基于区域特征信息的相似区域应急物资储备规划

陈祖琴

（重庆科技学院图书馆，重庆 401331）

在应急响应过程中，要想准确地预测目标区域可能需要的全部应急物资，并据此有效地规划应急物资储备方案是比较困难的。有别于普通的突发事件，在特定的重大突发事件发生时，对应急物资的需求类型较为明确，且需求的数量常常具有阶段爆发性，难以在短期内从其他区域调度并得到合理供应，不利于突发事件的有效控制。但是，通过对已经发生的重大历史突发事件进行挖掘，可以发现与该类突发事件发生的区域具有较大相似性的区域，因此能够根据历史案例中应急物资的需求情况，在相似区域进行合理的预先储备，从而提升相似区域应急物资储备规划的有效性。

从应急情报研究的角度入手，通过对突发事件案例情报进行挖掘，提取重大突发事件发生的区域特征信息，并据此研究基于相似区域挖掘的应急物资储备方案规划方法。通过判断某类突发事件未来可能的发生区域，并根据历史案例情景中的应急物资需求情况，对目标区域的应急物资储备方案进行规划，从而对突发事件发生后的应急物资进行提前储备。

一、相关研究

应急物资储备规划中，主要规划内容为应急设施选址以及应急物资的储备量。关于应急设施选址的研究始于HAKIM、TOREGAS和CHURCH等人的研究工作，他们提出了覆盖模型、P-中心模型、P-中线模型3类基本的应急设施选址模型[1-3]，后来发展的应急物资布局问题研究多数是基于这3类模型。LIU HONG通过层次分析法分析并构建了成本最小化模型[4]。GRIGOROUDIS E等人通过优化供应链设计构建成本最低的选址模型[5]。杜博等人以成本最小化为目的构建了两阶段模型[6]；李周清等人通过不同区域应急物资储备库的联合使用和建设来控制成本[7]。林琪等人兼顾以人为本和经济性设计了考虑关联与替代关系的应急物资储备量模型[8]。KHAYAL等人以时间最小为目标构建了选址模型[9]。孙颖等人建立了非线性混合整数规划模型，最小化资源救助点到不同资源需求点的时间总量[10]。郗蒙浩等人构建了国家级应急物资储备设施选址模型（EFLP），该模型考虑了地区人口分布、经济条件、交通状况和多重覆盖关键地区等综合因素，优化了布局应急物资储备设施[11]。陈祖琴等人将应急物资储备系统建设划分为目标情景类确定、应急物资需求特征确定、选址与物资储备情况规划3个阶段，并利用情报学方法分别进行了优化[12]。姜海秋运用改进的AHP方法，以时间响应最短为目标，分别构建了单层级和多层级情况下的自然灾害应急物资储备库的选址模型[13]。陈则辉以时间最短为目标，研究了在模糊环境下的应急物资储备库选址和配送问题[14]。NICHOLAS等人构建了包含成本最小化和覆盖人口数量最大化的多目标扩展模型[15]。陈志宗等人考虑应急救援设施的公平性和效率性，整合了传统选址模型中常用的最大覆盖模型、P-中心模型和P-中值模型，进行重大突发事件应急救援设施选址研究[16]。

综上所述，关于进行应急设施选址和储备量规划的研究已较为成熟，且形成了较为一致的规划目标，即成本最小、响应时间最短、覆盖范围最大。然而，针对具体的区域，进行应急物资储备规划前，首先需要确定该地区可能发生的突发事件。同时，在制定具体的应急物资储备方案时，借鉴已经发生过同类事件的区域的应急物资需求情况，有助于提高应急物资储备规划的合理性。

针对特定的重大突发事件，通过区域特征信息挖掘相似区域，发现该事件未来可能发生的目标区域后，利用历史区域的应急物资需求情况，根据多目标优化的思想，沿用成本最小、响应时间最短、覆盖范围最大的目标，设计相应的应急物资储备方案评价指标，对目标区域的候选应急物资储备方案进行评价，规划相对最优的储备方案。

二、应急物资储备方案规划过程

基于区域特征信息的相似区域应急物资储备方案规划过程，如图1所示。

图1 基于区域特征信息的相似区域应急物资储备方案规划过程

首先，利用每类突发事件情景的区域特征信息和专家评分加权确定相似区域，作为突发事件情景的目标区域。突发事件的发生总是与一定的自然环境、社会环境等分不开，针对每类突发事件，挖掘其发生区域中对事件的发生、发展具有较大影响的自然环境、社会环境等因素，作为该类事件的区域特征信息，并结合专家意见对这些特征信息的重要程度进行加权。根据提取的区域特征信息，判断其他区域在自然环境、社会环境等方面是否具有这些特征信息，从而据此判断其他区域与突发事件发生区域的相似度，将相似度大于一定阈值的区域作为目标区域。

然后，根据案例库中每类突发事件情景发生时的应急物资需求情况，确定目标区域各类应急物资的合理储备地点及储备量，并经过多目标优化确定最终的应急物资储备方案。通过提取每类突发事件中不同案例发生时，用到的应急物资种类、每种物资的需求总量，以及物资到位的时间，再结合案例应急救援效果分析，从而确定每种物资的最优储备数量和最佳到位时间，最终规划最优储备地点以及各储备点每种物资的储备数量，形成应急物资储备方案。

三、基于区域特征信息的相似区域挖掘

对大量突发事件案例进行分析，从定量的角度发现每类重大突发事件案例情景中的区域特征信息，并利用专家评分定性地对每一特征信息的重要程度进行加权，从定量和定性结合的角度出发，挖掘与已经发生某类突发事件的区域对应的相似区域，作为某类突发事件可能发生的目标区域。

（一）区域特征信息挖掘

区域特征信息的挖掘同时基于定性和定量的方法进行。利用抓取的突发事件描述文本，经过分词，采用人工标注的方式，从文本中抽取出关于突发事件发生区域描述的词汇，并将不同类别的词汇用不同的符号进行标注。将人工标注结果作为训练集，通过机器学习对每类突发事件全部文本进行自动标注，得到每类突发事件对应区域的全部特征信息词。根据每类特征信息词出现的频率，选取每个区域中包含的该类高频特征信息词，作为该区域的区域特征信息。

（二）“区域—特征信息”矩阵构建

针对待规划应急物资储备方案的所有区域，构建“区域-特征信息”矩阵，如某个区域具有某项特征信息，则在矩阵中相应的位置标记为1，不具有则记为0。

针对某一重大突发事件类A，令曾发生过该事件类的区域集合为A={A1，A2，…，An}，待规划应急物资储备方案的区域集合为 A′={An+1，An+2，…，Ak}。 针对每一区域分别提炼其区域特征信息集合，得到 P1，A={P1，1，P1，2，…，P1，i}，P2，A={P2，1，P2，2，…，P2，j}，…，Pn，A={Pn，1，Pn，2，…，Pn，r}，则突发事件 A 的“区域-特征信息”矩阵中，特征信息项为集合 P1，A，P2，A，…，Pn，A的并集 P={P1，P2，…，Pm}。 突发事件类 A 的“区域-特征信息”矩阵示例，如表1所示。

表1 突发事件类A的“区域-特征信息”矩阵示例

（三）基于专家评分的区域特征信息重要度加权

将专家对区域特征信息的重要度判断结果，作为在后续进行区域相似度计算时，“区域-特征信息”矩阵中区域特征信息的重要性权值。选用系统工程论中确定指标权重时采用的相对比较法，让专家对各项区域特征信息的重要度进行打分，得出区域特征信息的相对重要度分值。采用0—1打分法，Pi，j代表区域特征信息Pi与区域特征信息Pj重要度相比的结果，判断矩阵对角线上的元素不填写，也不参加运算。判断标度及判断矩阵如表2、表3所示。

表2 判断标度

表3 区域特征信息重要度专家打分矩阵

利用表2的判断标度，根据专家打分结果，得出专家对每项区域特征信息重要度的相对评分。区域特征信息 Pr的相对得分 WPr计算方法如公式（1）[16]所示。

最后，将相对得分作为区域特征信息的重要度权值，利用针对某类重大突发事件构建的“区域—特征信息”矩阵，进一步挖掘已经发生过该类突发事件区域的相似区域，作为针对某类突发事件需要进行应急物资储备规划的目标区域。

（四）基于加权“区域-特征信息”矩阵的相似区域挖掘

针对所有参与挖掘的区域，根据构建的“区域-特征信息”矩阵，利用专家对区域特征信息的重要度打分为权值，计算区域之间的相似度，并设定相似度阈值，相似度大于设定阈值的即为相似区域。

区域之间的相似度计算，采用贴近度方法。模糊数学中的贴近度是指模糊集与模糊集之间靠近程度的度量[17]。这里，贴近度是指不同区域之间某类突发事件发生可能性的贴近程度，具体定义如下。

设 X≠Ø，φ⊆F（X），N：φ×φ→[0，1]且对于任意集合，满足条件：

X为区域集合，φ是X上的正规模糊集F（X）的全体，N称为φ上的贴近函数称为在φ上对的贴近度。（说明：Ø为空集，∀表示“对于任意”，∃表示“存在”，都是数学上的标准通用符号）

由上述定义，确定如下贴近度函数，用于衡量不同区域突发事件的相似程度。

设X≠Ø，φ⊆F（X），且φ是X上的正规模糊集的全体（即，当且仅当∃x∈X，使得集合X的特征函数，对于，令

相似度阈值可根据实际情况，比如限定筛选出的相似区域的数量范围，按需要设定和调整，以便保证候选相似区域集合中的区域数量在较为合适的范围。

四、基于相似区域应急物资需求的目标区域应急物资储备规划

基于相似区域在突发事件发生时的应急物资需求情况，对目标区域的应急物资需求情况进行预测，从而合理规划目标区域的应急物资储备。首先，对每一相似区域在应对突发事件过程中需求的主要物资种类进行提取，再提取每种物资的需求数量和到位时间，并分析在不同的供给数量和供给时间保障下，对应急效果的影响，从而在考虑储备和运输成本的基础上，确定每种物资的最优储备数量和最优储备地点，并通过多目标优化探讨不同物资进行组合储备的综合最优，生成最终的应急物资储备方案。目标区域应急物资储备方案生成过程如图2所示。

（一）相似区域应急物资需求情况挖掘

相似区域应急物资需求情况挖掘，包括提取区域的应急物资需求情报，并进行应急效果的评价。针对某类重大突发事件，设定相似区域集合A={A1，A2，…，Ak}，分别提炼每个区域中该类突发事件发生时的应急物资需求情况，综合得到所有的需求物资集合R={R1，R2，…，Rn}，物资种类集合由相似区域应急过程中包含的全部物资种类构成，效用具有可替代性的物资种类需进行合并。

其中，区域 Ai需求的物资 Rj的需求情况记录为 Ri，j，Ri，j=〈需求数量，到位时间〉，Ri，j的应急效果记录为 Qi，j。由于Qi，j难以进行精确的绝对效果的比较，仍采用前述的相对比较法，让专家对其进行打分，确定相对效果。

根据专家对各区域应急效果的相对评分，区域Ai应急效果的相对得分Wi，j计算方法如式（3）所示。

其中，Qi，r，j表示应急效果 Qi，j与 Qr，j相比的相对好坏，Qi，r，j=1 表示 Qi，j比 Qr，j的应急效果好，Qi，r，j=0 表示Qi，j比 Qr，j的应急效果差，Qi，r，j=0.5 表示 Qi，j与 Qr，j的应急效果一样。

根据应急效果相对评分，设定可接受的效果阈值，从而确定每种应急物资在救援中可接受的需求情况，作为目标区域的候选储备计划。

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图2 目标区域应急物资储备方案生成过程

（二）目标区域应急物资储备方案规划

1.候选应急物资储备量和储备地点规划

利用每种物资的候选储备计划，得到物资集合R={R1，R2，…，Rm}中任一物资Rj的候选储备量集合Nj={Nj，1，Nj，2，…，Nj，n}，以及各储备量对应的到位时间集合 Tj={Tj，1，Tj，2，…，Tj，n}，从而根据目标区域的具体情况，生成物资 Rj在任一候选储备量 Nj，r下，在目标区域的候选储备点集合 Lj，r={Lj，r，1， Lj，r，2，…， Lj，r，k}。 对所有应急物资构造的候选储备点集合取并集，得到目标区域的候选应急物资储备点集合L={L1，L2，…，Ls}。之后，对各候选应急物资储备点，列出其可以储备的物资，生成候选储备点—可储备物资表格，即每个候选储备点的储备子方案，便于后续进行物资组合储备，确定最终的储备方案，如表4所示。

表4 候选储备点-可储备物资表格

表4中，储备量指对应的物资在对应的储备点存储时，需要储备的数量。

2.基于多目标优化的应急物资储备方案规划

利用每个候选储备点的储备子方案进行组合和优化，对候选储备点进行选择，确定最终的应急物资储备系统选址，并对所有应急物资的最终储备数量和组合储备方式进行确定，即构成目标区域的完整应急物资储备方案。根据已有应急物资储备研究中的3个主要目标：成本最小、到位时间最短、覆盖范围最大，将组合方案应用到目标区域后得出的估算成本、估算到位时间、估算覆盖范围作为最终制定应急物资储备方案的评价标准。

由于成本、到位时间、覆盖范围单个目标之间可能是矛盾的，因此只考虑单目标最优化，无法满足实际的需求，所以采用多目标优化的方法，寻求成本、到位时间、覆盖范围的整体最优，制定目标区域的最终应急物资储备方案。应急物资储备方案优化目标整体上可概括为：估算成本最小、估算到位时间最小、估算覆盖范围最大。在求解这一多目标优化问题时，采用加权的方法把多目标优化问题转化为单目标极小化问题进行求解，给不同的目标赋予不同的权重值，从而得到不同的结果，再对结果进行分析得出最终的方案。

多目标优化模型如下：

式中：C表示成本；L表示储备点；R表示物资；T表示物资到位时间；E表示储备点的覆盖范围。公式（4）表示总成本最小，其中表示方案中选定的每个储备点LK可能的储存成本的和，表示方案中的每种物资Rf可能的运输成本的和；公式（5）表示到位时间最小，其中表示方案中的每种物资Rf可能的到位时间的加权和，ωf为物资的重要性权值；公式（6）表示覆盖范围的倒数最小，其中表示方案中选定的每个储备点LK可能的覆盖范围的和。

为了便于比较，将各个目标统一在相同的数量级上，需要对目标进行归一化处理，让所有目标的值统一在[0，1]上。

令：

取3个目标的最小加权和为模型的优化目标，即：

式中：w1，w2，w3分别为3个目标的权值，且w1+w2+w3=1。w1，w2，w3的值由方案设计者根据不同的设计偏好，进行合理的调整。

五、问题探讨

基于区域特征信息的相似区域应急物资储备方案规划，侧重于从定性与定量相结合的角度，利用历史案例情报并结合专家判断，挖掘相似区域，再根据相似区域在突发事件发生过程中的应急物资需求情况，规划目标区域的应急物资储备方案。从应急管理部门的角度出发，获取历史事件中的应急物资需求情况具有可行性，从而使得利用相似区域的应急物资需求情况规划目标区域的应急物资储备方案具有可操作性，减小了规划的难度，提升了规划的客观性。本文主要是从理论层面进行了探讨，为了保证方案规划的有效性，尚存在如下一些问题需要着重关注。

（一）区域特征信息提取完备性问题

由于相似区域判断时主要利用“区域-特征信息”矩阵，区域特征信息提取的完备性，直接决定了相似区域判断的准确性，因此需要对突发事件情景进行深入分析，尽可能挖掘影响事件在区域发生的全部特征信息，从而提高相似区域挖掘的准确性。针对每类突发事件情景，尽可能全面地获取该类事件的不同历史案例，挖掘每个具体案例中的特征信息，有助于提高区域特征信息挖掘的完备性。但是，由于突发事件的突发性和偶发性决定了完全相同或高度相似的突发事件案例情景数量较少，因此需从完整的突发事件情景角度去挖掘历史案例，从而获取区域特征信息难以保证完备性。然而，一个突发事件情景在发展过程中，可以划分为若干独立的子情景，这些子情景既可以是由完整事件情景经过横向划分，形成的不同类别的子情景，也可以是经过纵向划分，形成的同一情景类别的不同发展阶段。因此，可以对突发事件案例进行细粒度划分，挖掘突发事件发展过程中不同子情景的区域特征信息，经过组合形成完整突发事件的区域特征信息，从而提高区域特征信息挖掘的完备性。在以往的研究中，笔者探讨了通过情景拆分进行突发事件案例库建设的方法[18]，后续将进一步研究其在区域特征信息挖掘中的应用。

（二）目标区域候选应急物资储备点确定问题

根据历史案例中的应急物资到位时间，在目标区域确定相应的候选储备点，是进行目标区域应急物资储备规划的重要环节。确定目标区域可用的候选应急物资储备点选址，需要由专门的机构和人员来进行判断，具有较强的专业知识依赖性和主观性，算法只是对专家工作的辅助。根据每种物资的最佳到位时间，需要由专门的机构和人员根据目标区域的地势分布、建筑情况、人流情况，以及在不同区域建设的成本问题、储备点的储备能力问题等，再综合考虑储备点的运输方式和运输路线，确定目标区域中这种物资可选的候选储备点集合。根据确定的候选物资储备点集合，再利用多目标优化算法，最终确定具体的储备点。

（三）应急物资储备方案优化问题

应急物资储备系统建设方案优化子目标包括估算成本最小、估算到位时间最小、估算覆盖范围最大，量化候选方案的成本、到位时间、覆盖范围，这是保证优化效率的关键。因此，设计有效的估算方法尤为重要。估算成本主要包含储备成本和运输成本，储备成本需要对储备点建设和维护需要花费的成本进行合理估计，运输成本则需要对物资从储备点到突发事件可能发生地点产生的运输费用进行估计。估算到位时间需要综合考虑物资的运输方式和运输路线等。估算覆盖范围则需要通过物资在有效到位时间内能够到达的距离进行估计。同时，在优化的过程中，如何对这3个子目标进行合理的加权，对于方案设计者具有较大的挑战，需要设计者具有丰富的经验，根据区域的重点突发事件类型来判断各个指标的重要程度。例如，如果对物资的到位时间要求很高，则可以相对提高估算到位时间的权重，相应地减小估算成本的权重；如果更加看重应急救援的成本控制，则可以适当降低到位时间的权重。具体的操作中，需要由应急管理机构相应的决策者，根据实际情况作出合适的选择。

未来的研究工作中，需要加强与各个相关职能部门的合作，获取应急物资救援中的案例数据，通过实证分析来验证基于区域特征信息的相似区域应急物资储备规划方法的有效性，并进行不断改进和完善，提高其实用性，从而增强该方法对应急物资储备方案规划的决策支持作用。