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《应急资源配置决策的理论、方法及应用》是一部全面、深刻论述应急资源配置决策理论、方法与应用的学术专著。该书也是将统计与运筹决策理论方法应用于实际应急资源配置问题的一个典范,有效地进行了学科交叉和知识体系集成,探索了应急管理理论体系的构建路径,创新了应急决策建模理论与方法,优化了应急决策算法设计。
《应急资源配置决策的理论、方法及应用》综合运用物流系统理论、区域灾害系统理论、应急管理理论及统计决策理论,分析突发事件演化机理和应急资源配置的分类、特性与系统构成,基于应急资源配置模型现有的研究基础和不足,分别建立了应急资源配置的效率分析模型、效率和公平分析模型两大类模型,系统地解决应急资源配置的各类问题。该书针对每一个模型的特征设计了有效的算法并进行了算例分析,对各类应急资源配置优化模型进行比较,为突发事件应急资源配置体系的建立与实施提供了理论依据和政策启示。
内容简介
《应急资源配置决策的理论、方法及应用》系统介绍了应急资源配置决策方面的国内外前沿课题与新研究成果。该书综合运用物流系统理论、区域灾害系统理论、应急管理理论及统计决策理论,分析突发事件演化机理和应急资源配置的分类、特性与系统构成,基于应急资源配置模型现有的研究基础和不足,分别建立了应急资源配置的效率分析模型、效率和公平分析模型两大类模型,系统地解决应急资源配置的各类问题。该书针对每一个模型的特征,设计有效的算法并进行算例分析,对各类应急资源配置优化模型进行比较,为突发事件应急资源配置体系的建立与实施提供理论依据和政策启示。与国内外已出版的同类书籍相比,该书在前期成果的基础上,将进一步完善应急管理理论中资源配置优化决策的学术领域、内容范围、研究范式、实践应用。
《应急资源配置决策的理论、方法及应用》可作为物流管理、应急管理、公共管理、灾害学、系统工程等专业的研究生教材和本科生选修教材,也可供政府应急管理部门、应急政策规划编制部门、应急处置与救援部门的技术人员参考。
内页插图
目录
第一篇 应急资源配置决策理论基础与研究现状
第1章 绪论
1.1 应急资源配置问题的提出
1.2 本书的内容与结构
第2章 应急资源配置系统分析
2.1 应急管理体系
2.2 应急资源及其特性
2.3 应急资源配置
2.4 应急资源配置系统
第3章 应急资源配置决策模型回顾
3.1 资源配置决策模型
3.2 应急资源配置决策模型
3.3 本章小结
第二篇 应急资源配置决策效率分析
第4章 简单路网单周期应急资源分配的贝叶斯序贯决策模型
4.1 情景描述
4.2 模型构建
4.3 算法设计
4.4 结果讨论
4.5 模型应用
4.6 本章小结
第5章 简单路网多周期应急资源分配的贝叶斯序贯决策模型
5.1 模型构建
5.2 模型求解
5.3 模型应用
5.4 本章小结
第6章 复杂路网应急资源分配决策模型
6.1 基于多级分配网络的应急资源分配决策模型
6.2 基于多种运输方式的应急资源分配动态决策模型
6.3 本章小结
第7章 基于动态需求的应急资源分配决策模型
7.1 基于动态需求的简单路网应急资源分配模型
7.2 基于动态需求的复杂路网应急资源分配模型
7.3 模型应用
7.4 本章小结
第三篇 应急资源配置的效率和公平分析
第8章 简单路网应急资源分配决策的效率—公平模型
8.1 基本的应急资源分配效率模型
8.2 具有非线性目标函数的应急资源分配效率模型
8.3 具有公平约束的应急资源分配效率模型
8.4 应急资源分配的效率—公平均衡模型
8.5 本章小结
第9章 复杂路网应急资源定位—分配决策的随机规划模型
9.1 基于模糊目标规划的应急资源定位—分配随机规划模型
9.2 基于灾情信息更新的应急资源定位—分配随机规划模型
9.3 本章小结
第四篇 应急资源配置决策研究展望
第10章 应急资源配置决策模型比较分析与研究展望
10.1 各类应急资源配置决策模型比较分析
10.2 各类应急资源配置决策模型在应急资源配置系统中的功能
10.3 研究展望
参考文献
前言/序言
我国是世界上自然灾害最严重的国家之一,灾害种类多,地震、洪水、台风等灾害均有发生;分布地域广,我国有70%以上的城市、50%以上的人口分布在气象、地震、地质和海洋等自然灾害严重的地区;发生频率高,我国受季风气候影响强烈,气象灾害频繁,同时也是世界上大陆地震最多的国家之一,而且森林和草原火灾时有发生;灾害损失严重,1990~2008年的19年间,我国平均每年因各类自然灾害造成约3亿人次受灾,倒塌房屋300多万间,紧急转移安置人口900多万人次,直接经济损失2000多亿元人民币(中华人民共和国国务院新闻办公室《中国的减灾行动》白皮书,2009年5月)。除突发性自然灾害外,公共卫生事件、生产事故、交通事故、森林火灾等突发事件也时有发生,给人民的生命和财产造成了很大损失。在应对突发事件的过程中,为了降低突发事件的危害,达到优化决策的目的,需要进行科学有效的应急管理,即基于对突发事件的原因、过程及后果的分析,有效集成社会各方面的资源,对突发事件进行有效预警、控制和处理。而应急管理的核心就是要对各种资源进行组织和利用,优化应急资源的配置决策。
本书综合运用物流系统理论、区域灾害系统理论、应急管理理论及统计决策理论,分析突发事件演化机理和应急资源配置的分类、特性与系统构成,基于应急资源配置模型现有的研究基础和不足,分别建立了应急资源配置的效率分析模型、效率和公平分析模型两大类模型,系统地解决应急资源配置的各类问题。本书针对每一个模型的特征设计了有效的算法并进行了算例分析,对各类应急资源配置优化模型进行比较,为突发事件应急资源配置体系的建立与实施提供了理论依据和政策启示。
本书共分四篇。第一篇为应急资源配置决策理论基础与研究现状,包括第1~3章,提出了需要解决的应急资源配置问题,分析了应急资源配置系统的结构及其特征,回顾了应急资源配置决策模型的研究基础。第二篇为应急资源配置决策效率分析,包括第4~7章,根据不同的路网结构、需求信息特性分别建立了以效率目标为决策准则的应急资源配置模型。第三篇为应急资源配置的效率和公平分析,包括第8~9章,根据不同的路网结构、需求信息特性分别建立了以效率目标和公平目标为决策准则的应急资源配置模型,并对其求解结果进行效率和公平评价。第四篇为应急资源配置决策研究展望,包括第10章,比较各类模型的特征,分析了其在应急资源配置系统中的作用,并提出了研究展望。同时,在第4~9章应急资源配置决策建模部分,对每一个模型先进行情景描述,然后构建模型并设计算法,最后针对地震等突发事件进行案例分析或算例分析,并尽量采用实际数据,以期实现管理科学与实践应用的结合。
与国内外已出版的同类书籍相比,本书在前期成果的基础上,将进一步完善应急管理理论中资源配置优化决策的学术领域、内容范围、研究范式、实践应用。本书的特色表现在以下几方面:①在学术领域上,本书具有跨学科的特征,涉及突发事件演化的灾害机理、应急资源配置优化决策、灾害信息更新等灾害学、管理学、信息科学和统计决策问题,是多学科领域的交叉研究成果。②在内容范围上,本书将应急资源配置作为一个系统进行研究,建立了应急资源配置的效率分析模型、应急资源配置的效率和公平分析模型等(包含15个具体模型),系统地解决了应急资源配置中的出救点定位、应急资源储备、应急资源预分配、应急资源分配、运输方式与车辆类型选择、效率与公平评价、决策时机选择等各类现实问题。③在研究范式上,基于区域灾害系统理论,结合突发事件的演变规律,本书将资源的空间特性、决策信息和决策时间三个重要因素一同纳入应急资源配置优化决策的分析框架,求解应急资源配置优化决策模型的最优资源配置量、最优决策时间、系统损失及公平度。④在实践应用上,本书突出了用模型方法解决实际应急问题的能力,主要针对地震等自然灾害进行案例分析或实例(算例)分析,并尽量采用实际数据,以期实现管理科学与实践应用的结合。
本书部分内容是国家自然科学基金面上项目“城市应急物流中不完全扑灭的多商品分配问题研究(项目编号:70771100)”、国家自然科学基金重大研究计划培育项目“基于组群信息刷新的非常规突发事件资源配置优化决策研究(项目编号:90924023),的研究成果,因此本书凝聚了课题组成员的辛勤劳动,谨此一并致谢!本书主要由浙江大学管理学院刘南教授和浙江大学宁波理工学院葛洪磊博士合作完成。浙江大学管理学院博士研究生詹沙磊、叶永,硕士生唐康,浙江科技学院庞海云博士等参与了本书的编写,本书的部分研究成果来源于他们的学位论文,在此深表谢意!
本书在写作过程中参考借鉴了部分国内外有代表性的研究成果,作者尽可能将其列在参考文献中,在此对这些研究学者表示真挚的感谢!
限于作者的学术水平,书中不足之处恳请读者不吝指正。
《城市地下管网风险评估与韧性提升策略研究》 概述 城市地下管网,作为现代城市生命线的重要组成部分,承载着供水、排水、燃气、电力、通信等 vital 服务的输送功能。其安全稳定运行对于保障城市居民日常生活、经济活动和社会秩序至关重要。然而,随着城市化进程的加速和管网设施的老化,地下管网面临着日益严峻的风险挑战,包括但不限于自然灾害(如地震、洪水、地面沉降)、人为因素(如施工扰动、腐蚀、老化)、以及突发事故(如管道破裂、泄漏)。这些风险一旦发生,轻则造成局部区域的服务中断、财产损失,重则可能引发次生灾害,对城市整体安全构成严重威胁。 本书深入探讨了城市地下管网风险评估的理论基础、关键技术方法以及提升其韧性的战略性策略。我们认识到,传统的风险管理模式往往侧重于事后响应,而面对复杂多变的现代城市环境,更为积极主动的风险预防和韧性建设显得尤为迫切。因此,本书旨在构建一个系统性的研究框架,从风险的识别、评估、预警到韧性的量化、评估和提升,为城市地下管网的安全管理提供一套科学、可行且具有前瞻性的解决方案。 研究内容与章节安排 本书共分为十章,逻辑清晰地展开论述: 第一章:城市地下管网系统特性与风险概述 本章首先梳理了城市地下管网系统的基本构成、功能及其复杂性。详细阐述了城市地下管网在不同层级、不同专业领域(供水、排水、燃气、电力、通信等)的相互关联和潜在的耦合效应。在此基础上,系统性地分析了当前城市地下管网面临的主要风险类型,包括: 自然灾害风险: 地震(诱发塌陷、断裂)、洪水(淹没、冲刷)、地面沉降(应力集中、变形)、地质灾害(滑坡、泥石流)等。 人为活动风险: 建设施工(基坑开挖、穿越、振动)、交通荷载(长期应力)、地下空间开发(改变水文地质条件)、非法占压(管道变形、损坏)、腐蚀(材料老化、化学侵蚀)等。 设备与材料老化风险: 管道材料性能衰减、接口密封失效、阀门锈蚀、设备故障等。 运维管理风险: 监测手段不足、巡检不到位、应急预案不完善、信息系统不集成等。 耦合与连锁风险: 某一风险的发生可能引发其他风险,例如管道破裂导致的地下水污染,进而影响饮用水安全;或电力中断导致通信瘫痪,影响应急指挥。 本章通过大量案例分析,揭示了风险发生的普遍性、复杂性和潜在的巨大破坏力,为后续的研究奠定基础。 第二章:地下管网风险评估的理论框架与方法体系 本章是本书的核心理论章节。我们首先介绍了风险评估的通用理论,包括风险的定义(可能性与后果)、风险分析、风险评价和风险应对等基本概念。在此基础上,重点阐述了针对城市地下管网特点的风险评估理论框架,强调了“多主体、多因素、多层次”的评估思路。 随后,系统性地介绍了现有的风险评估方法,并对其适用性进行了批判性分析: 定性评估方法: 如故障树分析(FTA)、事件树分析(ETA)、模糊综合评判法等,适用于缺乏精确数据但需要初步识别和排序风险的场景。 半定量评估方法: 结合定性判断和定量赋值,如风险矩阵法、层次分析法(AHP)等,能够提供更具指导意义的风险等级。 定量评估方法: 概率论方法: 基于历史数据、失效概率模型(如威布尔分布、指数分布)进行失效概率评估。 统计模型: 利用回归分析、时间序列分析等方法预测风险发生概率。 仿真模拟方法: 如蒙特卡洛模拟、离散事件模拟等,用于评估复杂系统风险的动态演化和连锁效应。 空间分析方法: 利用地理信息系统(GIS)结合空间统计学技术,进行风险的空间分布与集聚性分析。 不确定性分析与敏感性分析: 评估模型参数不确定性对风险评估结果的影响。 本章通过对各种方法的优劣势进行辨析,指出了在城市地下管网风险评估中,需要综合运用多种方法,并特别强调了数据驱动和模型融合的重要性。 第三章:基于GIS与遥感技术的地下管网风险识别与空间评估 本章聚焦于风险识别与空间评估的实际应用。我们详细阐述了如何利用地理信息系统(GIS)构建和管理城市地下管网的数据库,包括管网布局、材质、埋深、管径、产权单位、运行状态等关键信息。 在此基础上,重点介绍了遥感技术在风险监测中的应用: 高分辨率卫星影像与航空影像: 用于识别地面沉降、塌陷、地表裂缝、植被异常(可能预示地下渗漏)等。 雷达干涉测量(InSAR): 精确监测大范围区域的地面沉降与抬升,为评估管网受力变形提供数据支持。 热红外影像: 用于检测燃气泄漏(温度异常)、供水管网渗漏(地表温度变化)等。 多光谱/高光谱影像: 用于分析地表土壤湿度、植被健康状况,间接指示地下渗漏等。 本章还论述了如何将GIS与上述遥感数据相结合,进行风险的空间叠加分析,识别高风险区域(如地质构造敏感区、人口密集区、重要基础设施集中区与管网密集区叠加处),以及评估风险发生的空间概率分布。 第四章:多灾种耦合作用下的地下管网失效模式与概率分析 考虑到城市地下管网所处的复杂环境,单一灾害的发生频率和影响程度可能有限,但多种灾害的耦合作用可能导致严重的后果。本章专注于分析多种灾害(如地震与洪水、地面沉降与交通荷载)耦合作用下,地下管网可能发生的失效模式。 失效模式分析: 详细研究不同类型管道(如钢管、球墨铸铁管、塑料管)在不同应力组合(弯曲、拉伸、压缩、剪切)下的失效机理,包括屈曲、断裂、连接处松动、变形等。 概率模型构建: 针对耦合灾害,构建概率模型来评估其联合发生概率及其对管网失效概率的影响。例如,利用Copula函数等方法来刻画不同灾害事件之间的相关性。 案例研究: 通过对历史上的多灾种耦合事件(如震后洪水对受损管网的影响)进行分析,验证所提模型的有效性。 第五章:地下管网运行状态监测与预警系统研究 有效的监测是风险预防和及时响应的前提。本章探讨了建设智能化、集成化的地下管网运行状态监测与预警系统。 监测技术: 介绍各种监测技术,包括: 内置式传感器: 如应力传感器、应变传感器、振动传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、泄漏检测器(声学、红外、气体)等。 外测式监测: 如地表沉降监测、地电监测、地下水位监测、管壁腐蚀监测(电化学方法、超声波检测)。 非接触式监测: 如利用光纤传感技术、物联网(IoT)技术、大数据分析等。 预警模型: 基于监测数据,构建先进的预警模型。这包括: 阈值预警: 基于设定的安全阈值,当监测数据超过阈值时触发预警。 机器学习预警: 利用支持向量机(SVM)、神经网络(NN)、随机森林(RF)等算法,从海量监测数据中学习风险模式,预测未来风险发生的可能性。 基于物理模型的预警: 结合管网的力学模型、水力模型等,模拟不同工况下管网的受力状态和潜在失效风险。 系统集成: 强调不同专业管网监测系统的集成,以及与城市应急指挥系统的对接,实现信息的互联互通和统一调度。 第六章:城市地下管网韧性概念、度量与评估 本章引入“韧性”(Resilience)这一关键概念,并探讨如何将其应用于城市地下管网系统。韧性是指系统在面临扰动(风险事件)时,能够保持其基本功能、吸收冲击、快速恢复以及适应未来变化的能力。 韧性定义与维度: 详细阐述地下管网韧性的多维度内涵,包括: 承受能力(Resistance/Robustness): 管网本身的强度、材料耐久性、抗震设防等级等。 吸收能力(Absorption): 在一定程度的损坏下,仍能维持部分功能的“弹性”。 恢复能力(Recovery): 快速修复或替代受损部分,恢复正常服务的能力。 适应能力(Adaptation): 基于经验和学习,改进设计、运维策略,以应对未来挑战的能力。 韧性度量指标: 提出了一系列可量化的韧性度量指标,例如: 可用性指标: 服务中断率、服务恢复时间、用户满意度等。 性能指标: 压力稳定度、流量波动性、泄漏量等。 结构指标: 冗余度、互联互通性、备用电源覆盖率等。 经济指标: 维修成本、服务中断经济损失等。 韧性评估方法: 结合性能评估、失效分析和经济模型,开发综合性的韧性评估方法,为不同管网区域或不同管网类型的韧性水平提供量化依据。 第七章:提升地下管网韧性的策略研究:设计、建设与运维 本章是本书的重点应用章节,提出了一系列从源头到末端的提升地下管网韧性的策略。 韧性设计与规划: 冗余与备份: 增加管网的冗余度,建立备用管线和供水/排水点。 弹性设计: 采用具有延展性、抗变形能力的材料和连接方式。 智能管网布局: 避免在高风险区域集中布置关键管线,考虑与其他基础设施的协同布局。 弹性材料应用: 推广抗腐蚀、抗老化、高韧性的新型管材。 韧性建设与改造: 老旧管网更新与修复: 制定科学的老旧管网改造计划,优先改造高风险区域和关键节点。 内衬修复与套管技术: 在不大规模开挖的情况下,提升现有管线的承载能力和密封性。 管网加固与防护: 针对特定风险(如地震、地面沉降),对关键管段进行加固处理。 韧性运维与应急管理: 精细化运维: 实施基于状态的预测性维护,延长管网寿命,减少意外失效。 情景分析与应急预案: 针对不同风险情景,制定详细的应急响应和恢复计划。 多部门协同联动: 建立跨部门、跨单位的协同响应机制,共享信息,联合处置。 智能化监控与快速响应: 利用物联网、大数据和人工智能技术,实现风险的早期发现和快速响应。 第八章:案例研究:不同城市地下管网韧性提升实践分析 本章通过选取国内外具有代表性的城市地下管网风险管理与韧性提升案例,进行深入的分析和总结。 案例选择: 选取如东京(地震韧性)、纽约(飓风后的基础设施恢复)、上海(复杂地下环境管网管理)、新加坡(智慧城市管网建设)等城市,分析其在特定风险下的应对策略。 案例分析维度: 从风险评估方法、监测技术应用、韧性策略选择、应急响应机制、技术创新等方面,对每个案例进行详细剖析。 经验与启示: 总结这些案例的成功经验和不足之处,提炼出可推广的、适用于不同城市发展阶段的韧性提升思路和技术方法。 第九章:地下管网风险管理与韧性提升的政策法规与经济可行性 本书的成功实施离不开健全的政策法规和经济保障。本章将探讨相关问题。 政策法规框架: 分析现有城市地下管网管理相关的政策法规,识别其在风险管理和韧性建设方面的不足,并提出完善建议。例如,关于管网安全标准、定期评估要求、信息共享机制、责任主体划分等。 经济可行性分析: 评估不同韧性提升策略的成本效益。 风险成本估算: 估算不同风险事件可能造成的直接损失(财产、人身)和间接损失(经济活动中断、环境污染)。 韧性投资回报分析: 通过成本-效益分析(CBA)或风险投资回报分析(ROI),论证韧性建设的经济合理性,证明“预防优于治疗”。 融资模式探索: 探讨政府投入、社会资本参与、公私合营(PPP)等多元化融资模式。 第十章:结论与展望 本章对全书的研究成果进行总结,重申城市地下管网风险评估与韧性提升的重要性。 主要结论: 城市地下管网风险是客观存在的,且呈现复杂化、动态化趋势。 多学科、多技术融合是有效评估和管理风险的关键。 韧性是城市地下管网可持续发展的重要保障。 从设计、建设到运维的系统性策略对于提升韧性至关重要。 政策法规和经济支持是韧性建设的有力保障。 未来研究方向: 更精细化的多灾种耦合风险模拟与评估。 基于人工智能和大数据分析的智能预警与自适应控制技术。 地下管网与城市其他基础设施(如交通、能源、通信)之间的耦合韧性研究。 提升公众参与和社区韧性的策略。 更加完善的韧性经济学模型与评估体系。 目标读者 本书适用于城市规划、市政工程、安全工程、环境工程、土木工程、水利工程、能源工程、信息工程等相关领域的科研人员、政府部门管理人员、城市规划师、工程师、企业运营者以及高等院校相关专业的研究生。通过阅读本书,读者能够系统地了解城市地下管网风险的本质,掌握科学的风险评估方法,并能够有效地制定和实施提升管网韧性的策略,为构建安全、可靠、韧性强的现代化城市贡献力量。