基于背包问题的机场消防应急资源配置研究

中国民用航空飞行学院 斯奇，牟奇锋，黄诗轶

2013年10月某机场航站楼内商铺发生火灾致部分出港航班受影响,数千旅客滞留；2015年12月，某航班在跑道道口出现发动机冒火花的现象，受此事影响，福州机场跑道关闭1小时40分钟，造成重大经济损失。上述机场消防事件反映出机场消防突发事件在应急管理汇总处于非常关键的位置，因此，恰当的应急处理显得非常重要。而处理好消防应急资源的预配置工作，是整个应急处理过程顺利完成的重要前提。

一、机场消防特性分析与背包问题

（一）机场消防特性分析

在所有安全工作里，消防安全无疑是所有安全工作活动的重中之重。而机场这个特殊的环境，由于要满足机场规定和飞行需要，机场消防工作与其他消防工作相比，有了适应机场消防需要的特性。机场消防工作与其他消防的不同之处主要在于消防工作的范围以及消防资源的配备。机场消防的定义在于消防工作服务的范围，即在机场及其邻近地区发生事故的飞机进行的灭火工作。当机场内有飞机活动时，消防人员和消防车必须在规定地点值班，随时处于戒备状态,在接到报警信号3分钟内要赶到出事现场，投入工作。

表1 应急资源体积

（二）背包问题与消防资源点配备

背包问题作为解决问题的常用方法，经常用于解决管理学、组合数学等方面的问题。而在机场消防应急资源中利用背包问题，通过研究资源和事件之间的关系，确定资源本身的价值，即背包权重，使得在一定条件下完成资源配置点的价值最大化。换句话讲即在机场中选取恰当的资源布置点，通过各种手段并考虑多方面因素，使得在突发事件发生时已经完成的工作可以使得接下来的调度工作所需要的任务、成本和时间都大大降低。

二、背包问题建模

背包问题是经典的组合优化问题，具体可以描述为：给定有重量限制的背包以及具有重量和价值的多个待装物品，求解目标为在背包载重限制下选择物品装入背包并使得装入物品价值最大。将机场消防站视为一个背包，将具有不同价值的应急资源预先配置，可以视作一个背包问题。

该问题数学模型表示如下:

采用动态规划思路求解背包问题。设按可装入物品的种分类化几个阶段。

状态变量w表示用于装第1种物品至第n种物品的总重量。

状态变量xk装入第n种物品的件数。

最优值函数fk（w）过w时，背包中可以装第一种到第n种物品的最大使用价值。

逐步递推，最后得出的fn(a)就是价值，其相应的最优策略由反推运算即可得出。

将应急点仓库视为背包，通过研究资源相对于背包的价值、背包的重量及代价，最后利用背包思路进行预配置工作，完成机场消防资源的配置工作。

三、实例分析

（一）问题描述

《民用航空运输机场消防站消防装备配备》等文件规定机场消防站应当设立在航空器活动区域的适当位置，具有相应的消防设备，承担发生在机场或其紧邻区域的消防任务。某小型民用航空运输机场需要进行消防应急资源的预配置，应在机场平面区域内选择某一点位作为消防站消防装备配备点。

（二）应急资源代价和背包体积确定

在机场应急点的应急资源的配置中许多重要的有效是定性的比如事故的紧急程度和对突发事件的重要程度，为了将这些定性的参数应用到数学模型中，需要通过数学模型和数据处理方法来将定性的参数引入，用于后文的数学模型计算中。本文应急资源的代价、应急物资等相对于民用机场突发事件的重要程度等指标都要定量化。

民用运输机场消防应急资源种类很多，机场需要把医生、护士、消防员、监护除颤仪、简易呼吸器、吸引设备、颈托、输液导轨、火灾自动报警系统、智能烟感探测器、温感探测器、消防泵水灭火系统、消防水池、顶升气囊、搬移拖车、飞机吊带、牵引挂具、栓系设备、橡胶垫块、普通型救护车、复苏型救护车、人员运输车、急救指挥车、急救器材运输车、消防通讯指挥车、快速调动消防车、机场主力消防车、机场主力泡沫车、重型泡沫车等30多个种类的应急资源进行合理的资源配置。

文章将上述资源分为4类主要的大类资源。车辆配备资源、人员配备资源、医疗资源和消防站综合类器材资源。可细分为消防车辆、医疗车辆、搬运车辆、消防人员、医疗人员、消防站破拆设备、通信设备、综合类器材、医疗设备、药品等10类应急资源并进行资源配置。将应急资源和突发事件联系并结合突发事件发生的概率求得资源的价值，最后的到分配方案。

机场消防站的体积是有限的，根据有关规定设消防站的提及体积为40单位。其中不同资源由于类别不同，因此所占用的空间和代价也不同如，如表格1所示。

（三）应急资源重要程度的确定

机场的总体消防应急资源储备有限，由于机场的应急资源种类与机场突发事件具有对应关系，利用德尔菲法确定每个种类的资源在特定情景下的价值权重。事件发生概率X事件对资源需求程度得出资源的需求概率，即背包价值在对打分得到的重要程度加权，最后利用背包解法完成应急资源的分配。

研究不同的突发事件发生时机场所需调用的不同资源，得到不同突发事件下的消防资源需求，笔者针对机场消防的具体情况，结合《民用航空运输机场消防站装备配备》等文件，将机场消防应急资源分为车辆配备资源、人员配备资源、医疗资源和消防站综合类器材资源4个一级指标。之后将每个一级指标进一步划分消防车辆、医疗车辆、搬运车辆、消防人员、医疗人员、消防站破拆设备、通信设备、综合类器材、医疗设备、药品10个二级指标。另采用情景分析法，根据《2020年国际运输机场安全运行报告》等材料进行案例分析情景梳理，机场主要突发事件以及引起火灾的其他事件主要可分为航空器跑道事件（紧急出动）、航空器损伤、机坪突发事件、不涉及航空器的其他事件4个应急资源需求情景。统计一年内四种典型场景出现的频率，可近似认为该频率为每种事件在机场发生的概率，统计得到分别为跑道事件0.06、航空器损伤0.472、机坪突发事件0.066、不涉及航空器的其他事件0.456。

由于同种资源在不同的资源需求情景中发挥的作用不同，因此需要对指标进行重要性区分，也就是确定指标的权重。确定不同情景下的二级指标的重要程度。权重的确定采用德尔菲法，邀请专家对每个一级指标中所包含的二级指标的权重进行评判。以一级指标车辆配备类资源为例，其所包含的二级指标权重的评判结果如表2所示。

表2 车辆配备类资源所包括的二级指标对不同情景的权重

同理可得其他三类资源对所包括的二级指标对不同情景的权重。如表3、表4、表5所示。

表3 消防站综合类器材所包含的二级指标对不同情景的权重

表4 医疗资源所包含的二级指标对不同情景的权重

表5 人员配备资源所包含的二级指标对不同情景的权重

将所有的二级指标加权平均之后，将10类资源按顺序得到所有10类资源对四类事件的权重值。如表6所示。

表6 所有指标对不同事件权重表

结合四种突发事件情景出现的概率利用事件发生概率X事件对资源需求程度得出资源的需求概率，即背包价值公式加权得到最终的价值如表7所示。

表7 资源重要程度

（四）计算结果

根据应急资源的背包问题模型并利用动态规划方法求解，计算结果如下：应急资源预配置的最大价值为1.785，此时每项资源配置为消防人员、医疗人员、药品、医疗设备、破拆设备、通信设备、综合设备等都需要配备2个单位，而消防车辆、医疗车辆和搬运车辆需配置1个单位。按照此时的配备方式能够使当前站点的价值最大，且事故造成的损失最小。

四、结语

对机场应急突发事件进行情景分析，并利用德尔菲法对相关应急资源的进行重要性权重打分，利用背包思想完成物资预配置，得到以下结论。

（1）应急资源的重要程度是背包问题的关键。通过研究事件情景和对应物资的关系，利用德尔菲等权重方法在一定程度上能解决权重的问题。

（2）更大范围内的应急资源预配置问题研究的是确定应急点位置以及应急点的资源配置问题。文章由于选题范围的缘故，反将机场作为配置点，对应急点选择问题没有深入研究。下一步的研究可以放在机场内多个应急点的配置研究，以丰富研究内容。

（3）利用背包的思想解决配置相关问题，将一类物资抽象为一种物品。总体上对不同物资进行了初始配置。物资的分类原则主要是依据对突发事件具有相似的作用，相同或者相似作用的物资一起在突发事件的某一方面进行工作。

（4）在初始分配时考虑一类物资的具体组成。把物资进行分配后需要根据需求分配具体的物资种类。例如把机场车辆分为了消防车辆、医疗车辆和搬运车辆，而在实际操作需要中，可将消防车、搬运车辆继续细分。并且不同的车辆有规章制度的限制和实际的需求。这些细节是以后需要继续研究的内容。