鄭霞忠，余　迪，陳　述,吳菊華

(1. 三峽大學(xué)湖北省水電工程施工與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌　443002； 2. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌　443002)

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水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)效能Petri網(wǎng)仿真模型

鄭霞忠1,2，余迪2，陳述1,2,吳菊華2

(1. 三峽大學(xué)湖北省水電工程施工與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌443002； 2. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

摘要：綜合運(yùn)用Petri網(wǎng)理論，提出系統(tǒng)效能分析的模型及方法優(yōu)化水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程及其響應(yīng)能力。首先，抽象應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程鏈，對(duì)事件應(yīng)急響應(yīng)流程進(jìn)行過(guò)程建模，然后，利用Petri網(wǎng)與馬爾可夫鏈同構(gòu)特性，確定應(yīng)急響應(yīng)流程系統(tǒng)可能出現(xiàn)的狀態(tài)集，構(gòu)建同構(gòu)的馬爾可夫鏈。最后，通過(guò)仿真計(jì)算得到突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程中各環(huán)節(jié)庫(kù)所平均標(biāo)記數(shù)、變遷利用率及平均執(zhí)行時(shí)間等效能指標(biāo)并進(jìn)行分析。以雅礱江流域某水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程為例，仿真計(jì)算并分析響應(yīng)系統(tǒng)主要效能指標(biāo)，結(jié)果表明：應(yīng)將協(xié)助公共應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程、應(yīng)急系統(tǒng)總結(jié)評(píng)審和應(yīng)急后期環(huán)節(jié)作為處理相對(duì)耗時(shí)的關(guān)鍵，并采取措施著重改善，能為應(yīng)急管理層提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率提供參考。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急響應(yīng)； 效能仿真； Petri網(wǎng)； 水電工程； 突發(fā)事件

水電工程突發(fā)事件時(shí)有發(fā)生，提高其應(yīng)急響應(yīng)能力是工程應(yīng)急管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，對(duì)突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程建模，定量分析應(yīng)急響應(yīng)效能，對(duì)于優(yōu)化應(yīng)急處置流程、評(píng)估應(yīng)急響應(yīng)效能具有重要意義[1]。

建立應(yīng)急響應(yīng)流程模型是應(yīng)急響應(yīng)效能分析與評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)，而工作流建模工具的合理選擇是前提。目前，隨著對(duì)工作流模型研究的不斷深入，已相繼提出和借鑒多種適用的建模工具去解決相關(guān)問(wèn)題，劉志強(qiáng)等[2]采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)對(duì)電廠設(shè)備檢修管理系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模，分析了火力發(fā)電廠設(shè)備檢修管理系統(tǒng)的功能需求；劉艷梅等[3]采用擴(kuò)展事件驅(qū)動(dòng)過(guò)程鏈(eEPC)的方法對(duì)企業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)程建模，呈現(xiàn)了一個(gè)事務(wù)過(guò)程流程結(jié)構(gòu)的控制，通過(guò)整合業(yè)務(wù)過(guò)程中的靜態(tài)資源進(jìn)一步優(yōu)化了企業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)程；王莉等[4]使用事務(wù)過(guò)程執(zhí)行語(yǔ)言(BPEL)構(gòu)建企業(yè)業(yè)務(wù)流程管理系統(tǒng)的框架，分析了BPEL業(yè)務(wù)流程執(zhí)行引擎結(jié)構(gòu)應(yīng)用執(zhí)行過(guò)程。高娟等[5]利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)流程語(yǔ)言(WSFL)來(lái)敘述網(wǎng)絡(luò)服務(wù)流程及描述商業(yè)流，提出了使用WSFL在多個(gè)服務(wù)提供者之間進(jìn)行商業(yè)過(guò)程的模型。

這些工作流工具比較直觀、易理解，但較難準(zhǔn)確描述應(yīng)急管理措施之間的復(fù)雜關(guān)系，也缺乏針對(duì)應(yīng)急管理流程具體的形式化描述和評(píng)價(jià)。Petri網(wǎng)具有可視化圖形功能，直觀描述流程行動(dòng)的關(guān)系，可對(duì)應(yīng)急流程結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行數(shù)學(xué)定量分析，并能彌補(bǔ)以上建模工具的功能缺失。本文綜合考慮應(yīng)急響應(yīng)措施之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約及并行和同步關(guān)系，綜合運(yùn)用Petri網(wǎng)的突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)建模方法構(gòu)建應(yīng)急響應(yīng)模型，計(jì)算水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)Petri網(wǎng)效能指標(biāo)，進(jìn)一步剖析應(yīng)急流程信息擁擠的瓶頸環(huán)節(jié)及事件應(yīng)急處置的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為應(yīng)急響應(yīng)流程是否合理、高效、可靠提供評(píng)判依據(jù)[6]。

1應(yīng)急響應(yīng)流程

水電突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程是以應(yīng)急啟動(dòng)、決策、行動(dòng)以及恢復(fù)4個(gè)環(huán)節(jié)為邏輯主線[7]，依據(jù)水電工程突發(fā)事件的類(lèi)別、可能造成的危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢(shì)，被劃分為事件判定、應(yīng)急處置、應(yīng)急結(jié)束、后期處置等過(guò)程[8]。其主要流程內(nèi)容見(jiàn)圖1。

圖1　應(yīng)急響應(yīng)流程Fig.1　Graph of emergency response process

2應(yīng)急響應(yīng)流程效能分析

Petri網(wǎng)將變遷與隨機(jī)的指數(shù)分布引發(fā)延時(shí)相聯(lián)系，考慮活動(dòng)時(shí)間因素，給Petri網(wǎng)的每個(gè)變遷相關(guān)聯(lián)一個(gè)引發(fā)速率，可解決工作流中活動(dòng)發(fā)生時(shí)間問(wèn)題[10]。目前，這一理論已廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)離散系統(tǒng)的效能分析與控制研究[11]。

2.1Petri網(wǎng)模型的建立

為深入剖析水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程，綜合上述應(yīng)急響應(yīng)程序提煉所研究系統(tǒng)的應(yīng)急指揮過(guò)程，明確Petri網(wǎng)中庫(kù)所和變遷的具體含義(見(jiàn)表1)，將指數(shù)分布時(shí)延與相應(yīng)的變遷關(guān)聯(lián)，建立水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程所對(duì)應(yīng)的Petri網(wǎng)模型，如圖2所示。

圖2　水電工程應(yīng)急響應(yīng)流程的Petri網(wǎng)模型Fig.2　Petri net model for emergency processes of 　hydropower projects

庫(kù)所狀態(tài)情況含義變遷變化事件含義P1事故單位報(bào)送信息T1事故爆發(fā)后被發(fā)現(xiàn)P2事故被發(fā)現(xiàn)T2事故單位報(bào)傳信息P3應(yīng)急救援中心接收信息T3確定事態(tài)響應(yīng)等級(jí)P4相應(yīng)等級(jí)應(yīng)急響應(yīng)T4申請(qǐng)啟動(dòng)公共應(yīng)急響應(yīng)平臺(tái)P5公共應(yīng)急響應(yīng)申請(qǐng)獲準(zhǔn)T5啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)平臺(tái)P6各部門(mén)協(xié)同應(yīng)急T6組建應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心P7應(yīng)急方案制定T7商討應(yīng)急方案P8應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心籌備T8各部門(mén)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處置P9應(yīng)急處置完畢T9事態(tài)分析判斷P10完成求援方案擬定工作T10應(yīng)急響應(yīng)升級(jí)P11應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心成立T11應(yīng)急恢復(fù)P12明確事態(tài)信息T12調(diào)查評(píng)估P13應(yīng)急結(jié)束T13協(xié)助公共應(yīng)急響應(yīng)P14總結(jié)評(píng)審結(jié)束T14瞬時(shí)變遷

2.2馬爾可夫鏈的構(gòu)建

確定Petri網(wǎng)中存在的可能狀態(tài)，以流程存在的各庫(kù)所Pi標(biāo)示狀態(tài)Mi(如狀態(tài)M6由庫(kù)所P6,P7,P8標(biāo)示，其表示應(yīng)急響應(yīng)進(jìn)入緊急籌備應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮中心，制定應(yīng)急方案，指揮各部門(mén)協(xié)同應(yīng)急行動(dòng)狀態(tài)環(huán)節(jié)中)，得到可達(dá)標(biāo)示集(見(jiàn)圖3)，構(gòu)建其對(duì)應(yīng)可達(dá)圖。將圖中每條線上所標(biāo)注的引發(fā)變遷換成其平均引發(fā)速率，得出同構(gòu)的馬爾可夫鏈[12]，如圖4所示，圖中λi表示變遷Ti的平均速率。

圖3　可達(dá)標(biāo)示集Fig.3　Set of reachable indication

圖4　同構(gòu)的馬爾可夫鏈Fig.4　Isomorphic Markov chains

2.3穩(wěn)態(tài)概率的求解

(1)

(2)

2.4系統(tǒng)效能分析

在求得穩(wěn)態(tài)概率的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際變遷速率計(jì)算性能指標(biāo)[13]，并進(jìn)一步分析找出影響系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)效能的主要因素。

3應(yīng)急響應(yīng)流程效能仿真

基于建立的Petri網(wǎng)水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)工作流模型，構(gòu)建馬爾可夫鏈，通過(guò)在應(yīng)急流程中引入事件參數(shù)，對(duì)過(guò)程進(jìn)行仿真，輸出有關(guān)系統(tǒng)的效能指標(biāo)參數(shù)，并以此為依據(jù)對(duì)工作流模型效能進(jìn)行分析[12, 14]。具體的仿真流程如下：

(1)初始化參數(shù)數(shù)據(jù)，輸入應(yīng)急流程各工作基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；

(2)設(shè)定最小時(shí)間事件，仿真過(guò)程中隨仿真時(shí)鐘的推進(jìn)，滿足條件的變遷受激發(fā)，通過(guò)記錄每次激發(fā)的托肯(庫(kù)所中的對(duì)象)收取及釋放時(shí)間節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的變遷標(biāo)號(hào)[15]；

(3)確定變遷的發(fā)生和托肯轉(zhuǎn)移，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)仿真程序的運(yùn)行。

4實(shí)例分析

4.1應(yīng)急效能參數(shù)

對(duì)雅礱江流域某水電工程突發(fā)事故應(yīng)急響應(yīng)流程進(jìn)行模型仿真，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案演練的樣本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)變遷時(shí)延參數(shù)T1～T13及對(duì)應(yīng)的變遷發(fā)生率參數(shù)λ1～λ13，如表2所示。

表2　變遷時(shí)延參數(shù)

4.2Petri網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)概率

根據(jù)式(1)中Q的定義，可得其轉(zhuǎn)移速率矩陣Q。

Q=

根據(jù)式(1)和(2)，計(jì)算得到每個(gè)狀態(tài)標(biāo)志穩(wěn)態(tài)概率值，如表3所示。

表3　狀態(tài)標(biāo)志穩(wěn)態(tài)概率值

4.3應(yīng)急響應(yīng)效能指標(biāo)

基于馬爾可夫鏈及穩(wěn)態(tài)概率計(jì)算Petri網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的效能指標(biāo)，主要包括庫(kù)所平均標(biāo)記數(shù)、變遷利用率與系統(tǒng)平均執(zhí)行時(shí)間。

(1)庫(kù)所平均標(biāo)記數(shù)。計(jì)算得到各庫(kù)所平均標(biāo)記數(shù)的概率見(jiàn)表4。

表4　各庫(kù)所平均標(biāo)記數(shù)值

各庫(kù)所平均標(biāo)記數(shù)排序：c14>c5>c2>c6>c10>c11>c1>c3>c4>c7>c8>c9>c13>c12,可見(jiàn)，應(yīng)急系統(tǒng)總結(jié)評(píng)審結(jié)束時(shí)的狀態(tài)表現(xiàn)最為繁忙，故精簡(jiǎn)評(píng)審流程，強(qiáng)化各部門(mén)之間溝通、提升處置信息的反饋效率，能有效解決環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的信息堆積問(wèn)題。

(2)變遷利用率。計(jì)算可得各變遷利用率數(shù)值，如表5。計(jì)算結(jié)果可知，協(xié)助公共應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程需要重點(diǎn)管理和監(jiān)督。

表5　庫(kù)所和變遷的定義

(3)平均執(zhí)行時(shí)間。為系統(tǒng)分析整個(gè)應(yīng)急流程的平均執(zhí)行時(shí)間，先將其分為應(yīng)急前期Q1(P1～P3)，應(yīng)急中期Q2(P4～P12)和應(yīng)急后期Q3(P13～P14)共3個(gè)環(huán)節(jié)[16]。計(jì)算得各環(huán)節(jié)平均執(zhí)行時(shí)間，NQ1=0.192 1，NQ2=0.534 5，NQ3=0.411 9，λQ1=0.005 5，λQ2=0.032 9,λQ3=0.005 5,TQ1=34.930 0,TQ2=16.250 0,TQ3=74.890 0。通過(guò)應(yīng)急響應(yīng)Petri網(wǎng)模型的仿真分析，結(jié)合工程實(shí)例資料，計(jì)算得到的應(yīng)急期間三環(huán)節(jié)運(yùn)行執(zhí)行時(shí)間，結(jié)果表明應(yīng)急后期運(yùn)行效率相對(duì)較低，需采用各種有效措施提高這一環(huán)節(jié)的運(yùn)行效率，如采用檔案管理信息化方式提高效率。

5結(jié)語(yǔ)

(1)抽象協(xié)同應(yīng)急處置過(guò)程鏈，依據(jù)Petri網(wǎng)理論，建立了基于Petri網(wǎng)的水電突發(fā)事故應(yīng)急響應(yīng)模型，借鑒庫(kù)所平均標(biāo)記數(shù)、變遷利用率及平均執(zhí)行時(shí)間等3個(gè)指標(biāo)，有效發(fā)掘應(yīng)急處置流程中瓶頸環(huán)節(jié)和處理耗時(shí)的關(guān)鍵活動(dòng)，結(jié)合實(shí)例，對(duì)所建立模型進(jìn)行定量化的效能分析。

(2)水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程效能仿真可為剖析應(yīng)急流程信息擁擠的瓶頸環(huán)節(jié)及事件應(yīng)急處置的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)急處置方案提供依據(jù)。實(shí)例分析結(jié)果表明“協(xié)助公共應(yīng)急響應(yīng)”過(guò)程占用時(shí)間長(zhǎng)、相對(duì)耗時(shí)；應(yīng)急系統(tǒng)總結(jié)評(píng)審結(jié)束狀態(tài)表現(xiàn)最為繁忙；應(yīng)急后期環(huán)節(jié)運(yùn)行效率低。

(3)水電工程突發(fā)事件復(fù)雜多變，受時(shí)間與信息等約束，響應(yīng)決策難以協(xié)調(diào)與平衡各方利益，水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)效能分析方法仍需在實(shí)踐中不斷修正與完善。

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Capability simulation model for emergency response of hydropower projects based on Petri nets theory

ZHENG Xia-zhong1,2， YU Di2， CHEN Shu1,2, WU Ju-hua2

(1.HubeiKeyLaboratoryofConstructionandManagementinHydropowerEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 2.CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Abstract：In order to optimize hydropower projects’ emergency processes and evaluate emergency response capability, the models and methods of system performance analysis have been proposed according to the theory of Petri nets. First, the model of events in emergency processes was established by abstracting the emergency response process chains. Then, based on the isomorphic characteristics between Petri nets and Markov chains, the state set that may arise in the emergency response system was set up, and thus isomorphic Markov chains could be developed. Finally, the performance analysis of the emergency response system could be made by calculating the average number of markers in various places in different linkage systems, the utilization of transitions and average execution time and so on. A hydropower project in the Yalong River was taken as an example, the analysis results of performance index show that some measures should be taken to improve the relatively time-consuming process of the public assistance emergency response procedures, and summarize the evaluation of emergency systems and post-emergency links, which can provide a reference for the emergency management to improve the operation efficiency of the entire system.

Key words：emergency response; capability simulation; Petri nets; hydropower project; emergent events

中圖分類(lèi)號(hào)：X92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-640X(2016)01-0063-08

通信作者：陳述(E-mail： chenshu@whu.edu.cn)

作者簡(jiǎn)介：鄭霞忠(1963—)， 男， 湖北鄂州人， 教授， 博士， 主要從事安全科學(xué)與工程研究。

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(Q20151210)

收稿日期：2015-03-16

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.010

鄭霞忠， 余迪， 陳述， 等. 水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)效能Petri網(wǎng)仿真模型[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2016(1): 63-70. (ZHENG Xia-zhong, YU Di, CHEN Shu, et al. Capability simulation model for emergency response of hydropower projects based on Petri nets theory[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 63-70.)