魏昌盛，陳維鋒，黃丁發(fā)，郭紅梅，雷秋霞

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都，610031;2.四川省地震局，四川成都，610041)

0 引言

地震作為一種危害人類社會安全的主要自然災(zāi)害之一，給人民的生命財產(chǎn)造成了極大的損失。地震尤其是強(qiáng)震會造成大面積的房屋破壞倒塌，而建筑物倒塌就成為導(dǎo)致人員傷亡的主要原因［1］。破壞性地震發(fā)生后，第一時間就是考慮救人。群眾的自救互救是主要的救援方式;解放軍和武警官兵是參與救援的首要救援力量;專業(yè)救援隊則靠著專業(yè)的技術(shù)裝備，能搜索和營救出那些難于救出的遇難者。在地震預(yù)報不過關(guān)，抗震設(shè)防尚未到位的當(dāng)前，通過震后及時、有序、高效的應(yīng)急救援行動，可以迅速拯救生命，救助災(zāi)民，穩(wěn)定社會，穩(wěn)定民心［2］。2008年汶川特大地震救援是新中國成立以來最大規(guī)模的救援行動，也是新興的我國專業(yè)救援隊伍最大規(guī)模的一次科學(xué)救援行動［3］。由于救援初期前方災(zāi)情信息獲取不及時、后方信息支撐服務(wù)能力不足、各救援隊缺乏統(tǒng)一調(diào)配，導(dǎo)致救援力量分配不合理，出現(xiàn)某些地區(qū)救援力量過剩，而大量重災(zāi)區(qū)救援力量嚴(yán)重不足的現(xiàn)象。針對這些存在的不足，研究一種能運用于實際的救援力量部署模型就顯得格外重要。救援力量部署就是指把有限的救援力量投入到最需要救援的地方，使救援效率最高(在最短的時間救出的人員最多)。

1 模型總述

每次地震的影響范圍不同，造成的破壞區(qū)域也不同，可能是包括幾個區(qū)縣的一大片區(qū)域，也可能是具體某個區(qū)縣，所以救援力量的部署需要分兩個層面來考慮:區(qū)域?qū)用婧同F(xiàn)場層面。

這兩個層面考慮的側(cè)重點不同，具體的部署模型也會存在差異。區(qū)域部署考慮的是總的救援力量，例如大量救援力量部署到需優(yōu)先救援的重災(zāi)區(qū);而現(xiàn)場部署考慮的是具體某個救援點，如某個學(xué)校、小區(qū)等，且在現(xiàn)場需考慮搜索和營救兩種部署情況，還要對投入力量進(jìn)行實時優(yōu)化部署。雖然兩種層面有差異，但是總體的模型原理都是一致的，都是基于壓埋人員數(shù)量和行進(jìn)時間和救援時間損耗為優(yōu)先考慮對象。具體原理如下。

首先研究影響救援優(yōu)先級的影響因素，區(qū)域主要有破壞后的救援難度(主要因素有展開救援的地形、救援時的天氣情況以及破壞后的交通情況)、壓埋人數(shù)(有預(yù)估則采用預(yù)估人數(shù)，沒有則以區(qū)域人口為準(zhǔn))和區(qū)域破壞程度;現(xiàn)場主要有壓埋人數(shù)(有預(yù)估則采用預(yù)估人數(shù)，沒有則以在室人口［4］為準(zhǔn))、救援難度(主要因素為建筑物類型)。合理確定指標(biāo)權(quán)重，可以更加客觀地得出評估結(jié)果［5］。一般采用比較成熟的層次分析法。然后對救援優(yōu)先級的影響因素采用歸一化處理，并進(jìn)行數(shù)字量化得出分值，再根據(jù)加權(quán)評價模型得出各個區(qū)域的救援優(yōu)先級得分。

式中:W表示評價總分(百分制);Ai表示第i項指標(biāo)的實際得分值;Pi表示第i項指標(biāo)的權(quán)重;n為指標(biāo)項數(shù)。

行進(jìn)路徑原理:在確定各區(qū)域救援力量的需求后，把所有區(qū)域(或建筑物)及它們之間的道路組成一個拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，將集中區(qū)域的居民點(建筑物群)作為節(jié)點，道路作為弧段，道路行進(jìn)時間(考慮線路的暢通性和救援隊的行進(jìn)方式)作為權(quán)重。對形成的賦權(quán)有向圖D=(V，A)，對每一個弧a=(vi，vj)，相應(yīng)的有權(quán)ω(a)=ωij，又給定D中的兩個頂點νs，νt。設(shè)P是D中從νs到νt的一條路，定義P中所有弧的權(quán)之和，記為ω(P)［6］。結(jié)合區(qū)域反饋信息，判斷道路是否通行，在可通行的道路網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖論的最佳路徑原理中的Dijkstra算法給出由起始點到目標(biāo)點的最佳路徑P0，即時間成本最低出救援隊的行進(jìn)路徑。

2 區(qū)域部署模型

2.1 救援力量需求

區(qū)域就是泛指的各縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，首先根據(jù)地震信息和災(zāi)情信息對區(qū)域的優(yōu)先級進(jìn)行排序。然后根據(jù)災(zāi)情信息得出每個區(qū)域的救援隊力量需求。救援力量需求分析就是指在確定各區(qū)域派遣救援的最少救援力量。救援力量需求為:

式中:R為救援力量需求(救援隊的數(shù)量);W為壓埋人數(shù)，可由震害預(yù)測得出或估計得出;T1為自地震發(fā)生后，被壓埋人員極限生存時間，與壓埋人員當(dāng)時所處的環(huán)境有關(guān)，如在干燥的環(huán)境下為72 h左右，而潮濕的環(huán)境可達(dá)124 h左右;T2為救援隊從駐地到救援縣市所需時間，與救援隊的行進(jìn)方式有關(guān)，T1～T2即為壓埋人員的生命時限;B為一個救援隊的平均救援效率，根據(jù)歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)定為10人/h(汶川地震出動國內(nèi)、國際救援隊108支，救出1.7萬人［3］，按照各支救援隊的平均救援時間計算救援效率)。

2.2 救援力量部署

救援力量在第一時間大多數(shù)情況下不能及時得到整合，能派往各受災(zāi)區(qū)域的救援力量有限，需要有效利用，把能利用的救援力量派往救援優(yōu)先等級高的區(qū)域，把各救援隊根據(jù)資質(zhì)或者救援經(jīng)驗進(jìn)行能力評估打分，把最好的救援隊派往優(yōu)先級最高的地方。如救援隊排序為i1，i2，…，ik，…，im，而區(qū)域優(yōu)先級排序為j1，j2，…，jk，…，jn，則按照ik→jk對應(yīng)部署。若m＞n，則im+l→jl(l=1，2，…，n)。部署流程如下:

(1)調(diào)用優(yōu)先級和救援隊的能力表信息，根據(jù)能力最高的前往優(yōu)先級最高的目標(biāo)的原則，人機(jī)交互確定各支救援隊的救援區(qū)域。若某救援隊由出發(fā)點J派往K，根據(jù)最佳路徑確定行進(jìn)線路。

(2)K的救援任務(wù)完成，在相鄰節(jié)點查詢沒有救援隊的節(jié)點，得出個數(shù)N，如果N=1，則派往該節(jié)點，完成救援后重復(fù)步驟(1)，如果N＞1，判斷各個區(qū)域的救援優(yōu)先級并由高到低排序。

(3)如果相鄰優(yōu)先級得分差值在10分以內(nèi)，認(rèn)為救援優(yōu)先級相同，救援隊派往由K到這些時間耗費最少的區(qū)域，救援任務(wù)完成后重復(fù)步驟(1);如果相鄰區(qū)域優(yōu)先級差值大于10分，則把救援隊派往優(yōu)先級得分最高的區(qū)域，救援任務(wù)完成后重復(fù)步驟(1)。

(4)如果相鄰節(jié)點中都已有救援隊，在整個網(wǎng)絡(luò)中查詢沒有救援隊的節(jié)點，得出個數(shù)N'，如果N'=1，則派往該節(jié)點，完成救援后重復(fù)步驟(1)，如果N'＞1，判斷各個區(qū)域的救援優(yōu)先級并由高到低排序，重復(fù)步驟(2)。

在以上所有步驟中的救援優(yōu)先級得分和最佳路徑的確定都會根據(jù)現(xiàn)場采集的實時信息而發(fā)生更改。已有救援隊的意思是指已經(jīng)有救援隊在進(jìn)行救援和已經(jīng)有救援隊正在趕往該區(qū)域。

3 現(xiàn)場部署模型

現(xiàn)場是以各小區(qū)、行政村為劃分單位，可由現(xiàn)場指揮人員對各救援隊劃分任務(wù)區(qū)。現(xiàn)場救援所針對救援目標(biāo)是各建筑物(群)，需進(jìn)行搜索和營救兩個步驟。首先根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)、破壞程度、在室人數(shù)(壓埋人數(shù))等因素對各建筑物(群)進(jìn)行優(yōu)先級排序，然后再展開搜索和救援。

3.1 搜索力量部署

搜索是以在建筑物(群)中發(fā)現(xiàn)幸存者為主要目的，初始的建筑物(群)搜索順序以最開始額建筑物(群)優(yōu)先級別作為標(biāo)準(zhǔn)展開搜索，但在現(xiàn)場信息如實際壓埋人數(shù)反饋以后，需要對建筑物(群)的搜索優(yōu)先級別從新排序，從而實時更改各建筑物(群)的搜索順序。搜索力量部署模型如下:

(1)某救援隊某搜索小組根據(jù)搜索優(yōu)先級由出發(fā)點J派往建筑物(群)K，根據(jù)最佳路徑確定行進(jìn)線路。

(2)K任務(wù)完成后，確定下一目標(biāo)，在相鄰節(jié)點查詢沒有搜索小組的節(jié)點，得出個數(shù)M，如果M=1，則派往該節(jié)點，完成搜索后重復(fù)步驟(1)，如果M＞1，判斷各個建筑物的搜索優(yōu)先級并由高到低排序。

(3)如果相鄰優(yōu)先級得分差值在10分以內(nèi)，認(rèn)為搜索優(yōu)先級相同，搜索小組派往由K到這些建筑物時間最短的建筑物(群)，搜索任務(wù)完成后重復(fù)步驟(1);如果相鄰建筑物優(yōu)先級差值大于10分，則把搜索小組派往優(yōu)先級得分最高的建筑物(群)，搜索任務(wù)完成后重復(fù)步驟(1)。

(4)如果相鄰節(jié)點中都已經(jīng)有搜索小組，在整個網(wǎng)絡(luò)中查詢沒有搜索小組的節(jié)點，得出個數(shù)M'，如果M'=1，則派往該節(jié)點，完成搜索后重復(fù)步驟(1)，如果M'＞1，判斷各個建筑物的搜索優(yōu)先級并由高到低排序，重復(fù)步驟(3)。

3.2 營救力量部署

初始目標(biāo)點和搜索行動相同，但營救著重在于救出存活的人，需要根據(jù)搜索出的存活人數(shù)再對各建筑物(群)的營救優(yōu)先級進(jìn)行排序(還未得到搜索結(jié)果的以原來的壓埋人數(shù)為依據(jù))，爾后展開營救。營救的部署過程和搜索的部署過程很相似，可參考3.1節(jié)中的描述，在此不再累述。

4 救援力量優(yōu)化部署

當(dāng)救援隊到達(dá)現(xiàn)場，實際受災(zāi)程度與預(yù)測的受災(zāi)程度可能差別很大，救援隊就需要在現(xiàn)場把信息反饋給指揮部。這里存在兩種情況，需要進(jìn)行優(yōu)化:①力量不足，需要增援;②力量富余，需要重新指派任務(wù)。

4.1 救援力量不足的部署優(yōu)化

救援力量不足，需要請求增援，增援請求判斷模型如下:

當(dāng)參加營救的組數(shù)小于需營救的建筑物(群)數(shù)時，第1次請求增援。當(dāng)某個或多個救援小組對搜救行動感到力量不足，第2次請求增援。推算式為:

式中:t為建筑物內(nèi)剩余壓埋人員需消耗的救援時間;S為建筑物內(nèi)剩余的壓埋人員;v為先前搜救分別為之前搜救出的人員數(shù)和消耗的時間;t'為發(fā)震到救援隊對建筑物剩余人員展開救援的時間，定義為損耗時間，T=72－t'為剩余壓埋人員的生命時限。

請求增援的具體流程如下:

(1)救援隊到達(dá)救援現(xiàn)場，明確救援區(qū)域后，分成Q個小組，確定在該區(qū)域最高級別的建筑物(群)數(shù)為Z，根據(jù)最佳路徑確定行進(jìn)路線，如果Q＜Z，第1次請求增援;

(2)當(dāng)救援小組把救援情況實時發(fā)送到指揮部，指揮部根據(jù)救援小組當(dāng)前救援效率，判斷是否需要增援，如果T＜t，則發(fā)出請求增援信息。

(3)救援部署如上所述的搜索和營救部署。

增援請求是每棟建筑物(群)報告的屬性信息，是動態(tài)的，需實時更改。

4.2 救援力量富余的部署優(yōu)化

當(dāng)現(xiàn)場實際破壞程度低于評估的破壞程度，就需要對富余的救援力量重新排遣，以照顧請求增援點和行動耗時最短為原則進(jìn)行調(diào)配，具體優(yōu)化部署如下。

(1)在所有建筑物(群)中查詢還沒有救援隊的建筑物數(shù)(群)X。

(2)如果X=0，查詢所有發(fā)出增援的建筑物數(shù)(群)Y，如果Y=1，派往到此建筑物(群)，任務(wù)完成后再次查詢X和Y，如果X，Y=0，則反饋指揮部，等待命令;如果Y≠1，根據(jù)壓埋人數(shù)和救援難度重新得出救援優(yōu)先級并排序，相鄰優(yōu)先級得分差值在10分以內(nèi)，認(rèn)為救援優(yōu)先級相同，救援小組派往由當(dāng)前區(qū)域到這些建筑物(群)時間最短的建筑物(群)，救援任務(wù)完成后重復(fù)步驟(1);如果相鄰建筑物(群)優(yōu)先級差值大于10分，則把救援隊派往優(yōu)先級得分最高的建筑物(群)，救援任務(wù)完成后重復(fù)步驟(1)。

(3)如果X=1，救援隊派往該建筑物(群)，任務(wù)完成后，重復(fù)步驟(1)。

(4)如果X＞1，根據(jù)壓埋人數(shù)和救援難度重新得出救援優(yōu)先級并排序，相鄰優(yōu)先級得分差值在10分以內(nèi)，認(rèn)為救援優(yōu)先級相同，救援小組派往由當(dāng)前區(qū)域到這些建筑物(群)時間最短的建筑物，救援任務(wù)完成后重復(fù)步驟(1);如果相鄰建筑物(群)優(yōu)先級差值大于10分，則把救援隊派往優(yōu)先級得分最高的建筑物(群)，救援任務(wù)完成后重復(fù)步驟(1)。

5 總結(jié)

當(dāng)前我國專業(yè)救援隊數(shù)量還不夠多，裝備還不夠全面，面對越來越嚴(yán)峻的地震災(zāi)害，專業(yè)救援隊的建設(shè)勢在必行。而當(dāng)破壞性地震來臨時，救援隊的出擊是否高效有序，直接關(guān)系到能否最大限度地挽救生命?！秶鴦?wù)院進(jìn)一步加強(qiáng)防震減災(zāi)工作的意見》提出了到2015年在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口稠密地區(qū)救援隊需在2 h內(nèi)到達(dá)救援現(xiàn)場的目標(biāo)，更加大了我國專業(yè)救援隊建設(shè)的緊迫感。本文提出的救援力量部署模型，簡單易于編程實現(xiàn)，但僅針對當(dāng)前實際情況，隨著救援隊伍的不斷壯大，模型還需修改，以適應(yīng)建設(shè)的步伐。

［1］陳維鋒，王云基，顧建華，等.地震災(zāi)害搜索救援理論與方法［M］．北京:地震出版社，2008．

［2］郭紅梅，黃丁發(fā)，陳維鋒，等．城市地震現(xiàn)場搜救指揮輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［J］．地震研究，2008，31(1):83－88．

［3］曲國勝.汶川特大地震——專業(yè)救援隊救援案例［M］．北京:地震出版社，2009

［4］肖東升，黃丁發(fā)，王旭，等.在室率先驗區(qū)劃在地震壓埋率的應(yīng)用研究［J］．地震研究，2009，32(4):395－401．

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［6］《運籌學(xué)》教材編寫組.運籌學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2008．