基于ERRS选址模型的地下应急物流系统建设研究*

徐一旻，杨大为，吕 伟，梁 苗，李墨潇

(1.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉 430070；3.武汉理工大学 中国应急管理研究中心，湖北 武汉 430070)

0 引言

随着我国城镇化进程的推进及互联网购物的兴盛，城市物流的规模和总量连创新高，引发了一系列的城市问题。地下物流系统(Underground Logistics System，ULS)为缓解地上交通压力、助力智慧城市、智慧物流、智慧交通的发展提供了新的可行地“解决方案”。ULS具有不占用城市地面道路、清洁环保、高效快捷、稳定可靠、不受恶劣天气影响等诸多优势。但由于ULS空间相对封闭，运营中一旦发生意外情况，如火灾、洪水、地震、恐怖袭击等自然灾害和人为灾害，救援的应急资源难以快速运抵，救援行动也难以开展。因此，在规划和设计ULS之初就需要统筹考虑增设地下应急物流系统(Underground Emergency Logistics System，UELS)，可快速恢复和保障ULS的正常运行。

对于兴建ULS国内外进行了积极探索，例如：1927年英国伦敦街头的地下“邮局地铁”、美国的阿拉米达走廊(Alameda Corridor)、荷兰的阿姆斯特丹地下物流系统(OLS-ASH)、2014年我国自主研发的“LuGuo种子输送分类贮藏智慧系统”[1-2]、城市地下综合管廊等都为ULS的建设发展提供了经验和思路。关于ULS的理论研究，主要集中在发展ULS的可行性、必要性、技术系统、建造管理等方面[3]。Kwon等[4]基于管道运输的概念，对地下管道运输系统及其参数进行了定义；美国的Kenneth等[5]通过研讨基于电磁动力的地下物流系统，开展了实体模型实验；美国的 Roop[6-7]在安全货物机车(Safe Freight Shuttle)的概念基础上开展了实体模型技术实验；德国的Stein[8]提出了Cargo-Cap概念，并进行了模型实验，就目前现有的技术而言，兴建ULS的经济与技术可行性已经具备，如何优化ULS的网络布局、功能分区、路径优化成为新的研究热点。在ULS的网络布局和优化方面，荷兰的Binsbergen等[9]研究了城市地下物流优化布局的网络优化方法，指出市综合物流是基于时间和空间的商品和服务的最优组合；黄欧龙等[10]、姜阳光等[11]、闫文涛[12]等分别运用SLP方法、集合覆盖模型、双层规划模型等对于城市ULS配送中心、物流节点选址进行了相关研究；封莎[13]据此构建了基于蚁群算法的地下通道网络设计的数理模型，得到地下通道最优路径图和一二级节点的位置；颜冰等[14]基于遗传模拟退火的聚类算法确定一二级节点群及其覆盖范围，提出网络连通度和网络容量等评价指标并建立中心节点的2种运输方式；冯舰锐等[15]根据应急物流的时间效率大于经济效益的特点，引入可动态变化的权重因子优化选址模型；冉连月等[16]利用Pajek软件综合考虑应急救援成本、地理空间等因素，建立了“P-中心应急救援站选址模型”。上述研究成果对于ULS的布局与优化有不少借鉴意义，但较少涉及ULS与应急管理工作相结合的文献。本文将综合考虑建立ULS在缓解地面交通压力的同时，设置ERRS选址模型和地下应急物流系统，使ULS的运行更加连贯和稳健，提升ULS整体的抗风险能力。

本文通过城市地面拥堵指数(TPI)，建立ULS的节点群和路径，同时考虑救援时间、覆盖范围及区域数量等因素，在ULS节点群内选建应急资源储备站(ERRS)，分2步共同建立救援时间最短和建站成本最小的多目标ERRS选址模型。另外，建立基于ERRS的UELS硬件基础设施、地下应急管理信息化平台、地下应急指挥系统3大部分的地下应急物流系统(UELS)模型，以便更好地开展防灾减灾工作，保障ULS正常运行，更好地服务于智慧城市、智慧交通、智慧物流的发展。

1 问题描述

建立地下应急资源储备站是为储备一定的应急资源，在突发事件发生后及时向其服务范围内的事发地配送资源，协同救援，从而减少生命财产损失。为减少成本、提高快速响应效率，应在ULS的节点群中选建ERRS，二者组合的示意图[17]如图1所示。

图1 基于交通分流的ULS-ERRS选址问题示意Fig.1 Schematic diagram of ULS-ERRS location problem based on traffic diversion

由图1可知，在尽量缓解地上交通拥挤状况的条件下，兴建包含一二级节点及节点间通路的地下物流系统，依据地面交通拥堵指数(Traffic Performance Index，TPI)、收发点货流量和距离远近，将地面上若干个货运收发点的流量分流至地下的一二级节点。一级节点之间彼此相互连通，并与物流园区连通，二级节点不能与非本区域的一级节点直接连通。为充分合理规划和利用地下空间，应急资源储备站将在这些一二级节点之间选取。

如上所述，可以将该问题引用图论的方法进行描述，相关的概念如下：

定义1-镇：地面上每个区域的中心点为一个“镇”，每个区域的面积即为“镇”的面积，每个区域内的货运流量视为由镇收发。

定义2-一二级节点：从地面收发货流量上限为U吨的节点作为一级节点，流量上限为L吨的作为二级节点。且U>L，U和L均为正实数，令ζ=U-L。

在尽量保证每个镇的TPI不超过4(即地上交通“基本畅通”)的前提下，将溢出的流量分流至地下。

定义3-应急资源储备站：简称ERRS，储备应急资源的站点，根据需要向有突发事件发生的需求站调运物资，存储、配送、检修是其三大核心功能。

定义4-需求站：被应急资源储备站覆盖的其他节点(包括本身)及延伸至相邻节点间路段路径中点的距离，通常当这些节点发生突发事件时，由距离其最近的ERRS调配应急资源。

由此，可以将基于分流的ULS-ERRS选址模型，分为2步来完成：第1步，根据地面TPI和货流量进行分流，确定ULS的一二级节点位置及相应路径，使节点群的数量尽可能少，同时节点群之间的路径链接尽可能短；第2步，根据已确定的节点群和路径，确定ERRS的数量及位置，使ERRS的数目尽可能少、应急资源的配送总时间尽可能短，以满足快速响应和成本最优的实际要求。

2 ULS-ERRS选址模型

2.1 第1步模型构建

前已述及，这一步的目标是分流之后，建立的节点群的数目最少，为此作如下假设：

假设1：一二级节点的容量总可以满足其辐射范围内镇的流量要求，并且由其货运辐射范围内的若干个镇的流量之和确定。

假设2：每个镇只被一个节点覆盖服务，即单个镇的流量仅由单个一级或二级节点负责收发。

假设3：令所有镇的地面TPI=4(若有TPI<4的不予改变)，多余的流量将被分流至地下。

设第i镇vi的面积为Ai(常数，已知)、TPI记为ri(镇i=1,2,…,n)，则所有镇的集合V={v1,v2,…,vn}；令λi为vi镇的“运量-拥堵”比例系数，则λi可由vi镇的初始总流量除以该镇的初始TPI得到，即λi为常数；Πε为物流园区名，ε=1,2,…,m；Sj为一二级节点的节点名，j∈{1,2,…,n}，显然Sj⊆V；Θε为物流园区ε的总货运流量，为常数。设Qi为vi镇总货运量(也称为总流量)，常数；为降低TPI，对总流量进行分流处理，其中fi为vi镇的地下货运总量(地下流量)，gi为vi镇的地上货运总量(地上流量)，且有Qi=fi+gi，分流后地面的交通拥堵状况会有所改善。

根据如上的假设，第1步的数学模型如下：

(1)

式中：N={1,2,…,n}为所有镇vi的集合；Λi为到镇vi的距离小于s(s为一二级节点的最大服务半径，常数)的备选一二级节点的集合，i∈N,Λi⊆N；fi表示镇vi的地下流量；eij表示从镇vi到最近的一二级节点Sj(Sj⊆V)的距离；hij为0～1变量，表示镇vi与一二级节点Sj的流量收发关系，hij=1表示镇vi的流量由一二级节点Sj收发，否则hij=0；xj为0～1变量，当xj=1表示点Sj为一二级节点；uj为0～1变量，当uj=0表示Sj为一级节点，当uj=1表示其为二级节点；M为充分大的正数。

上述在初始计算时，由于未对vi镇的总流量进行分流，导致fi与gi无法适当分配，进而ri难以确定，因此对上述模型进行如下所示修改：

当初始ri<4时，保留地上流量，地下流量为0；当ri≥4时，取ri=4，由λi及Qi分别确定其地上流量gi与地下流量fi；可以先不区分具体的一二级节点，由最终算法确定的节点处的流量和与物流园区的距离，自然能区分一二级节点。据此最终模型为：

(2)

各符号含义如前，但fk是已经经过分流后所得到的地下流量。

2.2 第2步模型构建

在第1步模型确立的ULS一二级节点群和路径图上，考虑建立一定数量的应急资源储备站，使总的建站数量最小即成本最小、总的在途应急资源配送时间最短。为此，作如下假设：

假设4：ERRS在物流园区与一级节点群之间选取，若有二级节点与距离其最近的ERRS的应急资源配送时间超过规定的配送时间上限，则也在该二级节点处建立ERRS。

假设5：1个需求站仅被1个ERRS覆盖服务。

假设6：不考虑该区域内地价等因素造成的建造ERRS的成本差异，即建站的费用仅与建站数量有关。

假设7：不考虑ERRS中资源的存储和采购费用。

假设8：不考虑区间限速，即救援配送车辆在各隧道间的行驶速度v0固定。

对式(1)～(2)中确定的节点群重新编号为1,2,…,n′，并设vi(i=1,2,…,n′)为ERRS，vj(j=1,2,…,n′)为需求站，dij(dij>0)为ERRSvi到需求站vj的最短距离，即∀p,q∈n′有dij=min{d(vi,vp)+d(vp,vj),d(vi,vq)+d(vq,vj)}。

根据上述假设，建立第2步的模型如下：

(3)

若要求在关键节点必须建站，则只需加上如下的条件即可：

(4)

其中Δ为式(2)中确定的一级节点的标号。

综上，基于分流的ULS-ERRS两步选址模型建立完成：首先根据地面拥堵指数(TPI)将地面部分流量引入地下，构建ULS的节点群和路径；然后在节点群和路径基础上，考虑救援距离和时间、特殊节点、覆盖范围及区域数量等条件，建立应急救援时间最短和建站成本最小的应急资源储备站选址模型。

3 基于ERRS选址模型的UELS系统设计

3.1 整体设计规划

地下物流系统(ULS)为解决城市交通拥堵问题提供了新的方向和途径，但ULS本身也要考虑安全监测与应急管理问题，应在建设初期规划好地下应急物流系统(UELS)。本文将地下应急物流系统(UELS)分为3大部分：基于地下应急资源储备站的硬件设施、地下物流的信息化平台以及地下应急指挥系统，共同支撑保障ULS的稳健、安全、高效运行。图2为UELS框架图。

从图2中可以看出，应急资源储备站(ERRS)的建设是地下应急物流系统(UELS)硬件基础，健全的地下物流应急信息管理系统、便捷高效的应急管理信息化平台是地下应急物流系统(UELS)的软件支撑，地下应急物流系统指挥系统是二者的总指挥。地下应急物流系统(UELS)管理体系在一定程度上，弥补了很多地下物流系统(ULS)本身的不足，可以使地下物流系统(ULS)的优势得以更全面更安全地实现。

图2 地下应急物流系统(UELS)框架Fig.2 Framework of underground emergency logistics system (UELS)

3.2 UELS硬件设施

硬件基础设施的建设对保障应急物流系统工作的顺利实施起着至关重要的作用。本文通过对上述选址模型的分析，搭建了地下物流网络，为地下物流应急管理系统搭建了重要根基，UELS的硬件设施可以在此基础上继续设置健全。除合理规划兴建应急资源储备站之外，UELS基础设施还包括应急通讯设备、应急储备物资、应急救援决策人员以及地下交通网络等等。科学完备的地下应急物流系统硬件设施可以使ULS的运行更加连贯和稳健，从而减轻各ERRS站点的压力。

3.3 UELS信息化平台

健全UELS还需要搭建ULS应急管理信息化平台(Emergency Management Information System，EMIS)，构筑包括物联感知平台、视频联动平台等的多功能复合子平台。在ULS突发事件事前预防阶段，进行实时动态监测，获取最新的实况信息，进行安全维护和日常巡检，以便提前发现安全隐患、辨识危险源；在ULS突发事件事中应急阶段，充分利用应急管理信息化平台进行快速响应，根据应急预案，对平台内的ERRS站点群中的应急资源进行合理调度，科学规划ERRS救援车辆的行车路径和人员配备，可以根据优先级进行动态调整与匹配；在ULS突发事件事后处置阶段，利用现场分析报告，对突发事件的性质、原因、影响范围、损失程度、风险评估等进行总结分析，更新完善“资源池”和安全知识库，为后续类似的突发事件提供经验教训。

3.4 UELS应急指挥系统

UELS的应急管理体系，有了硬件基础和信息化平台，必然需要构筑二者联系的纽带和桥梁，亦即UELS应急管理体系的“中枢神经”——应急指挥系统。UELS的应急指挥系统是以ERRS为硬件基础，以UELS应急管理系统、UELS应急管理信息化平台、全面应急管理体系为软件支撑，先进的安全监测与预警预测技术和手段，对ULS中的突发事件进行事前、事中、事后等各阶段进行及时有效地应对和处置。

4 结论

1)根据地面拥堵指数(TPI)，构建ULS的节点群和路径，充分利用地下空间；结合应急物流突发性等特点，综合考虑救援距离和时间、特殊节点等条件，建立救援时间最短和建站成本最小的应急资源储备站选址模型，为地下应急物流系统做出应急救援保障。

2)建立地下应急物流系统，可为当前新应急管理形式下应急物流系统研究、应用推广与管理提供理论支持。

3)本文仅考虑了地面交通流量的静态情形，没有考虑到地面流量增长对地下物流系统的影响，因而尚有很大的深入研究的空间，需今后做进一步的研究。