一種跨組織應急協(xié)同模型構建新方法
作者：李斌
根據突發(fā)事件應急處置過程的3個階段，應急協(xié)同過程也相應地劃分為事前協(xié)同、事中協(xié)同和事后協(xié)同。事前協(xié)同是在突發(fā)事件的應急準備階段，明確應急各個部門職能與任務，形成反應敏捷、統(tǒng)一指揮、功能完備的應急體系，為事中協(xié)同提供充分的基礎任務。事中協(xié)同是在突發(fā)事件的應急響應階段，是各個部門對應急任務進行統(tǒng)一的指揮和調度。如受災群眾的營救、疏散、安置任務、物資的運輸與調度任務、工程搶險任務等。事后協(xié)同在突發(fā)事件的恢復階段，各個部門總結應急救援的經驗與教訓，協(xié)作調查突發(fā)事件爆發(fā)原因以及受損建筑重建、安慰民眾等應急任務。由于各部門應急流程、職權范圍及協(xié)同方式不盡相同，在解決跨組織協(xié)同應急的同時，除了選擇適當的協(xié)同方式之外，更應在應急準備階段加強各組織之間的培訓、磨合以及應急資源共享。
目前，眾多學者對應急協(xié)同系統(tǒng)進行了廣泛的研究，應用的方法也多種多樣，如人工智能專家系統(tǒng)、計算機模擬、多agent建模、協(xié)同理論等�；赑etri網對應急協(xié)同或應急聯(lián)動系統(tǒng)進行分析與研究的文獻較多。如：根據Petri網建模方法，構建城市重大突發(fā)事件應急協(xié)同系統(tǒng)；利用Petri網對應急響應、協(xié)同流程進行性能分析；基于Petri網方法構建重大傳染病傳播演化模型。這些研究對應急協(xié)同系統(tǒng)的建模和分析具有一定的指導意義，但是這些研究大都注重應急響應的事中協(xié)調，缺乏事前協(xié)同的角度來研究如何提升應急協(xié)同效果，加強應急各部門磨合與協(xié)作。本文從應急協(xié)調協(xié)同情景出發(fā)，通過案例分析了突發(fā)事件應急協(xié)同系統(tǒng)的均衡狀態(tài)以及變動規(guī)律，研究如何在應急準備階段改變或加強某些環(huán)節(jié)來提高整個應急協(xié)調系統(tǒng)的運行效率。在事前通過應急培訓與演練，增加各個部門的協(xié)調度、信任度、熟悉度，對提高突發(fā)事件的應急響應協(xié)調能力具有重要意義。
1 基于隨機Petri網的狀態(tài)變化過程
1.1 隨機Petri網
把Petri網模型中的每個變遷相關聯(lián)一個實施速率入，此時該模型就稱為隨機Petri網模型(Sto-chastic Petri Net，SPN)。在SPN中，每個變遷從可實施到實施都會有一定的延時，可以把每個變遷t從可實施的時刻到實施的時刻看成一個連續(xù)的隨機變量，且服從指數分布。該模型最早是由Molley與Natkin提出的，并認為SPN中每個標識都可以映射成對應馬爾科夫鏈的一個狀態(tài)，即SPN可同構于連續(xù)時間的馬爾科夫鏈( Markov Chain，MC)。
隨機Petri網可表示為一個六元組，SPN=(P，T，F(xiàn)，W，M，λ)，其中：
1)P=(Pi，P2，…，pn)，n表示所有庫所的個數，且n>0;
2)T= (ti，t2，…，tm)，m表示所有變遷的個數，且m>0：
3)F⊆（PxT）U（TxP），表示變遷輸入弧和輸出弧的集合；
4) W:P→N+表示弧函數，其中N+ =(1，2，…，n)；
5)M:P→N為Petri網的狀態(tài)標識，用向量表示，第Mi個元素表示第i個庫所中的托肯數。
6)λ=（λi，λ2，…，λk），k表示所有變遷實施速率的個數，且k>0。
1.2隨機Petri網的狀態(tài)集
關聯(lián)矩陣C、網絡標識矩陣M、點火序列U形成后，就可以利用Petri網狀態(tài)方程來分析Petri網的變化過程。狀態(tài)方程為：
在變遷t1輸入庫所中有托肯，具備觸發(fā)點火的條件，點火向量為U1=(1，0，0，0)T，
從M,看出P1托肯轉移到P2、P3中，此時U2=(0，1，1，O)T。
M2 =M1 +CU2=(O,O,O,l,l,O)T
從M2看出P2、P3托肯轉移到P4、P5中，U3=(O，0，O，1)T。
M3 =M2+CU3=(0,0,0,0,O,1)T
從M3看出P4、P5托肯轉移到P6中。由此得到此Petri網的狀態(tài)集為M1，M2，M3。
隨機Petri網可同構于相對應的馬爾科夫鏈，其主要用于描述系統(tǒng)狀態(tài)的變化。隨機Petri網轉換成MC需要以下幾個步驟：①根據應急協(xié)同流程畫出隨機Petri網模型；②確定隨機Petri網的關聯(lián)矩陣C、網絡標識矩陣M、點火序列U，計算出可能到達的狀態(tài)，得出狀態(tài)可達集；③根據可達集構建MC;④基于MC的穩(wěn)定狀態(tài)對應急協(xié)同流程的相關性能進行分析與評價。
2 案例研究一基于隨機Petri網的城市跨部門應急協(xié)同模擬根據2008年汶川情景，模擬地震應急響應案例。汶川地震主要分為極重災區(qū)與重災區(qū)，人員傷亡慘重，建筑物與基礎設施損毀嚴重。首先，根據警情信息相關地區(qū)政府和應急辦公室了解災情狀況，成立專家小組，確定事件等級，啟動相關預案。并將相關信息及時報送到上級政府和地震局等相關單位，因災情較為嚴重，應急指揮中心將申請國家支援。應急指揮中心應下達應急任務，協(xié)同其他各組織部門配合應急行動，全面展開應急救援工作，如：媒體需要宣傳和報道災區(qū)的現(xiàn)場狀況；部隊官兵對受困群眾進行搜救疏散；醫(yī)護人員對受傷群眾進行醫(yī)療救治；地震局對災情進行評估，并監(jiān)測余震情況；武警部隊保障災區(qū)的現(xiàn)場安全；交通運輸、鐵路、民航等部門需要輸送急物資。具體地震災害應急協(xié)同流程如圖2所示。
地震突發(fā)事件的協(xié)同任務信息用Petri網表示，系統(tǒng)中每項任務的輸入、輸出信息用庫所P表示；系統(tǒng)內部信息狀態(tài)之間的轉化用t表示。在信息可用的庫所中設置托肯，托肯的流動代表信息的流動。通過Petri網的點火條件和托肯傳遞表示整個應急協(xié)調過程的動態(tài)行為�；赑etri網應急協(xié)同流程建模步驟如下：
1)確定每個庫所P的應急狀態(tài)以及變遷t的轉換過程，如表1所示；
2)構建應急協(xié)調系統(tǒng)決策階段的Petri網模型，如圖3所示；
3)確定可能出現(xiàn)的狀態(tài)集（M1，M2，…，M1o），并同構出其相應的馬爾科夫鏈，如圖4所示；
4)基于馬爾科夫鏈以及穩(wěn)態(tài)概率對應急協(xié)調系統(tǒng)進行性能分析。
將決策階段的所有狀態(tài)或標識表示為M,，M2，…，M10，設置每條弧所對應變遷的實施速率λ，以此構造馬爾科夫鏈，如圖4所示。該Petri網模型中Pl ,P8 ,P9 ,P．。，P13各有一個托肯，即初始狀態(tài)M,=(1，0，0，O，0，0，0，1，1，1，0，0，1，0)，其他系統(tǒng)狀態(tài)如下：
M2=(0,l,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,l,0);M3=(O,0,0,O,1,0,0,0,1,1,0,0,1,0)；M4=(0,0,l,0,0,0,0,1,1,1,0,0,1,0);M5=(0,O,O,O,0,l,0,1,0,1,0,0,1,0)；M6=0,O,0,1,0,0,O,1,1,1,O,O,1,0);M7=(O,0,O,0,0,0,1,1,1,0,O,O,1,0);M8=(0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,0,1,0);M9=(0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,0,1,0,0);M10=(0,0,0,0,0,0,0,1,
1,1,0,0,1,1)。
根據狀態(tài)M1到M10可得各個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率，用向量P表示，P= (P(M1) ,P(M2)．…，P(M10》并根據馬爾科夫定理和柯爾莫格洛夫方程得：式中，Q為n×n穩(wěn)態(tài)概率轉移矩陣，Q=n)，j=(1，2，…，n)。矩陣Q中非對角線元素δij為Mi到M的轉移速率，且當Mi到Mj之間不存在有向弧時，δij=0;當Mi到Mj之間存在有向弧時，δij= 
,得：
Q=
則公式(2)改寫為：
λi是變遷的平均實施速率，表示變遷在能夠實施的情況下單位時間平均的實施次數。平均實施速率的倒數ui=1/λi，表示變遷的平均實施延時。假設各變遷的實施速率為隨機變量，且服從指數分布，則λi值如表2所示。
得出PMi的值分別為：0.09，0.0045，0.0045，0. 03 ,0. 066,0.09 ,0. 009 ,0. 0045 ,0.09 ,0.09。從數據來看，狀態(tài)M1、M6、Mg、M10利用率要遠遠高于其它變遷，也就是說應急方案的確定和申請增援是應急響應決策過程中最為重要的兩個環(huán)節(jié)，提高這兩個環(huán)節(jié)的工作效率對整個應急協(xié)同系統(tǒng)起著至關重要的作用。一方面，事先編制的應急預案能夠為救援任務的有效開展提供具體措施，對應急響應活動提供一定指導，在應急準備階段各級政府、應急部門、社會團體以及大型企業(yè)都可以通過培訓與演練加強溝通與協(xié)作，不斷更新、完善應急預案，以便更好地應對突發(fā)事件；另一方面，大規(guī)模災害一般具有嚴重的破壞性、明顯的復雜性和潛在的衍生危害，對其進行應急響應就更加需要跨部門、跨地區(qū)，甚至其他國家的力量進行救援。庫所P6、P8、Pl0繁忙率較高，可能由于預案信息、專家信息、現(xiàn)場信息過剩，從而產生信息堆積造成的。因此在應急準備階段要做好各類信息的分類與整理，應急演練中要注意信息的篩選與處理，避免應急響應中信息堆積。
3結論
多主體參與的應急協(xié)同系統(tǒng)研究是目前突發(fā)事件應急管理的核心問題，但現(xiàn)有的研究成果較少考慮跨組織部門之間的橫向任務協(xié)同關系，相對缺少對整個應急協(xié)同系統(tǒng)的動態(tài)模擬過程。本文首先構建多主體參與的應急協(xié)同網絡，掌握各個應急部門的職能與應急任務。在此基礎上，以汶川地震為例，利用隨機Petri網構建應急協(xié)同系統(tǒng)模型，確定可能出現(xiàn)的狀態(tài)集，并構建其相應的馬爾科夫鏈，再根據可能出現(xiàn)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率及相關數學方法分析其均衡狀態(tài)和變動規(guī)律，對應急協(xié)同效果進行分析，根據評估結果提出控制與改進的措施，為提高突發(fā)事件應急響應能力提供理論支持。
為了更好地在應急響應過程中協(xié)調好各部門的關系，在應急準備階段部門之間的相互溝通、協(xié)作顯得尤為重要。在突發(fā)事件發(fā)生前，合理構建應急部門的網絡化協(xié)同結構，各級政府通過制定共同的目標，加強應急部門的協(xié)同能力，并積極鼓勵一些大型企業(yè)加入協(xié)同伙伴關系，鼓勵民間組織、社會團體積極參與應急活動，從而有效地分散政府應急危機。災前做好協(xié)同的相關工作，更有利在應急的過程中規(guī)避一些風險，整合各部門資源，達到更好地應急效果。通過Petri網的模型構建以及用馬爾科夫鏈分析系統(tǒng)性指標，均可看出應急協(xié)同出現(xiàn)的一些問題。這就需要政府和應急部門在今后的應急演練、情景模擬、人員培訓等過程中，要注重橫向部門的應急協(xié)同，避免信息的堆積，提高應急任務的執(zhí)行效率。本文由于篇幅限制，未能對Petri網的性能進行優(yōu)化，在今后的研究中會根據性能分析結果進一步對模型進行修正。
4摘要：
突發(fā)事件應急處置需要公安、消防、醫(yī)療、交通等多個組織進行跨組織協(xié)同合作，以此實現(xiàn)跨部門的統(tǒng)一指揮、快速反應的應急響應行動，為城市突發(fā)事件應對、城市公共安全提供強有力的保障。利用隨機Petri網的構建跨組織應急協(xié)同流程，根據確定可能出現(xiàn)的狀態(tài)集，同構其相應的馬爾科夫鏈；以汶川地震為例，根據可能出現(xiàn)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率及相關數學方法分析其均衡狀態(tài)和變動規(guī)律，對應急響應的協(xié)同效果進行分析，根據評估結果提出事前應急協(xié)同控制與改進的措施,加強事前應急演練與培訓，為提高突發(fā)事件應急響應協(xié)調能力提供理論支持。
