王惠珠，周建勤

(北京交通大學 經(jīng)濟管理學院，北京 100044)

一、引 言

隨著我國鐵路網(wǎng)的快速發(fā)展，鐵路安全管理和應急防災已成為確保鐵路運輸安全的重要保障。我國鐵路營業(yè)總里程較大且其跨越復雜多樣的地理區(qū)域，在系統(tǒng)內外多種因素的共同作用下各種突發(fā)事件時常發(fā)生。這些突發(fā)的鐵路安全事件直接影響了鐵路系統(tǒng)正常運營，同時對人們的生命和財產(chǎn)安全產(chǎn)生重大威脅。在突發(fā)事件不可避免的情況下，救援人員和物資及時抵達事發(fā)現(xiàn)場開展高效救援，有利于加快路網(wǎng)恢復運營的速度和減少突發(fā)事件帶來的損失[1]。鐵路救援基地是存儲和管理鐵路應急救援資源的集中場所，是開展鐵路救援培訓演練的專業(yè)基地[2](P87)。鐵路救援基地的位置決定了其到達救援需求點的距離，直接影響應急資源到達事發(fā)現(xiàn)場的時間，從而決定了救援的效率與水平。因此，合理布局鐵路應急救援基地是開展高效救援的重要保障。

國家鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃明確要求，“加快國家鐵路應急救援基地建設和專業(yè)救援隊伍組建，增強突發(fā)事件應急救援能力和處置能力，全面提升安全應急保障水平”。國內外實踐證明，合理布局鐵路救援基地對提高鐵路應急救援能力和處置能力至關重要。針對鐵路突發(fā)事件救援需求沿鐵路線路隨機分布的現(xiàn)實狀況，本文提出用連續(xù)近似方法刻畫鐵路救援需求，在分析鐵路救援特點的基礎上，本文構建快速鐵路救援基地和區(qū)域鐵路救援基地的兩級救援體系，并對兩個層級的設施選址問題分別提出了建模的思路，引入鐵路應急恢復力來評價鐵路救援基地選址決策優(yōu)化效果。

二、文獻綜述

應急設施選址旨在全面覆蓋突發(fā)事件風險的基礎上，縮短響應時間、提高救援效率和降低運營成本，較多采用P-中心和覆蓋選址模型，少量采用P-中位選址模型以平衡選址的經(jīng)濟性[3-4]。被選址的應急設施多面向自然災害導致的區(qū)域突發(fā)事件和城市安全應急事件，應急服務需求主體通常被抽象為一系列的點。然而，鐵路線的固有特征和突發(fā)事件的內在屬性決定了鐵路救援需求是不確定且連續(xù)的。此外，為了應對重大突發(fā)事件和一般突發(fā)事件，設置不同功能層級的鐵路救援基地在實踐上也是十分必要的。下文對不確定連續(xù)需求選址問題和層級設施選址問題進行綜述。

(一)不確定連續(xù)需求的選址問題

不確定連續(xù)需求(Uncertain Continuous Demand)指有一定發(fā)生概率且在特定幾何區(qū)域或曲線上連續(xù)分布的需求?，F(xiàn)實中，不確定連續(xù)需求廣泛存在，如道路上的交通事故、電信線路上的電路故障、管道中的異物堵塞和運河中的污泥淤積等[5]。在經(jīng)典設施選址理論中，空間連續(xù)的服務需求一般被簡化為平面內的點或者網(wǎng)絡圖上的節(jié)點需求，各點具有一定的服務需求數(shù)量或(和)需求概率。這種將連續(xù)需求離散化處理的方式忽略了需求發(fā)生位置的空間隨機性，進而影響了設施與需求之間距離的計算[6]。需求離散化的設施選址模型規(guī)避了計算困難的問題，但選址決策還存在較大的優(yōu)化空間[7-9]。Francis等[10](2014)指出，只有當需求密度很大時，或者需求區(qū)域面積相對于整個決策區(qū)域面積很小時，連續(xù)需求的離散化建模方法產(chǎn)生的誤差才相對較小。為尋求更滿意的設施選址模型與方法，學者采用不同方法表示連續(xù)需求。周慧娟[11](2011)將潛在突發(fā)事件區(qū)段表示為有取值范圍的區(qū)間，建立鐵路應急服務設施點的優(yōu)化選址模型。姜秀山[12](2015)、湯兆平[13](2018)同樣運用區(qū)間來刻畫鐵路應急需求在路段中的連續(xù)分布，但只用區(qū)間表示部分連續(xù)需求，卻忽略未選取的研究區(qū)域內的需求。周建勤[14](2018)采用需求密度函數(shù)描述“線狀需求”對象的服務需求量，研究了服務連續(xù)需求的物料供應節(jié)點選址問題，但這些連續(xù)需求都是確定的。

Ansari[15](2018)認為連續(xù)近似方法(Continuous Approximation，CA)，用連續(xù)可積分密度函數(shù)刻畫連續(xù)需求，可以描述需求空間分布的隨機性，能夠降低大規(guī)模需求選址問題的求解復雜度。針對不確定連續(xù)需求的設施選址問題，大多數(shù)文獻假設需求密度函數(shù)服從均勻分布，以保證模型求解的易處理性。Alan[16](1986)認為高速路上的突發(fā)交通事故需求服從均勻分布，Okabe[17](2006)使用概率積分變換方法將其它分布變換為均勻分布，Wang等[18](2015)研究了需求的概率密度函數(shù)為分段均勻分布的情形。連續(xù)近似方法是描述不確定連續(xù)需求的可行且有效的建模處理方法，能夠較全面地考慮目標研究區(qū)域內每一處潛在需求。但現(xiàn)有研究僅由單一影響因素確定需求概率密度函數(shù)，且未考慮選址約束條件如服務半徑、建設成本等對選址產(chǎn)生的影響，不能直接應用到實際問題中。鐵路救援受多種因素和條件的影響制約，如何應用連續(xù)近似方法描述鐵路突發(fā)事件需求，進行鐵路救援基地選址問題研究還需要針對性的探索。

(二)層級應急設施選址問題

層級設施可提供差異化的服務，如果高層級設施包含低層級設施的功能，則該類設施為嵌套型設施，如果層級設施之間提供的服務相互獨立，則為非嵌套型設施[19]。嵌套型層級設施選址在應急領域受到較多關注，吳艷華[20](2012)、李霖[21](2016)建立兩級功能嵌套的鐵路救援基地選址優(yōu)化模型。大部分層級設施選址問題只考慮需求點被覆蓋一次，未考慮當重大突發(fā)事件發(fā)生時，可能出現(xiàn)資源供應和救援能力不足的問題。

多方協(xié)同救援是應對重大突發(fā)事件時快速有效的應急措施，但目前研究主要集中于應急響應階段。Meng[22](2019)、王軍[23](2007)通過優(yōu)化多層級設施應急資源協(xié)同調配，實現(xiàn)大規(guī)模救援的多目標要求。從戰(zhàn)略層面上將層級應急設施選址與多方協(xié)同救援機制關聯(lián)耦合，可以最大化利用有限救援資源，減少救援響應時間。Jia等[24](2007)依據(jù)服務距離劃分醫(yī)療物資儲備點層級，協(xié)同優(yōu)化多層設施選址，保證醫(yī)療資源敏捷快速地到達受災地區(qū)減少傷亡。實際上，不同層級應急設施的服務區(qū)域是可以重疊的，通過備用覆蓋選址模型[25]，可以提高應急救援能力，以及減少事故并發(fā)排隊等待救援的可能[26]。為了高效地應對鐵路重大突發(fā)事件，基于層級設施選址實現(xiàn)不同救援基地協(xié)同運作，滿足差異化的服務需求，尚需做進一步的研究。

三、鐵路救援基地選址的內涵及現(xiàn)狀

(一)鐵路救援基地的特點

救援基地是存儲、管理和維護應急資源的專業(yè)設施，當發(fā)生突發(fā)事件時，第一時間組織應急資源抵達事發(fā)現(xiàn)場展開專業(yè)救援，減少突發(fā)事件帶來的損失。與一般的救援基地相比，鐵路救援基地具有以下特點：

1.專業(yè)性

專業(yè)性是鐵路救援基地區(qū)別于其它救援基地的最大特點。鐵路具有運行速度快、運輸載重大和系統(tǒng)復雜性強等特點，外界社會救援力量缺乏專業(yè)施救設備，難以展開救援。鐵路救援基地配備的救援列車和軌道起重機等專業(yè)救援資源，可以采用拉復法、吊復法和頂復法對大型機車進行事故救援[27]，擔負著起復救援作業(yè)、清除路障等大多數(shù)重要任務。在鐵路突發(fā)事件發(fā)生后，應急救援指揮中心按特別重大、重大、較大、一般四個等級做出專業(yè)性的應急救援響應[28]，以救援基地為主要力量并組織多個救援隊伍進行搶救，如圖1所示。

2.層級性

鐵路層級救援是根據(jù)中國鐵路的組織機構特點、鐵路應急救援的現(xiàn)狀和鐵路救援資源的等級特性而衍生出的概念[2](P86)，鐵路救援的層級性表現(xiàn)為應急設施服務水平的層級差異及救援方式的多源協(xié)同，目的是更好地滿足應急救援服務需求的差異化。現(xiàn)階段，我國在鐵路局集團有限公司所在地、樞紐編組站設置鐵路救援基地，配備救援能力較高的救援列車和軌道起重機，并在其它機務段設置救援能力一般的救援列車，輻射全路救援網(wǎng)絡。

設施配置資源的情況決定了救援基地參與施救的能力。不同層級的救援基地配備有不同等級能力的救援列車和軌道起重機，以及不同規(guī)模數(shù)量的救援人員及救援物資，導致其起重能力、救援服務范圍和運行速度均不同?？焖勹F路救援基地通常配置一般起重機(60噸或100噸)和救援列車，設施內存儲的應急資源相對較少，服務半徑為150～200km，建設及維護成本相對較低[29](P10)，可以應對較大、一般突發(fā)事件。區(qū)域鐵路救援基地通常配置大型起重機(160噸)、先進的起復機械和救援列車等多種救援資源，服務半徑為180-250km，救援能力強。區(qū)域救援基地建設面積和救援隊伍規(guī)模較快速救援基地大，可以提供日常應急救援演練，前期投資大，主要應對重大、特別重大突發(fā)事件。不同等級的鐵路救援基地層級關系為嵌套型，區(qū)域鐵路救援基地可以向快速鐵路救援基地提供資源、技術等方面的支持。當發(fā)生嚴重突發(fā)事件時，單個鐵路救援基地不足以完成救援任務，相鄰的鐵路救援基地可以共同參與救援，提高救援效率，減少線路恢復正常運營所需時間，見表1。

表1 鐵路層級救援基地與突發(fā)事件之間的關系

(二)鐵路救援基地選址特點

鐵路救援基地選址屬于應急服務設施選址問題，是鐵路應急管理中的重要戰(zhàn)略規(guī)劃。鐵路突發(fā)事件發(fā)生后，鐵路救援基地根據(jù)事故嚴重程度和影響范圍，快速組織專業(yè)應急資源開展救援響應工作。

1.戰(zhàn)略性

鐵路救援基地是為了快速響應突發(fā)事件而建立的永久性設施，將長期服務于管轄區(qū)域內的鐵路突發(fā)事件。鐵路救援基地選址決策是使用科學的方法，考慮多種主要影響因素設置鐵路救援基地的數(shù)量和位置，需要結合鐵路發(fā)展規(guī)劃統(tǒng)籌兼顧未來可能發(fā)生的各種需求，更好地規(guī)劃鐵路救援基地網(wǎng)絡，提高對鐵路突發(fā)事件的救援能力。

2.公平性

一般性公共基礎設施，具有非競爭性的特點，所提供的服務所有社會成員可以共同平等的享有。在鐵路系統(tǒng)中，鐵路救援基地可看作是保障鐵路安全運行的公共救援基礎設施?；诮?jīng)濟性和資源優(yōu)化配置的考慮，鐵路救援設施是有限的資源，因此，其公平地配置才能滿足鐵路線路上的所有應急需求。換言之，鐵路上的所有應急需求都需要在鐵路救援基地的覆蓋范圍內。但是公平性也具有相對性，即在全覆蓋的基礎上，可根據(jù)具體需求的重要性進行重點或多重覆蓋，使管轄區(qū)域內發(fā)生的任意突發(fā)事件都能快速得到鄰近鐵路救援基地的高效專業(yè)救援。

(三)鐵路救援基地選址的現(xiàn)狀

鐵路突發(fā)事件具有突發(fā)不確定性、危害嚴重性、救援緊迫性和應急系統(tǒng)性等特點[30]。鐵路突發(fā)事件一旦發(fā)生，鐵路救援基地的救援資源需要及時送達事發(fā)現(xiàn)場，救援基地的位置就成為影響救援響應時間的主要因素。目前，我國鐵路已形成國家鐵路集團有限公司、各鐵路局集團有限公司、站段的三級應急預案體系[31](P3)。鐵路救援基地是由鐵路局集團公司圍繞鐵路救援列車駐地建立的鐵路專業(yè)救援場地，由鐵路局集團公司機務段安全科負責全局救援列車管理[32](P8)。國家鐵路救援列車布局由中國國家鐵路集團有限公司規(guī)劃，并指導救援列車專業(yè)管理工作。鐵路救援基地根據(jù)相關鐵路政策法規(guī)、技術標準的要求設置，但隨著鐵路線路建設和業(yè)務運營實踐的變化，既有的鐵路救援設施布局在實際突發(fā)事件救援中也面臨著一些問題。

1.沿線設置間隔靈活性低

為方便救援列車的管理和維護，鐵路救援基地一般設置在機務段(所)或鐵路車站，I、Ⅱ級鐵路單方向救援距離不大于250 km[33]。按照既有規(guī)則、規(guī)范設置鐵路救援基地，容易導致救援力量配置不均。解決好救援力量與實際需求不匹配的問題是做好救援工作的一項緊迫任務，需要對運輸業(yè)務繁忙的區(qū)段和特殊區(qū)段配置救援列車來進行重點保護[29](P11)，也需要根據(jù)鐵路沿線線橋設備、地質地形、氣象水文等條件識別危險源并配置救援列車開展重點保護[34]。

2.跨區(qū)協(xié)同救援效率低

當管轄區(qū)域內發(fā)生事故時，鐵路救援基地迅速出動救援列車，但當單個鐵路救援基地的作業(yè)能力不足時，如采用吊復法單臺起重機很難完成重載列車救援的起復任務，國家鐵路集團公司根據(jù)需要調度命令救援列車跨鐵路局出動[32](P41)，使用有限的共用物資儲備，組織就近救援資源迅速集結馳援[31](P4)。由于突發(fā)事件救援不可預見性因素多，跨區(qū)域調集資源聯(lián)合救援，可能延誤救援行動實施，造成事故升級以及線路復通延誤。如何在不同地點布局相應層級的救援基地，明確鐵路救援基地之間的合作分工，保證全網(wǎng)各路段都能得到有效服務的同時，提高救援協(xié)同效率，是一項重要的科學問題。

3.網(wǎng)絡布局與路網(wǎng)發(fā)展適應性低

目前，我國18個鐵路局集團公司在其駐地設置了救援列車基地[2](P87)。與普通鐵路相比，高速鐵路具有運行速度快、接觸網(wǎng)牽引電流大、橋梁隧道比率高等特點，所需應急救援資源也有很大區(qū)別。隨著中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的實現(xiàn)，高速鐵路網(wǎng)絡逐漸完善，鐵路救援基地需要進一步調整布局與資源配置，來適應鐵路網(wǎng)絡的變化，達到降低救援響應時間和提高救援效率的目的。

四、基于不確定連續(xù)需求的鐵路層級救援基地選址策略

鐵路突發(fā)事件發(fā)生之前，應急管理規(guī)劃的關鍵是如何解決鐵路層級救援基地選址的問題。本文主要立足解決鐵路救援基地選址過程中，風險需求全覆蓋、跨區(qū)協(xié)同增效、網(wǎng)絡布局最優(yōu)化三個基本問題，提出構建鐵路層級救援基地的科學選址方法。該方法包括選址分析、設施選址和應急評價三個子部分，如圖2所示。選址分析明確選址之前“所建為何”；設施選址建模分析“所設何處”；應急評價檢測決策“提升成效”，這三個子部分相互聯(lián)系、相互作用，把鐵路突發(fā)事件需求、鐵路網(wǎng)絡、鐵路救援基地和選址目標融入到選址決策方法中?；阼F路安全管理理論和鐵路應急救援現(xiàn)狀，借助運籌學、統(tǒng)計學和圖論等方法進行優(yōu)化處理，提出科學有效的鐵路層級救援基地選址方案，實現(xiàn)鐵路層級救援基地選址的戰(zhàn)略性、公平性、專業(yè)性和層級性，進而實現(xiàn)鐵路應急快速響應和高效救援，有效降低突發(fā)事件帶來的各種損失。

(一)考慮“應急有備”的選址分析

優(yōu)化鐵路應急服務設施的位置以實現(xiàn)鐵路網(wǎng)應急能力的提高，需要對鐵路救援基地選址要素有充分的認識，見表2。

表2 鐵路救援基地選址要素分析

鐵路重大突發(fā)事件發(fā)生規(guī)模大，破壞性嚴重，但發(fā)生頻率低；一般突發(fā)事件發(fā)生規(guī)模小，破壞性較輕，但發(fā)生頻率較高。鐵路突發(fā)事件都具有突發(fā)性、公共性以及危害的嚴重性，且發(fā)生位置不確定，是鐵路網(wǎng)中的不確定連續(xù)應急需求。忽視需求空間分布的不確定性將導致選址決策有誤差，不能實現(xiàn)路網(wǎng)風險的全覆蓋，從而導致鐵路救援基地不能快速響應實際突發(fā)需求。使用連續(xù)近似方法處理需求，可以對鐵路網(wǎng)區(qū)域內每一處風險需求給予公平的考慮，提高鐵路救援基地對突發(fā)事件的反應速度，減少事件帶來的負面影響。

鐵路網(wǎng)絡是真實存在的物理網(wǎng)絡，將其拓撲成網(wǎng)絡圖，采用鐵路線路的實際里程表示網(wǎng)絡節(jié)點之間的距離。根據(jù)突發(fā)事件歷史數(shù)據(jù)、沿線環(huán)境分析情況和運輸荷載統(tǒng)計等，采用聚類分析的方法將線路分段，并賦予一個確定的數(shù)值來表示該路段內的事故發(fā)生概率。對新建鐵路線路，突發(fā)事件歷史數(shù)據(jù)缺乏或相對較少，可以通過對主要因素分析法來預測事故發(fā)生概率，高概率發(fā)生事故的路段賦予較大的權重。據(jù)此，綜合考慮不同路段突發(fā)事件的具體情況，明確鐵路網(wǎng)路段的劃分與權重的大小，為鐵路救援基地選址模型確定各參數(shù)的具體數(shù)值。

(二)制定“處置高效”鐵路救援基地選址決策

鐵路救援基地要全面覆蓋鐵路線路上突發(fā)事件的救援需求，同時實現(xiàn)對高風險路段的重點保護，使有限的應急資源最大限度地發(fā)揮效用。本文基于連續(xù)需求選址模型，應用運籌優(yōu)化理論，為區(qū)域和快速救援基地提出層級規(guī)劃選址決策方法，提高路網(wǎng)對突發(fā)事件的抵御能力，概念模型如圖3所示。通過一般絕對中心選址模型規(guī)劃區(qū)域救援基地，在全面覆蓋風險需求的基礎上，應用最大弧覆蓋選址模型布局快速救援基地，兩層設施聯(lián)合覆蓋多重保障路段安全，減少應急響應時間，增加救援效率，優(yōu)化提高鐵路應急恢復力。

鐵路區(qū)域救援基地救援能力強，服務面積廣，可以服務所有等級突發(fā)事件，但建設和運營成本高。區(qū)域救援基地是保障大范圍鐵路安全的專業(yè)救援中心，主要應對嚴重突發(fā)事件(發(fā)生概率極低)，如特大地震、列車相撞等導致的重大鐵路突發(fā)事件，儲存的應急資源使用頻率很低，但大規(guī)模建設區(qū)域救援基地需要很大的經(jīng)濟投入。由于我國國土面積廣闊，鐵路跨越不同地域的地理特征不盡相同，鐵路區(qū)域救援基地應該分區(qū)域進行管轄，當嚴重突發(fā)事件發(fā)生時，一般采取“就近救援”策略。因此，區(qū)域救援基地的設置應使設施到救援需求點的期望距離最小，公平地響應管轄區(qū)域內的每一個突發(fā)事件?；谛枨笱鼐€連續(xù)分布的情況，定量描述救援需求的不同權重和發(fā)生概率，考慮最大救援距離等約束條件，構建一般絕對中心選址模型，以實現(xiàn)區(qū)域救援基地與救援需求點之間的最大期望加權距離最小化。在單設施選址模型的基礎上，建立多設施選址模型，解決多個應急服務設施之間的需求分配問題，實現(xiàn)對區(qū)域內鐵路風險全覆蓋。

快速救援基地建設運營成本低，主要服務于一般突發(fā)事件(發(fā)生概率較高)?？焖倬仍胤瞻霃叫?，只能保障小范圍鐵路的運營安全，因而所需的建設數(shù)目較多。一些突發(fā)事件發(fā)生時，單個救援基地的救援能力可能不足以完成救援工作，而需要鄰近其它救援基地進行協(xié)同救援?；谛枨笱鼐€連續(xù)分布的情況，將區(qū)域救援基地視為已存在的設施，構建弧覆蓋選址模型，多次覆蓋高風險需求路段，并最大化加權覆蓋率，實現(xiàn)不同層級設施協(xié)作來應對可能發(fā)生的突發(fā)事件，滿足不同路段差異化的救援服務水平要求。

不同層級設施選址決策中，需求不確定且沿線連續(xù)分布是造成求解困難的根本原因。根據(jù)模型的特點，有針對性地設計求解算法，在保證算法求解精度的同時降低計算復雜性，這是不確定連續(xù)需求設施選址優(yōu)化的關鍵。

(三)構建鐵路層級救援基地選址方案評價方法

現(xiàn)有應急能力評價模型，大多數(shù)是基于多種應急能力要素和對要素影響因素的分析，建立的綜合評價指標體系，從而對應急能力進行等級劃分[35-36]。少有評價方法，從優(yōu)化應急設施選址決策的角度，對系統(tǒng)應急能力的提升進行評價。本文引入鐵路應急恢復力來評價鐵路救援基地選址決策優(yōu)化效果。模擬突發(fā)事件發(fā)生后的應急響應救援過程，針對現(xiàn)有布局方案和模型優(yōu)化所得的救援基地選址方案，計算應急響應時間與救援時間，分析救援基地布局優(yōu)化方案對鐵路應急恢復力的改進程度。

五、結 語

鐵路救援基地選址對救援服務水平有重要影響，本文主要立足解決鐵路救援基地選址過程中，風險需求全覆蓋、跨區(qū)協(xié)同增效、網(wǎng)絡布局最優(yōu)化三個基本問題，提出構建鐵路層級救援基地的科學選址方法。不同于經(jīng)典的點狀需求，本文提出的設施選址問題中，服務需求以一定的概率沿鐵路線路連續(xù)分布。通過分析鐵路應急救援設施選址的特點，本研究提出用一般絕對中心選址模型保證區(qū)域救援基地選址的公平性，用最大加權弧覆蓋選址模型保證快速救援基地選址的有效性和不同層級設施的協(xié)同救援，以期提高救援效率，減少突發(fā)事件的負面影響。此外，還提出引入鐵路應急恢復力實現(xiàn)對救援基地選址結果的評價。