CN113420920B - 一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法及*** - Google Patents

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Abstract

一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法及***，它属于应急管理技术领域。本发明解决了采用现有方法无法决策出最佳运送路线的问题。本发明依据wardrop平衡准则的Beckmann交通流量分配模型和BRP函数得到最基本的应急物资运输最短路径的数学模型，同时引入节点重要性指标作为评判是否需采取管制措施的依据，必要时将针对于特定节点选取恰当的管制方式疏导其他车辆。从而确保运输物资的车辆行驶通畅并及时到达事故发生地，减少人员伤亡与其他损失的发生。并且将管制措施的选取引入数学模型中也在一定程度减少了原有模型计算路径时的误差，便于得到更优的运输路径。本发明可以应用于应急资源运送路径决策。

Description

一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法及***
技术领域
本发明属于应急管理技术领域，具体涉及一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法及***。
背景技术
自然灾害、事故灾难、公共卫生事件、社会安全事件等突发事件发生时，应急资源的快速送达是有效开展应急处置和救援及事态控制的关键，因此，应急资源运送路径的选择尤为重要。应急资源位置分布、实时路况、突发事件干扰等都对运送路径选择产生动态、不可忽略的影响。目前在进行应急路径选择时，往往考虑实时路况、路径可靠度等因素，以时间最短或可靠度最佳为优化目标。如专利申请CN112071060A提出了一种基于城市路网交通环境变化的应急路径救援路径规划方法，主要通过分析城市应急救援的特性并确定应急救援路径规划评价指标，构建应急救援路径规划协同优化的基本框架，提出协同优化算法求解并输出最优路径规划结果，基于此不断降低救援行程时间并提高应急救援的可靠性。专利申请CN111882909A基于双层规划的应急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，建立双层规划的应急调度与动态路径继承方案，实现应急车辆及时避开交通拥堵路段，确保快速到达目的地，切实提高应急救援运行效率，该方法还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。
然而，应急资源运送与居民常规出行路径选择不同，往往需要实施科学、合理的交通管制措施以尽可能地降低应急资源运送过程中受到的干扰，保障应急资源快速、安全送达。但实际应急处置过程中，交通管制措施与路径选择并不是同步决策的，往往是在路径选择决策之后，在已选路径上实施交通管制。鉴于突发事件时交通需求的急剧变化或道路条件限制等，交通管制未必会达到理想效果，所选路径未必是最佳运送路线，影响应急救援的时效性。
发明内容
本发明的目的是为解决采用现有方法无法决策出最佳运送路线的问题，而提出一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法及***。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、确定应急资源运送初选路径
步骤一一、将交通路网抽象成为图G(V，E)，其中V表示路网中所有节点的集合，E表示连接节点的各个路段的集合，(i，j)∈E，i，j为路网中的节点，(i，j)为连接节点i，j的路段；
步骤一二、求得物资起始供应节点与所需物资节点之间的最短路径解，将求得的最短路径解作为初选路径，将初选路径记为Route_initial；
步骤二、分别计算出初选路径中每个节点的重要性指标，再选取出最大的两个重要性指标所对应的节点，将选取出的节点所在的路段作为管制区域CD；
对管制区域CD进行交通管制后，得到受管制的初始路径，将受管制的初始路径记为Route_ctrl；
并根据管制后的节点求得新的最短路径解，将新的最短路径解记为Route_new；
步骤三、比较Route_ctrl与Route_new，若Route_ctrl＝Route_new，则选取Route_new为最终决策路径，否则令Route_initial＝Route_new，并重复步骤二的过程，直至Route_ctrl＝Route_new，获得最终决策路径。
一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策***，用于执行一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法及***，本发明依据wardrop平衡准则的Beckmann交通流量分配模型和BRP函数得到最基本的应急物资运输最短路径的数学模型，同时引入节点重要性指标作为评判是否需采取管制措施的依据，必要时将针对于特定节点选取恰当的管制方式疏导其他车辆。从而确保运输物资的车辆行驶通畅并及时到达事故发生地，减少人员伤亡与其他损失的发生。并且将管制措施的选取引入数学模型中也在一定程度减少了原有模型计算路径时的误差，便于得到更优的运输路径。
附图说明
图1为本发明的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、确定应急资源运送初选路径；
步骤一一、将交通路网抽象成为图G(V，E)，其中V表示路网中所有节点的集合，E表示连接节点的各个路段的集合，(i，j)∈E，i，j为路网中的节点，(i，j)为连接节点i，j的路段；
步骤一二、在图G(V，E)中，通过建立模型求得物资起始供应节点与所需物资节点之间的最短路径解，将求得的最短路径解作为初选路径，将初选路径记为Route_initial；
步骤二、分别计算出初选路径中每个节点的重要性指标，再选取出最大的两个重要性指标所对应的节点，将选取出的节点所在的路段作为管制区域CD；
对管制区域CD进行交通管制后，得到受管制的初始路径，将受管制的初始路径记为Route_ctrl；
并根据管制后的节点求得新的最短路径解，将新的最短路径解记为Route_new；
步骤三、比较Route_ctrl与Route_new，若Route_ctrl＝Route_new，则选取Route_new为最终决策路径，否则令Route_initial＝Route_new，并重复步骤二的过程，直至Route_ctrl＝Route_new，获得最终决策路径。
选取最终决策路径以及相应交通管制措施，以确保应急物资能够及时送达，使得损失和影响最小化，对于应急救援工作具有一定的指导意义。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一二中，求得物资起始供应节点与所需物资节点之间的最短路径解，其具体过程为：
Figure BDA0003127072280000031
Figure BDA0003127072280000032
Figure BDA0003127072280000033
Figure BDA0003127072280000034
Figure BDA0003127072280000035
Figure BDA0003127072280000036
Figure BDA0003127072280000037
Figure BDA0003127072280000038
其中：T表示救援车辆在物资起始供应节点与所需物资节点之间行驶的总时间；
x(i,j)表示在有交通管制下路段(i,j)的交通流量；
Rrs表示OD对于rs间的车辆行驶路径集合；
O表示物资的起始供应节点集合；
D表示所需物资的节点集合；
r表示某一个物资起始供应节点，且r∈O；
s表示某一个所需物资的节点，且s∈D；
(i,j)∈Rrs表示路段(i,j)在Rrs上；
Figure BDA0003127072280000041
表示Rrs中的第k条路径上的流量，k∈Rrs；
Qrs表示rs间的所有路径上的流量和；
t(i,j)(x)表示路段(i,j)的通行时间函数；
x0(i,j)表示理想状态时路段(i,j)的交通流量；
Figure BDA0003127072280000042
表示路径之间的关联系数，若路段(i,j)在Rrs的第k条路径上，则
Figure BDA0003127072280000043
为1，否则
Figure BDA0003127072280000044
为0；
Figure BDA0003127072280000045
表示路径之间的关联系数，若路段(j,i)在Rrs的第k条路径上，则
Figure BDA0003127072280000046
为1，否则
Figure BDA0003127072280000047
为0；
i∈V/{r,s}代表节点i既不是节点r，也不是节点s；j:(i,j)∈E代表在全部路段中，以节点j为终点的路段的集合；j:(j,i)∈E代表在全部路段中，以节点j为起点的路段的集合；
将救援车辆行驶总时间最小的路径作为物资起始供应节点与所需物资节点之间的最短路径解。
上述公式依次表示：救援车辆所需要的最短时间、OD之间的需求平衡、路段流量的计算、用户路径连续性约束、用户流量守恒约束、路段流量守恒公式、非负约束以及0-1约束。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述通行时间函数为：
Figure BDA0003127072280000051
其中，t(i,j)(x(i,j))表示在有交通管制下路段(i,j)的通行时间函数；
t(i,j)(0)表示在路段(i,j)上的自由通行时间；
α、β为回归系数；
C(i,j)表示路段(i,j)的通行能力。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤二中，分别计算出初选路径中每个节点的重要性指标，其具体过程为：
Figure BDA0003127072280000052
其中，vipi表示节点i的重要性指标；
α1和α2均为大于零的常数；
CVB-SP(i)表示节点i的点介数；
Qi表示节点i处的车辆密度指数；
avg(Q)表示初选路径中所有节点处的车辆密度指数的均值；
max(Q)表示初选路径中所有节点处的车辆密度指数中的最大值。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述常数α1和α2满足α1+α2＝1。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述新的最短路径解满足如下条件：
Figure BDA0003127072280000061
Figure BDA0003127072280000062
Figure BDA0003127072280000063
Figure BDA0003127072280000064
Figure BDA0003127072280000065
Figure BDA0003127072280000066
Figure BDA0003127072280000067
Figure BDA0003127072280000068
其中：
Figure BDA0003127072280000069
和
Figure BDA00031270722800000610
均为车流量的影响指标。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述路段(i，j)的交通管制方式为禁止社会车辆通行时，影响指标
Figure BDA00031270722800000611
的取值为1，影响指标
Figure BDA00031270722800000612
和
Figure BDA00031270722800000613
的取值为0。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述路段(i，j)不采取管制时，影响指标
Figure BDA00031270722800000614
和
Figure BDA00031270722800000615
的取值为0。
此时，模型转化为具体实施方式二的模型。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述路段(i，j)的交通管制方式为交通分流、反向交通组织、区间逆行、限制社会车辆的行驶速度或禁止左转时，影响指标
Figure BDA00031270722800000616
的取值均在(0,1)之间，影响指标
Figure BDA00031270722800000617
和
Figure BDA00031270722800000618
的取值为0。
不同的管制方式对于车流量的不同影响指标ω根据以往的数据来进行评定。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策***，该***用于执行具体实施方式一至具体实施方式九之一的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法。
实施例
本发明有助于在非常规事件发生后，帮助决策者敲定应急救援路径，确保最短时间将救援物资第一时间运送至事发处，减少各方损失。本发明通过以下几步来实现：
步骤一：确定应急资源运送初选路径
通过建立基本模型并在理想条件下求得最短路径集合，而后按照通行时间由短到长进行排序，得到运送路径TOP N解集。
1.前提假设
(1)将交通路网抽象成为图G(V，E)，其中V表示路网中所有节点i的集合，E表示的是连接节点的各个路段的集合，并且有(i，j)∈E；
(2)交通管制的信息是完全公开的，在接到非常规事件发生的信息后，应急管理相应部门会通过各种渠道向公众散播索要采取的管制信息，这样以来出行司机可以及时根据信息进行调整；
(3)假设运输的是某一类物资，也就是说考虑单点对单点的应急物资调度问题；
(4)交通需求是一致的，并且可以通过先前的交通量进行统计分析得到；
(5)用户平衡分配模型，如果在路网中两个节点之间存在多条道路并且这两个节点之间的交通量是比较少的，那么此时行驶的车辆一定会选择去沿着最短的路径继续行驶。假设所有的车辆都这么规划，那么最短路径的交通流量随着车辆的增多而增多，在到达某一程度之后，通过这条最短路的行驶时间会因车流多形成拥堵而加长。那么，最短路径将会发生变化(这里最短路径使用通行时间来计量)，在原来最短路径上形式的一部分车辆就会重新选择最短路径。所以两点之间的所有道路都可能被选择。如果所有车辆的驾驶者都是理性的且可以准确的获取各条道路的实时信息并作出最短路径的选择，那么最终两点之间所有可能被利用的道路的通行时间都相等，这一状态就被称为道路网络中的用户平衡状态。
(6)根据wardrop平衡准则，即假设所有的出行者理性的选择最短的路径作为出行路径，使得交通路网可以达到一种平衡的状态。在此状态下，若考虑拥挤对于行车速度即时间的影响，全部被使用的路径行驶时间均相等且最小，其余未被使用的路径的时间则都会大于或等于最小的行驶时间。
(7)满足wardrop平衡准则的Beckmann交通流量分配模型，说明了在一组等式约束条件下的极小值的问题，并且之前已经被证明它的解是满足平衡分配的解。
2.运送路径初选集合确定：
Figure BDA0003127072280000081
Figure BDA0003127072280000082
Figure BDA0003127072280000083
Figure BDA0003127072280000088
其中xa为路段a上的交通流量，ta为路段a上的耗时(用时间来表示的费用)，
Figure BDA0003127072280000084
为某一个物资供应点到救援终点的路径k的流量，qrs为所涉及时段内从r到s的所有交通的需求，即OD量，
Figure BDA0003127072280000085
为路径与路段之间的关联系数，同下，若路段a在链接OD间的第k条路径上，则为1，否则为0。
3.符号说明
T：表示救援车辆行驶的总时间；
O：表示物资的起始供应点集合；
D：表示所需物资的节点集合；
r：表示某一物资供应的起点，且r∈O；
s：表示某一所需物资节点，且s∈D；
Qrs：表示OD段对于rs间的交通需求量；
Figure BDA0003127072280000086
表示所采取的管制方式；
ω：表示管制方式对于交通流量影响的系数，且ω∈[0,1]，0表示不采取管制措施这里不考虑，1表示采取全管制；管制强度主要体现在对于交通流量的影响；
x0(i,j)：表示理想状态时的交通流量，即救援车辆可以较为自由通过时的交通流量；
x(i,j)：表示在有交通管制下的交通流量，由于不同管制的力度不同而不同；
C(i,j)：表示路段(i,j)的通行能力；
t(i,j)(x)：表示路段(i,j)的通行时间函数，这里采取美国联邦公路管理局的BRP函数表达式：
Figure BDA0003127072280000087
其中，α，β为回归系数；
t(i,j)(0)为自由通行时间；
Rrs：表示OD对于rs间的车辆行驶路径集合；
Figure BDA0003127072280000091
表示Rrs的第k条形式路径上的流量，k∈Rrs
Figure BDA0003127072280000092
表示路径之间的关联系数，若路径(i,j)在Rrs的第k条路径上，则
Figure BDA0003127072280000093
为1，否则
Figure BDA0003127072280000094
为0。
步骤二：建立模型，找到最短路径
目标函数为：
Figure BDA0003127072280000095
Figure BDA0003127072280000096
Figure BDA0003127072280000097
Figure BDA0003127072280000098
Figure BDA0003127072280000099
Figure BDA00031270722800000910
Figure BDA00031270722800000911
Figure BDA00031270722800000912
其中：式(1)表示救援车辆所需要的最短时间；式(2)表示OD之间的需求平衡；式(3)表示路段流量的计算；式(4)表示用户路径连续性约束；式(5)表示用户流量守恒约束；式(6)表示路段流量守恒公式；式(7)表示非负约束；式(8)表示0-1约束。
通过求解上述模型获取初选路径Route_initial。
步骤三：获取需要管制的区域CD
由上一步骤的模型计算获取初选路径，在该路径中选取可能存在延误送达时间风险的路段与节点，及确定所需要管制的路段范围。这里主要考虑的延误风险主要是基于车流量过大可能导致拥堵，救援车辆无法迅速通过的情形。
具体而言：管制区域CD(control domain)是处在需要管制状态的应急路径，由各个路段的受管制节点组成的网络结构。所以可以通过计算获取网络中较为重要的节点即车流量超过阈值的节点的集合所组成的路段作为管制区域CD。此时使用CVB-SP表示节点的点介数，P表示节点坐标，Qi表示节点处车辆密度指数取值为1-5，分别表示车流量小、较小、正常、较大、特别大，CD区域内管制节点可以用<CVB-SP，P，Qi>三元向量组表示。并依据此来定义节点i处的重要性指标
Figure BDA0003127072280000101
其中，avg(Q)表示所有节点车辆密度指数均值，max(Q)表示最大车辆密度指数，根据重要性指标最终敲定管制区域CD。
步骤四：考虑采取管制措施情形
在道路交通中可以采用的交通管制方式主要有禁止社会车辆通行、交通分流、反向交通组织、区间逆行、限制社会车辆的行驶速度以及禁止左转等方式。不同的管制方式对于车流量的不同影响指标ω由专家组来根据以往的数据来进行评定。
例如对(i,j)∈CD路段采用禁止社会车辆通行的方式，即全管制此时取
Figure BDA0003127072280000102
ω＝1；
若采取不管制的政策时则取
Figure BDA0003127072280000103
ω＝0；
若采取区间逆性作为管制的方式，即部分管制可以取
Figure BDA0003127072280000104
Figure BDA0003127072280000105
此时可以将交通管制情形考虑到模型之中可以将式(1)改写成为：
Figure BDA0003127072280000106
并且式(3)中的x0(i,j)应更换为x(i,j)，进行求解获得并输出最终决策路径。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、确定应急资源运送初选路径；
步骤一一、将交通路网抽象成为图G(V，E)，其中V表示路网中所有节点的集合，E表示连接节点的各个路段的集合，(i，j)∈E，i，j为路网中的节点，(i，j)为连接节点i，j的路段；
步骤一二、在图G(V，E)中，求得物资起始供应节点与所需物资节点之间的最短路径解，将求得的最短路径解作为初选路径，将初选路径记为Route_initial；
所述求得物资起始供应节点与所需物资节点之间的最短路径解，其具体过程为：
Figure FDA0003888882090000011
Figure FDA0003888882090000012
Figure FDA0003888882090000013
Figure FDA0003888882090000014
Figure FDA0003888882090000015
Figure FDA0003888882090000016
Figure FDA0003888882090000017
Figure FDA0003888882090000018
其中：T表示救援车辆在物资起始供应节点与所需物资节点之间行驶的总时间；
x(i,j)表示在有交通管制下路段(i,j)的交通流量；
Rrs表示OD对于rs间的车辆行驶路径集合；
O表示物资的起始供应节点集合；
D表示所需物资的节点集合；
r表示某一个物资起始供应节点，且r∈O；
s表示某一个所需物资的节点，且s∈D；
(i,j)∈Rrs表示路段(i,j)在Rrs上；
Figure FDA0003888882090000021
表示Rrs中的第k条路径上的流量，k∈Rrs；
Qrs表示rs间的所有路径上的流量和；
t(i,j)(x)表示路段(i,j)的通行时间函数；
x0(i,j)表示理想状态时路段(i,j)的交通流量；
Figure FDA0003888882090000022
表示路径之间的关联系数，若路段(i,j)在Rrs的第k条路径上，则
Figure FDA0003888882090000023
为1，否则
Figure FDA0003888882090000024
为0；
Figure FDA0003888882090000025
表示路径之间的关联系数，若路段(j,i)在Rrs的第k条路径上，则
Figure FDA0003888882090000026
为1，否则
Figure FDA0003888882090000027
为0；
i∈V/{r,s}代表节点i既不是节点r，也不是节点s；j:(i,j)∈E代表在全部路段中，以节点j为终点的路段的集合；j:(j,i)∈E代表在全部路段中，以节点j为起点的路段的集合；
将救援车辆行驶总时间最小的路径作为物资起始供应节点与所需物资节点之间的最短路径解；
步骤二、分别计算出初选路径中每个节点的重要性指标，再选取出最大的两个重要性指标所对应的节点，将选取出的节点所在的路段作为管制区域CD；
所述分别计算出初选路径中每个节点的重要性指标，其具体过程为：
Figure FDA0003888882090000028
其中，vipi表示节点i的重要性指标；
α1和α2均为大于零的常数；
CVB-SP(i)表示节点i的点介数；
Qi表示节点i处的车辆密度指数；
avg(Q)表示初选路径中所有节点处的车辆密度指数的均值；
max(Q)表示初选路径中所有节点处的车辆密度指数中的最大值；
对管制区域CD进行交通管制后，得到受管制的初始路径，将受管制的初始路径记为Route_ctrl；
并根据管制后的节点求得新的最短路径解，将新的最短路径解记为Route_new；
步骤三、比较Route_ctrl与Route_new，若Route_ctrl＝Route_new，则选取Route_new为最终决策路径，否则令Route_initial＝Route_new，并重复步骤二的过程，直至Route_ctrl＝Route_new，获得最终决策路径。
2.根据权利要求1所述的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法，其特征在于，所述通行时间函数为：
Figure FDA0003888882090000031
其中，t(i,j)(x(i,j))表示在有交通管制下路段(i,j)的通行时间函数；
t(i,j)(0)表示在路段(i,j)上的自由通行时间；
α、β为回归系数；
C(i,j)表示路段(i,j)的通行能力。
3.根据权利要求2所述的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法，其特征在于，所述常数α1和α2满足α1+α2＝1。
4.根据权利要求3所述的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法，其特征在于，所述新的最短路径解满足如下条件：
Figure FDA0003888882090000032
Figure FDA0003888882090000033
Figure FDA0003888882090000034
Figure FDA0003888882090000035
Figure FDA0003888882090000036
Figure FDA0003888882090000037
Figure FDA0003888882090000038
Figure FDA0003888882090000039
其中：
Figure FDA0003888882090000041
和
Figure FDA0003888882090000042
均为车流量的影响指标。
5.根据权利要求4所述的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法，其特征在于，所述路段(i，j)的交通管制方式为禁止社会车辆通行时，影响指标
Figure FDA0003888882090000043
的取值为1，影响指标
Figure FDA0003888882090000044
和
Figure FDA0003888882090000045
的取值为0。
6.根据权利要求4所述的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法，其特征在于，所述路段(i，j)不采取管制时，影响指标
Figure FDA0003888882090000046
和
Figure FDA0003888882090000047
的取值为0。
7.根据权利要求4所述的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法，其特征在于，所述路段(i，j)的交通管制方式为交通分流、反向交通组织、区间逆行、限制社会车辆的行驶速度或禁止左转时，影响指标
Figure FDA0003888882090000048
的取值均在(0,1)之间，影响指标
Figure FDA0003888882090000049
和
Figure FDA00038888820900000410
的取值为0。
8.一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策***，其特征在于，所述***用于执行权利要求1至权利要求7之一所述的一种应急资源运送路径与交通管制措施同步决策方法。
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