CN111882909A - 基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市道路交叉***通信号控制技术领域，且公开了基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，包括以下步骤：1)、2)、3)、4)、5)、6)、7)、8)。该基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，通过充分考虑不同的优先等级应急车辆和实时变化的交通环境，在考虑影响应急车辆调度和动态路径选择因素的基础上，建立基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方案，实现应急车辆实时避开交通拥堵，快速到达目的地，提高应急救援运行效率，同时本发明具有实时性和灵活性，达到了可针对不同种类应急车辆的调度与动态路网下调整应急车辆最优路径选择问题的效果。

Description

基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法

技术领域

本发明涉及城市道路交叉***通信号控制技术领域，具体为一种基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法。

背景技术

目前国内多数城市的城市化进程加剧，应急突发事件的发生日益严峻，因此如何有效地结合应急车辆的调度与路径选择，发挥应急救***通的最大效能已成为缓解应急事件人员伤亡和财产损失的有力方法，建设基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，针对不同优先等级的应急交通，进行有效的管控，是降低突发事件的影响，减轻其发生后果的严重性的有力手段。

目前存在的应急车辆救援方法，大部分还是将应急车辆的调度和路径选择分割成两个整体进行研究，即使有小部分考虑双层规划的，也只能考虑到调度或路径选择中单个研究目标，存在没有考虑到不同种类的应急交通的特点和路网的动态变化的缺点，往往交通模型本身由于不同种类应急车辆的特点不同、路网的动态变化以及干扰源种种原因，并非在所有场合均适用，其适用性和可靠性有限，即使能够适用，也存在模型的参数标定校正等一系列繁琐的过程，无法做到有效地实现针对不同的优先等级应急车辆，在考虑路网的动态变化的基础上，实现应急车辆的调度与路径优化集成救援，故而提出一种基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法来解决上述中所提出的问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，具备可针对不同种类应急车辆的调度与动态路网下调整应急车辆最优路径选择问题等优点，解决了现有技术无法做到针对不同优先等级应急车辆，在考虑路网的动态变化的基础上，实现应急车辆的调度与路径优化集成救援的问题。

(二)技术方案

为实现上述可针对不同种类应急车辆的调度与动态路网下调整应急车辆最优路径选择问题的目的，本发明提供如下技术方案：基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，包括以下步骤：

1)、分析影响应急车辆的调度的因素，在本发明中将应急车辆调度阶段的目标分为三个：以最小的时间成本实现对事故请求点的供应、以最小的固定成本实现各出救小区的选择、以最小的容量成本限制各出救小区中不同等级应急车辆的调度数量；

2)、分析影响应急车辆的路径选择的因素，在本发明中将应急车辆路径选择阶段的目标分为两个：以最小救援车辆的路段行程时间到达事故点，以最小信号延误时间避开交叉口；

3)建立上层应急车辆调度的目标函数：

λ_p为判断出救小区p是否派出车辆进行救援的决策变量，P为所有备选出救小区的集合，P₀为被选中作为出救小区的集合，

为出救小区p中参与救援的k型车的数量，f_p为每个出救小区p参与救援的固定成本，K为所有参与应急救援的车型集合，β_l′为出救小区p中第k型车的容量限制系数，f_β为出救小区的容量限制成本，l为应急车辆的严重级别，a_l为l级应急车辆优先等级的权重，T′_p为从p出救小区到事故发生点的最优行驶时间，c_k(t)为k型车从出救小区行驶到救援请求点救援请求点每分钟产生的费用；

4)、建立上层应急车辆调度的补充条件：

为出救小区p中现有的k型车的数量；m_k为救援请求点救援请求点中需要救援的k型车的数量；

5)、建立下层应急车辆的车辆动态路径选择的目标函数：

为判断车辆是否从p出救小区出发，从i点前往j点决策变量，

为判断k型车是否从p出救小区出发，进行救援的决策变量模型参数，T′_p为从p出救小区到事故发生点的在途行程时间，T_c为不同种类应急车辆在交叉节点的延误时间，t_ij为应急车辆从节点i出发行驶到节点j所用的时间，

为表示路径交通状态参数，Δt_c为每辆应急车辆在交叉口等待的时间差；

6)、建立下层应急车辆动态路径选择的补充条件：

为时间间隔Δt_l路径ij的交通状态影响值；

7)、采用NSGA-II算法求解上层应急车辆调度的目标函数，得到初步的上层的最优解，采用改进蚁群算法求解下层应急车辆路网选择的目标函数，得到初步的下层的最优解；

8)、根据固定时间间隔更新路网的情况，采用上下层目标函数最优解相结合的方式，确定迭代次数，如果在一定的迭代次数内，当前上层调度的费用成本和下层路径选择的时间成本最优解没有变化，那么就终止计算，并输出当前上、下层的最优解，形成应急救援调度与动态路径方案。

优选的，所述包括不同优先等级应急车辆的划分、应急车辆的调度、动态道路状态的变化和最优路径的选择，先建立双层规划的模型，确定应急调度和路径选择的影响因素，从下层应急车辆最优路径选择着手，得到符合满意度指标的从出救小区到达救援请求点的最优路径，再确定迭代次数和采用上下层目标函数最优解相结合的方式，如果在一定的迭代次数内，当前上层调度的费用成本和下层路径选择的时间成本最优解没有变化，那么就终止计算，并输出当前上、下层的最优解，比较上层规划的目标函数在救援的结果，最终得到双层规划模型的最优解，确定双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法。

优选的，所述上层调度模型中考虑的因素包括以实现事故请求点的供应的时间成本实现对、实现各出救小区的选择的固定成本及实现限制各出救小区中不同等级应急车辆的调度数量的容量成本。

优选的，所述下层路径选择模型中考虑的因素包括应急救援车辆到达事故的路段行程时间及与路径选择中交叉口数量有关的信号延误时间。

优选的，所述对不同种类的应急救援车辆进行优先等级的划分，优先考虑等级高的应急车辆进行调度，减少灾难点伤亡。

优选的，所述考虑路网的动态变化，以固定的时间间隔更新路网交通状态。

优选的，所述上层调度模型的求解采用带精英策略的非支配排序的遗传算法求解，得到不同优先等级的应急车辆的出救小区情况和出救车辆的相应数量，作为上层的最优解输入集成方法。

优选的，所述下层调度模型的求解采用改进蚁群算法求解，得到不同优先等级的应急车辆的动态救援路径，作为下层的最优解输入集成方法。

优选的，所述得到最优解后进行判断，如果在一定的迭代次数内，上层和下层的最优解没有变化，那么就终止计算，并输出当前上、下层的最优解，最终得到双层规划模型的最优解。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，具备以下有益效果：

1、该基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，通过充分考虑不同的优先等级应急车辆和实时变化的交通环境，在考虑影响应急车辆调度和动态路径选择因素的基础上，建立基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方案，实现应急车辆实时避开交通拥堵，快速到达目的地，提高应急救援运行效率，同时本发明具有实时性和灵活性，达到了可针对不同种类应急车辆的调度与动态路网下调整应急车辆最优路径选择问题的效果。

2、该基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，通过基于城市应急事故发生后应急车辆的救援特点，针对不同种类应急车辆的调度与动态路网下应急车辆最优路径选择问题，提出基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成优化方法，对基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法进行验证，结果表明该方法与仅考虑调度或路径选择的方法相比，调度中总成本降低了2％以上；路径选择中在途行程时间减少了21％以上，从而有效的解决了现有技术无法做到针对不同优先等级应急车辆，在考虑路网的动态变化的基础上，实现应急车辆的调度与路径优化集成救援的问题。

附图说明

图1为本发明提出的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法整体优化流程图。

图2为本发明提出的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法整体路网示意图；

图3为本发明提出的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法整体路网最初状态示意图；

图4为本发明提出的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法整体路网5分钟状态变化示意图；

图5为本发明提出的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法整体路网10分钟状态变化示意图；

图6为本发明提出的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法整体动态路径选择结果示意图；

图7为本发明提出的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法整体调度成本对比示意图；

图8为本发明提出的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法整体路径选择的行程时间对比分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，包括以下步骤：

1)、分析影响应急车辆的调度的因素，在本发明中将应急车辆调度阶段的目标分为三个：以最小的时间成本实现对事故请求点的供应、以最小的固定成本实现各出救小区的选择、以最小的容量成本限制各出救小区中不同等级应急车辆的调度数量；

2)、分析影响应急车辆的路径选择的因素，在本发明中将应急车辆路径选择阶段的目标分为两个：以最小救援车辆的路段行程时间到达事故点，以最小信号延误时间避开交叉口；

3)建立上层应急车辆调度的目标函数：

λ_p为判断出救小区p是否派出车辆进行救援的决策变量，P为所有备选出救小区的集合，P₀为被选中作为出救小区的集合，

为出救小区p中参与救援的k型车的数量，f_p为每个出救小区p参与救援的固定成本，K为所有参与应急救援的车型集合，β_l′为出救小区p中第k型车的容量限制系数，f_β为出救小区的容量限制成本，l为应急车辆的严重级别，a_l为l级应急车辆优先等级的权重，T′_p为从p出救小区到事故发生点的最优行驶时间，c_k(t)为k型车从出救小区行驶到救援请求点救援请求点每分钟产生的费用；

4)、建立上层应急车辆调度的补充条件：

为出救小区p中现有的k型车的数量；m_k为救援请求点救援请求点中需要救援的k型车的数量；

5)、建立下层应急车辆的车辆动态路径选择的目标函数：

为判断车辆是否从p出救小区出发，从i点前往j点决策变量，

为判断k型车是否从p出救小区出发，进行救援的决策变量模型参数，T′_p为从p出救小区到事故发生点的在途行程时间，T_c为不同种类应急车辆在交叉节点的延误时间，t_ij为应急车辆从节点i出发行驶到节点j所用的时间，

为表示路径交通状态参数，Δt_c为每辆应急车辆在交叉口等待的时间差；

6)、建立下层应急车辆动态路径选择的补充条件：

为时间间隔Δt_l路径ij的交通状态影响值；

7)、采用NSGA-II算法求解上层应急车辆调度的目标函数，得到初步的上层的最优解，采用改进蚁群算法求解下层应急车辆路网选择的目标函数，得到初步的下层的最优解；

8)、根据固定时间间隔更新路网的情况，采用上下层目标函数最优解相结合的方式，确定迭代次数，如果在一定的迭代次数内，当前上层调度的费用成本和下层路径选择的时间成本最优解没有变化，那么就终止计算，并输出当前上、下层的最优解，形成应急救援调度与动态路径方案，包括不同优先等级应急车辆的划分、应急车辆的调度、动态道路状态的变化和最优路径的选择，先建立双层规划的模型，确定应急调度和路径选择的影响因素，从下层应急车辆最优路径选择着手，得到符合满意度指标的从出救小区到达救援请求点的最优路径，再确定迭代次数和采用上下层目标函数最优解相结合的方式，如果在一定的迭代次数内，当前上层调度的费用成本和下层路径选择的时间成本最优解没有变化，那么就终止计算，并输出当前上、下层的最优解，比较上层规划的目标函数在救援的结果，最终得到双层规划模型的最优解，确定双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，上层调度模型中考虑的因素包括以实现事故请求点的供应的时间成本实现对、实现各出救小区的选择的固定成本及实现限制各出救小区中不同等级应急车辆的调度数量的容量成本，下层路径选择模型中考虑的因素包括应急救援车辆到达事故的路段行程时间及与路径选择中交叉口数量有关的信号延误时间，对不同种类的应急救援车辆进行优先等级的划分，优先考虑等级高的应急车辆进行调度，减少灾难点伤亡，考虑路网的动态变化，以固定的时间间隔更新路网交通状态，上层调度模型的求解采用带精英策略的非支配排序的遗传算法求解，得到不同优先等级的应急车辆的出救小区情况和出救车辆的相应数量，作为上层的最优解输入集成方法，下层调度模型的求解采用改进蚁群算法求解，得到不同优先等级的应急车辆的动态救援路径，作为下层的最优解输入集成方法，得到最优解后进行判断，如果在一定的迭代次数内，上层和下层的最优解没有变化，那么就终止计算，并输出当前上、下层的最优解，最终得到双层规划模型的最优解。

工作原理：该基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，通过充分考虑不同的优先等级应急车辆和实时变化的交通环境，在考虑影响应急车辆调度和动态路径选择因素的基础上，建立基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方案，实现应急车辆实时避开交通拥堵，快速到达目的地，提高应急救援运行效率，同时本发明具有实时性和灵活性，达到了可针对不同种类应急车辆的调度与动态路网下调整应急车辆最优路径选择问题的效果。

综上所述，该基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，通过基于城市应急事故发生后应急车辆的救援特点，针对不同种类应急车辆的调度与动态路网下应急车辆最优路径选择问题，提出基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成优化方法，对基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法进行验证，结果表明该方法与仅考虑调度或路径选择的方法相比，调度中总成本降低了2％以上；路径选择中在途行程时间减少了21％以上，从而有效的解决了现有技术无法做到针对不同优先等级应急车辆，在考虑路网的动态变化的基础上，实现应急车辆的调度与路径优化集成救援的问题。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、分析影响应急车辆的调度的因素，在本发明中将应急车辆调度阶段的目标分为三个：以最小的时间成本实现对事故请求点的供应、以最小的固定成本实现各出救小区的选择、以最小的容量成本限制各出救小区中不同等级应急车辆的调度数量；

2)、分析影响应急车辆的路径选择的因素，在本发明中将应急车辆路径选择阶段的目标分为两个：以最小救援车辆的路段行程时间到达事故点，以最小信号延误时间避开交叉口；

3)建立上层应急车辆调度的目标函数：

λ_p为判断出救小区p是否派出车辆进行救援的决策变量，P为所有备选出救小区的集合，P₀为被选中作为出救小区的集合，

为出救小区p中参与救援的k型车的数量，f_p为每个出救小区p参与救援的固定成本，K为所有参与应急救援的车型集合，β_l′为出救小区p中第k型车的容量限制系数，f_β为出救小区的容量限制成本，l为应急车辆的严重级别，a_l为l级应急车辆优先等级的权重，T′_p为从p出救小区到事故发生点的最优行驶时间，c_k(t)为k型车从出救小区行驶到救援请求点救援请求点每分钟产生的费用；

4)、建立上层应急车辆调度的补充条件：

为出救小区p中现有的k型车的数量；m_k为救援请求点救援请求点中需要救援的k型车的数量；

5)、建立下层应急车辆的车辆动态路径选择的目标函数：

为判断车辆是否从p出救小区出发，从i点前往j点决策变量，

为判断k型车是否从p出救小区出发，进行救援的决策变量模型参数，T′_p为从p出救小区到事故发生点的在途行程时间，T_c为不同种类应急车辆在交叉节点的延误时间，t_ij为应急车辆从节点i出发行驶到节点j所用的时间，

为表示路径交通状态参数，Δt_c为每辆应急车辆在交叉口等待的时间差；

6)、建立下层应急车辆动态路径选择的补充条件：

为时间间隔Δt_l路径i j的交通状态影响值；

7)、采用NSGA-I I算法求解上层应急车辆调度的目标函数，得到初步的上层的最优解，采用改进蚁群算法求解下层应急车辆路网选择的目标函数，得到初步的下层的最优解；

8)、根据固定时间间隔更新路网的情况，采用上下层目标函数最优解相结合的方式，确定迭代次数，如果在一定的迭代次数内，当前上层调度的费用成本和下层路径选择的时间成本最优解没有变化，那么就终止计算，并输出当前上、下层的最优解，形成应急救援调度与动态路径方案。

2.根据权利要求1所述的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，其特征在于：所述包括不同优先等级应急车辆的划分、应急车辆的调度、动态道路状态的变化和最优路径的选择，先建立双层规划的模型，确定应急调度和路径选择的影响因素，从下层应急车辆最优路径选择着手，得到符合满意度指标的从出救小区到达救援请求点的最优路径，再确定迭代次数和采用上下层目标函数最优解相结合的方式，如果在一定的迭代次数内，当前上层调度的费用成本和下层路径选择的时间成本最优解没有变化，那么就终止计算，并输出当前上、下层的最优解，比较上层规划的目标函数在救援的结果，最终得到双层规划模型的最优解，确定双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法。

3.根据权利要求1所述的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，其特征在于：所述上层调度模型中考虑的因素包括以实现事故请求点的供应的时间成本实现对、实现各出救小区的选择的固定成本及实现限制各出救小区中不同等级应急车辆的调度数量的容量成本。

4.根据权利要求1所述的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，其特征在于：所述下层路径选择模型中考虑的因素包括应急救援车辆到达事故的路段行程时间及与路径选择中交叉口数量有关的信号延误时间。

5.根据权利要求1所述的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，其特征在于：所述对不同种类的应急救援车辆进行优先等级的划分，优先考虑等级高的应急车辆进行调度，减少灾难点伤亡。

6.根据权利要求1所述的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，其特征在于：所述考虑路网的动态变化，以固定的时间间隔更新路网交通状态。

7.根据权利要求3所述的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，其特征在于：所述上层调度模型的求解采用带精英策略的非支配排序的遗传算法求解，得到不同优先等级的应急车辆的出救小区情况和出救车辆的相应数量，作为上层的最优解输入集成方法。

8.根据权利要求4所述的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，其特征在于：所述下层调度模型的求解采用改进蚁群算法求解，得到不同优先等级的应急车辆的动态救援路径，作为下层的最优解输入集成方法。

9.根据权利要求1所述的基于双层规划的应急救援调度与动态路径集成方法，其特征在于：所述得到最优解后进行判断，如果在一定的迭代次数内，上层和下层的最优解没有变化，那么就终止计算，并输出当前上、下层的最优解，最终得到双层规划模型的最优解。

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