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地震救援人员迅速调派和救援装备的优化配置分析

2020-09-02 319 上传者：管理员

摘要：为实现地震初期救援人员的迅速调派和救援装备的优化配置，在前人研究的基础上总结了用经验公式计算埋压率从而估算救援人员需求量的方法，结合联合国对专业地震救援队的建设要求，分析了救援队的能力需求，通过层次分析法确定各项能力权重，以重型救援队为例得出救援队人员构成方案;最后以装备总重量最轻和性能最优为目标建立装备配置优化模型，使用遗传算法通过MATLAB软件实现了对救援装备优化的有效求解。

关键词：
人员调派
优化配置
地震救援
安全管理工程
装备配置
遗传算法
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自新中国成立以来，我国多次发生严重地震灾害，如四川汶川8.0级地震、青海玉树7.1级地震和四川雅安7.0级地震，均给社会带来了巨大的灾难。据统计，随着我国城市化的推进，地震灾害造成的损失呈不断上升的趋势[1]，这无疑对我国应急救援力量应对此类灾害的响应能力和装备配置提出了更高的要求。

我国对地震救援的研究，多集中在救援需求和指挥部署的模型设计方面。2003年，顾建华等[2]首次对地震灾害现场的搜索问题进行了讨论，并对搜索队伍的组成、任务、装备和部署等提出了建议。2006年，肖松雷[3]第一次使用数学方法建立搜索与救援行动的模型，对地震灾害现场救援指挥部署模型进行了研究。李亦纲等[4]根据灾害情况和救援需求，针对大范围地震灾区建立了事故救援力量的调配模型，以调派时间最优为目的进行了求解。王之乐等[5]根据地震灾害链应急全过程对物资需求按照紧迫程度进行了分级。吴新燕等[6]从搜救原理出发，建立了区域搜救力量部署模型。在地震装备的配备方面，2013年，尚佳宁等[7]首次根据联合国对救援队的装备配置要求建立了多目标优化模型，以重型救援队为例对救援装备的配置进行了多目标优化。Seljanko[8]提出了城市搜救机器人装备系统。面对地震灾害的发生，如何从专业救援队实际行动的角度出发，快速准确地调派专业救援队伍前往，并在人员和装备配置上达到最优化还需要进一步研究。本文在前人研究的基础上，通过地震初期对灾情的初判估算专业救援力量的需求量，将力量调配模型运用于消防应急救援队伍的实际调派中，并根据联合国对救援队的配置要求对人员及装备进行分析量化，以装备性能最优、重量最轻为目标建立模型，用遗传算法求解装备的最优配置方法，以期为今后地震应急救援的实际工作提供参考。

1、救援人员调派

1.1 救援力量需求影响因素

地震灾害作为一种自然力量的剧烈爆发形式，往往会对环境造成巨大的改变，对社会造成巨大危害。地震灾害的现场情况往往复杂多变，救援力量的调派需要综合多方面因素进行考虑才能得到较为准确的结果[9]。根据对我国多次地震发生情况的总结，救援力量需求量与灾害严重程度呈正比关系，受地震灾害情况、社会因素及环境因素三方面的综合影响，详细情况见图1。

其中，地震灾害情况是主要影响受灾严重程度的因素，包含震级、震源深度及地质构造3个因素。震级表示地震释放能量的大小;震源深度表示震源到地面的垂直距离，震源越浅，释放的地震波对地表的影响程度越大;地质构造决定着地震波的传播介质，从而影响地震的破坏力。这3个因素可以共同表征为地震烈度，即地震对地表和建筑物的影响程度。此外，还有社会因素、环境因素共同影响着灾区对救援力量的需求量。

1.2 专业救援队伍需求估算

地震灾害发生后，救援人员的需求量受多方面因素的影响，尤其在灾害初期，很多灾害信息无法准确获取，因而难以准确地计算。根据消防救援行动的实际情况，可以根据地震灾害发生后的埋压人数来估算专业救援人员的数量。马玉宏等[10]对国内外地震人员伤亡的评估方法进行了较为全面的归纳，就是否包含建筑结构易损性为参数的两种情况，给出了多种人员伤亡的经验公式。在此基础上郭红梅等[11]结合建筑内人口分布模型进一步推出了埋压率的计算公式，如下。

白天发生地震时，

夜间发生地震时，

式中H为埋压率，I为地震烈度，F为破坏率。

根据汶川地震的经验，专业救援队人数与救出的被埋压人员比值为1/20[4]。由此可得出专业救援队伍的人数为

式中S为需要的最少专业救援人员数量，P为受灾区域内的人口总数，H为埋压率。

上述公式所需参数较少，且各参数在灾害初期较易通过精确测量和估计等多种方法得出。在灾害初期，以此对专业救援人员数量进行估算，实现初步的力量调派。需要说明的是，此处专业救援队是指联合国建议和国家规定设置的重型专业地震救援队，在地震中根据不同地区的地形地貌及经济发展状况，实际救援需求量可能存在一定的差别。并且，在实际的地震救援中，救援力量调派应当在这个估算值之上还有冗余量，不仅需要专业的地震救援队，还需要军队力量、医护人员等，多方力量共同协作，以期在灾害中最大限度地实施救援。

2、救援人员配置

2.1 标准救援队能力需求

近年来，我国的地震救援队建设有了巨大的进步，但国家尚未出台相关的建设规范。消防局以联合国出台的救援指南为基础公布了救援队标准，作为各省救援队建设的参考，但目前各省的地震救援队配置各不相同。

图1救援人员需求影响因素

联合国根据其能力，将救援队划为3个等级[12]，具体标准见表1。

一支地震救援队应有科学的管理体系，在后勤保障充足的情况下，以搜救和救援能力为主，确保在灾害现场的救援能力和急救医疗能力。联合国规定了标准救援队在能力上的5项必备要素[13]，包括管理、搜索、救援、医疗及后勤。结合中国地震救援的特点和实际，根据这5种关键能力构建标准救援队能力需求体系，见图2。

2.2 救援队人员构成

救援队的人员构成应在满足救援队能力需求的基础上达到搜索和救援能力最大化。以60人的标准重型地震救援队为例，为了使救援队的人员构成达到救援队能力要求，首先量化各项能力在救援队整体构成中所占的比重，采用层次分析法(AHP)通过专家打分的方式计算得出各项能力的权重，在此基础上计算得出人员构成方案。

表1不同等级救援队建设标准

图2地震救援队能力需求体系

以救援队所需的5项基本能力Ai为维度层、各项指标Bj为指标层，采用1～9标度法构造判断矩阵[14]。综合专家意见，组建判断矩阵T-Ai、A1-Bj、A2-Bj、A3-Bj、A4-Bj、A5-Bj，各矩阵均通过一致性检验，计算得出的权重见表2。

专业的地震救援队必然是由专业且高素质的救援人员构成的专业化队伍。将救援队中的人员按照其所具备的能力及职责进行划分，可以通过计算得出的权重大致确定各项工作的人员数量。结合我国在数次地震中的救援实际[15]，以及我国救援的技术装备需求[16]对救援队的人员进行划分，见表3。其中救援队的整体安排和计划由队长确定;副队长协助队长进行管理，并负责协调内外事务;联络员协助队长进行管理，负责救援队的对外联络和队内指令的上传下达。搜索组的搜索专家对搜索行动进行技术指导，并具备犬搜索和熟练使用各种仪器设备进行搜索的能力。救援组由破拆组、技术营救组、预备队和技术专家组成。其中破拆组承担救援中通道开辟的任务，包括破拆和顶撑等;营救组应具备专业的施救能力，对受灾群众予以及时救援;预备队负责队员间行动作业的轮换和紧急情况的应对。后勤组分为通信保障、装备保障和生活保障3类。医疗组主要负责对救出的群众进行医疗预处理，其中急救人员负责对救出的群众进行紧急救护，安全检查员负责队员的安全健康。

表2各项能力的权重

3、装备的优化配置

如何使地震救援队的装备达到最优化配置是一个急需解决的问题。相关人员对地震救援装备的配置进行了很多研究，给出了多种配备参考。在地震灾害中，救援人员的装备常通过空运及公路运输等方式与救援人员一同进入灾区，但很多道路损毁的现实情况导致救援人员需要携行关键装备奔赴更关键的救援区域，这就提出了救援装备的优化配置问题，要在满足救援能力需求的基础上便于携行，以迅速展开救援。针对此种问题，可以建立多目标优化模型，使用遗传算法进行求解，实现救援装备的优化配置。

3.1 装备配置优化模型

在地震救援中，最为紧迫的是营救任务，这类器材也是常需要紧急携行的装备。本文以破拆装备、顶撑装备等救援类装备为例，选取几种最常用的关键救援装备，以各类装备数量为设计优化变量，以各装备综合性能值最高、重量最轻为目标，再基于加权的方法将两个目标转化为单目标函数，建立数学优化模型。

在目标函数max(f1,f2)中，

表3地震救援队人员构成

式中Xi为决策变量，X={X1,X2，…，Xn}为各种营救装备数量;Ai为装备性能指数;Bi为装备质量。在实际的装备配置中，在满足携行能力的情况下装备的性能更加关键，为使目标单一化，采用加权排序的方法对装备总质量赋予权重λ1=0.35，对装备性能赋予权重λ2=0.65，可将上述目标函数转化为一个单目标问题。

按照救援队人员配置方案，假设救援组中破拆组、技术营救组和预备队人员共24人携带相关装备，以救援人员具备灾害现场多种情形下现场作业能力所需各项装备数量最少为下限，表示为Qi，以每人携行装备30kg为标准，所能携带的装备总质量上限为720kg，以行动中最多能使用的各项装备数量为上限Pi，共同构成约束条件，表示如下。

3.2 配置优化实现

遗传算法是一种模拟自然界选择和遗传过程的计算机理，根据实际情况将目标设计为一个适应度函数，再将所有可能取的解编码为染色体以构成种群，通过选择、交叉和变异等方式进行若干次迭代计算，对所得解进行优胜劣汰，使其逐渐趋向最优解[17]。

本文以救援队中常用的17种破拆及救援装备为例，在MATLAB软件中以遗传算法的方式进行优化配置。装备详情见表4，其中性能得分由专家根据装备的破拆救援能力在0～10内打分得到，同类装备的得分通过相互比较得出，不同种类装备的得分通过比较其配置需求及必要性得出。

通过以下步骤进行装备配置优化。

1)创建初始种群。创建一个种群规模popsize=50、个体长度为17的离散随机种群，将其定义为一个矩阵。

2)适应度评估。在单目标函数的基础上取Fitness(i)=1/[f(i)+500]为适应度函数，根据适应度区分优劣，进行优胜劣汰。

3)采用轮盘赌的方式进行选择操作，每次从上一代中选择2个染色体进入下一代。

4)根据交叉概率Pc=0.8进行交叉，促进遗传算法的搜索。

5)对交叉后的染色体根据变异概率Pm=0.1判别其是否产生变异，进而产生新一代染色体。

6)若产生的代数n大于最大迭代次数maxgen=200，则输出最优解;否则，重复步骤2)。

约束条件中，Qi={2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,4,15,2,2,2,2,2}为满足救援实际所需携行的最少装备，作为下限;Pi={4,4,4,4,4,4,6,4,4,4,4,26,4,6,4,4,4}为救援中实际使用的最大装备数量，作为上限。取中间值x0={3,3,3,3,3,3,4,3,3,3,4,20,3,4,3,3,3}作为优化初值，初始配置的装备总质量为685.3kg，装备总性能为471.7。通过上述步骤进行遗传算法求解后，得出优化结果x={4,2,2,4,4,4,5,4,2,4,4,26,2,2,4,4,2}，总质量为656.2kg，总性能得分为521.1，明显优于初始值。算法迭代图见图3。

4、结论

1)通过地震初发时的灾害情况分析事故发生后救援人员的需求，建立了救援人员需求影响因素体系，总结前人得出的经验公式，提出了通过地震震级、人口密度等灾害初期信息计算埋压人数、进而计算得出专业救援人员需求量的方法。

表4优化装备详情

图3算法迭代图

2)分析了联合国提出的专业地震救援队建设标准，在联合国要求的5项必备能力的基础上，结合我国救援实际，建立了救援能力需求体系。通过层次分析法计算得出各项能力权重，以重型救援队为例，得出救援队人员构成方案，以实现救援队的专业化构成。

3)结合地震实际救援中对救援装备的需求，以装备总重量最轻和性能最强为目标建立装备配置优化模型，并使用遗传算法通过MATLAB软件实现了对救援装备优化的有效求解。

4)本文的研究内容时代性极强，随着时间的推移，救援力量调派应更加精确，救援装备种类必定更加丰富;另外，本文装备配置优化中所考虑的主要目标及约束条件有限，未考虑完全。这些都需要在接下来的研究中深入探讨。

参考文献：

[1]王根龙,张军慧,梁永朵.灾害学,2006,21(3):15-19.

[2]顾建华,陈维锋,郝清源.国际地震动态,2003(6):6-12.

[3]肖松雷.救援力量现场搜救行动指挥与部署模型的初步研究[D].,2006.

[4]李亦纲,张媛,李志伟.自然灾害学报,2012,21(3):150-154.