2024年, 第64卷, 第6期　
刊出日期：2024-06-15

  

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公共安全
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  基于浓度响应因子法的建筑物周围污染物扩散快速模拟

  林一萍, 黄弘, 吴家麟, 张小乐

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 933-939,952. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.009

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  浓度响应因子法在稳态流场与固定污染源位置的情况下,能够快速计算污染物释放后浓度变化。该文使用浓度响应因子法对建筑物周围污染物扩散进行模拟,利用典型建筑结构的风洞实验数据验证了该方法的可靠性。通过与计算流体力学(CFD)瞬态模拟方法对比,分析了流场结构、污染物释放函数浓度对响应因子法准确性的影响。结果表明:浓度响应因子法能很好地模拟建筑周边的污染物扩散,浓度的变化趋势与CFD瞬态模拟结果相吻合,FAC2值基本在0.95以上,且能够节约大量求解时间。对于时变的污染源释放函数,浓度响应因子法仍能够很好地模拟过程中任何时刻的浓度。该研究结果可为使用浓度响应因子法快速计算大量建筑周围污染物扩散浓度提供参考。
  
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  基于全连接的长短期记忆网络实现采空区CO多步预测

  罗振敏, 张利冬, 宋泽阳

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 940-952. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.011

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  煤自燃是煤矿的主要自然灾害之一。煤自燃的物理化学过程十分复杂,且影响因素众多,给煤自燃危险性的预测带来很大的挑战。利用深度学习理论与方法加强对煤自燃危险性预测技术的研究,有助于提升煤矿安全生产智能化管控水平。该研究运用循环神经网络(RNN)、长短期记忆(LSTM)网络和门控循环单元(GRU) 3 种算法,建立了采空区CO动态序列预测模型。对数据集进行特征变量分布检验以及数据归一化处理,降低了变量依赖性。在模型构建过程中,添加了全连接层和Dropout类以避免模型出现过拟合,通过均方误差确定模型的选代次数,引入了平均绝对误差、均方根误差和确定系数3个模型性能检验指标,分析优化了模型的参数,检验了模型性能。研究结果表明:RNN、LSTM和GRU模型均能实现对CO体积分数的动态预测,且误差小于1 %;在同一序列数据下,LSTM模型预测精度最高,其次是RNN模型和GRU模型。
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  方形容器内掺氢天然气爆炸抑制实验研究

  李满厚, 汲世杰

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 953-958. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.023

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  为探究掺氢天然气在方形受限空间中的爆炸特性及七氟丙烷/二氧化碳对其爆炸抑制作用,在0.5 m×0.5 m×0.5 m的方形爆炸容器中进行掺氢天然气抑爆实验研究。首先进行掺氢体积分数0 %~50 %的掺氢天然气爆炸特性研究,结果表明:随着掺氢比例增大,最大爆炸超压和火焰传播速度都呈现上升趋势。随后在甲烷中掺入50 %体积分数氢气开展二氧化碳或七氟丙烷抑爆实验,分析了最大爆炸超压、达到最大爆炸超压延迟时间、火焰传播速度等关键爆炸参数在不同抑爆剂体积分数下的演变规律。结果表明:随着抑爆剂体积分数增加,最大爆炸超压快速衰减,达到最大爆炸超压延迟时间延长。高速图像采集结果表明:火焰面拉伸明显,球形火焰传播速度显著减小。选取两种抑爆剂的不同体积分数下抑爆参数值进行对比,发现在二氧化碳体积分数是七氟丙烷2倍情况下,二者对最大爆炸超压的抑制效果相当;在10 %体积分数七氟丙烷和20 %体积分数二氧化碳作用下均可达到完全抑制,最大爆炸超压分别下降了98.0 %和94.4 %。两种抑爆剂都具有物理和化学抑爆作用,但七氟丙烷的抑爆效果明显优于二氧化碳。
  
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  含磷抑爆剂对煤尘爆炸抑制机理的原位分析

  赵峰宇, 高伟, 聂仲恒, 姜海鹏

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 959-964. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.016

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  煤炭是中国能源结构中至关重要的一部分,研究煤尘爆炸高效抑爆技术、揭示煤尘爆炸抑制机理,对保障中国经济持续增长和工业化进程持续加速具有重要作用。该文采用原位热解飞行时间质谱(in-situ Py-TOF-MS)深入分析了原煤与含植酸煤样的热解特性和产物分布。研究结果显示:含植酸抑爆剂能够显著降低煤尘热解过程中轻质可燃气体(主要为CH₄和CO等)和有机挥发物(主要为烯烃、芳香类化合物、酚类化合物、二羟基芳烃)的含量。含植酸细水雾热解产生的主要化学抑爆组分包括[(HO)₂PO]₂O、PO(OH)₃和HOPO₂等,这些小分子含磷组分能够通过消耗H和OH等关键火焰自由基,有效终止爆炸链式反应。添加含植酸抑爆剂后,煤尘样品的放热量下降了15.8 %,活化能从 11.3 kJ/mol升高到 16.4 kJ/mol。
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  低温-浸水复杂条件下催化燃烧式甲烷探测器响应特性

  何庆, 聂士斌, 张红, 刘小勇, 郭贤, 徐良骥

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 965-974. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.013

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  甲烷气体泄漏会导致火灾爆炸事故的发生,恶劣的环境条件(如低温和浸水)会影响甲烷泄漏的精准检测。该研究系统分析了浸水和低温-浸水复杂条件下催化燃烧式甲烷探测器的响应特性及其影响机制。研究结果表明:浸水会显著降低甲烷探测器的灵敏度,浸水后探测器报警浓度增长90.3 %。相比于室温-浸水,低温-浸水使报警浓度降低23.3 %,响应时间的重复性能提升,平均标准差降低65.16 %。浸水后传感器表面的水膜会阻碍甲烷气体进入传感器内部,使得传感器内甲烷含量降低;浸水还会导致催化剂的比表面积降低和催化剂水中毒,减少了甲烷气体的吸附位点,因此浸水后探测器需要更高浓度的甲烷才能触发报警状态。低温环境下探测器铂丝加热器电阻变化更为显著,吸收较少的催化燃烧反应热就能达到报警所需的电阻变化量,降低了探测器报警所需的甲烷浓度,因此低温环境有效减弱了浸水对探测器的不利影响。该文为进一步研究低温-浸水复杂条件对甲烷探测器性能的影响提供了实验依据,有利于提高甲烷泄漏的精准检测。
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  送风环境下地铁车厢火灾探测器响应时间

  李行, 周汛, 焦伟冰

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 975-983. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.026

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  为探究火源位置对送风环境下地铁车厢火灾探测器响应时间的影响,研究了不同火源位置下车厢内烟气蔓延规律及探测器响应时间。研究结果表明:回风口处风速较大,如果火灾发生在回风口附近,烟气可能会通过回风口进入车厢顶部送风系统,进而无法及时蔓延进入车厢顶部C形槽中,从而可能导致探测器响应时间延长。较大的风速会阻碍烟气向车厢顶部的蔓延,从而导致烟气无法快速进入C形槽内,致使探测器响应时间延长。因此,送风口所在截面的位置相比于车厢中心截面是更不利于火灾探测的位置。对该研究建立的车厢模型来说,在C形槽内布置2个探测器较为合理,在该研究设定的各火灾场景下,探测器均可在60 s内探测到烟气。该研究结果可为此类地铁车厢的探测器布置提供参考。
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  航空发动机燃烧室机匣烧穿火焰特性试验研究

  徐翔, 陈龙, 李松阳, 万羽翼

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 984-991. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.012

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  为研究航空发动机燃烧室机匣发生烧穿时射流火焰的温度、热流密度分布,建立机匣烧穿试验系统,采用单一变量法,研究了喷嘴孔径、油气质量比、外侧空气流速、燃烧室内部压力对射流火焰在轴向上的温度、热流密度分布的影响。结果表明:射流火焰在轴向上的热流密度衰减迅速,在127~254 mm内,热流密度衰减最多,可达81 %;喷嘴孔径对于火焰形态、温度、热流密度影响最大;燃烧室内部压力对火焰温度影响可达675 ℃/MPa;外侧空气流速主要影响火焰轴向254~508 mm区间温度分布;油气质量比对火焰轴向温度影响达18.6 %。航空发动机设计时应当考虑在燃烧室机匣薄弱点法线方向外侧254 mm范围内设置挡火板,以防止可能出现的机匣烧穿带来的危害。
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  不同倾角下单导线与相邻双导线火蔓延特性对比

  高云骥, 杨正渊, 罗越扬, 张佩瑶, 郭瀚文, 张玉春

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 992-999. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.024

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  前人对于不同倾斜条件下导线火蔓延特性的研究主要考虑导线单根布置的情况,对于导线相邻并排布置情况的研究较少。该文基于可调间距倾斜平行导线火蔓延实验平台,开展了不同倾斜条件(0°、30°、60°、90°)下单导线及相邻双导线火蔓延特性对比研究,分析了火焰形态、火焰长度、火焰高度、火蔓延速率和温度等火蔓延特征参数的变化规律。通过实验研究发现:在单双导线火蔓延过程中,熔融绝缘材料会发生滴落和流淌行为,且相邻双导线发生滴落和流淌的频率大于单导线;双导线的平均火焰高度和火焰长度始终大于单导线,且单双导线平均火焰高度随着倾斜角度的增加先增大后减小,平均火焰长度随倾斜角度的增加而增大;由于双导线火蔓延存在传热和卷吸作用重叠区域,导致其火蔓延速率始终小于单导线。
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  离散燃料火蔓延“V”形和“A”形火焰前锋形成机理

  马亮杰, 吴红波, 王禹

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1000-1006. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.019

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  真实火场不同燃料密度条件下,离散燃料火焰前锋形状具有显著差异,例如形状相反的"A"形和"V"形。关于离散固体燃料火焰前锋形状的研究较为有限,为了更好地预测火蔓延行为,亟待研究火焰形状变化的形成机制。将5 mm(长)×5 mm(宽)×60 mm(高)的木条均匀排布,固定在开孔水平板上,控制外界条件和燃料总面积相同,通过改变木条间距,在3、5和7 mm 3个工况下进行实验,并对热通量和质量损失进行测量和分析。结果表明:随着木条间距的增加,火焰前锋由"V"形(两侧火焰传播较快)逐渐变为"A"形(中心线火焰传播较快)。基于传热理论,通过对流传热和辐射传热对离散燃料火蔓延前锋形状进行分析,建立了辐射传热模型,为火蔓延行为的精确预测提供了理论基础。
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  车道车型分布差异对隧道疏散时间的影响

  刘顶立, 李颖, 徐志胜, 刘伟军, 黄遥

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1007-1015. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.014

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  疏散仿真模拟是研究隧道安全的重要方式。现有公路隧道疏散仿真模拟研究均假定不同车型在各车道分布比例是均匀的,忽视了各车道车型分布差异及车辆随机分布对疏散时间的影响。该文提出了基于车道车型分布差异的隧道车辆随机布置算法,并开发了对应的公路隧道火灾及疏散模拟车辆随机布置(RAVT)系统。综合运用RAVT及疏散仿真模拟软件Pathfinder,以两车道隧道和三车道隧道为研究对象,共设置12种场景,进行240次模拟,分析了车辆极度拥堵(车距1.5 m)、拥堵(车距5 m)、非拥堵(车距60 m)情形下车道车型分布差异及车辆随机分布对疏散时间的影响。研究结果表明:车辆极度拥堵和拥堵时,车道车型分布差异及车辆随机分布对疏散时间的影响很大。在车辆数量及车型比例均相同的情况下,不同的车辆分布方式可对疏散时间造成较大的差异,疏散时间最大值和最小值相差百分比最大达59.76 %。建议学者或工程师开展隧道疏散仿真模拟时须考虑车道车型分布差异及车辆停靠随机性的影响。该文研发的算法及系统、采用的疏散仿真模拟方法提升了隧道疏散仿真模拟的准确性和可靠性。
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  受限空间内流淌火燃烧蔓延规律和温度场分布

  焦伟冰, 陈长坤, 杜武豪, 石朗

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1016-1023. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.025

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  为探究受限空间流淌火燃烧蔓延规律和温度场分布特征,搭建1:10缩尺寸受限空间模型,开展7种不同泄漏速率的流淌火火灾试验以及12种不同尺寸的油池火火灾试验,重点分析火源直径、质量燃烧速率和受限空间内的温度场分布特征。研究结果表明:受限空间流淌火根据火源直径随时间的变化可以将燃烧分为3个阶段:燃烧扩散阶段、燃烧稳定阶段以及燃烧熄灭阶段。燃烧阶段的转变主要由燃料质量泄漏速率与质量燃烧速率的相对大小决定。当质量燃烧速率与质量泄漏速率达到平衡时,燃料在达到火焰前沿前已完全燃烧,火源直径停止增大,燃烧进入稳定阶段。燃烧稳定阶段时,流淌火和油池火的温度场分布特征相似,随着火源功率的增大,火源根部的温度逐渐降低,而顶棚的温度不断上升。该研究可为受限空间流淌火火灾的探测设计提供理论基础。
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  隧道火灾中物理场与关键控制参数间的快速双向预测

  洪瑶, 史聪灵, 李俊毅, 李佳

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1024-1031. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.015

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  为提升隧道火灾全物理场信息的预测速度以及解决隧道火灾关键控制参数的反向预测问题,该文构建了深度学习模型用于隧道火灾中全物理场和关键控制参数间的快速双向预测,使用了大型数值数据库训练所构建的模型,评估了模型对数据的学习能力及其预测能力。结果表明:经过 100 个训练周期后,使用所提出的双向预测模型和数据集取得了良好的训练收敛效果,物理场和关键控制参数在训练集上均达到结果快速重现。模型训练完成后,隧道火灾的平均温度场和 6 项隧道火灾的关键控制参数得到了基本的预测,预测结果同时涵盖了隧道的几何信息和物理信息。该研究结果可为隧道火灾演化规律的快速预测提供参考。
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  “火灾环境防护服人体”CFD传热模拟及皮肤烧伤分布预测

  田苗, 苏云, 李俊

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1032-1038. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.010

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  科学配备消防装备、提升灾害事故现场风险评估能力是减少消防员伤亡事故的重要手段。为深入剖析火灾环境下“热源-服装-人体”系统的传热机制,提高服装对消防员的职业防护,该文基于燃烧假人系统和计算流体动力学原理,建立了“火灾环境-防护服-人体”三维传热模型,定量分析了火场热流密度、热暴露时间、服装厚度和服装表面发射率4个因素对人体表面皮肤烧伤比例和分布的作用机制。模拟计算结果表明:服装因素对烧伤比例的影响与处在火灾中心的着装人体表面传热方式和人体皮肤厚度分布相关;消防服设计方面需优化开口结构设计,以降低颈部、小臂和小腿的烧伤比例。
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  高温热辐射环境下降温服对消防人员生理及感知响应的影响

  操凯, 李亚运, 兰明强, 郭贤, 刘小勇, 陈奥杰

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1039-1046. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.021

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  为降低消防员热应激水平、验证降温服的有效性,该文在35 ℃和2.5 kW/m²高温热辐射复合环境下开展人体热生理实验,同时采用主观问卷调查的方式,探究降温服对人体生理及主观感知响应的影响,分析降温服在缓解热应激从而提高消防人员热舒适性方面的有效性,并运用生理应变指数(PSI)和感知应变指数(PeSI)开展实验工况下人体热应激评估。结果表明:降温服明显减小了受试者的核心温度、皮肤温度、心率及出汗速率,有效缓解了人体生理负荷,降低了人体热应激水平,且在高运动强度(7.0 km/h)下效果更明显;降温服有效改善了受试者的热舒适性,在实验的第90 min时降温服使PSI值最大降低0.77,PeSI值最大降低4.89(约32 %)。
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  电力作业多源要素风险的自适应识别模型

  胥明凯, 朱坤双, 李元良, 杨啸帅, 秦挺鑫, 王皖

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1047-1059. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.018

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  电力作业人员通常面临多种安全风险,对其生命健康造成严重威胁,但是场景复杂、随机性强等原因致使电力作业存在风险识别极其困难的问题,因此急需采用合适的技术手段对电力作业风险进行有效识别。该文构建了一种动态兼容多种典型空间的电力作业风险的自适应识别(ARI)模型。从宏观上构建了电力行业典型作业的风险识别框架,建立了典型作业多源要素的全域风险因子体系。通过融合渐进式蜜獾算法、极大熵准则、约束调节机制,提出了一种主客观动态融合的ARI模型,以低成本适应不同的典型作业空间。案例结果验证了所提ARI模型具有鲁棒性强、实施成本优、偏颇风险低的特性,可有效量化电力行业典型作业的多源要素风险。
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  海上丝绸之路环境影响船舶稳性安全分析方法

  孟祥乾, 吴建军, 朱清华, 胡甚平, 朱鎏

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1060-1069. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.017

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  为了量化研究风浪因素对航行船舶横摇风险的影响,提出了一种面向航行环境的船舶稳性安全分析方法。基于Kriging插值与自适应加权平均方法,建立了海上丝绸之路航线风浪环境数据处理框架。结合历时22 a的海区气象资料,绘制了海上丝绸之路关键水域的船舶航行风险图,通过风浪环境要素对船舶横倾影响的定量分析,提出了评估船舶稳性安全的横倾风险指数。基于对典型船舶倾覆事故案例的分析模型重构,揭示了外部风浪环境对船舶稳性安全的影响。进一步开展同类货物运输案例的对照分析,发现了船舶内部环境对船舶稳性安全的影响,验证了船舶属性和货物性态在保证船舶稳性安全中的重要作用。船载货物性态的稳定性与船舶航行环境同等重要,应纳入船舶稳性安全影响体系。该研究对于建立以船舶航行安全为核心的海上丝绸之路航线交通韧性治理体系具有参考价值。
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  飞机离地姿态与飞行操作“因果-时序”耦合动态Bayes网络模型

  张秀艳, 王琪

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1070-1081. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.022

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  在民航飞机起飞离地过程中,飞行员的操作失误容易导致擦机尾等安全事故。飞机离地姿态与飞行操作紧密耦合。针对飞机离地姿态与飞行操作解耦问题,该文以“安全II”模式为指导,关注飞机离地风险应对的全过程表现,对飞机离地姿态与飞行操作之间的耦合机理进行研究。根据安全韧性理论,构建了飞机离地姿态与飞行操作“因果-时序”耦合模型;基于国内某航空公司A319机队1 359个航段快速存取记录器(QAR)数据,利用动态Bayes网络进行正常操作与超限操作的特征量化与验证。结果表明:该模型可对飞机离地姿态的动态形成机理进行有效分析;选择“重载”“轻载”“顺风”“逆风”等单一情景及其组合情景,通过调节关键飞行操作节点的概率分布得到最佳飞行操作模式。该研究得到了不同情景变量影响下飞机离地姿态与飞行操作之间的耦合机理,有助于提高飞行员的风险预测与应对能力。
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  基于需求紧迫度的约束性应急物资车辆路径模型

  杨倩, 王飞跃, 卢佳节, 王籽幻, 马波

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(6): 1082-1088. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.020

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  为了实现科学、高效的灾后应急响应,针对传统路径规划中单目标、单车场、单次配送、无差别化供给、闭合式调度等多方面限制,开展基于需求紧迫度的约束性应急物资车辆路径研究。运用层次分析法对需求紧迫度进行赋权分级,以应急救援过程的响应时间、配送延误惩罚与需求未满意率最小化为目标,构建约束性应急物资车辆路径模型,并设计两阶段遗传算法。通过算例检验算法与模型的有效性和适用性。结果表明:该模型可有效解决资源紧缺、受灾程度异化情况下的物资配送问题,形成适用于突发自然灾害事件的动态应急物资车辆路径规划方案,实现突发路况处理与资源效能最大化,并为应急物资的车辆路径规划提供理论依据与决策参考。