陳旭

廣東能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣東廣州，510620

0 引言

大規(guī)模能源故障發(fā)生后，需要組織搶修救援力量對區(qū)域能源設(shè)施進(jìn)行故障排查排除，但是由于能源搶修救援存在多級指揮機(jī)制，需要通過不同指揮層次的任務(wù)規(guī)劃來動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)各搶修救援隊(duì)伍之間的任務(wù)規(guī)劃與時(shí)空調(diào)度問題，加之能源設(shè)施所在的環(huán)境復(fù)雜多樣，分布區(qū)域廣，難以通過簡單權(quán)衡確定最佳調(diào)度方案，以致延誤搶修時(shí)機(jī)或浪費(fèi)搶修資源[1-4]。因此，結(jié)合仿真場景為分布式能源搶修救援任務(wù)提供態(tài)勢分析、區(qū)域覆蓋、目標(biāo)引導(dǎo)等搶修救援行動(dòng)規(guī)劃或執(zhí)行環(huán)節(jié)所需的情報(bào)融合、資源調(diào)配或行動(dòng)指控等信息服務(wù)，可以提高搶修救援體系的整體快速響應(yīng)能力。

當(dāng)前對能源搶修救援力量組織或部署規(guī)劃的應(yīng)用多集中在山區(qū)或震區(qū)等典型搶修救援場景，研究成果主要體現(xiàn)在針對不同優(yōu)先級搶修目標(biāo)的區(qū)域行進(jìn)路徑規(guī)劃、受氣候或海洋環(huán)境作用的動(dòng)態(tài)目標(biāo)范圍搜索算法優(yōu)化、不同能源規(guī)模條件下的檢修力量配比模型[5-8]或搶修救援梯隊(duì)的分批接力流程規(guī)劃等方面。這些方法采用定性與定量相結(jié)合的搶修救援背景布局與搶修救援力量博弈計(jì)算，通過調(diào)研、調(diào)查、地圖等的方式獲取資源與環(huán)境數(shù)據(jù)，建立滿足一定預(yù)置前提或約束條件下的以典型搶修救援活動(dòng)為規(guī)劃目標(biāo)的區(qū)域性檢修力量部署或調(diào)度模型，能夠滿足局部地域性搶修救援任務(wù)的需求；但檢修力量功能模型差異與復(fù)雜地理環(huán)境等客觀因素的存在，使上述仿真搶修救援場景并不具備復(fù)雜環(huán)境下的快速搶修救援行動(dòng)規(guī)劃能力。

為模擬真實(shí)場景復(fù)雜多變的搶修救援時(shí)空數(shù)據(jù)，本文提出了一套集天基實(shí)時(shí)偵查、地形地貌仿真建模、搶修救援力量路徑規(guī)劃、搶修救援態(tài)勢實(shí)時(shí)監(jiān)管于一體的分布式能源綜合搶修救援調(diào)度方法。

1 能源搶修救援中態(tài)勢分析模型的建立

能源設(shè)施架設(shè)的地理環(huán)境具備高度的復(fù)雜性，各搶修救援單元可實(shí)現(xiàn)的搶修救援路徑、搶修救援速度存在重大差異，為了滿足調(diào)度需要，需要基于模擬環(huán)境建立通用搶修救援態(tài)勢分析與展示模型。

1.1 搶修救援資源組網(wǎng)模型

搶修救援資源包括天基偵查/通信衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、空中通信節(jié)點(diǎn)、空中/地面/水面搜索與搶修救援節(jié)點(diǎn)等。通過構(gòu)建搶修救援通信鏈路，提供受損能源設(shè)施影像和危險(xiǎn)事件預(yù)警等信息的多端實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)指揮平臺對各分布式搶修救援終端的資源匯集與跟蹤定位，以便生成實(shí)時(shí)搶修救援視圖。

能源搶修救援環(huán)境位于城鄉(xiāng)等已開發(fā)地段時(shí)，可使用民用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搜索定位與通信；能源搶修救援環(huán)境分布在森林、山地或海面等未開發(fā)地段時(shí)，無法使用城市空間內(nèi)規(guī)模化建設(shè)的民用通信網(wǎng)絡(luò)，搶修救援單元之間需要借助衛(wèi)星資源滿足搜索定位與臨時(shí)通信需求。但由于衛(wèi)星通信容量和覆蓋范圍的約束，無法獨(dú)立提供可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)接入與傳輸服務(wù)。因此主要利用衛(wèi)星的導(dǎo)航定位與影像偵測服務(wù)，同時(shí)引入無人機(jī)或飛艇等空中持久續(xù)航節(jié)點(diǎn)通過搭載天基通信中繼，為地面搜索單元提供影像或視頻流傳輸服務(wù)。

為保障持續(xù)的衛(wèi)星服務(wù)，需要提前規(guī)劃好服務(wù)衛(wèi)星之間的接力工作，并將當(dāng)前衛(wèi)星服務(wù)在服務(wù)交接點(diǎn)進(jìn)行備份和實(shí)時(shí)遷移，以便后續(xù)接力衛(wèi)星提供連續(xù)保障服務(wù)。

地面搶修救援節(jié)點(diǎn)包含各類搶修救援人員、專員或全地形車輛、船只以及低空無人機(jī)[9]等地面搶修救援單元。不同搶修救援單元擁有不同行進(jìn)速度、搜索半徑、爬坡或續(xù)航能力。上述能力將作為建模指標(biāo)，通過統(tǒng)一的地面搶修救援節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)的定義并支持搭配組合，其個(gè)體或組合單元的行進(jìn)路徑、采集視頻和定位數(shù)據(jù)將通過空中通信中繼傳遞給指揮部門匯聚成搶修救援態(tài)勢視圖。下圖為以某型號越野車為搶修救援單元的模型部分參數(shù)示例。

1.2 搶修救援路徑元網(wǎng)格模型

將搶修救援區(qū)域進(jìn)行垂直投影，按二維方形網(wǎng)格進(jìn)行適度劃分，以便建立適度范圍的基準(zhǔn)網(wǎng)格轉(zhuǎn)換單元，剝離地形地貌等差異化因子的影響，形成統(tǒng)一的搶修救援路徑平面網(wǎng)格方便指揮員進(jìn)行搶修救援單元調(diào)度。

一般對搶修救援單元產(chǎn)生影響的因子主要包括地質(zhì)、地形、連通性、風(fēng)險(xiǎn)等級等指標(biāo)，對不同搶修救援單元的通行能力與通行速度產(chǎn)生影響，每一單元網(wǎng)格內(nèi)將分別依據(jù)上述指標(biāo)項(xiàng)對不同的搶修救援單元形成統(tǒng)一的調(diào)度代價(jià)描述模型。

通過對衛(wèi)星、航拍等遙測偵查數(shù)據(jù)進(jìn)行地物地貌分析、坡度提取、野外道路連通性分析、態(tài)勢風(fēng)險(xiǎn)分析等流程，可以提取環(huán)境數(shù)據(jù)基于上述元網(wǎng)格為單元?jiǎng)澐值牡刭|(zhì)、地形、連通性、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

（1）地質(zhì)因子

不同搶修救援單元對不同地質(zhì)環(huán)境，可以通過經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)參數(shù)進(jìn)行建模，形成各類搶修救援單元對各種典型地質(zhì)條件的通信能力約束指標(biāo)參數(shù)。

（2）地形因子

對于山坡等非平面地形，需要通過適當(dāng)轉(zhuǎn)換擬合成等價(jià)的平面投影網(wǎng)格。其坡度角A將是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。除了對非全地形車輛產(chǎn)生通行約束障礙外，其坡面曲面面積大小也可通過坡面中心點(diǎn)P的法平面在投影曲線的切片矩形來近似描述，單元投影網(wǎng)格與該切片矩形面積的比值系數(shù)為sinA，各種搶修救援人員或裝備的實(shí)際通行速度的修正系數(shù)將根據(jù)爬坡角度介于[sinA，1]之間，具體需要參考進(jìn)入網(wǎng)格的方位角是否為爬坡方向。

（3）連通性因子與風(fēng)險(xiǎn)等級因子

連通性表達(dá)該網(wǎng)格與周邊鄰接網(wǎng)格的連通性，風(fēng)險(xiǎn)等級為進(jìn)入該網(wǎng)格的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，上述因子將為路徑規(guī)劃算法是否經(jīng)歷該網(wǎng)格提供參考。

1.3 搶修救援任務(wù)規(guī)劃模型

基于地理環(huán)境和搶修救援次序設(shè)立主次要搶修救援節(jié)點(diǎn)和避讓節(jié)點(diǎn)，以及將高價(jià)值搶修救援區(qū)域設(shè)立為中間必過點(diǎn)，基于收斂目標(biāo)可定制的路徑規(guī)劃算法為以搶修救援路徑元網(wǎng)格為最小規(guī)劃點(diǎn)位，形成各搶修救援目標(biāo)規(guī)劃搶修救援目標(biāo)路徑，以符合用戶所需的經(jīng)濟(jì)優(yōu)先、時(shí)間優(yōu)先、安全系數(shù)最高等搶修救援路徑。

2 搶修救援調(diào)度方案的規(guī)劃流程設(shè)計(jì)

基于上述，分布式能源搶修救援任務(wù)規(guī)劃的典型流程包括下述步驟：

1）根據(jù)基層搶修救援指揮單位的需求，按照定制的網(wǎng)格分辨率進(jìn)行最小粒度搶修救援環(huán)境網(wǎng)格劃分，形成搶修救援態(tài)勢元網(wǎng)格；

2）按照能源故障和搶修救援力量分布的實(shí)際態(tài)勢部署，基于上述態(tài)勢元網(wǎng)格為我方故障排查、維修、指揮力量構(gòu)建任務(wù)規(guī)劃元網(wǎng)格，每個(gè)任務(wù)規(guī)劃元網(wǎng)格模型可劃設(shè)為搶修救援需求單元、搶修救援指揮單元、搶修救援實(shí)施單元、搶修救援代價(jià)計(jì)算單元，除搶修救援代價(jià)計(jì)算單元組件外，其他組件按網(wǎng)格內(nèi)是否有部署運(yùn)行、指揮、搶修等進(jìn)行組件注冊；

3）最高級指揮部門需要將態(tài)勢圖按標(biāo)準(zhǔn)及搶修救援響定數(shù)據(jù)進(jìn)行全局保障需求預(yù)測，形成保障需求及階段性預(yù)測的總體規(guī)劃并進(jìn)行下發(fā)；

4）搶修救援需求單元、搶修救援實(shí)施單元需要注冊到就近的指揮單元，與之建立需求反饋與需求搶修救援項(xiàng)目等資源收集、調(diào)度、反饋交互流程；搶修救援代價(jià)計(jì)算單元為搶修救援活動(dòng)路徑跨越該網(wǎng)格付出的調(diào)度代價(jià)綜合評估模塊，包括時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、安全等考量因子為指標(biāo)的搶修救援分類評估系數(shù)，以便在地圖網(wǎng)格上規(guī)劃出滿足不同用戶需求的搶修救援活動(dòng)調(diào)度與實(shí)施路徑。此過程中，各指揮單元實(shí)例需要保持實(shí)際指揮部門之間的層級關(guān)系不變，以便建立穩(wěn)固的層次指揮與反饋協(xié)調(diào)搶修救援行動(dòng)，各網(wǎng)格搶修救援需求單元組件接收下發(fā)的資源，進(jìn)行資源需求配置，高搶修救援目標(biāo)會被設(shè)置為高優(yōu)先級并被優(yōu)先響應(yīng)，與之存在資源競爭關(guān)系的普通搶修救援目標(biāo)會在競爭時(shí)間段內(nèi)被動(dòng)弱化其目標(biāo)的搶修救援價(jià)值，表現(xiàn)為與高價(jià)值搶修救援目標(biāo)存在競爭沖突的調(diào)度代價(jià)會相對非線性增長，通過時(shí)序上優(yōu)先規(guī)劃、空間上相對降低調(diào)度代價(jià)，來實(shí)現(xiàn)高價(jià)值目標(biāo)的優(yōu)先搶修救援響應(yīng)；

5）根據(jù)搶修救援需求及階段性預(yù)測的總體規(guī)劃，各搶修救援需求單元根據(jù)能源消耗行為參與程度產(chǎn)生比較大的搶修救援需求波動(dòng)，破壞了日常搶修救援平衡計(jì)劃，需要按照頂層規(guī)劃優(yōu)先保障上述重要節(jié)點(diǎn)的需求。其發(fā)起的搶修救援需求將交由對應(yīng)的指揮單元進(jìn)行協(xié)同，動(dòng)態(tài)調(diào)整與之產(chǎn)生搶修救援競爭關(guān)系而搶修救援級別低于該搶修救援單元的搶修救援代價(jià)，并大幅度更新附近網(wǎng)格的搶修救援代價(jià)計(jì)算單元，以引導(dǎo)附近網(wǎng)格內(nèi)搶修救援任務(wù)的收攏與聚合，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)優(yōu)先搶修救援。而對于與之競爭失敗的搶修救援需求單元，則根據(jù)搶修救援代價(jià)計(jì)算模塊，尋求更大元網(wǎng)格范圍內(nèi)的搶修救援請求，重新注冊到新的搶修救援指揮單元；

6）通過上述搶修救援指揮單元的層級協(xié)調(diào)，可以協(xié)調(diào)重點(diǎn)搶修救援任務(wù)規(guī)劃與全局均衡搶修救援協(xié)調(diào)，以較小代價(jià)實(shí)現(xiàn)搶修救援模型的層次更新與快速規(guī)劃。

3 示例分析

3.1 搶修救援需求

某山村在地震后發(fā)生了能源故障，該區(qū)域存在大小能源設(shè)施①②③均有不同程度損壞，需要進(jìn)行應(yīng)急維修。

3.2 調(diào)度方案生成

經(jīng)過緊急調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自平原設(shè)施③前往山地設(shè)施②的公路受到損壞，且受到停電影響，當(dāng)?shù)毓猛ㄐ呕咎幱阱礄C(jī)狀態(tài)，公用通信網(wǎng)絡(luò)信號較差。

為了滿足通信需求，指揮中心為搶修救援團(tuán)隊(duì)配備了衛(wèi)星通信電話和自組網(wǎng)式的手持視頻通話機(jī)，通過便攜式無人機(jī)中繼后可在方圓50公里的山區(qū)實(shí)現(xiàn)無障礙通話，并與指揮中心進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通。

為了確定行進(jìn)的可能性，指揮中心派出了應(yīng)急測繪無人機(jī)，經(jīng)過對回傳的視頻圖像進(jìn)行快速分析，創(chuàng)建了當(dāng)?shù)氐匦尉W(wǎng)格圖，經(jīng)過與已注冊的搶修救援資源進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)目前可就近派出的搶修救援隊(duì)伍包括一輛越野型維修車、搶修救援拖車、一輛應(yīng)急電源車。通過路徑可行性對比發(fā)現(xiàn)，公路（D2）受到了嚴(yán)重?fù)p害無法通行，但越野維修車可以通過公路兩側(cè)的緩坡山路（C2、E2）繞行至設(shè)施②，通過行進(jìn)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)等級對比，最終確定公路東側(cè)山路（E2）行進(jìn)的成功可行性更大、耗時(shí)更短，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)搶修救援拖車、應(yīng)急電源車無法通過上述山路（C2、E2）。由于幾個(gè)設(shè)施的搶修沒有優(yōu)先級要求，經(jīng)過調(diào)度方案自動(dòng)調(diào)整后，確定了“①-③-②”的行進(jìn)路線，且在③維修完畢后搶修救援拖車、應(yīng)急電源車將原地等待，僅允許越野維修車通過E2前往②點(diǎn)，待維修完畢后搶修救援隊(duì)伍一同返回，路徑規(guī)劃如下所示：

以上即為搶修救援過程中應(yīng)用元網(wǎng)格和路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)了綜合搶修救援調(diào)度的基本過程。

4 結(jié)論

隨著能源設(shè)施、尤其是分布式能源設(shè)施在我國境內(nèi)的日益增多，設(shè)備所處的地理環(huán)境日趨多樣化，在調(diào)度過程中需要綜合考慮搶修救援資源、搶修救援目標(biāo)需求和搶修救援實(shí)現(xiàn)的方式方法，通過仿真搶修救援場景和調(diào)度方案平臺的搭建，將有利于決策者快速匹配搶修救援需求與搶修救援時(shí)間，用最好的方法、最高的效率完成能源搶修救援保障任務(wù)。本文所提出的分布式能源綜合搶修救援調(diào)度方法，適應(yīng)態(tài)勢變化的需求，以態(tài)勢元網(wǎng)格為需求分析與任務(wù)規(guī)劃的模板，按照總體態(tài)勢分析與預(yù)測的成果，動(dòng)態(tài)調(diào)整并優(yōu)先保障高價(jià)值保障目標(biāo)的資源調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)資源保障的基于時(shí)空調(diào)度代價(jià)的動(dòng)態(tài)籌劃與高效調(diào)度規(guī)劃，降低了保障成本與協(xié)作保障難度，且保障方案的網(wǎng)格化展示，使得指揮層級與協(xié)作序列清晰展現(xiàn)。期望這些模型和方法的建立能對我國分布式能源應(yīng)急搶修救援調(diào)度問題提供一些解決方法和手段。