面向复杂环境的分布式能源综合抢修救援调度方法研究

陈旭

广东能源集团科学技术研究院有限公司，广东广州，510620

0 引言

大规模能源故障发生后，需要组织抢修救援力量对区域能源设施进行故障排查排除，但是由于能源抢修救援存在多级指挥机制，需要通过不同指挥层次的任务规划来动态协调各抢修救援队伍之间的任务规划与时空调度问题，加之能源设施所在的环境复杂多样，分布区域广，难以通过简单权衡确定最佳调度方案，以致延误抢修时机或浪费抢修资源[1-4]。因此，结合仿真场景为分布式能源抢修救援任务提供态势分析、区域覆盖、目标引导等抢修救援行动规划或执行环节所需的情报融合、资源调配或行动指控等信息服务，可以提高抢修救援体系的整体快速响应能力。

当前对能源抢修救援力量组织或部署规划的应用多集中在山区或震区等典型抢修救援场景，研究成果主要体现在针对不同优先级抢修目标的区域行进路径规划、受气候或海洋环境作用的动态目标范围搜索算法优化、不同能源规模条件下的检修力量配比模型[5-8]或抢修救援梯队的分批接力流程规划等方面。这些方法采用定性与定量相结合的抢修救援背景布局与抢修救援力量博弈计算，通过调研、调查、地图等的方式获取资源与环境数据，建立满足一定预置前提或约束条件下的以典型抢修救援活动为规划目标的区域性检修力量部署或调度模型，能够满足局部地域性抢修救援任务的需求；但检修力量功能模型差异与复杂地理环境等客观因素的存在，使上述仿真抢修救援场景并不具备复杂环境下的快速抢修救援行动规划能力。

为模拟真实场景复杂多变的抢修救援时空数据，本文提出了一套集天基实时侦查、地形地貌仿真建模、抢修救援力量路径规划、抢修救援态势实时监管于一体的分布式能源综合抢修救援调度方法。

1 能源抢修救援中态势分析模型的建立

能源设施架设的地理环境具备高度的复杂性，各抢修救援单元可实现的抢修救援路径、抢修救援速度存在重大差异，为了满足调度需要，需要基于模拟环境建立通用抢修救援态势分析与展示模型。

1.1 抢修救援资源组网模型

抢修救援资源包括天基侦查/通信卫星节点、空中通信节点、空中/地面/水面搜索与抢修救援节点等。通过构建抢修救援通信链路，提供受损能源设施影像和危险事件预警等信息的多端实时交互，实现指挥平台对各分布式抢修救援终端的资源汇集与跟踪定位，以便生成实时抢修救援视图。

能源抢修救援环境位于城乡等已开发地段时，可使用民用通信网络进行搜索定位与通信；能源抢修救援环境分布在森林、山地或海面等未开发地段时，无法使用城市空间内规模化建设的民用通信网络，抢修救援单元之间需要借助卫星资源满足搜索定位与临时通信需求。但由于卫星通信容量和覆盖范围的约束，无法独立提供可靠稳定的网络接入与传输服务。因此主要利用卫星的导航定位与影像侦测服务，同时引入无人机或飞艇等空中持久续航节点通过搭载天基通信中继，为地面搜索单元提供影像或视频流传输服务。

为保障持续的卫星服务，需要提前规划好服务卫星之间的接力工作，并将当前卫星服务在服务交接点进行备份和实时迁移，以便后续接力卫星提供连续保障服务。

地面抢修救援节点包含各类抢修救援人员、专员或全地形车辆、船只以及低空无人机[9]等地面抢修救援单元。不同抢修救援单元拥有不同行进速度、搜索半径、爬坡或续航能力。上述能力将作为建模指标，通过统一的地面抢修救援节点模型进行关键指标的定义并支持搭配组合，其个体或组合单元的行进路径、采集视频和定位数据将通过空中通信中继传递给指挥部门汇聚成抢修救援态势视图。下图为以某型号越野车为抢修救援单元的模型部分参数示例。

1.2 抢修救援路径元网格模型

将抢修救援区域进行垂直投影，按二维方形网格进行适度划分，以便建立适度范围的基准网格转换单元，剥离地形地貌等差异化因子的影响，形成统一的抢修救援路径平面网格方便指挥员进行抢修救援单元调度。

一般对抢修救援单元产生影响的因子主要包括地质、地形、连通性、风险等级等指标，对不同抢修救援单元的通行能力与通行速度产生影响，每一单元网格内将分别依据上述指标项对不同的抢修救援单元形成统一的调度代价描述模型。

通过对卫星、航拍等遥测侦查数据进行地物地貌分析、坡度提取、野外道路连通性分析、态势风险分析等流程，可以提取环境数据基于上述元网格为单元划分的地质、地形、连通性、风险系数。

（1）地质因子

不同抢修救援单元对不同地质环境，可以通过经验或实验参数进行建模，形成各类抢修救援单元对各种典型地质条件的通信能力约束指标参数。

（2）地形因子

对于山坡等非平面地形，需要通过适当转换拟合成等价的平面投影网格。其坡度角A将是一项关键指标。除了对非全地形车辆产生通行约束障碍外，其坡面曲面面积大小也可通过坡面中心点P的法平面在投影曲线的切片矩形来近似描述，单元投影网格与该切片矩形面积的比值系数为sinA，各种抢修救援人员或装备的实际通行速度的修正系数将根据爬坡角度介于[sinA，1]之间，具体需要参考进入网格的方位角是否为爬坡方向。

（3）连通性因子与风险等级因子

连通性表达该网格与周边邻接网格的连通性，风险等级为进入该网格的风险系数，上述因子将为路径规划算法是否经历该网格提供参考。

1.3 抢修救援任务规划模型

基于地理环境和抢修救援次序设立主次要抢修救援节点和避让节点，以及将高价值抢修救援区域设立为中间必过点，基于收敛目标可定制的路径规划算法为以抢修救援路径元网格为最小规划点位，形成各抢修救援目标规划抢修救援目标路径，以符合用户所需的经济优先、时间优先、安全系数最高等抢修救援路径。

2 抢修救援调度方案的规划流程设计

基于上述，分布式能源抢修救援任务规划的典型流程包括下述步骤：

1）根据基层抢修救援指挥单位的需求，按照定制的网格分辨率进行最小粒度抢修救援环境网格划分，形成抢修救援态势元网格；

2）按照能源故障和抢修救援力量分布的实际态势部署，基于上述态势元网格为我方故障排查、维修、指挥力量构建任务规划元网格，每个任务规划元网格模型可划设为抢修救援需求单元、抢修救援指挥单元、抢修救援实施单元、抢修救援代价计算单元，除抢修救援代价计算单元组件外，其他组件按网格内是否有部署运行、指挥、抢修等进行组件注册；

3）最高级指挥部门需要将态势图按标准及抢修救援响定数据进行全局保障需求预测，形成保障需求及阶段性预测的总体规划并进行下发；

4）抢修救援需求单元、抢修救援实施单元需要注册到就近的指挥单元，与之建立需求反馈与需求抢修救援项目等资源收集、调度、反馈交互流程；抢修救援代价计算单元为抢修救援活动路径跨越该网格付出的调度代价综合评估模块，包括时间、经济、安全等考量因子为指标的抢修救援分类评估系数，以便在地图网格上规划出满足不同用户需求的抢修救援活动调度与实施路径。此过程中，各指挥单元实例需要保持实际指挥部门之间的层级关系不变，以便建立稳固的层次指挥与反馈协调抢修救援行动，各网格抢修救援需求单元组件接收下发的资源，进行资源需求配置，高抢修救援目标会被设置为高优先级并被优先响应，与之存在资源竞争关系的普通抢修救援目标会在竞争时间段内被动弱化其目标的抢修救援价值，表现为与高价值抢修救援目标存在竞争冲突的调度代价会相对非线性增长，通过时序上优先规划、空间上相对降低调度代价，来实现高价值目标的优先抢修救援响应；

5）根据抢修救援需求及阶段性预测的总体规划，各抢修救援需求单元根据能源消耗行为参与程度产生比较大的抢修救援需求波动，破坏了日常抢修救援平衡计划，需要按照顶层规划优先保障上述重要节点的需求。其发起的抢修救援需求将交由对应的指挥单元进行协同，动态调整与之产生抢修救援竞争关系而抢修救援级别低于该抢修救援单元的抢修救援代价，并大幅度更新附近网格的抢修救援代价计算单元，以引导附近网格内抢修救援任务的收拢与聚合，实现关键节点优先抢修救援。而对于与之竞争失败的抢修救援需求单元，则根据抢修救援代价计算模块，寻求更大元网格范围内的抢修救援请求，重新注册到新的抢修救援指挥单元；

6）通过上述抢修救援指挥单元的层级协调，可以协调重点抢修救援任务规划与全局均衡抢修救援协调，以较小代价实现抢修救援模型的层次更新与快速规划。

3 示例分析

3.1 抢修救援需求

某山村在地震后发生了能源故障，该区域存在大小能源设施①②③均有不同程度损坏，需要进行应急维修。

3.2 调度方案生成

经过紧急调查发现，自平原设施③前往山地设施②的公路受到损坏，且受到停电影响，当地公用通信基站处于宕机状态，公用通信网络信号较差。

为了满足通信需求，指挥中心为抢修救援团队配备了卫星通信电话和自组网式的手持视频通话机，通过便携式无人机中继后可在方圆50公里的山区实现无障碍通话，并与指挥中心进行实时沟通。

为了确定行进的可能性，指挥中心派出了应急测绘无人机，经过对回传的视频图像进行快速分析，创建了当地地形网格图，经过与已注册的抢修救援资源进行对比，发现目前可就近派出的抢修救援队伍包括一辆越野型维修车、抢修救援拖车、一辆应急电源车。通过路径可行性对比发现，公路（D2）受到了严重损害无法通行，但越野维修车可以通过公路两侧的缓坡山路（C2、E2）绕行至设施②，通过行进时间和风险等级对比，最终确定公路东侧山路（E2）行进的成功可行性更大、耗时更短，但同时也发现抢修救援拖车、应急电源车无法通过上述山路（C2、E2）。由于几个设施的抢修没有优先级要求，经过调度方案自动调整后，确定了“①-③-②”的行进路线，且在③维修完毕后抢修救援拖车、应急电源车将原地等待，仅允许越野维修车通过E2前往②点，待维修完毕后抢修救援队伍一同返回，路径规划如下所示：

以上即为抢修救援过程中应用元网格和路径规划实现了综合抢修救援调度的基本过程。

4 结论

随着能源设施、尤其是分布式能源设施在我国境内的日益增多，设备所处的地理环境日趋多样化，在调度过程中需要综合考虑抢修救援资源、抢修救援目标需求和抢修救援实现的方式方法，通过仿真抢修救援场景和调度方案平台的搭建，将有利于决策者快速匹配抢修救援需求与抢修救援时间，用最好的方法、最高的效率完成能源抢修救援保障任务。本文所提出的分布式能源综合抢修救援调度方法，适应态势变化的需求，以态势元网格为需求分析与任务规划的模板，按照总体态势分析与预测的成果，动态调整并优先保障高价值保障目标的资源调度策略，实现资源保障的基于时空调度代价的动态筹划与高效调度规划，降低了保障成本与协作保障难度，且保障方案的网格化展示，使得指挥层级与协作序列清晰展现。期望这些模型和方法的建立能对我国分布式能源应急抢修救援调度问题提供一些解决方法和手段。