基于多源信息融合的应急响应优化与仿真解决方案（52页 PPT）

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基于多源信息融合的 应急响应优化与仿真 赵晗萍 应急管理部 - 教育部减灾与应急管理研究院 教授 zhaohanping@bnu.edu.cn 2023-06- 28 库存 （报童）模型 时间序列 分析 运输模型 P- 中心模型 集合覆盖模型 最大流模型 车辆路径 规划模型 强大的商业物流资源 高效应急物流 ？ MAX F (X, b, ξ) S. T. gj(X, ξ) ≤ 0, j = 1, 2, …, J ξ 为不确定性参数 X 为决策向量 • 日常商业物流：需求可预测可控、供给固定、强大物流运输系 统 • 灾害应急物流：需求不完备、供给太多样、运输变化多 应急物资储备库 / 出 救点选址问题 大规模应急 疏散问题 灾害应急物流优化问题 应急物资 储备问题 物资运输 调度问题 灾区需求 预测 应急物资 配置问题 P2 交通部门 保 障 运 输 需 求 端 医疗机构 需求产生 供应源 ( 链 / 网络 ) 物流运输 P3 新冠疫情应对应急物资供应链 国资委 发改委 市 场 监 管 总 局 应急管理部 药 监 局 工 信 部 工 信 部 外汇管理局 税 务 总 财 政 部 国开行 财 政 部 慈 善 组 织 社区 、 工作单 位等 其 他 一 线 防 疫 单位 湖北省 防疫指挥部 武 汉 市 防疫指挥部 海 关 总 署 商 务 部 交通部门 保 障 运 输 保障 / 协 助 部 门 m 绿 色 通 道 - 政 府 部 门 协 助 政 府 部 门 指 挥 原 材 料 供 应 商 物资储备库 非定向捐赠 非定向捐赠 慈 善 组 织 境 外 捐 赠 境 内 捐 赠 境 外 采 购 企 业 生 产 相 关 部 门 全 部 交 付 部 分 分 配 统 一 调 配 定向捐赠 供 应 端 工 信 部 资金流 邮政局 物 资 流 重特大突发事件后应急物资供应延迟普遍存在 关键救援 / 救助物资供给延迟后果严重 应急供应链——运输调度 武汉医疗物资供应分配统计 P4 启动全产业链 供给 两周之后产量 可以满足市场 需求 应急供应链 —— 供给 端 2019 年 12 月 2020 年 1 月 2020 年 2 月 口罩生产 熔喷布生产 全国口罩与熔喷布生产企业统计 P5 应急响应措施 ☆ 出 o 国务院成立联防联控机制 工信部统筹应急物资保障/ 商务部紧急协调口罩 应急管理部加强物资生产 企业安全服务 市监局加大价格监管力度 国务院发布复工复产通知 工信部：物资统一调拨 三部联合发布疫情紧缺物 资增产增供通知 发改委发布疫情防控重点 保障物资清单 全国口罩日产量 7619 万只 武汉成立防疫指挥部 武汉红会接收第一批物资 武汉封城 武汉发布接收捐赠通告 湖北发布接收捐赠通告 武汉红会首次物资发放公示 湖北首次物资发放公示 信息 决策 决策智能 数据 数据智能 突发公共卫生事件后各级政府响应措施 o 中央政府部门响应 湖 北 / 武汉政府响应 网络求助信息大幅减少 1 月 26 日 1 月 28 日 1 月 29 日 1 月 20 日 1 月 21 日 1 月 22 日 1 月 23 日 2 月 25 日 1 月 30 日 2 月 15 日 2 月 7 日 2 月 3 日 2 月 2 日 2 月 18 日 ☆ P6 2 34 • 时间紧迫 、 资源有限 • 灾害特征与地理背景差异明显 • 多样化的不确定因素 • 应急过程复杂涉及部门众多 • 发生时间 、 空间 、 影响不可预测或者不能精准预 测 • 对于突发大规模应急事件先验知识不足 • 不完备信息导致供需关系不匹配 P7 自然灾害应急响应问题特点 地区 芦山县 宝兴县 天全县 灾情微博数量 2399223 381461 3661 受灾人口数量 120000 60000 138000 发放帐篷数量 （华峰物流） 29129 10537 12292 帐篷 / 受灾人口 0 .2427 0 . 1756 0 . 0891 网络数据传播迅速，但 是不受控 如何将网络数据转化成 精准可靠的信息 应急供应链——需求端分析 2013 年 4·20 芦山地震物资发放统 计 P8 基于网络灾情数据建筑物倒塌与 人员死亡动态评估 基于共享数据平台应急响应 信息流快速整合 实时动态应急物资调度决策 方案优化与更新 解决思路 灾情评估 需求 供给 交通 供需配置 动态决策 数据 数据 智能 信息 决策 智能 决策 表达模糊 语义冲突 动态更新 P9 震后 3 小时 时效性：震后三小时内可 以达到灾情数量峰值 全区域：覆盖灾区全区域 并体现灾情差异 小尺度：体现乡镇尺度的 灾情 网络灾情数据特征 6· 17 Ms6.0 长宁 和 4 ·20 Ms7.0 芦山地震 P10 时间 来源 信息内容 2013- 04-20 11:45 人民网 震中龙门乡 99% 以 上 房屋垮塌 2013- 04-20 12:14 中国新 闻网 芦山县清仁乡、龙门 乡一带山区受灾非常 严重，民房垮塌很多 2013- 从空中看，有部分房 04-20 央视 屋倒塌，但大部分房 13:01 屋受损情况不太严重 基于网络数据的应急灾情动态评估 当前阶段已获取的 网络灾情数据 网络灾情数据 1 网络灾情数据 2 - - 网络灾情数据 n 下阶段即将获取的 网络灾情新数据 网络灾情新数据 1 网络灾情新数据 2 - - 网络灾情新数据 n 网络灾情数据的量化表达 建立评估对象损失的识别框架 灾 糊模 情词数量据 量化 确定每条灾情数据所对 应的可能倒塌比例的 BPA 例 倒 基于融合后的 BPA 折扣 动态信息更新 动态更新 最新的融合结果 确定评估结果 当前阶段融合结果 表达模糊 语义冲突 动态更新 冲灾 融合 基于 BPA 重分配 模型的 BPA 修正 网 络 灾 情 数 据 融 合 框 架 基于 BPA 重分配模型 的 网络灾情新数据融 合 基于 BPA 修正后的 网络灾情数据融合 灾情数据可 靠性测量 灾情数据模 糊性测量 网络灾情多源数据融合 D-S 证据理论组合规 则 P11 建筑物倒塌范围的模糊词 云模型参数 퐸 X 퐸 n He 建筑物几乎无倒塌（ A1 ） 0.0025 0.0021 0.0002 个别倒塌（ A2 ） 0.0525 0.0403 0.0040 少数倒塌（ A3 ） 0.2000 0.0850 0.0085 多数倒塌（ A4 ） 0.3750 0.1062 0.0106 大多数倒塌（ A5 ） 0.5750 0.1062 0.0106 绝大多数倒塌（ A6 ） 建筑物普遍倒塌（ A7 ） 0.8000 0.9500 0.0850 量化 0 值 .0425 0.0085 可信 0 度 .0043 方法：语义模糊灾情数据的量化表达 倒塌范围模糊词 数值区间 倒塌范围模糊词 数值区间 几乎无倒塌（ A1 ） [0, 0.005] 大多数倒塌（ A5 ） [0.45, 0.70] 个别倒塌（ A2 ） [0.005, 0.10] 绝大多数倒塌（ A6 ） [0.70, 0.90] 少数倒塌（ A3 ） [0.10, 0.30] 普遍倒塌（ A7 ） [0.90, 1.00] 多数倒塌（ A4 ） [0.25, 0.50] 基于正向云发生器与地震建筑损失识别框架量化模糊词汇表达的数值区间 ② 量化识别框架中描述倒塌范围的模糊词 基于云模型理论的模糊词量化参数 识别框架中模糊词量化的云模型分布图 0 5 ① 建立建筑物倒塌评估的识别框架 倒塌范围等级与对应的数值区间 P12 测量证据间的一致性程度 和冲突强度 计算每个证据的不可靠程度 构建基本概率重分配方程， 对各焦元的基本概率分配进行修正 为了防止基本概率的过度修正， 对其进行第二次修正 利用 D-S 组合规则对两次修正 的基本概率分配进行融合 在融合高度或完全冲突的证据时，基于基本概率重分配提出改进 D-S 证据理论冲突数据 融合模型。 方法：网络灾情冲突信息融合 步骤一 步骤二 步骤三 步骤四 P13 步骤五 假设评估结果具有马尔科夫性性 , 利用不同时间节点内的灾情数据对评估结果进行动态 更新。 方法：基于时序数据评估结果更新 = h (m (t+1), m (t+1), …, m (t+1) mr(t+1) = h(mrt, m (t+1)) r , rp m t (A) = { m - r ( ) μmrt (A) μ t 1 μ r μ 评估结果动态更新 , { mr(t+1) ) # A C Θ A = Θ P14 地震初期灾情数据匮乏的条件下，基于地震案例，利用情景分析法，快速评估获取 人员死亡；然后结合建筑物倒塌评估结果，利用贝叶斯更新人员死亡评估结果。 方法：多源数据的贝叶斯条件更新 基于贝叶斯融合的人员死亡动态评估流程图 P15 方法：人员死亡率区间快速评估 基于地震案例，利用情景分析法和信息扩散技术，快速评估 人员死亡区间及其概率分布 不同地震应急情景下各死亡率区间概率 地震人员死亡评估结果 地震应急情 景 信息扩散技 术 P16 方法：基于贝叶斯更新的人员死亡动态评估 结合建筑物倒塌评估结果，利用贝叶斯更新人员死亡评估结果。 区间概率先验分布 评估区间标准 化 条件概率分 布 P17 地震 无效 转发 重复 独立来源 总数据 数据量 数据量 数据量 数据量 量 芦山 地震 59 61 60 2135 2315 宜宾 地震 35 133 109 1203 1480 案例：芦山地震与宜宾地震 数据获取途径： 关键词搜集 地震专题报道 民政部信息中心：舆情监测系统 数据采集 两次地震网络灾情数据信息 P18 案例：芦山地震与宜宾地震建筑物倒塌评估结果 融合结果与实际的建筑倒塌结果相差最大 为 0.1789 ，最小为 0 ，并且集中在 0-0.1 范 围内 , 融合结果与实际倒塌率均方根误差分 别为 0.0693 、 0.0779 、 0.0702 和 0.0612 融合结果与实际的建筑物倒塌结果之间 的差异值最大为 0.0385 ，最小为 0 。 融合结果与实际倒塌率均方根误差分别 为 0.0114 、 0.0109 、 0.0034 和 0.0071 宜宾地震评估乡镇建筑物倒塌动评估结果 芦山地震各乡镇不同时间段评估结果 P19 案例：芦山地震与宜宾地震人员死亡动态评估 震后不同时间段的网络灾情数据获取的死亡人数评 估区间的上限值和下限值与实际死亡人数间均方根 误差分别为： 6.20 、 2.71 、 2.46 、 2.00 、 1.79 ； 下限均方根误差均为 4.75 震后不同时间段的网络灾情数据获取的死亡人数 评估区间的上限值和下限值与实际死亡人数间均 方根误差分别为： 9.55 、 8.24 、 8.12 、 7.09 和 6.04 ；下限均方根误差均为 2.80 宜宾地震不同时间段各乡镇人员死亡动态评估结果图 芦山地震各阶段相关乡镇人员死亡评估结果 P20 应急物资来源： • 国家储备 • 企业协议储备 • 企业产能储备 • 社会捐赠 研究多聚焦国家储备体系、 储备库建设选址、储备资源 规划 随着社会动员力量增加，市 场物资已经绝对占比，但较 少关注 48 % 67 % 7% 73 % 73 % 5% 32 % 7% 9% 9% 12 % 5% 11 % 应急供应链——供给端 大米 / 面 粉 中央 、省级 、市级下拨 市级调拨 接受 捐赠 芦山地震芦山县应急物资来源 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 折叠床 方便面 % 2 饼干 衣物 棉被 帐篷 P21 4% 8% 8% 8% 2% 2% 7% 0 2 8 7 7 1 1 1 1 基于网络灾情数据建筑物倒塌与 人员死亡动态评估 基于共享数据平台应急响应 信息流快速整合 实时动态应急物资调度决策 方案优化与更新 解决思路 灾情评估 需求 供给 交通 供需配置 动态决策 需求快速评估 潜在供给源挖掘 交通可达性评估 数据 数据 智能 信息 决策 智能 决策 P22 基于共享数据平台应急响应信息流快速整合 D = (I or S)·R· 퐸 ·T I 为受伤人数； S 为 避 灾场所数量； R 为 物 资需求系数， E 为 经 济系数， T 为受灾天 数 潜在供给 源挖掘 交通可达 性评估 需求快速 评估 供需关系 匹配 供给评估 P23 案例：芦山地震灾区供需评估 District where the demand point is located Demand points (resident) District where the supply point is located Supply points (resident) Latitude Maximu m distance (m) Maximum time (second) Longitude Latitude Longitude Lushan 102.926730 30.159580 Yucheng Yingjing Hongya Pujiang 102.984370 102.837320 103.369710 103.502589 29.98555 6 29.79532 5 29.91281 2 30.21419 6 100092 5478 Tianquan 102.750500 30.078638 Pujiang 103.502589 30.21419 6 97053 4917 Baoxing 102.821020 30.372356 Dayi 103.523039 30.58478 1 156398 9039 Mingshan 103.096070 30.094232 Danleng 103.512259 30.02618 9 91724 5115 需求评估 P24 需求紧迫性分级评估 医疗物资供给源挖掘 医疗物资供需比评估 医疗物资供需分配 物资调度各环节存在不同程 度延迟 • 没有合理调度方案优化 • 参与物资调度工作的人员和车 辆极度短缺，管理混乱 应急物资调度系统不具备灵 活性 应急供应链——运输调度 成都市帐篷收发量（万顶） 帐篷发放量（ 万顶） 芦山地震应急物资调配分析 成都市接收 成都市发放 芦山县接收 芦山县发放 4/21 4/22 4/23 4/24 4/25 4/26 4/27 4/21 4/22 4/23 4/24 4/25 4/26 4/27 ---- 帐篷 （万顶） 食品 （吨） 10 5 0 3.0 2.0 1.0 0.0 芦 山县帐篷收发量（万顶） 食品发放量（ 顿） 5 4 3 2 1 0 0.5 0 P25 1 解决思路 • 优化：资源调度 / 渔船 回港 / 网络疏散 • 仿真： 多点火灾应急 仿 真平台 基于网络灾情数据建筑物倒塌与人员死亡动态评估 基于共享数据平台应急响应信息流快速整合 灾情评估 需求 供给 交通 供需配置 动态决策 不确 定 时间 紧 资源 少 跨部 门 数据 数据 智能 信息 决策 智能 决策 实时动态应急决策 优化与仿真 P26 实时动态应急物资调度决策方案优化与重调度 建立基于实时路径规划的多周期动态应急物资调配模型，根据实际情景为单位库存成本、单位运输成本、剥 夺成本参数赋值，在每周期引入供给、需求和途中信息，求取当前信息下成本最小的物资分配与运输策略 参数名称 含义 规则说明 Origin 出发点 （经度 , 纬度），小数点后 6 位 Destinatio n 目的地 同出发点规则 Distance 行驶距离 单位：米 Duration 预计间 单位：秒 Step 导航路段 行驶指示、方向、道路名称、路段 距离、路段坐标点串、导航主要动 作、路段的交通情况 ④ 实时路线规划，距离和耗时 高德地图驾车规划 API 部分重要返回参数 基于实时路径信息的多周期动态应急物资配置模型 ② 存在优先级的物资转运规 则 ③ 可供物资运输的残余路网 ① 应急物资转运网 络 P27 案例：芦山地震应急分配运输结果 2013 年 4 月 20 日芦山地震应急物资分配运输方案（第一周期 ） 2013 年 4 月 20 日芦山地震应急物资分配运输方案（第五周期） P28 案例：芦山地震多周期动态应急物资调配 2013 年 4 月 20 日芦山地震应急物资分配运输 方案 （道路中断） 2013 年 4 月 20 日芦山地震应急物资分配运输 方案 （正常情况） 当情景参数发生扰动，求取的物资分配决策随之变化 部分道路中断 P29 漾濞地震应急评估 0 17 33 49 66 82 97 漾濞地震更新后的人员死亡评估结果 漾濞地震黑箱期人员死亡评估结果 邻县至漾濞县区物资调度路线 漾濞地震建筑物倒塌评估结果 医疗与生活物资供需评估 100% P30 玛多地震应急评估 玛