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原文传递情景驱动下高速公路应急资源配置与调度方法研究

论文题名：	情景驱动下高速公路应急资源配置与调度方法研究
关键词：	高速公路;应急资源配置;应急车辆调度;调度路径优化;应急管理
摘要：	随着我国经济社会的迅速发展和基础建设投入比重的不断增加，我国的高速公路的建设和相关事业的发展取得了举世瞩目的成就。随着机动车保有量的增多、居民出行及交通运输需求的不断增加，导致高速公路交通事故频发，严重威胁了经济的发展和人民的生命安全。然而长期以来，我国在高速公路的应急保障与救援方面仍存在着较多的现实问题，预防与应急准备、风险监控、应急处置与救援等应急管理模式相对单一，常以经验为根据制定应急救援方案，缺乏对高速公路突发事件及其潜在因素的系统认知，未能发掘不同事故情景的异质性，应急决策缺乏理论与技术的创新。因此，造成应急救援不及时、人力物资保障不充分、响应救援组织与管理混乱，极大地影响了应急救援工作的开展，因此迫切需要提升高速公路的突发事件预防机制和应对水平。　　本文立足于解决高速公路应急救援效率不高的问题，针对发生在高速公路的交通事故，在深入分析事故频发的潜在因素和不同事故情景特征的基础上，从事故前的应急准备和事故后的应急响应的角度入手，分别研究了应急资源的静态配置、应急车辆的动态调度以及调度路径优化等应急决策系统中的关键问题，旨在在应急救援的各个环节提高应急救援效率、减少应急响应时间。本文主要工作及研究成果集中在如下四个方面：　　(1)基于TSC-LC模型的高速公路事故情景聚类与分析　　本文结合情景应急与交通安全中分析方法，首先采用二阶聚类（TSC）算法对高速公路事故数据进行预处理和自动聚类，最终运行得到的聚类情景数目和聚类变量重要性结果作为潜在变量（LC）回归逻辑模型的输入参考，并提出了四种各有优势的LC回归逻辑模型，即LCMNL、LCMNP、LCOL以及LCOP模型，利用LC模型善于捕捉异质性效用的特点，旨在分析解释变量对每个情景类别的交通事故严重程度的影响程度，探究同质类别之间的异质性，挖掘不可观测因素对不同类别带来的影响，为后续应急资源的配置与调度提供夯实的情景基础。　　(2)事故前基于SP-RRM2010的两阶段高速公路半静态应急资源配置方法研究　　以应急时间为轴、事故发生为节点、以情景聚类为背景，从应急决策更贴近于“趋利避害”中“避害”的心理角度出发，采用了后悔理论的相关知识，在改进的事故频率法鉴别出来的事故黑点的基础上，提出了事故前基于SP-RRM2010的两阶段高速公路半静态应急资源配置模型，该方法不仅考虑事故发生概率，还考虑了时间属性、成本属性以及需求属性在应急决策中的重要程度。为了更好的估计出这三个属性在模型中的比重，实际调研了119位相关从业或研究人员，积极听取一线人员的研究和实战经验，以获取更真实和可靠的建模参数参考依据，为未来可能发生的事故提供强有力的物质保障和风险管理。　　(3)事故后基于MDP的应急车辆动态调度与再配置方法研究　　从效率和公平的角度出发提出了一种面向指挥调度系统决策者的应急车辆动态调度与再配置的方法，该方法是基于马尔可夫决策过程（MDP）模型的柔性优化框架，以减少系统总响应时间和延误风险，提高再分配的公平性为目标。在效率目标方面，采用改进的BPR模型对当前交通状况进行可靠性指标评价，并通过可靠性指标对应急车辆的行程时间进行了合理的修正，根据M/G/c排队系统近似出了车辆等待和调度时间。另外，由于呼叫响应的分类存在误差，响应时间的延误对不同严重程度的应急需求产生的影响不同，因此设计了针对不同优先级呼叫的延误惩罚。对于公平性指标，本文将公平分为纵向公平和横向公平，纵向公平强调按需分配，横向公平强调人人有份，并采用基尼系数衡量再配置的公平性。本文采用近似动态规划（ADP）算法对MDP模型进行求解，分别设计了基于LAPI算法的上界和基于线性规划的下界对MDP模型中无穷且无界的状态空间进行处理，不仅能够解决每个决策过程中“维度灾”的问题，还能够保证最优解的质量，特别适用于实时的动态调度策略中。最后本文采用荷兰应急医疗服务（EMS）系统的数据对救护车进行了动态调度与再配置，并将本文的ADP策略与其他四个基准策略进行对比，结果表明，本文所提的应急策略在平均响应时间、延误比率、平均风险水平以及基尼系数四项指标都表现最好，为应急救援响应领域的理论与方法提供了科学支撑。　　(4)基于MIPSSTW模型的应急车辆调度路径优化方法　　针对发生在高速公路的事故，提出了面向应急救援执行者的带半软时间窗且考虑节点耗时的混合整数线性规划（MIPSSTW）模型的应急车辆调度路径优化研究方法，分别阐述了城市道路交叉口节点和高速公路出入口匝道节点的估计行程时间方法，并采用变异布谷鸟（MCS）算法进行求解，通过在每次迭代中使用的变异策略增强最优解的选择。最后以荷兰弗莱福兰省的三个市为研究区域进行模型验证，不仅将考虑节点耗时的路径选择方法与不考虑节点耗时的方法进行对比，还将MCS算法与CS算法、GA算法、PSO算法和ACO算法进行对比，以证明本章所提路径优化方法和求解算法的可行性和有效性，为决策执行者提供了合理的应急调度路径。　　本文针对高速公路的应急决策系统，以科学性、实用性以及均衡性的研究思想，从高速公路的事故情景聚类分析、应急资源配置、应急车辆调度与路径规划的角度提出了具有进步性和创新性的方法，旨在丰富高速公路应急决策支持系统的理论支撑，提高应急救援响应效率，保障人们生命财产安全，为中国的交通行业、应急管理领域提供重要的学术价值和实际意义。
作者：	栾偲良
专业：	交通信息工程及控制
导师：	杨庆芳
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022