配、車輛調(diào)度、倉庫選址、需求分析等問題，然而災(zāi)害情景下，每個問題的解決都涉及到信息缺失、能力缺陷、物資短缺等困難，應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)是一種多目標(biāo)、非線性、多重反饋的時變系統(tǒng)。為刻畫復(fù)雜系統(tǒng)中的非線性作用以及系統(tǒng)運行目標(biāo)，以韌性城市為視角，圍繞臺風(fēng)災(zāi)害事件，運用系統(tǒng)動力學(xué)模型解析臺風(fēng)災(zāi)害下應(yīng)急物資調(diào)度能力的影響因素，進而提出城市復(fù)雜系統(tǒng)下的韌性應(yīng)急物資調(diào)度策略。

1 韌性城市視角下臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急物資調(diào)度

1.1 面向韌性城市的應(yīng)急物資調(diào)度

韌性城市建設(shè)與應(yīng)急物資調(diào)度是緊密聯(lián)系的包含與支撐關(guān)系，應(yīng)急物資調(diào)度能力是韌性城市建設(shè)的重點，例如以提升韌性為核心的城市交通規(guī)劃[15]、模糊需求與時間窗的路徑規(guī)劃[16]、基于需求緊迫度的救援效率提升框架[17-18]、災(zāi)后快速重建期間應(yīng)急物資調(diào)度優(yōu)化[19]。常規(guī)情況下，物資調(diào)度以成本最低、速度最快、運輸安全為目標(biāo)，但應(yīng)急物資需求是突發(fā)激增的，并且調(diào)度效率要達到快速反應(yīng)要求。

面向韌性城市的應(yīng)急物資調(diào)度主要包括3個階段：①事前階段，主要任務(wù)是構(gòu)建應(yīng)對不確定擾動的抵御能力，應(yīng)急物資調(diào)度根據(jù)歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)開展分析，測度各類事件發(fā)生概率，制定科學(xué)合理的應(yīng)急物資選址、應(yīng)急資源儲備、調(diào)度路徑、調(diào)度力量以及調(diào)度任務(wù)安排等；②事中階段，需要支持城市系統(tǒng)在承受外部威脅的情況下最大化吸收風(fēng)險和恢復(fù)速率，不斷調(diào)整自身功能以適應(yīng)外部變化，應(yīng)急物資調(diào)配響應(yīng)程序主要包括指揮協(xié)調(diào)、供需匹配、倉儲物資調(diào)用、物資運輸與交付、群眾與傷員轉(zhuǎn)運等;③事后階段，需要通過應(yīng)急物資調(diào)度促進城市有序恢復(fù)與重建。

1.2 韌性城市視角下臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急物資調(diào)度特點

在眾多的自然和人為災(zāi)害中，臺風(fēng)是我國南方和東部沿海常見的自然災(zāi)害，臺風(fēng)災(zāi)害通常會誘發(fā)暴雨、大風(fēng)、風(fēng)暴潮等致災(zāi)因子，引發(fā)同源混聯(lián)鏈狀次生災(zāi)害[20]。臺風(fēng)災(zāi)害突發(fā)性強、破壞力強、地域廣，易造成交通中斷、引發(fā)泥石流、房屋倒塌、城市內(nèi)澇、供電通信等設(shè)施毀壞如圖1所示。應(yīng)急救援具有人員疏散量大、物資調(diào)度量大、人員傷亡率高等特點，難以通過斷鏈減災(zāi)阻止次生衍生災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展。

圖1 臺風(fēng)災(zāi)害三角模型

臺風(fēng)所致的防災(zāi)減災(zāi)需求總量是可以預(yù)測的[21]，但由于信息缺失、交通受阻、物資短缺以及受災(zāi)差異，具體場景下的群體需求動態(tài)分布難以預(yù)測[22-23]?？焖佾@取災(zāi)害情景以及精準(zhǔn)需求的時空演變規(guī)律，利用有限的應(yīng)急物資供應(yīng)，最大限度地實現(xiàn)物資動態(tài)需求匹配是應(yīng)急物資調(diào)度的總體目標(biāo)。

2 臺風(fēng)災(zāi)害韌性城市應(yīng)急物資調(diào)度系統(tǒng)動力演化模型

2.1 臺風(fēng)災(zāi)害下韌性城市應(yīng)急物資調(diào)度回路

災(zāi)后物資需求中物資可以分為定向改造型物資需求和非定向改善型物資需求，前者一般指發(fā)往救援地的耐用品或設(shè)施設(shè)備，需求總量一般固定，例如帳篷、電力設(shè)施、通訊設(shè)備；后者一般是指需要持續(xù)補給的物資，用于改善受災(zāi)區(qū)域的生活生產(chǎn)狀況，例如食品、藥品等。應(yīng)急物資的分類可以參考《應(yīng)急物資分類及編碼》(GB/T 38565-2020)，然而在臺風(fēng)災(zāi)害發(fā)生時，諸多消耗性物品儲備量往往由于使用期限和儲藏條件等限制而普遍出現(xiàn)不足的情況，需要政府、企業(yè)、個人的緊急生產(chǎn)或調(diào)配。同時，由于應(yīng)急需求分布模糊和信息不對稱，物資分配過程的不確定性也極易導(dǎo)致供需匹配出現(xiàn)偏差，偏差較大的情況下還會引發(fā)一定的不滿情緒和社會輿情。

對于應(yīng)急物資的“需求”，主要包含物資質(zhì)量、數(shù)量和種類等方面的需求。臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急物資需求具有突發(fā)快速增長性、極為多樣性、緊迫時效性、分布不確定性、高社會影響性相關(guān)性等特點。由于臺風(fēng)災(zāi)害情景的復(fù)雜性和應(yīng)急物資需求的時效性，應(yīng)急物資供給數(shù)據(jù)和需求分布難以統(tǒng)計，災(zāi)害初期對救災(zāi)應(yīng)急物資需求快速預(yù)測存在數(shù)據(jù)匱乏的困境。參考前人研究[24],構(gòu)建臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急物資使用負反饋環(huán)和應(yīng)急物資需求負反饋環(huán)。由于是負反饋環(huán)，在系統(tǒng)動力模擬時要求收斂于某一特定閾值，其次在演化過程中會出現(xiàn)波動，具體臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急物資調(diào)運系統(tǒng)動力模型因子關(guān)系如圖2所示。

圖2 臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急物資調(diào)運因子關(guān)系圖

通常，根據(jù)需求點的地形、人口、發(fā)展水平等因素綜合得到基準(zhǔn)應(yīng)急需求，而隨著臺風(fēng)災(zāi)害演化和救援場景轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以對其動態(tài)需求進行刻畫。而馬爾可夫鏈可對臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急物資需求進行較好預(yù)測，通過表征臺風(fēng)災(zāi)害情況下的設(shè)施性能、經(jīng)濟生產(chǎn)變化過程，尤其是在不同次生災(zāi)害情景下政府應(yīng)急反應(yīng)能力對應(yīng)急物資調(diào)運水平的影響測算，進而從應(yīng)急物資調(diào)運解析城市韌性提升路徑。

2.2 系統(tǒng)流圖設(shè)計與構(gòu)建

由于應(yīng)急需求點的脈沖需求量到達時刻和需求量不同，且應(yīng)急物資的需求信息是隨著事故的動態(tài)演變而不斷變化的，周期應(yīng)急物資需求量為：

(1)

在臺風(fēng)災(zāi)害應(yīng)急階段，需求規(guī)模存在非減性，也就是只可能增加或保持，不可能減弱。需求點的需求狀態(tài)可轉(zhuǎn)換為馬爾可夫鏈，相鄰狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是有限狀態(tài)的轉(zhuǎn)換概率。政府的應(yīng)急物資調(diào)度能力與調(diào)度時間、運輸時間呈反向關(guān)系。臺風(fēng)災(zāi)害等級越高，所造成的破壞越大，進而提高政府應(yīng)急信息反應(yīng)時滯。政府應(yīng)急信息反應(yīng)時滯會導(dǎo)致應(yīng)急物資調(diào)運壓力的非線性增長，一般情況下反應(yīng)時滯增大的同時，產(chǎn)生次生災(zāi)害風(fēng)險的可能性越大，進而引發(fā)更緊迫的應(yīng)急物資調(diào)運需求。運輸時間受臺風(fēng)災(zāi)害的次生災(zāi)害頻次的正向影響。應(yīng)急物資需求量主要包括耐性設(shè)施保障、生活保障和能源消耗以及突發(fā)的脈沖需求，同時總量是否擴大受到臺風(fēng)災(zāi)害等級的影響。

根據(jù)圖2的因果回路圖，利用系統(tǒng)動力學(xué)的Vensim軟件實現(xiàn)對上述動力學(xué)模型的構(gòu)造，最終構(gòu)造的系統(tǒng)流如圖3所示。

圖3 臺風(fēng)物資調(diào)運系統(tǒng)演化

模型設(shè)立了應(yīng)急物資在途庫存(箱/套/噸)、應(yīng)急物資庫存(箱/套/噸)和已使用量(箱/套/噸)3個水位變量，以及調(diào)度速率(箱/套/噸/小時)、到達速率(箱/套/噸/小時)和使用速率(/小時)3個速率變量，有關(guān)方程式如下：

應(yīng)急物資在途庫存=調(diào)度速率-到達速率

應(yīng)急物資庫存=到達速率-使用速率

已使用量=使用速率

調(diào)度速率=應(yīng)急物資缺口量/(政府對突發(fā)事件信息反應(yīng)時滯+調(diào)度時間)

到達速率=應(yīng)急物資在途庫存/運輸時間

使用速率=應(yīng)急物資庫存/(使用時間-隨機延時)

其中，應(yīng)急物資在途庫存記為Rt，應(yīng)急物資庫存記為C，已使用量記為Ud，調(diào)度速率記為Sd，到達速率記為Sr，使用速率記為Us。

3 仿真分析

2018年，臺風(fēng)“山竹”造成廣東、廣西等省直接經(jīng)濟損失超過50億元?！吧街瘛迸_風(fēng)云系直徑范圍達1 000 km，影響范圍極為廣泛。氣象部門的精準(zhǔn)預(yù)測，使得全國各地儲備庫緊急進入戰(zhàn)備狀態(tài)，快速建立中央到地方的物資協(xié)同協(xié)調(diào)調(diào)運準(zhǔn)備工作。但預(yù)估到臺風(fēng)“山竹”的巨大破壞力，“搶購、囤糧、哄抬物價”等事件依然時有發(fā)生，臺風(fēng)影響范圍內(nèi)各地區(qū)均全面啟動應(yīng)急供應(yīng)模式。通過模擬市級重要儲備商品在商超的流通量以揭示應(yīng)急物資調(diào)運的關(guān)鍵因素，臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)動力學(xué)模擬參數(shù)如表1所示。

表1 臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)動力學(xué)模擬參數(shù)表

根據(jù)臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)動力學(xué)模擬參數(shù)進行模擬，得到圖4、圖5應(yīng)急物資調(diào)運效果趨勢圖。

圖4 應(yīng)急物資在途庫存趨勢圖

圖5 應(yīng)急物資缺口量趨勢圖

通過動態(tài)模擬結(jié)果可以看出，應(yīng)急物資運輸存在起伏，短期之內(nèi)實現(xiàn)大量的物資調(diào)運，而后物資調(diào)運減緩回到平緩水平。而應(yīng)急物資缺口量在前期物資大量調(diào)運時缺口得以快速彌補，缺口量呈現(xiàn)下降趨勢，且隨著應(yīng)急物資的不斷補充，物資缺口量下降為0，而后實現(xiàn)物資積累。但當(dāng)應(yīng)急物資在途庫存逐漸耗盡，下降到最低點時，即仿真時長為40的時刻，應(yīng)急物資缺口量亦開始反彈，在波動中呈現(xiàn)上升趨勢，出現(xiàn)了短期過量的情況，并快速恢復(fù)到應(yīng)急前水平，反映出災(zāi)前物資準(zhǔn)備與災(zāi)后快速應(yīng)對的情形。通過以上測試，說明該模型能夠很好地模擬臺風(fēng)“山竹”的情境。為進一步分析政府應(yīng)對策略與災(zāi)害情境對應(yīng)急物資調(diào)運的影響，針對次生災(zāi)害頻次和政府應(yīng)急物資調(diào)度能力進行模擬測試，得到結(jié)果如圖6-9所示。

圖6 次生災(zāi)害高低頻次應(yīng)急物資在途庫存趨勢圖

由圖6可知，當(dāng)次生災(zāi)害頻次增多時，在災(zāi)害發(fā)生早期，應(yīng)急物資在途庫存并未有明顯變化，與次生災(zāi)害低頻次狀態(tài)在同一仿真時刻到達峰值，且其數(shù)值更大。此后，在整個仿真期間，應(yīng)急物資在途庫存均保持較高的水平，以確保應(yīng)急物資缺口維持在一定的可控水平下。由圖7可知，次生災(zāi)害高頻狀態(tài)下，應(yīng)急物資缺口量并未出現(xiàn)明顯失控，與次生災(zāi)害低頻狀態(tài)相比，兩條曲線雖有交叉重合部分，但波動趨勢基本相同。表明當(dāng)次生災(zāi)害頻次增多時，應(yīng)急物資調(diào)運相應(yīng)會有所提升，不會進一步導(dǎo)致物資大量缺失。

圖7 次生災(zāi)害高低頻次應(yīng)急物資缺口量趨勢圖

由圖8可知，在高調(diào)度狀態(tài)下，應(yīng)急物資在途庫存波動放緩，所達峰值有所下降。在達峰后的一段時期，高調(diào)度曲線位于一般調(diào)度曲線下，且兩者變化速率基本一致。到了仿真后期，兩條曲線基本重合，變動趨勢保持高度一致?？梢姰?dāng)政府應(yīng)急物資調(diào)度能力提升時，災(zāi)后短期內(nèi)應(yīng)急物資在途庫存保持較低水平，有利于緩解調(diào)運壓力。由圖9可知，在高調(diào)度狀態(tài)下，應(yīng)急物資缺口量依然保持原有的趨勢，物資缺乏未得到明顯緩解?？梢姰?dāng)政府應(yīng)急物資調(diào)度能力有所提升時，災(zāi)后應(yīng)急恢復(fù)在短期內(nèi)仍難以實現(xiàn)大幅度快速修復(fù)。

圖8 不同調(diào)度能力下應(yīng)急物資在途庫存趨勢圖

圖9 不同調(diào)度能力下應(yīng)急物資缺口量趨勢圖

4 結(jié)論與建議

隨著全球氣候變暖，我國極端天氣頻發(fā)，臺風(fēng)災(zāi)害可能造成城市內(nèi)澇、河流洪水、山體滑坡、交通受阻、電力通訊中斷等嚴(yán)重災(zāi)難或事故，還極易造成物流癱瘓、疾病傳播、社會恐慌等次生災(zāi)害，帶來重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。臺風(fēng)災(zāi)害多集中于東部、南部沿海人口密集，經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)，影響范圍和破壞力廣，對社會經(jīng)濟造成巨大影響，已逐步成為我國重點防御的自然災(zāi)害。2021年7月的鄭州雨災(zāi)事故對韌性城市建設(shè)規(guī)劃提出了新的挑戰(zhàn)。強化城市韌性，降低城市脆弱性，成為現(xiàn)代化城市建設(shè)必須重視的理念。

政府應(yīng)急物資調(diào)度能力的提升可以減輕城市應(yīng)急物資調(diào)度的負荷，不至于產(chǎn)生大量的無效調(diào)度，而隨著次生災(zāi)害的增多，調(diào)度能力會有所降低，但只要保持實時調(diào)度，城市系統(tǒng)依然會恢復(fù)到穩(wěn)定運行狀態(tài)，進而體現(xiàn)出城市韌性水平。為此，提出如下建議：

(1)健全城市氣象災(zāi)害防御組織體系，優(yōu)化應(yīng)急物資儲備體系，科學(xué)選址，智能調(diào)運，合理設(shè)計，進而為政府應(yīng)急反應(yīng)時滯提供緩沖空間。

(2)加快完善城市主要氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險普查，構(gòu)建各類災(zāi)害“一張圖”的風(fēng)險識別與綜合應(yīng)對模式，形成應(yīng)急物資調(diào)運疊圖框架，提升應(yīng)急物資調(diào)運的實時任務(wù)分配水平。

(3)提高公眾防災(zāi)減災(zāi)意識，強化臺風(fēng)氣象災(zāi)害等極端天氣防御知識的科普，從而促進承災(zāi)體向抗災(zāi)體的轉(zhuǎn)變，減少應(yīng)急物資需求，尤其是在次生災(zāi)害頻發(fā)的情境下，受災(zāi)群眾可以利用現(xiàn)有條件開展自救，避免應(yīng)急救援過分依賴于應(yīng)急物資調(diào)運。