董沛武, 劉世國(guó), 楊 玫, 王軍梅

(北京理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 北京 100081)

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物元結(jié)構(gòu)應(yīng)急響應(yīng)決策模型研究

董沛武, 劉世國(guó), 楊 玫, 王軍梅

(北京理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 北京 100081)

為了提高復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)急響應(yīng)能力,基于元決策提出分解-集成(disassemble-integration,DI)總體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和物元分解的唯一性準(zhǔn)則;討論了物元變換過(guò)程中存在的不足,建立了物元分析和解釋結(jié)構(gòu)模型(interpretive structural modeling,ISM)的映射關(guān)系。通過(guò)語(yǔ)義和“情境響應(yīng)”方法拓展了物元分析結(jié)構(gòu),并賦予其語(yǔ)義解釋及響應(yīng)的功能。針對(duì)決策人員不在現(xiàn)場(chǎng)的情況,構(gòu)建了物元結(jié)構(gòu)決策(matter-element structure for decision-making,MESDM)模型。最后,實(shí)證分析了MESDM及其有效性、及時(shí)性和可操作性,為進(jìn)一步研究MESDM的人機(jī)智能決策奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)急決策; 元決策; 解釋結(jié)構(gòu)模型; 物元分析; 情境響應(yīng)

0 引 言

針對(duì)突發(fā)事件,以自然災(zāi)害為例,盡管多種應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案和機(jī)制已經(jīng)建立,但救援指揮部門(mén)通常難以準(zhǔn)確地掌握災(zāi)區(qū)情況和損毀信息,使得救援指令經(jīng)常脫離實(shí)際狀況需求[1-3]。因此,優(yōu)化復(fù)雜環(huán)境下決策方法和程序,提高突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)中的決策能力,意義十分重大。

目前,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要有:Jenkins L針對(duì)有毒物質(zhì)泄漏處置預(yù)案的制定問(wèn)題,構(gòu)建了預(yù)案選擇的整數(shù)規(guī)劃模型[4]；楊文國(guó)等提出了應(yīng)急方案效度的概念,并針對(duì)信息缺失的應(yīng)急方案處置問(wèn)題構(gòu)建了含有資源約束條件的應(yīng)急方案選擇模型[5]；陳興等從應(yīng)急系統(tǒng)的角度,考慮部門(mén)協(xié)同、動(dòng)態(tài)決策等問(wèn)題,構(gòu)建了多目標(biāo)條件下多部門(mén)協(xié)同應(yīng)急的決策模型[6]；姜艷萍等將風(fēng)險(xiǎn)決策方法引入應(yīng)急方案選擇問(wèn)題,通過(guò)評(píng)價(jià)方案的處置效果、轉(zhuǎn)換成本和應(yīng)對(duì)損失,得出最優(yōu)的調(diào)整方案[7]。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用,結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)急決策方法相繼提出。王石穎[8]應(yīng)用情景框架和依存樹(shù)理論,評(píng)價(jià)了突發(fā)事件的相似性。于婷[9]應(yīng)用向量空間模型(vector space model,VSM)算法和最長(zhǎng)公共子序列(longest common subsequence,LCS)算法,通過(guò)相似度匹配找到案例庫(kù)中類(lèi)似事件的處置方案。

上述文獻(xiàn)從方案篩選、救援協(xié)同、成本優(yōu)化等方面對(duì)應(yīng)急決策展開(kāi)研究,兼顧突發(fā)事件定性定量指標(biāo),取得了顯著成效,但在應(yīng)急響應(yīng)的決策范式、決策步驟及響應(yīng)過(guò)程等方面研究較少,這使得應(yīng)急救援響應(yīng)活動(dòng)存在一些不足,尤其在汶川和蘆山震災(zāi)中表現(xiàn)的較為明顯。一是應(yīng)急響應(yīng)的方(預(yù))案制定缺乏具有系統(tǒng)完整性和結(jié)構(gòu)合理性特征的理論框架支撐,二是應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程難以做到合乎實(shí)際要求的邏輯論證,三是應(yīng)急響應(yīng)面臨著決策的精確性與救援工作緊迫性的時(shí)效滯后問(wèn)題。因此,本文基于元決策(meta-decision-making,MDM)思想[10-12],結(jié)合物元分析(matter-element analysis,MEA)、解釋結(jié)構(gòu)模型(interpretive structural modeling,ISM)、突發(fā)事件隨機(jī)性、情境語(yǔ)義描述等[13-17],提出并構(gòu)建突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)的物元結(jié)構(gòu)決策模型(matter-element structure for decision-making,MESDM),目的在于根據(jù)決策者、決策環(huán)境以及決策任務(wù)的特征特點(diǎn)對(duì)決策過(guò)程、決策方案進(jìn)行邏輯分析和選擇,從而改進(jìn)突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)的決策機(jī)制和方法。

1 MEA和ISM

1.1 MEA

1983年,我國(guó)學(xué)者蔡文提出了MEA方法。該方法主要思想源于系統(tǒng)科學(xué)、思維科學(xué)以及拓展集理論,用于解決事物不相容問(wèn)題,適用于多因子評(píng)價(jià)。MEA在可拓集的基礎(chǔ)上,將復(fù)雜問(wèn)題抽象為具體模型,將事物、特征及其量值構(gòu)成“物元(matter-element,ME)”概念,作為描述事物的基本元,建立質(zhì)與量之間的關(guān)聯(lián)信息,從而研究事物關(guān)系的可拓性和規(guī)律。MEA的突出特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)ME和物元變換(ME transformation,MET)將不相容的定性問(wèn)題轉(zhuǎn)變成相容的定量問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的求解,其典型案例參照曹沖稱(chēng)象故事[18-19]。MEA可概括性地描述如下:

以有序三元組T=(M,C,X)作為描述事物的基本元(即“物元”),則M代表事物,C為事物M的特征,X是M對(duì)應(yīng)C的量值,即:T=(事物,特征,量值)。如果M包含n個(gè)特征,記作向量C=[c1,c2,…,cn]T,另有n維數(shù)值型向量X=[x1,x2,…,xn]T與C一一對(duì)應(yīng),則事物M的物元矩陣描述形如

(1)

式中,原問(wèn)題M通過(guò)MET分解轉(zhuǎn)化為特征描述的新問(wèn)題C,當(dāng)且僅當(dāng)MET滿(mǎn)足總分一致性要求時(shí),原問(wèn)題M將在屬性或特征C所描述的層次上得到求解[20-22]。

可拓物元評(píng)價(jià)模型近年發(fā)展較快,它可以有效地將定性、定量相結(jié)合,很好地解決多屬性復(fù)雜系統(tǒng)的決策問(wèn)題,在地質(zhì)工程、環(huán)境保護(hù)、交通工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1.2 ISM

ISM是1973年John N. Warfield研究一般系統(tǒng)理論時(shí)提出的,用于分析系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的方法[23]。ISM認(rèn)為元素間有著易于判別的因果關(guān)系,也有著難以辨析的松散的耦合關(guān)系。從整體論的視角看,元素最大的耦合關(guān)系就是所有元素共同構(gòu)成的系統(tǒng),因此,復(fù)雜系統(tǒng)具有層級(jí)性和結(jié)構(gòu)性。ISM方法就是通過(guò)圖論的關(guān)聯(lián)矩陣方法標(biāo)注出系統(tǒng)元素間易于識(shí)別的因果關(guān)系和不易于辨析的耦合關(guān)系,借助n階二元矩陣最多n次自乘布爾運(yùn)算后結(jié)果趨于穩(wěn)定的特征,以數(shù)理邏輯推導(dǎo)的方法解構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)。ISM求解過(guò)程如下[24-26]:

首先,構(gòu)建可達(dá)矩陣。在系統(tǒng)元素ci之間進(jìn)行一一比較。如果由ci能夠推導(dǎo)出cj,則記為ciRcj=1,并在相應(yīng)的鄰接矩陣A中記作aij=1,否則,記為“0”。鄰接矩陣A的推導(dǎo)式為

(2)

式中,i,j=1,2,…,n;且i≠j;R表示要素ci與cj之間存在的有向關(guān)系。進(jìn)而,可達(dá)矩陣M為

M=(A+I)k=(A+I)k+m

且≠(A+I)k-1

(3)

式中,I為單位矩陣,k,m∈N+,M={mij}(i,j=1,2,…,n),可達(dá)矩陣表示從一個(gè)要素到另一個(gè)要素是否存在連通路徑。

其次,根據(jù)定義,通過(guò)可達(dá)矩陣求ISM模型的可達(dá)集、先行集、共同集、開(kāi)始集和終集:

可達(dá)集(R):系統(tǒng)要素ci可直接或間接到達(dá)的元素集合;

先行集(H):系統(tǒng)中可直接或間接引致元素ci的集合;

共同集(CM):可達(dá)集和先行集的交集;

開(kāi)始集(B):系統(tǒng)中不受其他任何元素影響的元素的集合;

終集(E):系統(tǒng)中只接受其他元素影響的元素的集合。

最后,ISM模型的層次提取:

步驟 1 通常從終集開(kāi)始,任選一元素,記為L(zhǎng)1層,提取公式為

L={ck|R(ck)∩H(ck)=R(ck)}

(4)

式中，k=1,2,…,n。

步驟 2 在可達(dá)集中刪去隸屬于L1的屬性及相應(yīng)的行,以便獲得一個(gè)新的可達(dá)集,然后再次運(yùn)用式(4),獲得L2。

步驟 3 重復(fù)步驟2,直到可達(dá)集為空時(shí)結(jié)束。

以上是ISM的求解方法,運(yùn)用ISM的關(guān)鍵是選擇和創(chuàng)新模型的輸入元素。同時(shí)可發(fā)現(xiàn):ISM是一套較為完整的推理運(yùn)算系統(tǒng),其鄰接矩陣的構(gòu)建過(guò)程,既是接收外部信息進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程,也是通過(guò)對(duì)外部要素信息兩兩比較進(jìn)而實(shí)現(xiàn)要素間邏輯推理的過(guò)程。因此,ISM模型為以人機(jī)結(jié)合方式進(jìn)行要素間邏輯關(guān)系推導(dǎo)提供了方法、手段和便利。

2 MESDM模型構(gòu)建

應(yīng)急管理中的決策活動(dòng)通常受應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間和事件發(fā)生的位置和環(huán)境制約,尤其是負(fù)責(zé)做決策的人通常不在事件發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng)。因此，根據(jù)決策指令的發(fā)出是否在事件發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng),本文將應(yīng)急管理中的決策活動(dòng)分為場(chǎng)外決策和場(chǎng)內(nèi)決策兩種形式,并重點(diǎn)對(duì)場(chǎng)外決策進(jìn)行了研究和建模。

建模思路:應(yīng)急決策的決策者通常位于事件場(chǎng)外,因此場(chǎng)內(nèi)信息透明度提高與場(chǎng)外決策者的決策能力建設(shè),進(jìn)而化解或轉(zhuǎn)移基于時(shí)空異位關(guān)系造成的場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)外不兼容問(wèn)題,構(gòu)成了應(yīng)急決策支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效決策和不斷發(fā)展的關(guān)鍵及核心問(wèn)題。因此,本文以MDM、MEA和ISM為基礎(chǔ)建立了面向決策過(guò)程的縱向組合模型,即MESDM,主要適用基于空間位置關(guān)系的突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)問(wèn)題和基于時(shí)間關(guān)系的研發(fā)規(guī)劃問(wèn)題等。

2.1 建模準(zhǔn)則和框架

準(zhǔn)則 1 分解-集成(disassemble-integration, DI)準(zhǔn)則

DI準(zhǔn)則引申自MDM的分層決策思想,它是模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。MDM不同一般決策,它是一般決策之上的一類(lèi)決策?！霸?meta)在中文語(yǔ)境中是源頭和開(kāi)始的意思,在英文中則有“在…之上”(above)和“超出”(beyond)的意思,元決策包含了分析、組織、優(yōu)化、評(píng)估等更為廣泛的內(nèi)容。因此,根據(jù)MDM思想分析預(yù)案與事件之間的關(guān)系,判斷問(wèn)題是否存在直接解決方法(即相容性分析)。對(duì)于不相容問(wèn)題,基于DI準(zhǔn)則,考察理想情況下預(yù)案與現(xiàn)實(shí)存在的偏差,構(gòu)成突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)模型的頂層框架。

準(zhǔn)則 2 總分一致性原則

在問(wèn)題的不相容性已明確情況下,MEA是理清問(wèn)題組成和實(shí)質(zhì)的方法,其總分一致性原則保證了問(wèn)題轉(zhuǎn)移和分解中新問(wèn)題與原問(wèn)題的相關(guān)性和一致性;通過(guò)語(yǔ)義、MET、情境響應(yīng)和語(yǔ)義編碼/解碼等進(jìn)行不相容問(wèn)題轉(zhuǎn)換構(gòu)成了問(wèn)題求解的基本方法。就模型的完整性而言,正是語(yǔ)義方法的運(yùn)用,消除了個(gè)人能力差異問(wèn)題,提升了模型的實(shí)用性。MET的總分一致性原則具有一維度約束特點(diǎn),給出了可行的解空間,不足之處是無(wú)法保證解的優(yōu)化或唯一解。

準(zhǔn)則 3 唯一性準(zhǔn)則

突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)的有效決策在于能否成功化解系統(tǒng)要素的不相容性。根據(jù)DI準(zhǔn)則,問(wèn)題的分解和轉(zhuǎn)移階段,即MEA過(guò)程仍存在不確定性問(wèn)題。MEA中的物元概念和總分一致性原則僅指出了問(wèn)題的量化方向,未能消除物元分解過(guò)程中存在的“一對(duì)多”映射關(guān)系。以式(1)為例,問(wèn)題已經(jīng)由事件M轉(zhuǎn)化為由向量C表征的一類(lèi)問(wèn)題,但在MET過(guò)程中物元分解及其結(jié)果卻不是唯一的,M既可以變換成C1,也可以變換成C2。因此,在做決策時(shí),MET的變換準(zhǔn)則需在總分一致性準(zhǔn)則基礎(chǔ)上增補(bǔ)唯一性準(zhǔn)則,用以確定問(wèn)題解可行且唯一,從而保障應(yīng)急響應(yīng)決策方案的最優(yōu)。

在此基礎(chǔ)上,MESDM的理論框架如圖1所示。DI是對(duì)MDM思想的延伸,它確立了MESDM模型的頂層架構(gòu);在明確了原事物的不相容性后,準(zhǔn)則2和準(zhǔn)則3是通過(guò)該事物的特征或?qū)傩詫?duì)該問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)移或置換的原則和依據(jù),并依據(jù)情境響應(yīng)和語(yǔ)義編碼/解碼方法在語(yǔ)義信息和情境信息之間構(gòu)建一個(gè)新的會(huì)話(huà)系統(tǒng),進(jìn)而建立基于DI準(zhǔn)則的決策系統(tǒng)。當(dāng)事件發(fā)生時(shí),系統(tǒng)通過(guò)采集第一手二元數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)人工識(shí)別和語(yǔ)義轉(zhuǎn)換后,輸入ISM模型。ISM通過(guò)構(gòu)建鄰接矩陣的方式對(duì)物元分析中各要素進(jìn)行記錄和兩兩比較,初步建立各要素間的邏輯關(guān)系,再通過(guò)求可達(dá)矩陣的方式對(duì)各要素進(jìn)行進(jìn)一步的邏輯關(guān)系比較和處理,最終輸出內(nèi)含了MEA各要素邏輯關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)圖供應(yīng)急決策分析使用。從而將具有定性特征的原問(wèn)題,通過(guò)MEA拓展的方式,在定量層面上以對(duì)MEA各要素進(jìn)行邏輯關(guān)系比較和推理的方式獲得了解決。就應(yīng)急決策過(guò)程而言,解決了應(yīng)急過(guò)程中事件突發(fā)所帶來(lái)的時(shí)間緊迫性和決策者不在事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)而引致的信息模糊、不透明問(wèn)題。

圖1 MESDM的構(gòu)成和準(zhǔn)則Fig.1 Components and principles of MESDM

綜上,MDM、MEA和ISM 3種基礎(chǔ)理論協(xié)同構(gòu)造成決策組合模型。MDM的分層決策思想為應(yīng)急決策響應(yīng)過(guò)程設(shè)計(jì)提供了DI的總體思想和設(shè)計(jì)原則,MEA起到了對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解構(gòu)和分析的作用,而ISM則以人機(jī)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)物元分析各要素信息進(jìn)行邏輯推理和輸出的功能,從而通過(guò)人機(jī)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下快速、及時(shí)和有效決策。

2.2 建模流程

MESDM流程(見(jiàn)圖2)主要由4個(gè)部分構(gòu)成:第1部分以MDM為基礎(chǔ),提出DI總體設(shè)計(jì)思想,用于建立應(yīng)急決策預(yù)案與突發(fā)事件之間的關(guān)聯(lián);第2部分是擴(kuò)展的物元模型,根據(jù)突發(fā)事件的影響要素推導(dǎo)構(gòu)建MESDM;第3部分是通過(guò)語(yǔ)義和情境響應(yīng)獲得事件的特征值和元素量值;最后,在物元數(shù)據(jù)和ISM特征值之間建立映射關(guān)系,獲得決策結(jié)論。

圖2 MESDM流程圖Fig.2 Flow diagram of MESDM

2.3 MESDM構(gòu)建

模型構(gòu)建步驟如下:

步驟 1 依據(jù)DI準(zhǔn)則描述問(wèn)題

DI是解決問(wèn)題的指導(dǎo)思想,強(qiáng)調(diào)了協(xié)同和全局意識(shí),反映了事件的系統(tǒng)性和整體性特征,突出了應(yīng)急預(yù)案和事件之間的相關(guān)性,注重應(yīng)急預(yù)案與事件之間分與合的轉(zhuǎn)換和協(xié)同,從問(wèn)題的構(gòu)思和設(shè)計(jì)角度增強(qiáng)了模型的精確性、適用性和可操作性。

步驟 2 MEA模型的擴(kuò)展

為了使最終擴(kuò)展形式滿(mǎn)足本文提出的唯一性原則,物元分解要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo):一是要將情境要素引入突發(fā)事件M的分析中,保證它們形式不變;二是要避免信息收集時(shí)的錯(cuò)誤,這對(duì)于精確決策十分重要。擴(kuò)展的方法是在式(1)的屬性層C和數(shù)值層X(jué)之間插入一個(gè)功能解釋層D,這樣C層的功能用于保持固定的形式,從X到D的響應(yīng)構(gòu)成具體形勢(shì)的解釋。這樣,向量C的元素通過(guò)物元方法分解成它的語(yǔ)義結(jié)構(gòu),標(biāo)記為D={[di,ji]}(i=1,2,…,n;ji=1,2,…,ki),及ki∈N+;xi,ji是di,ji的數(shù)值。最終,事件M的物元擴(kuò)展關(guān)系R可表示為

(5)

在事件M中,元素ci是第一次物元分析的結(jié)果,它的另一個(gè)功能是作為ISM模型的主要輸入元素。類(lèi)似地,[di,ji]是ci的MEA結(jié)果,它是后面討論ci之間相互關(guān)系的依據(jù)。同時(shí),比較式(1)和式(5),容易發(fā)現(xiàn)如果X是一些從現(xiàn)實(shí)中采集的信息,那么由于插入向量D,則向量C將變得更加抽象。因而,需要協(xié)調(diào)物元結(jié)構(gòu)與ISM之間的關(guān)系,這也是MESDM模型要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

步驟 3 構(gòu)建ISM和物元結(jié)構(gòu)之間的映射(記作T)

(1)di,ji是二元數(shù)值;

(2) 每個(gè)[di,ji]構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的樣本空間,所有的[di,ji]構(gòu)成一個(gè)決策的語(yǔ)義組;因而,[di,ji]應(yīng)該涵蓋事件不同屬性的所有可能情況;

(3)ci的涵義來(lái)自于[di,ji],且只能由[di,ji]來(lái)確定。

步驟 4 可達(dá)計(jì)算與決策分析

基于情境響應(yīng),[xi,ji]的功能是采集信息并將之傳遞給[di,ji],這將使得[di,ji]獲得概念層次的語(yǔ)義;在[di,ji]確定了初級(jí)信息之后,它被傳遞給ci,ci承擔(dān)了描述事件特征或?qū)傩缘娜蝿?wù);最后,信息將被傳給ISM模型,由ISM對(duì)事件進(jìn)行邏輯推理,輸出決策結(jié)果。

3 MESDM示例分析

幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外核電站選址主要分為沿海和內(nèi)陸兩類(lèi),歐美發(fā)達(dá)國(guó)家由于核電發(fā)展早,基本呈沿海、內(nèi)陸并行發(fā)展態(tài)勢(shì);我國(guó)基于核泄露危害和技術(shù)原因,采取了審慎原則,優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展了沿海核電項(xiàng)目。隨著清潔能源需求日益迫切,“十三五”期間,我國(guó)內(nèi)陸核電項(xiàng)目提上議事日程,如規(guī)劃籌備中的湖南益陽(yáng)桃花江核電站,陜西安康、漢中、延安、商洛等核電項(xiàng)目。但核事故的人為因素和自然災(zāi)害誘因依然存在,如何有效啟動(dòng)核事故后緊急預(yù)案成了核電站建設(shè)之前優(yōu)先考慮和研究的問(wèn)題。因此,針對(duì)自然災(zāi)害誘因,本文基于MESDM模型對(duì)核事故中場(chǎng)外應(yīng)急響應(yīng)決策問(wèn)題做初步研究。

3.1 基于MESDM的核事故場(chǎng)外應(yīng)急響應(yīng)模型

通常根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的國(guó)際核事件分級(jí)表,將核事件按大小分0～7共8個(gè)等級(jí),其中0～2級(jí)(無(wú)安全顧慮、異常、注意)屬于一般事故;3～4級(jí)(嚴(yán)重、場(chǎng)外無(wú)顯著風(fēng)險(xiǎn))屬于場(chǎng)內(nèi)事故;5～6級(jí)(具有場(chǎng)外風(fēng)險(xiǎn)、重大)屬于重大事故;7級(jí)如切爾諾貝利和福島核電事故,屬于特大級(jí)事故。當(dāng)核事故發(fā)生時(shí),國(guó)家要根據(jù)核事故情況啟動(dòng)緊急預(yù)案,如疏散群眾、控制核污染源、限定核污染區(qū)擴(kuò)散等。

一般有兩類(lèi)因素影響核泄露緊急預(yù)案的應(yīng)急響應(yīng)。一是一般因素,如:事件發(fā)生的位置、事故原因和類(lèi)別、當(dāng)?shù)丨h(huán)境等;二是特殊因素,如地形地貌對(duì)核泄露突發(fā)事件響應(yīng)能力的影響、行政區(qū)劃、自然特征、線性或十字交叉路等。

此外,調(diào)查研究和文獻(xiàn)也構(gòu)成了應(yīng)急管理和響應(yīng)研究的信息來(lái)源,如:中國(guó)交通部的《公路突發(fā)事件應(yīng)急計(jì)劃》(2009)等。

本文在上述分析及式(5)基礎(chǔ)上展開(kāi)分析,關(guān)于核泄露突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)的物元擴(kuò)展分析如表1所示。

表1中上面部分建立了物元擴(kuò)展分析框架,下面部分列舉了核泄露突發(fā)事件場(chǎng)外應(yīng)急響應(yīng)的4個(gè)級(jí)別,屬性條目c1～c8和響應(yīng)級(jí)別條目c9～c12共同構(gòu)成ISM模型的輸入,這樣關(guān)于核泄露突發(fā)事件響應(yīng)的MESDM模型基本建立。

表1 核泄露突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)的物元擴(kuò)展分析

此外,表1中的省略號(hào)表明本文所構(gòu)建的指標(biāo)體系具有開(kāi)放特征,可隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累不斷加以修訂和完善。

3.2 應(yīng)用舉例

3.2.1 核事故的場(chǎng)外情況分析和數(shù)據(jù)采集

由于以地震為主的自然及次生災(zāi)害對(duì)沿海和內(nèi)陸核電站安全構(gòu)成了主要威脅,因此不失一般性,假設(shè)某核電站由于地震引發(fā)了核泄露,經(jīng)過(guò)衛(wèi)星遙感偵測(cè)和場(chǎng)區(qū)人員提供的信息匯總,核泄露污染區(qū)主要分布在場(chǎng)區(qū)內(nèi)部,屬于場(chǎng)內(nèi)事故。因此,國(guó)家組織的救援工作主要針對(duì)地震災(zāi)害對(duì)場(chǎng)區(qū)外的損毀情況進(jìn)行救援。結(jié)合衛(wèi)星偵測(cè)情況及受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員信息反饋,可確定表1中各屬性向量對(duì)應(yīng)的決策數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 突發(fā)事件數(shù)據(jù)表

表2中其他屬性向量組含義與“公路類(lèi)別”含義基本類(lèi)似,故不再細(xì)述。不失一般性,表2中二進(jìn)制數(shù)據(jù)(x1,1～x8,3)是根據(jù)設(shè)定的災(zāi)區(qū)情況給出的,(x9～x12)暫時(shí)為空,其數(shù)值將通過(guò)(x1,1～x8,3)的推理得到,省略號(hào)意味著模型仍可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況加以完善。3.2.2 構(gòu)建可達(dá)矩陣

基于表1和表2,每個(gè)向量[di,ji]都與一個(gè)元素ci相對(duì)應(yīng),并實(shí)現(xiàn)將不同現(xiàn)實(shí)意義傳遞給后者,因而完成情境響應(yīng)和語(yǔ)義解釋的功能。應(yīng)用ISM方法對(duì)這些要素的相互關(guān)系進(jìn)行分析,如:表2中“公路類(lèi)別”的含義是國(guó)道、省道均已損壞,災(zāi)區(qū)與外界的聯(lián)系中斷,“地理位置”的含義是事件發(fā)生在縣界,二者構(gòu)成的直接鄰接關(guān)系表示的含義是縣界處的國(guó)道、省道均發(fā)生了損毀,因此鄰接矩陣中a1,2=1,表示二者存在鄰接關(guān)系,其他ai,j的數(shù)值確定與此類(lèi)似。最終構(gòu)成鄰接矩陣A如表3所示。

表3 屬性間相互關(guān)系表

進(jìn)而利用式(3)對(duì)鄰接矩陣A進(jìn)行運(yùn)算,獲得可達(dá)矩陣M。

(6)

3.2.3 層級(jí)量化關(guān)系及決策分析

ISM模型進(jìn)行邏輯推導(dǎo)要借助可達(dá)矩陣衍生的幾種集合,分別是:可達(dá)集R、先行集H、共同集CM、開(kāi)始集B和終集E[24，26]。根據(jù)第1.2節(jié)的定義,可達(dá)集的計(jì)算方法是:可達(dá)矩陣中要素ci對(duì)應(yīng)的行中包含“1”的矩陣元素所對(duì)應(yīng)的列的要素的集合,如本例中,可達(dá)矩陣M的第1行對(duì)應(yīng)的列的要素有第1,2,4,6,7,8,9,10,11,12列,因此,第1行對(duì)應(yīng)的可達(dá)集為{1,2,4,6,7,8,9,10,11,12};先行集的計(jì)算方法是:可達(dá)矩陣中要素ci對(duì)應(yīng)的列中,包含有“1”的矩陣元素所對(duì)應(yīng)的行要素的集合,如第1列中只有第1,第5行為“1”,所以它所對(duì)應(yīng)的先行集為{1,5};共同集為ci的可達(dá)集與先行集的交集,如表4所示,ci的可達(dá)集與先行集的交集為{1};開(kāi)始集為系統(tǒng)中不受其他任何元素影響的元素的集合,在本例M中只有c5符合這一標(biāo)準(zhǔn),因此,開(kāi)始集為{5};終集為系統(tǒng)中只接受其他元素影響的元素的集合,這里只有c12符合這一要求,因此,終集為{12}。其他的ci各類(lèi)集合的求解方法類(lèi)似,這些集合的最終求得結(jié)果如表4所示。

表4 ISM中各集合的解

在數(shù)據(jù)采集并整理完后,利用表4中的數(shù)據(jù),基于式(4)及層級(jí)提煉步驟,進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)提煉,本例最終的結(jié)果是:L1={c12},L2={c11},L3={c2,c8,c10},L4={c7,c9},L5={c6},L6={c4},L7={c1,c3},L8={c5}。

最后,根據(jù)上述結(jié)果繪制核泄露突發(fā)事件場(chǎng)外應(yīng)急響應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。

圖3 核泄露突發(fā)事件場(chǎng)外應(yīng)急響應(yīng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Emergency response structure diagram of nuclear emission

3.2.4 決策結(jié)果解析

通過(guò)表2物元分析各要素所描述的事物特征和屬性與圖3中所描繪的各要素層次結(jié)構(gòu)圖所體現(xiàn)的邏輯關(guān)系進(jìn)行決策判斷。圖3中核泄露事件是由自然災(zāi)害-地震(c5)引起的,對(duì)應(yīng)的是ISM模型中的開(kāi)始集;該受災(zāi)區(qū)域的地形地貌以山地和河湖溝渠(c3)為主,地況較為復(fù)雜,主要道路包括國(guó)道和省道(c1),多數(shù)在地震中損毀(c4),且損毀較為嚴(yán)重,預(yù)估地震災(zāi)害達(dá)到了極重大事故等級(jí)(c6),因此從預(yù)測(cè)的情況看,應(yīng)啟動(dòng)國(guó)家級(jí)響應(yīng)(c9)。但從現(xiàn)場(chǎng)回饋信息看,救援通道一般(c7),作業(yè)場(chǎng)地較好(c8),道路損毀包括了縣界地段和縣內(nèi)公路(c2),如果由(c7)和(c8)推斷應(yīng)該啟動(dòng)縣級(jí)響應(yīng),但由(c2)“地理位置”包含縣與縣之間的交界,顯然需要上級(jí)單位協(xié)調(diào),所以應(yīng)啟動(dòng)地市級(jí)響應(yīng)(c11)。同時(shí),由于(c7、c8),救援通道和作業(yè)場(chǎng)地限制,二者都排除了國(guó)家級(jí)響應(yīng)和省級(jí)響應(yīng)(c10),避免了救援能力浪費(fèi)情況。

綜合以上分析,可以判斷出本例中地震導(dǎo)致的核泄露突發(fā)事件場(chǎng)外應(yīng)急響應(yīng)應(yīng)啟動(dòng)地市級(jí)救援預(yù)案。再進(jìn)一步,將此響應(yīng)決策結(jié)果與表2中所描述的核事故場(chǎng)外區(qū)域情況作比較,可以判斷,以人機(jī)結(jié)合方式進(jìn)行的邏輯分析和推理結(jié)果符合實(shí)際,并滿(mǎn)足救援響應(yīng)要求,顯示了MESDM模型具有優(yōu)化推理過(guò)程,提高決策效率,增強(qiáng)分析和決策的科學(xué)性及合理性能力。

3.3 MESDM的應(yīng)用意義和價(jià)值

決策通常需要兼顧事物的共性與特性,以決策的整體效能為標(biāo)準(zhǔn)。核泄露突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)模型的整體效能主要體現(xiàn)在決策的有效性、及時(shí)性和易操作性等方面。

(1) 有效性

決策有效性的基本評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是決策能否用最小的成本獲得最優(yōu)的績(jī)效。在核泄露突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)中,參照事件強(qiáng)度因素,如公路的通行能力和作業(yè)空間等,MESDM排除了國(guó)家級(jí)和省級(jí)響應(yīng),因而降低了援救努力的冗余。同時(shí),就決策根據(jù)而言,MESDM采用的初始數(shù)據(jù)是二元數(shù)值,克服了自然語(yǔ)言固有的模糊性,降低了數(shù)據(jù)采集過(guò)程中人員的素質(zhì)要求,加之情境描述、語(yǔ)義解釋、ISM推理和DI設(shè)計(jì)原則等也為大規(guī)模人機(jī)協(xié)作的群決策創(chuàng)造了條件。

(2) 及時(shí)性

核泄露突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)模型對(duì)預(yù)案設(shè)計(jì)和決策采取分解-集成的總體設(shè)計(jì)原則?！胺纸狻奔蟹治隽饲捌诘膽?yīng)急預(yù)案,暫不考慮突發(fā)事件的影響要素,使得預(yù)案可以臻至盡善盡美;“集成”用以使應(yīng)急預(yù)案和突發(fā)事件的現(xiàn)實(shí)情況相結(jié)合,為人機(jī)結(jié)合及場(chǎng)外決策創(chuàng)造了條件;同時(shí),采用智能程序的決策過(guò)程,在大型事件決策中還能起到縮短決策時(shí)間的作用。

(3) 易操作性

評(píng)價(jià)決策的可操作性通常需要對(duì)決策過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)模型滿(mǎn)足了系統(tǒng)分析、人機(jī)結(jié)合和場(chǎng)外決策的要求,并且它們?cè)谥庇^和抽象性上具有優(yōu)勢(shì),這些都體現(xiàn)在物元分析和ISM推理過(guò)程之中。此外,元決策也強(qiáng)化了決策過(guò)程的層次性,反映了決策中不同階段對(duì)于一般和特殊問(wèn)題的精煉及整合的不同要求。因此,模型具有二階段優(yōu)化特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。最后,語(yǔ)義的應(yīng)用也簡(jiǎn)化了決策過(guò)程,加強(qiáng)了MESDM模型的易用性。

4 結(jié) 論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,突發(fā)事件對(duì)人類(lèi)生活的危害日益突顯,本研究十分必要且迫切。本文貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在4個(gè)方面:①提出了分解-集成應(yīng)急響應(yīng)總體設(shè)計(jì)原則,指導(dǎo)具有場(chǎng)外決策特點(diǎn)的應(yīng)急預(yù)案制定;②建立了物元分析和ISM之間的逆向性映射關(guān)系,它為場(chǎng)外決策提供了一對(duì)相互關(guān)聯(lián)的方法和工具,也構(gòu)成了關(guān)聯(lián)預(yù)案和突發(fā)事件之間的一個(gè)新的理論框架;③分析了物元分解和變換中的結(jié)構(gòu)關(guān)系,提出了唯一性準(zhǔn)則;④通過(guò)整合元決策、語(yǔ)義、情境響應(yīng)、MEA和ISM等提出并構(gòu)建了MESDM模型。

論文通過(guò)實(shí)證研究探討了核事故突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)中存在的影響要素,分析了MESDM的及時(shí)性、有效性和可操作性。唯一性準(zhǔn)則的約束條件及MESDM功能分層尚需進(jìn)一步探索完善。未來(lái)可以期待的研究趨勢(shì)是MESDM模型演進(jìn)為人機(jī)智能決策的一個(gè)有機(jī)組成部分。

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Matter-element structure modeling for emergency response decision-making

DONG Pei-wu, LIU Shi-guo, YANG Mei, WANG Jun-mei

(SchoolofManagementandEconomics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

To improve the ability of emergency response in complex environment, based on meta-decision-making, the total design principle of disassemble-integration(DI) and the uniqueness principle of matter-element decomposition are proposed. The shortcomings of matter-element transformation are discussed, and the map between the matter-element analysis and interpretive structural modeling (ISM) is also built. Furthermore, the matter-element analysis structure is extended by the semantic and scenario-response, and the function of response and semantic explanation is endowed. In the presence of the decision maker is not in the scene, a model of matter-element structure for decision-making (MESDM) is proposed and constructed. Finally, The verification experimental results indicate the function of MESDM with regard to the timeliness, effectiveness and operability, which also provides theoretical support for the study of MESDM’s human-machine intelligence.

emergency decision; meta-decision-making; interpretive structural modeling (ISM); matter-element analysis; scenario-response

2016-03-04;

2016-09-23;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2016-11-14。

河南省交通廳項(xiàng)目(2012P27)資助課題

N 945.12

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.12.18

董沛武(1963-),男,教授,博士后,主要研究方向?yàn)闆Q策理論與方法、復(fù)雜系統(tǒng)建模和管理系統(tǒng)工程、融資與風(fēng)險(xiǎn)管理。

E-mail: Dongpeiwu@bit.edu.cn

劉世國(guó)(1979-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)闆Q策理論與方法、供應(yīng)鏈金融、融資與風(fēng)險(xiǎn)管理。

E-mail: liusgx@126.com

楊 玫(1988-),女,博士研究生,主要研究方向?yàn)闆Q策理論與方法、互聯(lián)網(wǎng)金融。

E-mail: yangmei20062008@126.com

王軍梅(1980-),女,博士.主要研究方向?yàn)闆Q策理論與方法、突發(fā)事件應(yīng)急救援。

E-mail: 48825573@qq.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20161114.0910.002.html