自然灾害中并发事件的多种应急资源的分配外文翻译资料

 2022-11-04 04:11

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自然灾害中并发事件的多种应急资源的分配

摘要

应急资源分配主要涉及如何有效地分配救援机构的应急资源，以处理新出现的事故，减少伤亡和经济损失，这是自然灾害应急管理中最基本和最根本的问题之一。然而，据研究所知，现有的集中于应急资源分配的确定性方法仅针对单独的响应时间或应急资源成本受限的单个事件，这对于复杂的紧急情况来说太简单了。为此，本文致力于一个具有挑战性的问题，即以并行方式将多个应急资源分配给多个并发事件，同时考虑响应时间和应急资源成本。为此，本文首先将灾害响应联盟定义为团队合作的一种形式。此外，文章提出了一个多约束整数线性规划模型，并开发基于差分演化和启发式的搜索算法以探索并发事件的重叠灾害响应联盟。最后，比较实验结果表明，技术上，并发事件的应急资源的并行分配比传统的串行分配更显著地经济和有效。

关键词

应急资源分配；并发事件；灾害响应联盟；差分演化；启发式

1 引言

自然灾害，如洪水，火山爆发，地震和海啸，往往造成巨大的生命损失和财产损失，并对社会造成巨大的经济损失[1]，[9]，[26]。特别是在中国，随着经济的快速发展和城市化的加速，中国政府面临着越来越大的资源，环境和生态压力。近年来，自然灾害在中国越来越频繁，造成了巨大的生命财产损失。例如，2008年汶川地震7.9级，这是中国三十多年来最具破坏性的地震，造成69,225人死亡，379,640人受伤，17,939人失踪，至少500万人没有住房，估计总损失超过约100亿美元[30]，[38]。因此，为了减轻自然灾害的影响，政府和研究人员越来越重视自然灾害管理[5]，[23]，[24]，[28]。

一般来说，在灾害管理[13]，[20]中有四个主要阶段：缓解，准备，响应和恢复[23]，[24]，每个阶段常常被描述为连续过程的一部分，如图1.1所示。这些“阶段”概念自20世纪30年代以来一直用于帮助描述、检查和理解灾害以及组织应急管理的实践[13]，[20]。在本文中，我们将重点放在主要包含定位，分配和路由应急资源的“响应”阶段。更具体地，定位是在区域内找到适当的部署地点，使得一定的响应时间被保证到达该区域内的潜在事故[6]，[42]，分配旨在寻找对于救援机构和事件最佳的应急资源分配（ERA）方案，尽量减少响应时间或应急成本[16]，[25]，路由是根据道路情况找到从一个救援机构到事故的最短路径，并经常结合定位问题解决[18]，[41]，[42]。特别是，ERA主要处理如何有效，快速地分配卫生保健，设备，电力，水，垃圾清运，运输和通信等救援机构的应急资源，处理新出现的事故，减少人员伤亡和经济损失[6]，[16]。 ERA是响应阶段中可能决定救灾成败的最基本和最根本的问题之一，可为实际的紧急决策提供有价值的参考，对保护生命财产具有重要的现实意义，经济损失和维持社会稳定[36]。

图1.1 灾害管理的四个主要阶段

然而，文献中的传统ERA仅考虑一次单个事件，对响应时间或资源成本分别有限制。事实上，一些自然灾害，如地震和洪水，通常影响和蔓延到大面积，然后大量的灾害事件应同时和及时处理。为了解决这种情况，一些研究人员关注自然灾害中的并发事件，但他们只是假设每个救援机构不得不在任何时候只响应一个事件[16]。我们不能忽视的一个事实是，在实际的紧急情况下，具有足够应急资源的救援机构能够参与执行一个以上的救援任务，并同时将其应急资源分配给几个不同的事故。这种重叠性质有利于改善救援机构的应急资源的利用，并提高灾害响应的效率。

另一方面，在实践中，救援机构的应急资源通常是有限的。当一个具有稀有，但需求很高的应急资源的救援机构准备同时对几种不同的事件做出反应时，这些事件将为他们强烈竞争。一旦无法满足这么多事件的需要，就会出现使用应急资源的一些可能的冲突，这可能直接导致应急响应失败。因此，为了避免潜在的应急资源冲突，提出了一些确定性的搜索方法，根据每个事件的优先级[3]，[36]，[40]将救援机构的应急资源连续分配给事件。在这些确定性方法中，每个事件都单独处理，事件的请求只有在以前的事件被分配之后才能满足，严格地说，这些方法仍然属于解决单个事件的类别。这种传统的连续分配无疑对后来的事件极为不利。原因是先前的分配计划不可避免地会影响连串事件的计划的搜索结果，因为有些救援机构的应急资源已经保留给以前的事件，而不能被连续的事件使用。因此，通过串行算法[3]，[36]，[40]获得的整个ERA方案不是最优的，甚至不是次优的。因此，为了从整体角度解决ERA，我们希望以并行方式将多个救援机构的多个应急资源分配给多个并发事件。也就是说，我们希望我们只需要执行一次算法来输出所有事件的整个应急资源分配方案。特别是，我们将尝试在并行分配应急资源中回答以下问题：救援机构将回应哪些事件?将分别分配给它的每一个有关事件多少应急资源?以及是否有足够的应急资源以同时满足这些事件的需要?

根据上述考虑，我们首先提出一个多约束线性整数规划模型，以制定以并行方式将多个应急资源分配给并发事件的具有挑战性的问题。此外，我们开发从传统的一维实数编码到二维整数向量编码的差分演化（DE）[29]，并提出一个启发式修复不可行编码和揭露并发事件的重叠救援队。最后，为了评估并行分配的性能，我们在文献中将我们的方法与现有的最先进的串行分配算法比较。

本文的其余部分安排如下。第2节讨论相关研究。在第3节中，我们提出了一个用于并发事件的多个应急资源分配模型。在第4节中，我们详细介绍了基于DE和启发式的并行分配算法，在第5节中，我们评估了ERA并行分配算法的性能。第6节结束并介绍未来的工作。

2 文献综述

ERA在最近的研究中受到了相当大的关注，它在一些紧急情况和灾害管理系统中有潜在作用。

Altay [2]设计了两种基于能力的整数规划模型来解决多个应急资源的分配。然而，他们没有给出任何解决方案的模型和使用相同类型的应急资源的潜在冲突。

Arora et al [3]讨论了一种成本有限的资源分配方法，在灾害响应期间对医疗资源的压倒性需求。他们表示，推迟预先分配多少钱的决定将导致处理这一流行病的更大灵活性，从而提供更有效的反应。然而，他们在他们的方法中只考虑了一个救援机构和一种类型的应急资源。

Chen和Miller-Hooks [8]提出了在灾后情况下将城市搜救队伍优化部署到灾害现场的问题，作为一个多阶段随机方案。然后，他们开发了一个基于列生成的策略，包括解决一系列相互关联的两阶段随机程序，在收缩的时间范围内追索，以克服昂贵的计算工作。

Geroliminis et al [12]提出了一种基于遗传算法的超立方体，空间排队模型和启发式解决方案，用于城市交通网络中许多应急响应单元的最优部署。

Han et al [14]基于拉格朗日松弛框架中连续子问题求解开发了一种方法，优化了紧急情况下的路由容量和位置选择，避免了交通拥堵。

Huang和Fan [15]研究了分配多个紧急服务资源以保护关键交通基础设施的问题。他们使用确定性随机规划来在不确定的服务可用性和可访问性的情况下对各种风险偏好进行建模。

Huang et al [16]提出了一种混合整数线性规划模型，在一组候选站中分配有限的紧急服务车辆，包括消防车，消防车和救护车，以最大限度地提高关键交通基础设施的服务覆盖率。

Huang et al [17]制定了一个综合多目标优化模型，以描述灾害响应行动中应急资源分配和分配的人道主义目标。然后，他们使用时间空间网络在滚动层位法中合并频繁的信息和决策更新。然而，他们采用加权和法来整合多个目标，因此他们的方法仍然属于单目标优化技术。

Kondaveti和Ganz [19]提出了公共紧急服务资源分配的决策支持系统，以向受害者提供援助。他们使用线性规划，在从应急响应服务机构快速收集信息的基础上，找到资源部署和调度的最佳解决方案。

Wang et al [31]提出了一种基于雪球过程生成应急响应任务网络的方法，以及根据社交网络分析分析任务网络的相关方法，有助于合理分配单一类型的资源和有针对性的协作。

Wang et al [32]提出了资源约束决策支持工作流模型，提出了资源需求分析算法，以避免资源短缺在紧急响应系统中基于最小的资源利用率。然而，如何确定最小资源集合在他们的工作中是非常困难的，此外，在其提出的模型中仅考虑单一类型的资源。

Wang et al [33]集中在一个数学模型，其中紧急时间是相当重要，成本不太重要。他们计算了整体资源分配方案，通过调整每个灾区的部分资源分配来解决资源冲突。

Wen et al [35]完全考虑了需求中心，供应中心和多种资源。在他们的工作中，供应中心彼此合作以向需求中心提供资源，并且通过多个蚁群系统优化从供应中心到需求中心的调度路线的可靠性。

Wex et al [36]提出了救援单位的分配和调度的混合整数非线性公式，并开发了几种改进启发法以及GRASP（贪心随机自适应搜索过程）元启发式算法，以最小化通过其严重性加权的事件的完成时间的总和。然而，他们的方法仅限于一种类型的应急资源。

Zhang et al [40]提出了多个资源的整数规划模型和多个二次灾害的多个紧急响应站问题。此外，他们设计了一种基于启发式的线性规划和网络优化算法来解决应急资源的最优分配。然而，如前所述，他们只能处理一次事件，因此他们必须为每个事件重复他们的算法，这使他们的工作效率低下。

然而，一般来说，上述文献或者是假设每个救援机构的应急资源是无限的并且可以完全满足所有事件的需要，或者是根据每个事件的优先级顺序地将救援机构的应急资源分配给事故。虽然这些方法适用于本文所考虑的一些具体的紧急情况，严格来说，救援机构的应急资源在大多数实际紧急情况下都明显受到限制，而且，当灾区发生大量事件时应急资源的串行分配通常效用低，效率低。为了解决这些缺点，在本文中，我们致力于以并行方式和资源有限的领域解决并发事件的多个应急资源分配。

3 数学模型

过去的经验表明，救援机构良好的团队合作对于应急反应至关重要，因为救援机构的及时互动和协调可以挽救生命和财产[4]，[34]。因此，当发生自然灾害时，应组织救援机构组成团队，以快速有效地应对事件[7]。受多代理系统（MAS）的集成和协作的基本形式[37]，[39]的启发，我们将这样一个团队定义为“灾害响应联盟（DRC）”。DRC只是一个事件的ERA计划，即DRC将告诉我们哪些救援机构响应该事件，以及每个救援机构将对该事件提供多少应急资源。因此，形成的多个DRC只是ERA的可行解决方案。传统上，DRC救援机构之间的协调和谈判可以是自治和分散的[7]，[27]。例如，我们可以从最接近响应事件的DRC中选择救援机构作为领导机构，并授权领导者代表DRC协商并确定成员的协作。

参见图3.1，负责某事故的DRC是一组救援机构，如消防队，医院，食品工厂，打捞公司，警察局和军队。要求DRC的成员共同努力回应相应的事件。具体来说，DRC可以使成员分享应急资源，相互协调，充分发挥自己的优势。这种形式能够加强救援机构的能力和更有效地执行救援任务。应当注意，每个救援机构可以是多于一个DRC的成员，并且可以同时向不同的事故贡献他们的应急资源。因此，形成的多个事故的DRC可以重叠，这有利于提高救援机构的应急资源的利用率和大灾区的救援任务完成率。

图3.1灾害响应联盟

灾害响应联盟（DRC）是由一组救援机构组成的团队。DRC的所有成员将共同努力，共同应对灾区的相应事件。

考虑到这一点，为并发事件分配多个应急资源只是寻找一些可行的重叠DRC负责相应的事件。现在，一个新的开放性问题是如何在以并行方式形成重叠DRC的过程中发现和解决潜在的应急资源冲突。因此，在本节中，我们提出了一个多约束线性整数规划模型，以制定并发事件的多个应急资源分配的问题。

根据现有文献[3]，[36]，[40]，我们考虑了复杂紧急情况下的以下属性，这些属性可能有助于为实际紧急决策提供有价值的参考。

属性1

在发生自然灾害之后，存在许多并发事件，每个事件都需要应急资源。此外，这些并发事件可能是异构的，即不同的事件可能需要不同的应急资源。例如，对于灾害受害者，一些人可能需要紧急医疗注意，而其他人可能没有受伤，只需要食物和住所。

属性2

根据每个事件的规模和严重程度，事故的紧急需要相互不同，因此不同的事件可能需要不同的响应时间，反映每个事件的紧急程度。

属性3

根据受灾地区和人口密度，每个事件的应急资源类型和数量可由应急专家组估计。

属性4

每个救援机构都有一个或多个有限的应急资源。此外，所有涉及的事件都可以由救援机构成功响应。也就是说，救援机构的应急资源总量大于或等于事件所需的应急资源的总量。应该指出的是，在响应的关键早期，通常情况下，我们可能没有足够的应急资源来同时满足每个事件的需要，即需求超过

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