重大地质灾害后救援队伍合作搜救机制设计与仿真研究

发布时间：2020-06-19 08:43

【摘要】：我国是一个地质灾害多发的国家,以地震、巨型滑坡为代表的重大地质灾害频繁发生,严重威胁着人民的生命安全。重大地质灾害事件由于其突发性、强大破坏性、时间紧迫性、高度不确定性以及衍生和演化等特点,成为应急管理领域研究的重点和难点。目前急需提升对这类灾害的应急响应能力,加强应急救援和响应工作。为了更有效地应对复杂性突发事件,2018年初我国成立了应急管理部,提升了应急管理的统筹协调水平。由此也带来了一系列挑战,面临着应急资源的整体统筹优化,大量不同类型应急救援队伍之间的融合等问题。对此,本文以重大地质灾害应急救援为背景,研究了灾害救援过程中两个阶段的问题。第一个是救援队伍的区域性部署决策问题,属于应急资源的整体统筹优化范畴。当应急救援队伍到达现场以后,快速有效的实现救援队伍的区域性部署是应急救援工作开展的前提和基础,同时也是控制灾情进一步恶化、减少受灾点人员伤亡的重要保障。第二个是受灾区域内救援队伍间的合作救援问题,属于应急救援队伍之间的融合范畴。在完成救援队伍部署工作后,救援队伍将被分配至相应的受灾区域,灾害现场搜救行动处于一个快速多变的环境,系统状态瞬息万变,为保证应急决策的时效性,需要救援队伍具有一定的“自主性”,能有效的进行自主决策,确定“是否合作?跟谁合作?如何合作?”。针对此,借鉴了分布式任务分配模型对救援队伍间的合作机制进行设计,并考虑了两种不同的队伍编制情况。本文主要的研究工作如下:(1)救援队伍的区域性部署策略研究。重大地质灾害发生以后,影响范围广,产生了多个受灾区域,然而参与救援的人力资源极其有限,多个受灾区域对救援队伍的需求难以同时被满足,因此需要综合考虑多种因素将有限的救援队伍公平、有效地部署至各个受灾区域。需要考虑的因素主要包括三方面,即救援优先级,灾民满意度以及救援队伍分配效用。对此,本文提出了基于救援优先级的救援队伍区域部署决策方案。首先,对受灾区域进行分析,确定各个区域的受灾状况。然后,对各个受灾区域的救援优先级进行评估。最后,以受灾区域的灾民满意度最大化和救援队伍分配效用最大化为目标,建立了救援力量的优化分配模型,并采用NSGA-Ⅱ算法对该多目标优化模型进行求解,为灾害现场救援队伍区域性部署决策提供辅助。(2)同一编制的救援队伍合作搜救机制设计。同一编制指的是每支救援队伍构成类似,并且每一支救援队伍可独立完成对一个伤员掩埋点的救援,不过可能会消耗太多时间,导致贻误最佳救援时间。针对同一编制的救援队伍之间的合作搜救过程,设计了救援队伍间的基于分布式拍卖算法的合作救援机制,通过多主体仿真(Agent-based Modeling and Simulation,ABMS)和蒙特卡洛方法(Monte Carlo method)对提出的合作搜救方案进行评估,并与其它方案进行比较研究,包括非合作救援与基于F-Max-Sum算法的合作救援方案,其中非合作救援指的是现行的缺乏有效合作机制的灾害救援行动。基于该合作机制的救援方案明显优于非合作救援,并且具有统计意义上的显著性;与知名的F-Max-Sum算法相比,性能并无逊色,并且计算过程复杂度低,更适用于灾害环境中的快速决策。(3)不同编制的救援队伍合作搜救机制设计。同样是动态灾害环境中救援队伍间的合作救援问题,但是该部分研究内容考虑了不同编制救援队伍间的合作问题。该部分对救援队伍的编制情况做出了不一样的假设,即假设救援队伍构成的差异性很大,每支救援队伍所具有的救援能力不同。完成每一个救援任务所需要的能力也不同,需要根据该项救援任务的具体特点进行评估。基于此,该部分内容主要针对灾害现场不同编制救援队伍之间的合作救援,设计了基于组合拍卖机制的合作救援方案,并与其它救援方案进行了比较分析。首先,比较分析的结果显示在三种不同情景下,基于组合拍卖的合作救援机制的仿真结果指标均在0.01的显著性水平下优于非合作救援,与基于F-Max-Sum算法的合作救援方案对比,除了在计算过程的复杂程度上优于后者,仿真结果指标也在一定程度上略优于后者。其次,救援队伍的数量对救援效率的影响分析结果显示救援数量增加对救援效果的改善存在边际递减效应。最后,对提出的合作救援方案在极端情况出现时的可靠性进行了分析,即鲁棒性分析。(4)区域部署策略与合作搜救过程的集成研究。将救援队伍的区域部署策略问题与灾害现场救援队伍间的合作搜救过程集成到一个实例分析中进行了研究。研究了三种不同部署策略对合作救援仿真结果的影响,第一种是考虑区域救援优先级与救援队伍-受灾区域匹配度的策略,第二种是不考虑区域救援优先级的救援队伍分配模型,第三种是不考虑救援队伍-受灾区域匹配度的救援队伍分配模型。分析结果表明考虑了区域救援优先级与救援队伍-受灾区域匹配度的策略,在救援效果方面,优于不考虑区域救援优先级的策略,和不考虑救援队伍-受灾区域匹配度的策略。不考虑救援队伍-受灾区域匹配度的策略使得所有救援队伍未能发挥出自己的特点,造成了资源浪费,对整个受灾区域的救援效果造成了最严重的影响。本文的研究工作主要是关于重大地质灾害后救援队伍资源的统筹优化与救援队伍间的合作机制设计,创新点有:(1)以受灾区域人口的需求满意度最大化和救援队伍分配效用最大化为目标,建立了救援力量的优化分配模型,提出了基于救援优先级的救援队伍区域部署决策方案;(2)针对灾害现场救援过程中救援队伍之间缺乏有效合作的现状,考虑了两种不同的队伍编制情况,并分别结合不同的救援队伍编制特点,设计了于分布式拍卖的合作救援机制与基于组合拍卖的合作救援机制;(3)传统研究中往往只单独研究了救援队伍的区域性部署问题,本文将救援队伍的部署决策与受灾区域内救援队伍间的合作搜救过程集成进行了研究。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P694
【图文】：

山体滑坡,全景,深圳,事故

图 1.2 2015 年 12 月 20 日深圳山体滑坡事故全景一般而言，重大地质灾害影响范围大、受影响人口数量众多、经济损失严包括建筑物、交通道路、经济作物等），能给人们的生活造成严重影响，甚至毁灭性后果。近些年来，重大地质灾害发生较频繁，造成损失严重，救援难，是应急管理领域研究的重点和难点。重大地质灾害一旦发生，其造成的损影响都是难以估量的，必须加强对重大地质灾害的应急救援和响应工作。2003 年 SARS 以后，我国开始了具有现代整合意义的应急管理体系建设，了“一案三制”。管理体制上，我国从国务院到县级市人民政府的办公厅或者室内部都成立了应急管理办。政府在应急救援方面投入了一定的人力、物力力，配备了大量救援装备，建立了相应机构，加强了各部门、各系统的力量。这个阶段，我国的应急队伍建设主要采用分灾种、分部门、分系统的管理，救援力量分散，各个救援队伍归口不一，互不隶属，极少有联合演练，队间缺乏联动性和默契[6, 7]。这些队伍纳入政府应急救援调度、作战、训练体系关法制和机制尚未形成，整合程度较低，难以有效发挥综合应急作用。2018 年 3 月，十三届全国人大一次会议表决通过了关于国务院机构改革方

流程图,流程,分层排序,多目标优化决策

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