资源计划及其优化技术研究

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应急响应资源计划的设计

应急响应资源计划的快速制定关系到应急救援的效果。应急响应资源计划包含应急目标、物料清单、应急资源需求预测和应急资源清单四个部分，它们之间关系如下图所示：应急目标Input基于灾情信息，体现为应急资源的需求，包括应急物资的数量需求、质量需求以及结构需求[8]。应急资源目标与突发事件相关。本文中每个应急目标对应一个灾难事件。将灾情信息Input（灾难类型，灾难等级，受灾人数，发生地点，发生时间）作为应急响应资源计划系统的输入，生成应急响应资源计划。物料清单BOM是对某一类灾难事件资源需求的描述。本计划中有一个物料清单集，每一种灾难事件（如地震）对应一个物料清单。清单中包含针对某一种应急目标需要的应急资源、数量及其结构信息。应急响应需求预测Demand是在物料清单的基础上快速生成的。（5）式中i为应急目标iInput的乘子，它是Inputi和iBOM根据算法进行确定的。根据（5）式可快速预测出应急目标iInput所需要的应急资源。()=*iiiiifInputDemandBOM=(5)应急响应资源清单Plan是采用多目标优化算法对应急响应需求预测Demand优化得到的。这部分的目标是使得到的应急响应资源清单是某些约束下最优的，确保物料号的实例化能够使得救援物资成本达到最低。选取对救援成本影响最大的属性作为优化目标，并对这些目标赋予相应的权重值，最终选取线性加权和最小的组合构成应急响应资源清单。具体优化算法模型见(1)~(4)式。

应急响应资源计划的优化

应急资源的重要作用是“应急”，要求在规定时间内满足灾区对资源的基本需求，包括基本生活物资、医疗救助、交通运输以及通信联络等。应急资源计划以“时间”为核心。据此，可选择多个属性来描述资源，如到达灾区的最短时间、价格、包装规格等。不同应用场合中，可根据情况修改属性，增加或减少属性个数。本文定义三个目标：最短运输时间、最适合规则包装和最低总体采购价格。相应地，选择物资到达灾区所需时间、包装规则度、资源价格三个因素作为每种资源的属性。其中包装规则度是指物资合适集装箱等规则运输的系数，取值为0到1之间，0为最适合。前两个目标的选择考虑到应急物资响应的及时性，除了时间目标外，包装规则度表征物资更适合批量或集装箱运输，从而实现物资的快速分发。资源价格目标体现了应急响应的经济性。依据本文2.1节，使用Matlab进行建模求解，对应急响应资源计划进行优化，操作过程和结果分析见第5部分示例。为了对算法性能进行测试，在实验平台（WindowsXP，Matlab6.1）上使用函数随机生成410个样本，进行了线性加权算法优化效果和执行时间的测试实验。图3是权重取值w（0.15,0.35,0.5）时未优化结果均值和优化目标总结果的对比图。未优化均值是通过对随机选取的10000种组合的总结果求算术平均得到的。图3实验结果表明，随着物资总数量的增加，目标结果(y)呈线性增长，且优化结果能保持大约50%优化率（（未优化均值-优化值/未优化均值）*100%）表1为在不同权重下的平均优化率。本实验主要是考虑权重取值对算法优化率的影响，选取了多组权重值，得到对应的优化效果图，在此基础上得到平均优化率。由表1中实验数据可知，在不同的权重值下，优化算法都能达到50%左右的高优化率，这对提高应急物资筹备效率降低成本有重要意义。由图4可知，当资源种数在410数量级以下，本文选用的优化算法能够在很短的时间内运行完成。然而，一般情况下突发事件中涉及到的资源种数不会超过这个数量级。因此，本文算法能够满足实际要求。

系统实现及样例

目前，已将本文前面介绍的应急响应资源计划嵌入到SahanaEden开源应急信息平台中。在开源框架Web2py上使用Python开发语言进行前端Web开发，后端使用MySQL数据库服务器进行数据库定义和数据操作。系统在包含资源基本构成信息的应急物料清单基础上，可自动快速完成应急资源需求预测和优化等任务。最终得到能够支持决策者快速筹备应急资源的应急响应资源清单。资源清单有Web、EXCEL和TXT等多种可选格式，可导出数据进行存档，方便日后查询和学习之用。最后，通过仿真实验验证了系统能够稳定完成预期功能，丰富了SahanaEden平台的功能，为应急救援决策提供新的支持。系统中应急目标向量设为Input（灾难类型，等级，受灾人口，受灾地类型，发生时间）。假设某次突发事件的应急目标C（地震，7级，120000，城镇，2a.m.）。系统首先根据灾难类型快速匹配对应的物料清单BOM，即地震灾难类型对应的物料清单。设这个物料清单对应的应急目标向量B（地震，6级，100000，城镇，3a.m.）。采用加权法计算乘子。对应急目标向量中的灾难等级、受灾人口、受灾地类型和发生时间分别赋予权重值0.3、0.1、0.5和0.1。1niiiiCwB==∑×（6）(6)式中n为应急目标向量中属性总数（本例中n=4），iw是第i个属性的权重，iC表示应急目标C中第i个属性值，对应的，iB表示地震物料清单对应的应急目标向量B中第i个属性值。由(6)式，计算出乘子=1.03。根据(5)即可快速预测这灾难事件需要的应急资源。4.2.2资源展开假设资源需求预测中需要A、B两种物资，A、B具体数据见表2、表3：结果分析：当权重向量为(0.2,0.2,0.6)时，可选择A21300份，A3500份，B36000份，以及B484000份。当权重因子选取不同时，系统运行结果不同。在不同情境下决策者可按照各目标的重要程度进行调整，使得到的优化结果最大限度符合当前状况。结束语本文借鉴MRP-II管理方法进行应急响应资源计划的设计，且在时间和经济指标约束下对其进行了优化，扩展了广受欢迎的SahanaEden应急管理平台的功能，在构建快速应急响应信息系统方面做了有益的尝试。后续工作将针对应急需求预测进行深入研究，重点探索更优的乘子计算方法以及尝试其他优化方法。

本文作者：游黎段成华工作单位：中国科学院大学