考虑实际路况下应急救援最优路径的选择

摘 要：随着我国经济建设的高速发展,公共安全事故及灾害事件的发生呈愈演愈烈的态势，承担应急救援任务的单位如何选择一条最优路径直达被救援地点就显得尤为重要了。

关键词：应急救援；最优路径；层次分析法；GIS；消防中队

本文着重分析了影响当前交通路网中延误到达被救援地点时间的各种因素，利用层次分析法对道路的权重进行了综合判定并建立了数学模型。提出了使用Arcgis Engine平台软件的底层算法，本文以河北省保定市城区范围为原型，计算了消防安全重点单位发生火灾或抢险救援的实例，考虑了交通流量、道路等级、交通管制、信号管制以及救援车辆作为特种车辆在道路上的通行能力等因素，通过实际验证，该方法能够满足应急救援情况下考虑实际交通情况的最优路径选取的需求。

1 背景和意义

随着我国经济建设的快速上升、城市建设不断发展，各种灾害的危险性也在日益提高，造成的损失也更加严重。在当前实际的应急救援工作中，经常会发生由于无法预测的因素延误应急救援力量或救灾物资到达被救援地点的时机，造成人员伤亡或经济损失的事件。城市交通的快速发展，车流量增大、道路建设滞后，已经成为制约应急救援力量第一时间赶到现场施救的最大障碍。

而研究一套符合实际应急救援情况下的最优路径算法，使其可以根据道路情况以及救援特种车辆自身的属性选择出两地之间合适道路，并可以实现调度应急救援力量或救援物资准确、快速、高效的到达被救援地点的功能，就显得迫在眉睫了。

2 考虑应急救援情况下路段权重的综合评定

考虑应急救援情况的下的最优路径的选取，是受各种因素影响的复杂选取过程。如交通流量、路面宽度、路段限高、路段限重等因素，都会成为影响路径选取的因素。通常将交通行程时间作为阻抗的主要度量。

2.1 影响救援时间的因素分析

在开展应急救援行动的实际情况中，会有若干影响到救援时间这一指标的因素。大体可分为以下三类。

（1） 路段行驶时间延误

此类延误包括道路等级、道路长度、交通管制、交通流量、行驶速度等因素。

（2） 路口行驶时间延误。此类延误包括信号管制、交通流量、左转延误及右转延误等因素。

（3） 道路属性对救援车辆限制的延误

此类延误包括路段限高、路段限宽、路段限重等因素。由于应急救援车辆大部分均为特种车辆，车辆的高度、宽度、车重都不同于其他普通车辆，所以对道路的通行能力有一定的要求，如果某一路段或桥梁限制了通行车辆的高度、宽度或车重，那么救援车辆就必须要绕行其他的线路了。

2.2 基于层次分析法对应急救援情况下的道路权重进行评定

2.2.1 利用层次分析法对道路权重进行判定

（1）判断矩阵的构造

根据上述应急救援情况下道路权值结构模型图来看，相对于权值O来说，M1、M2、M3影响力重要性的排列为M3>M1>M2, 依据此排列顺序并利用层次分析法，创建对于道路权值O与各影响因素M1、M2、M3之间相对重要性的判断矩阵O-M，见表2.1。

O M1 M2 M3

M113 1/5

M2 1/3 1 1/5

M3551

表2.1判断矩阵O-M

各种因素N对上级目标M的影响程度重要性的排列顺序显而易见，由于元素道路长度N2及行驶速度N5在本文研究的模型中针对一次应急救援行动中是一定的，所以重要性判定为极低。所以元素重要性的排列顺序为：M1：N4>N3>N1>N2>N5；M2：N4>N6>N7=N8；M3：N9=N10=N11。

目前计算权重的方法有很多，针对本文提出的实际情况，采用和法计算权重，并创建M的判断矩阵。经过计算后,权重结果见表2.2。

因素 M1（λ=0.55）M2（λ=0.45）M3(λ=0.1) 权重 总排序

N1 0.4831 0 0 0.4983 2

N2 0.1131 0 0 0.0436 3

N3 0.5121 0 0 0.5862 2

N4 0.5242 0.59630 0.6171 1

N5 0.1131 0 0 0.0436 3

N6 00.47260 0.4723 2

N7 00.31630 0.3023 3

N8 00.31630 0.3023 3

N9 00 0.10000.0367 4

N10 00 0.10000.0367 4

N11 00 0.10000.0367 4

表2.2 判断矩阵M-N及其特征向量

（2）一致性检验

由于C.R.=0，所以只需要对M1-N、M2-N以及M3-N的矩阵进行检验。

M1-N矩阵：

根据平均随机一致性指标，7阶矩阵的R.I.=1.36代入得

一致性检验通过。

根据上述方法，对M2-N及M3-N的矩阵检验如下：

M2-N矩阵：

根据平均随机一致性指标，4阶矩阵的R.I.=0.89代入得

M3-N矩阵：

根据平均随机一致性指标，3阶矩阵的R.I.=0.52代入得

以上M1-N、M2-N、M3-N三个矩阵的一致性检验通过。

所以，一致性检验通过。

计算结果表明，在所有影响应急救援行动到达被救援地点时间的因素中，交通流量、交通管制、信号管制以及道路属性对救援车辆自身的限制的权重占到了总权重的85.26%，这与实际情况相符，也从另一个角度验证了计算结果。

2.2.2 属性数据的无纲量化

这里引用各类属性数据无纲量化的标准函数：

对任意数据qiU,取值范围为d=[mi，Mi],则可以定义

i=1,2,…，n

针对前文的模型来说，通过对影响救援单位到达被救援地点时间的因素N1，N2…N11等进行计算，将权值的排序θ1θ2…θ11代入得到的无纲量化的结果为γ1γ2…γ11，那么应急救援单位到达被救援地点的时间T可以得到计算公式：

3 算法实现及实例验证

3.1 算法实现

实现算法的主要目的是，在确定地图上被救援地点及实施救援单位两点位置后，根据该单位的特点及事故灾害的类型，选择应急救援车辆的类型，在考虑被救援地点与出发点之间路段的属性因素后综合比对，利用Arcgis平台的底层算法确定两点之间的最优路径，并在地图上显示出来以及输出结果。

实现算法具体由三个子程序构成：数据初始化子程序、计算子程序以及显示输出子程序组成。

（1）数据初始化子程序。（2）计算子程序。（3）显示输出子程序。

3.2 实例验证

在本章中将通过以下三种方案来分析不同条件下的最优路径并选择考虑实际情况的最优路径。实例都按如下三种情况进行最优路径的生成：

方案，仅考虑行驶路程的最短路径生成；

方案，考虑道路限宽、限高、限重的最优路径生成；

方案，在的基础上再考虑实际交通流量的最优路径生成，并分别考虑不同时间段对路径生成的影响。

本例选择了以河北省保定市东方家园小区实现最优路径的选取及分析。假想保定市东方家园小区一栋高层居民楼发生火灾，以保定市消防特勤二中队为起点、保定市东方家园小区为终点选取最优路径。图3.1表示了保定市东方家园小区的位置。计算不同方案的结果如以下程序截图：图3.2表示了两点之间的最短路径；图3.3表示考虑道路超限条件下的最优路径；图3.4表示考虑方案②基础上加上上午9：30～11：30时间段交通流量因素下的最优路径；图3.5表示考虑方案②基础上加上傍晚17：30～19：30时间段交通流量因素下的最优路径。表3.1为各种方案下计算结果的对比。

图3.1东方家园小区地点

图3.2方案下的最优路径

图3.3方案下的最优路径

图3.4方案上午的最优路径

图3.5方案傍晚的最优路径

最短路径方案 行驶距离 行驶速度 行驶时间

方案一 9.6Km 50Km/h 24Minute

方案二 10Km 50Km/h 24Minute

方案三（上午） 11.7Km 50Km/h 16Minute

方案三（傍晚） 12.1Km 50Km/h 18Minute

表3.1 实例各种方案下计算结果的对比

水罐消防车车宽2500mm，车高3300mm，车重5000kg；登高平台消防车车宽2500mm，车高3640mm，车重11510kg。根据实际情况，东方家园小区有两个大门，而合作路西门大门较窄，会出现消防车无法通过的情况，因此可以看到方案二选择了从合作路北门进入小区救援。方案一和二只考虑了路程最短，然而这些路程大多都是县道，且经过路口较多，会出现很多延误，考虑了实际交通流量后，方案三的选择明显更加实际，经过乐凯大街和七一中路两条省道，且都是同行顺畅的直道。由于傍晚七一西路交通流量更大，因此选择走市道东风路是更实际的选择，虽然所花时间比上午多，但这是傍晚时段最优的选择。

5 结论

本文着重分析了影响当前交通路网中延误到达被救援地点时间的各种因素，利用层次分析法对道路的权重进行了综合判定并建立了数学模型。利用Arcgis平台建立了电子地图并二次开发编制了程序具体计算各种条件下的应急救援最优路径的选择。本文以河北省保定市城区范围为原型，计算了消防安全重点单位发生火灾或抢险救援的实例，通过实际验证，该方法能够满足应急救援情况下考虑实际交通情况的最优路径选取的需求。通过前文的实例计算及验证可以看出最优路径的选择流程：

（1）首先考虑道路对车辆的限制，再确定了救援消防车的类别之后，根据限宽、限高、限重来舍去不能通行的路段；

（2）再根据道路的单双向和路段路口的是否禁行进行路程道路的取舍；

（3）最后对某时段实际交通流量和道路的等级（县道、市道、省道、高速公路）等道路固有属性综合考虑，得出最优路径。