基于模糊支持向量机的应急物资储备模式研究

张丽杰，寇晓荣，冯仁余

(1.军事交通学院军事物流系，天津300161;2.总后勤部华北军用物资采购局，天津300182)

应急物资是在应急物流的实施和保障中所使用的物资，从广义上概括，凡是在突发公共事件应对的过程中所用的物资都可以称为应急物资。应急物资储备就是通过应急准备、紧急事件预防、应急响应和灾后恢复等全过程进行应急管理，领导和支持国家应对各种灾难，保护各种设施，减少人员伤亡和财产损失。应急物资储备是实施紧急救助、安置灾民的基础和保障，直接影响应急物流系统的反应速度和最终成效。根据不同自然灾害研究应急物资的储备模式对合理应对自然灾害、科学制订物资调拨方案及应急物资储备制度的建立和完善有很强的指导作用。

国内外学者对应急物资储备的研究日益深入，如Pavel Albores等［1］研究了政府针对突发恐怖袭击事件如何做好准备的问题;Timothy［2］探讨了对于危险化学品事件，地方政府和社区应该如何准备的问题，其中就包含应急物资的储备;刘宗熹等［3］通过汶川地震研究了应急物资储备和管理问题;张永领［4］对应急物资储备方式和储备体系进行了研究;张红［5］研究了我国应急物资的储备制度，并提出合理化的建议;王子军［6］探讨了建立突发公共卫生事件应急物资储备机制的问题。

近年来，我国地震灾害频繁发生，造成了极大的人员伤亡和财产损失。2008年汶川地震暴露出应急物资储备和需求之间的矛盾十分严重，在地震发生后的48 h内中央救灾物资储备库已被调空，但还远远不能满足灾区对应急物资的需求;2010年青海玉树地震较汶川地震虽然有了救灾经验，但因应急物资短缺导致救援进展缓慢;2014年云南鲁甸地震和新疆玉田地震，由于地理位置不佳、储备不足，给专业救援带来极大困难。可见，应急物资在应对突发事件过程中具有及其重要的地位，而应急物资储备是否充足是保证应急救援工作成功与否的决定因素。研究应急物资储备模式，对于优化物资储备结构、合理安排应急资金、提高资源利用效率、节约投资成本等具有十分重要的意义。

1 应急物资储备模式及存在的问题

1.1 应急物资储备模式

(1)实物储备。实物储备是以实物的形式存储在仓库中，突发事件发生后可随时调用的物资储备，是针对大规模突发事件初期所需要的主要物资来源，对于救助生命和控制灾情具有重要意义。由于突发事件具有不确定性及物资的使用期限等原因，如果完全或过多地依靠实物储备，在很大程度上会造成社会财富的浪费和大量资源的长期闲置。

(2)合同储备。合同储备是政府部门与相关企事业单位或个人签订合同，以保证在突发事件发生后，相关主体按照合同约定及时并优先调集物资用于应急救灾。可采用合同储备的应急物资种类多样，如建筑企业的铲车、挖掘机、大货车等设备，仓储企业的食品、药品等。但是，由于合同储备的应急物资中难以对各类应急物资的具体需求时间进行约定，因此要预防在突发事件发生后，出现合同所约定的应急物资已报废、正在维修或缺货等情况而降低突发事件应急处置的效率。

(3)生产能力储备。生产能力储备是对那些能够生产、转产或研制救灾物资的企事业单位或个人，通过签订相关协议或合同，保证突发事件发生后能够第一时间迅速生产、转产或研制所需救灾物资，对大规模突发事件的长期救助而言，这种方式尤为重要。但是生产能力与物资实物转化之间存在一定时滞，切不可过分依靠生产能力储备，否则会对突发事件的处置尤其是前期的处置工作造成极大影响。

1.2 应急物资储备存在的问题

(1)应急物资储备管理机制不完善。我国应急物资储备主要采用以行政管理为基础的垂直管理结构，管理机制不完善，中央和地方各级政府的储备存在缺少协调沟通平台，储备物资具有品种繁杂、重复等特点。

(2)应急物资储备经费来源不明确。由于种种原因，地方应急物资经费很难得到保障，直接导致其应急物资储备种类和数量严重不足。

(3)应急物资储备的主体界定不清晰。应急物资储备活动中至少存在着4类主体:应急物资储备的管理机关、应急物资代储单位、应急物资储备定点仓库、应急物资储备定点仓库所在地的政府。对于这4类主体之间的关系及各自的职责权限没有明确规定，自然灾害发生后，容易导致应急物资不能及时调拨到位而直接影响救灾效率。

(4)应急物资储备模式不科学。应急物资储备模式存在明显的问题:一是储备模式单一，注重实物储备，从而导致物资储备非常有限;二是虽然有的地方采用政府储备和企业储备相结合的储备模式，但双方权利和义务尚不明确;三是在采取生产能力储备的地方，缺乏规范和有效的监管手段。

2 模糊支持向量机理论

支持向量机是一种基于统计学习理论的、新的、有效的机器学习方法，与神经网络相比具有泛化能力强、容易训练、没有局部极小值和不需要预先确定网络拓扑结构等优点［7－8］。

支持向量机在选定的特征空间中构造最优超平面，使分类间隔最大化。支持向量机方法避开了高维特征空间的计算，并不显式地进行变换计算，只需要借助事先定义的核函数来做训练样本之间的内积运算。任意满足Mercer定理的函数都可以作为核函数，以下是常见的核函数［7］。

(1)高斯 RBF核:K(x，y)=exp{－‖xy‖2/σ2}。

(2)多项式核:K(x，y)=［－ ‖x·y‖ +1］d。

(3)神经网络核:K(x，y)=Sigmoid(ρ(x，y)+θ)。

通过这些基本的核函数，还可以构造更为复杂的核函数以适应各类不同问题的需要。

为解决支持向量机只能处理二分类数据的问题，本文在进行多类分类时采用模糊支持向量机(fuzzy support vector machines，FSVM)方法，即通过引入模糊因子来减少外部因素的影响，从而最大限度地避免数据混淆和数据遗漏等情况。

定义 G={(xj，yj，αj)，xj∈Rn，0 ＜ αj≤1}lj=1为模糊训练集，其中:(xj，yj)点为模糊训练点;yj为模糊数;αj为隶属度［7］。

对于上述的训练集，FSVM的解具有以下形式［8］:

3 模糊支持向量机在应急物资模式划分中的应用

模糊支持向量机理论在多类分类中的研究日益深入，在文本分类、情感状态识别、图像分类、故障诊断、物流中心选址及量化预测等方面都得到广泛应用。自然灾害是偶发事件，所需应急物资种类多，数量不等，符合模糊支持向量机理论高维非线性、小样本数据特征。运用模糊支持向量机将自然灾害所需应急物资的级别进行科学划分是研究应急物资储备方式的重要前提和必要保证。

本文将地震灾害应急物资按用途分为13类，分别以样本号1—13表示(见表1)。

表1 应急物资分类与对应样本号

选定重要程度、时效性和供需差作为物资储备等级划分的指标。重要程度和时效性是依据经验获得的量化数值，供需差指物资需求相对储备量的缺口，将量化指标换算成0～10之间的数值作为FSVM的输入，通过学习和训练，确定分级结果［8］。

按照FSVM方法选取13组数据，对其中7组数据进行训练，6组数据用来测试，同时输出相应分类模式(有最紧急Ⅰ、一般紧急Ⅱ和不太紧急Ⅲ三种)。FSVM 算法由 Matlab软件进行［9］，加载Libsvm工具包，通过VC编译，使用高斯RBF核函数进行测试实验。相应的训练样本数据及测试样本数据见文献［8］。

通过以上实验，得到应急物资储备模式分类结果见表2。

表2 应急物资储备模式分类

4 地震灾害应急物资储备模式判定

本文对地震灾害应急物资中的最紧急物资进行物资储备模式判定。将最紧急物资储备方案分为两层，第1层是最紧急物资分类层，依次是临时食宿类、照明设备类、生命救助类、通信广播类。第2层是最紧急物资储备模式层，每种物资可能的储备模式均有实物储备、合同储备和生产能力储备3种。最紧急物资储备的层次结构如图1所示。

图1 最紧急物资储备的层次结构

在研究地震灾害应急救援案例的基础上，结合应急专家的意见，利用层次分析法确定第1层指标的权重向量为

A=(0.34，0.21，0.31，0.14)

所对应的第2层指标权重向量为

其中:B1=(0.40，0.48，0.12);B2=(0.32，0.53，0.15);B3=(0.47，0.34，0.19);B4=(0.30，0.42，0.28)。第2层指标对目标层的权重向量为C=A·B计算可得 C=(0.390 9，0.438 7，0.170 4)。

由此可知，针对地震灾害最紧急物资而言，实物储备、合同储备和生产能力储备的比重分别为39.09% ，43.87% ，17.04%，实物储备和合同储备比例较生产能力储备明显高出很多。

对于地震灾害中最紧急物资的储备，主要采取实物储备和合同储备相结合的方式储备，但是考虑到震后救援的长期性特点，要同时兼顾生产能力储备，即为了有效应对地震灾害，应该采取均衡、全面、可持续的措施储备最紧急物资。

5 结语

本文运用模糊支持向量机(FSVM)和层次分析(AHP)相结合的方法，在量化确定不同种类自然灾害所需物资轻重缓急的基础上，以地震灾害中最紧急需求的物资为研究对象，量化得出较为客观、高效的物资储备模式，为应急物资储备问题的深入研究、自然灾害物资管理体制的不断完善及紧急事件应急预案的合理制订提供切实可行的方法支持和研究指导。

［1］ Albores P，Shaw D.Government preparedness:Using simulation to prepare for a terrorist attack［J］.Computers＆Operations Research，2008，35(9):924-1943.

［2］ Timothy R G.The role of local communities in chemical accident prevention and preparedness［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2005，18(6):549-552.

［3］ 刘宗熹，章竟.由汶川地震看应急物资的储备与管理［J］.物流工程与管理，2008，30(11):52-55.

［4］ 张永领.我国应急物资储备体系完善研究［J］.管理学刊，2010(6):54-55.

［5］ 张红.我国应急物资储备制度的完善［J］.中国行政管理，2009(3):44-47.

［6］ 王子军.建立突发公共卫生事件应急处理物资储备机制的探讨［J］.中国公共卫生管理，2004，20(6):502-503.

［7］ 王文剑，门昌骞.支持向量机建模及应用［M］.北京:科学出版社，2004(3):6-8.

［8］ 张丽杰，李改灵，李若蕾，等.基于模糊支持向量机的自然灾害应急物资储备优先级研究［J］.军事交通学院学报，2014，16(2):66.

［9］ 司守奎，孙玺菁.数学建模算法与应用［M］.北京:国防工业出版社，2012:178.