海上船舶溢油事故多物資應急調度問題分析

劉曉佳, 汪 強,3, 李子木, 張 可

(1.集美大學 航海學院， 福建 廈門 361021；2.武漢理工大學 航運學院， 武漢 430063；3.寧波國際投資咨詢有限公司, 浙江 寧波 315000)

船舶是海上重要的交通運輸工具，在航行過程中可能出現碰撞、觸礁、沉沒和火災等海損事故，導致儲油艙和燃機艙設備破損，使未知數量的燃油泄漏至海中，發生海上溢油事故。據統計，僅在1973—2018年,我國沿海港口共發生3 336起船舶溢油事故，平均每年76起，對海洋環境產成了惡劣影響，造成了巨大經濟損失。[1]海上船舶溢油事故的發生具有突發性和漂移擴散性，溢油事故應急物資不僅要滿足船舶事故發生點的需求，而且要對溢油漂移后的區域進行溢油攔阻回收。若對事故處理不及時，可能會造成更深度的污染和更大的損失。因此，保證溢油應急物資調度的合理性至關重要。

目前，國內外學者已在應急物資調度和海上突發事故應急調度2個方面開展大量研究。應急物資調度方面的研究主要以運輸線路最優[2]、綜合評價函數最高[3]、運輸費用最低[4]、單種物資運輸時間最短[5]和資源分配最優[6]等為目標建立模型。海上船舶溢油事故具有特殊性，應急物資運輸船舶路徑受影響的程度小，且比起海上溢油事故對環境的損害和造成的經濟損失，往往不會考慮運輸費用，導致上述模型具有局限性。當前,針對海上溢油事故應急調度的研究較少。王晶[7]引入“物資救助包”的概念，根據陸上倉庫與事故點之間的需求關系，建立按期完成救援和出救點最少的雙目標規劃模型，但未考慮應急儲備庫的初始物資儲備情況。羅吳輝等[8]針對海上應急物資調度多出救點和多目標的特點，結合溢油敏感區對響應時間的限制，提出基于不同響應時間段的動態優化模型，最后采用理想點法確定調度方案。WILHELM等[9]從時效性的角度出發，建立多階段物資分配模型，在應急響應時間最短的情況下，確保運輸溢油清除設備的時間能滿足應急限制期的要求。陳金晶[10]提出具有優先權的海上突發事件多物資調度方法，但未結合具體調度工具的數量制訂調度方案。王軍等[11]考慮到不同待圍控區域有圍油欄需求量及其限制期的差異，構建多供應點、多需求點的調度模型，從而確定其調度位置和數量。這些研究大都是在應急物資需求數量明確的情況下進行單種物資調度研究，未結合港口具體可調度船舶數量。

本文結合海上船舶溢油事故的特點，通過預測溢油應急物資需求點和溢油應急物資需求量，構建以所有船舶完成調度時間最短為目標的多物資、多運輸船舶下的應急物資調度模型，利用遺傳算法求解，最終得出具體船舶運輸應急物資的調度方案。

1 問題描述

海上溢油是指進入海洋環境或河流的油，主要是指原油及其相關煉制品。[12]根據《1990年國際油污防備、反應和合作公約》對油的定義,是指任何形式的石油，包括原油、燃料油、油泥、油渣和煉制產品。溢出的油品不僅具有引發火災的危險，而且會對海洋生態造成嚴重污染，破壞海洋環境,及時合理地調度溢油應急物資，對降低海上船舶溢油事故帶來的安全隱患和減少對海洋生態的破壞尤為重要。

1.1 海上船舶溢油事故

在風、浪和流等環境因素的作用下，溢出的油品具有移動性。因此，在制訂應急調度方案時，應設置多個應急物資需求點進行處理。當海上船舶溢油事故發生之后，陸上溢油應急物資儲備庫為其提供應急物資救助。整個應急物資調度過程為陸上溢油應急物資儲備庫Si到應急物資需求點Dj的過程，其結構見圖1。

1.2 調度物資類型

不同溢油類型、氣象條件、海況和溢油規模對海上溢油事故需求的物資不盡相同，主要包括以下3類需求物資：

圖1 海上溢油事故應急物資調度結構

1) 攔阻溢油類物資,主要為圍油欄，作用是圍控、溢油導流和防止潛在溢油。

2) 回收溢油類物資,主要為收油機，作用是回收水面溢油、油水混合物。

3) 其他,主要為吸附材料和化學、生物處理劑,作用是減少溢油對環境的破壞，加速受損生態環境的恢復。

1.3 調度船舶類型

對海上船舶溢油事故進行處理，需用專業的溢油應急船舶處理溢油污染事故，實現海上溢油應急指揮、圍控、回收和存儲等功能。此類船舶可按應急處置需求分為溢油工作船舶和溢油應急運輸船舶。溢油工作船舶從港口出發之后在事故點周圍建立基站，進行溢油攔阻、回收和處理;應急運輸船舶往返于事故點和應急儲備庫，承擔溢油應急物資輸送任務。[13]本文研究的主體是應急運輸船舶。

2 溢油應急物資調度方法

當有海上船舶溢油事故發生時，相關部門會立即做出應急響應和處置。首先對事故點溢油源、溢油量、溢油成分、溢油擴散范圍和應急物資需求量等進行預測評估;其次協調各應急儲備庫,對海上船舶溢油事故所需物資、裝備和人員等作出相應的調度安排;最后對海上船舶溢油進行回收、恢復和重建等處置，完成整個事故處置過程。[14]

2.1 溢油漂移擴散

海上溢油漂移擴散研究主要是通過拉格朗日法和歐拉法建立溢油后油粒子運動模型進行的,其中最主流的是美國國家海洋與大氣局開發的GNOME仿真軟件[15]，該軟件可模擬風、洋流和因其他因素的變化造成的溢油擴散和轉移，仿真效果較好。

2.2 三角模糊數學理論

在海上船舶溢油事故發生之后，天氣、交通和災情等信息不確定會導致應急物資需求量的預測值與實際情況有較大偏差，只能通過類比已發生的事故估計物資需求區間。但是,通過類比會使應急物資的需求存在很大的不確定性，三角模糊數能體現應急物資需求的不確定性[16]，因此引入三角模糊數這一概念處理該問題。對于三角模糊數A=(a,b,c)，a≤b≤c∈R,其隸屬度為

(1)

對于三角模糊數的比較，可利用該模糊數的整體期望值進行去模糊化處理[17]，若A為模糊數，則其整體期望值為

(2)

可得出，對于A=(a,b,c)，有

(3)

2.3 理論模型

理論模型假設條件：

1) 所有的應急物資儲備庫的應急物資儲量和物資需求點各物資需求區間均已知，且應急庫總的儲量可滿足物資需求點的需求。

2) 已知各應急物資儲備庫和物資需求點之間應急物資運輸船的航行距離。

3) 各運輸工具均滿載某單一貨物正常運行，不考慮物資的混合裝載。物資流為單向流，考慮到裝卸時間差別不大，在模型中不作考慮，只求解最短運輸時間。

4) 通過GNOME仿真軟件得到物資需求點位置。假設得到仿真結果之后，需求點位置不再發生移動。

Si={s1,s2,…,sm}

(4)

式(4)為應急物資儲備庫信息的集合。

Dj={d1,d2,…,dn}

(5)

式(5)為物資需求點信息的集合。

w(w=1,2,…,p)為物資類型,其儲存量與需求區間分別為siw和ITjw(A)。

C={c1,c2,…,cg}

(6)

式(6)為應急物資運輸船舶的集合。

ck(k=1,2,…,g)為第k艘船在該次調度任務中的運輸信息，其中該船舶的載貨量為dk,航速為vk,數量為nk，即

ck={dk,vk,nk}

(7)

L為應急物資儲備庫和物資需求點之間路程的矩陣,有

(8)

twh為在整個調度過程中第h艘船舶運輸w類型物資的總工作時間,有

(9)

T為船舶調度時間的集合，有

T={tw1,tw2,…,twh}

(10)

整個調度過程的完成時間為

TS=max(twh)

(11)

目標函數為

min(Ts)

(12)

約束條件為

(13)

(14)

式(12)～式(14)中:式(12)為完成整個調度過程所需最短時間；式(13)為應急儲備庫的w類型物資總供應量大于等于事故點的對應物資總需求量；式(14)為調度到需求點j的w類型物資量與其需求量相等。

2.4 算法設計

遺傳算法具有模仿自然界的選擇與遺傳機理尋找最優解的特性。先將問題參數編碼為染色體，再利用迭代的方式進行全局尋優，最終生成符合優化目標的染色體。[18]在一次完整的應急物資調度過程中，參加調度任務的所有船舶的調度任務序列為1條染色體，任意1艘船舶的全部調度任務為1個基因，任意1艘船舶的單次完整調度任務為1個基因單元。本文的研究模型采用符號編碼形式，定義如下：

Sn為第n個應急儲備庫;Dn為第n個物資需求點;w1、w2和w3分別為阻攔類物資、回收類物資和其他物資；cA和cB為應急物資運輸船舶A和應急物資運輸船舶B。

A船為港作拖船，B船為港口運輸貨船，cA={300,8,u}，cB={100,20,v}。即A船和B船的載貨量分別為300 t和100 t，滿載航行速度分別為8 n/h，20 n/h。A船序號為u(u=1,2,…,k)，B船序號為v(v=k+1,k+1,…,g)。

建立遺傳算法的基本步驟示意見圖2。

圖2 遺傳算法的基本步驟示意

3 算例分析

為驗證模型的有效性，假設某水域發生船舶溢油事故，事故點坐標為北緯41.178 5°，西經72.548 1°，溢油量500 t，風向SW，風速4 m/s。先通過溢油仿真判斷物資需求點位置，再結合應急物資儲備庫信息求解應急物資調度船舶的調度方案。

3.1 溢油預測分析

根據第2.1節，利用GNOME軟件仿真[19]，軟件中溢油點位置和溢油量等信息設置情況見圖3;初始事故點的風向和潮流等信息的設置情況見圖4;船舶溢油事故點24 h之后的溢油預測位置見圖5。

圖5 船舶溢油事故點24 h后漂移位置預測

通過軟件仿真可得溢油經歷24 h漂移之后的位置，基于該仿真結果可確定2個應急物資需求點的位置。溢油工作船舶基于這2個需求點展開溢油的回收與圍控。應急物資運輸船循環往返于應急儲備庫與物資需求點之間,開展相關應急物資的運輸。

通過類比同類型溢油事故，得到此次溢油事故各應急物資需求區間的估值結果見表1。利用第2.2節三角模糊數理論進行處理，得出3種應急物資的具體需求量。

3.2 多物資調度方案確定

通過提取事故特征，結合調研信息，給出此次事故的應急儲備庫的名稱、配船類別和編號,見表2;應急儲備庫各物資儲備與處理之后需求點各物資具體需求量見表3;應急儲備庫與其需求點之間的距離見表4。

表1 需求點物資需求區間 t

表2 應急儲備庫的名稱、配船類別和編號

表3 應急儲備庫儲備量與處理后需求點各物資需求量 t

表4 應急儲備庫與其需求點之間的距離 n mile

遺傳算法作為啟發式算法，易陷入局部收斂，出現局部最優解。針對遺傳算法的不足，在遍歷狀態過程中，從50次較優解中選擇配送時間最短的解作為最優解。最優解對應的染色體可確定最終調度方案。調度任務完成時間與迭代次數的關系見圖6和圖7。經2 000次迭代和10 000代得到的結果相同，對應的配送時間Y=66.5 h。根據最優解條件下的染色體信息確定調度方案,見表5和表6。

由表6可知：最優解下的調度方案滿足應急物資儲備庫與需求點3種類型物資的供需關系，通過比較2種調度方案可得11號船舶的配送時間最長。

表5 A類船舶調度方案

考慮往返，完成調度總時間為66.5 h，與算法迭代時間相同。通過驗證到達各物資點的應急需求量，發現調度方案能滿足需求，驗證該方案是可靠的。通過比較以往對海上船舶溢油事故的研究[20-22]，本文提出的多應急物資需求、多船舶特征下的調度更能與實際相符。

4 結束語

海上船舶溢油事故具有持續性和漂移擴散性，本文研究多應急物資、多調度船舶下的溢油應急物資調度問題。先通過GNOME軟件仿真確定漂移擴散位置，再確定物資需求點，隨后利用三角模糊數方法確定在模糊狀態下的應急物資需求量，最后構建針對海上船舶溢油事故的應急物資調度模型。模型的運用需事先明確應急儲備庫儲備、可調度船舶數量、應急儲備庫與事故點距離等信息。模型解決了應急物資儲備庫對各種物資的調度分配問題。此外，本文沒有考慮船舶溢油事故發生時所需應急物資需求的優先級問題，未考慮不同物資裝卸時間的問題，需在今后的研究中進一步改進。