晉良海，吳菊華，余　迪，陳雁高

(1. 三峽大學(xué) 湖北省水電工程施工與管理重點實驗室，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； 3. 上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200080；4. 中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081 )

0　引言

水力發(fā)電是項龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因其水庫調(diào)度需求多、運行條件復(fù)雜，導(dǎo)致電力安全生產(chǎn)風險因素增加、風險增大，易發(fā)生非計劃停機等突發(fā)事件[1]。然而，水電廠電力設(shè)備發(fā)生事故又制約企業(yè)正常電力生產(chǎn)，對電網(wǎng)安全運行造成威脅[2]。因此，為強化應(yīng)對突發(fā)事故應(yīng)急能力，提升事故應(yīng)急防控水平，及時處置并有效遏制事故衍生擴散，開展水電廠電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)效能分析研究工作，是保障水電廠安全高效運行的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。

快速、及時地應(yīng)急響應(yīng)是應(yīng)急救援的必然要求，評估應(yīng)急響應(yīng)效能是不斷提高應(yīng)急救援能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。眾多學(xué)者已進行探討和研究：WEISDORF D[4]提出應(yīng)急管理體系建設(shè)應(yīng)該是1個動態(tài)管理的過程，并建議定期對應(yīng)急能力進行評價，不斷修正評價指標，改善應(yīng)急管理水平；黃炎焱[5]提出突發(fā)事件應(yīng)急效能的概念，并建立1個基于效用聚合的突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案效能評估方法；張英菊[6]綜合運用灰色系統(tǒng)理論和多層次分析法，建立基于灰色多層次評價的?；沸孤┦鹿蕬?yīng)急效能評價模型；吳天愛[7]利用云模型能夠處理不確定性和模糊性因素的優(yōu)勢，提出基于云模型的人防物資儲備體系效能評估方法；鄧芳[8]基于“解決沖突，有序協(xié)同”的理念，提出協(xié)同應(yīng)急響應(yīng)方法，建立協(xié)同效率評價模型；徐振瀟[9]構(gòu)建應(yīng)急資源帕累托最優(yōu)理論模型，使有限的應(yīng)急資源得到最優(yōu)配置，達到提高應(yīng)急處置效率的目的。

上述學(xué)者側(cè)重于影響評價應(yīng)急響應(yīng)效果的重要指標的研究[10-12]，但較少考慮應(yīng)急救援過程中信息的不確定性與模糊性，很難真實反映應(yīng)急響應(yīng)全過程效能。因此，針對我國水電廠電力設(shè)備事故應(yīng)急管理現(xiàn)狀，綜合FPN和MC理論，計算并分析水電廠電力設(shè)備應(yīng)急響應(yīng)多尺度效能指標，為應(yīng)急響應(yīng)工作流程的建模分析提供新思路，同時也對提高應(yīng)急響應(yīng)整體效率、找出應(yīng)急流程的薄弱環(huán)節(jié)提供參考。

1　相關(guān)理論

1.1　模糊Petri網(wǎng)(FPN)

為更好地處理傳統(tǒng) Petri 網(wǎng)無法處理的一些不明確或模糊信息，采用以模糊產(chǎn)生式規(guī)則為基礎(chǔ)的FPN法。FPN不僅具有一般 Petri 網(wǎng)的圖形描述能力，可清晰地表示相關(guān)知識，還可表現(xiàn)出知識庫系統(tǒng)中規(guī)則之間的結(jié)構(gòu)化特性[13-15]。

FPN表示為1個6元組FPN=(P,T,F,W,M0,λ)，P={p1,p2,…,pn}是庫所(Place)的有窮集合；T={t1,t2,…,tm}是變遷(Transition)的有窮集；F?(P×T)∪(T×P)(關(guān)系F只存在于集合P和集合T之間)為有向弧集，即節(jié)點流關(guān)系(Flow Relation)集；W:F→N+是弧權(quán)函數(shù)，N+={1,2,…,n} ；M0:P→N是初始標識，用向量表示，第Mi個元素表示第i個庫所中的托肯數(shù)；λ={λ1,λ2,…,λm}是變遷平均實施速率集合，λi表示變遷ti的平均速率。其中，P∩T=φ并P∪T≠φ；n表示庫所個數(shù)，n>0；m表示變遷個數(shù)，m>0。

1.2　應(yīng)急響應(yīng)流程建模步驟

考慮活動耗時的模糊隨機性，綜合FPN和MC原理，具體建模步驟梳理如下：

1)在應(yīng)用Petri網(wǎng)構(gòu)建流程模型中加入平均速率集λ，得出與之對應(yīng)的SPN。

2)確定SPN中存在的可能狀態(tài)，得到可達標識集，構(gòu)建對應(yīng)的MC。

3)結(jié)合模糊數(shù)學(xué)原理，對λi值采用適當模糊化處理，建立關(guān)于求解模型穩(wěn)態(tài)概率的如下模糊矩陣方程組：

(1)

然后再選取區(qū)域中心法，求出對應(yīng)可達狀態(tài)的模糊穩(wěn)定概率值。

4)根據(jù)MC的模糊穩(wěn)態(tài)概率值，綜合Petri網(wǎng)系統(tǒng)效能分析方法，計算效能分析指標，對水電廠電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)進行分析、評估及優(yōu)化。

2　應(yīng)急響應(yīng)流程FPN-MC模型

2.1　應(yīng)急響應(yīng)流程建模

水電廠作為電力生產(chǎn)單位，其電力設(shè)備一旦發(fā)生事故，必須明確事故類型及危害程度，立即啟動具有針對性的電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)行動。因此，依照水力發(fā)電廠可能存在的設(shè)備事故類型，將電力設(shè)備事故劃分為水機、電氣和其他3個方面，結(jié)合事故特征，分析應(yīng)急響應(yīng)流程效能。

電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)流程以應(yīng)急啟動、決策、行動以及恢復(fù)4個環(huán)節(jié)為邏輯主線。一般工作流程為：水輪機組、廠區(qū)電氣設(shè)備或其他設(shè)備非正常運作狀態(tài)時，值班人員立即匯報詳細警情，廠區(qū)應(yīng)急處理指揮部依據(jù)不同事故事態(tài)程度，分析其所處級別，啟動相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，展開相應(yīng)處置救援行動。同時，實時跟進、調(diào)整救援行動，并上報應(yīng)急處理指揮部辦公室、事發(fā)地政府應(yīng)急管理機構(gòu)。事發(fā)地屬政府與專派人員進行事故情況調(diào)查，具體探查起因與處置情況，全面了解事態(tài)情況。應(yīng)急響應(yīng)行動結(jié)束后，事故責任單位組織部署善后工作，設(shè)置專人嚴格保護事故現(xiàn)場。針對響應(yīng)行動救援效果及部門組織間協(xié)同處置能力，組織相關(guān)人員進行工作評估總結(jié)，將事故全過程處置的詳細情況編入歸檔，作為強化水電廠電力生產(chǎn)安全管控水平、持續(xù)改進的借鑒學(xué)習(xí)材料。

為深入剖析水電廠電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)流程，針對應(yīng)急響應(yīng)活動形成的動態(tài)離散系統(tǒng)，綜合上述應(yīng)急響應(yīng)程序，提煉所研究系統(tǒng)的應(yīng)急指揮過程，以Ⅲ級電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)為背景，建立水電廠電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)的Petri網(wǎng)模型，如圖1所示，其中相關(guān)參數(shù)定義如表1所示。

表1　Petri網(wǎng)模型參數(shù)定義

圖1　水電廠電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)的Petri網(wǎng)模型Fig.1　The Petri net model of hydropower electrical equipment emergency response

2.2　馬爾可夫鏈的構(gòu)建

依圖1的模型，確定Petri網(wǎng)中存在的可能狀態(tài)，以流程存在的各庫所p標識狀態(tài)M(如狀態(tài)M7由庫所p7，p8，p9標識，表示應(yīng)急響應(yīng)進入應(yīng)急資源調(diào)配、救援小組協(xié)同救援、專家協(xié)助方案修善的應(yīng)急行動狀態(tài)環(huán)節(jié)中)，得到可達標識集，如圖2所示；構(gòu)建對應(yīng)馬爾可夫鏈，如圖3所示。

圖2　可達標識集Fig.2　Set of reachable indication

圖3　同構(gòu)的馬爾科夫鏈Fig.3　Isomorphic Markov chains

2.3　應(yīng)急效能指標的計算

1)庫所平均標記數(shù)。設(shè)?pi∈P處于某一可達標識穩(wěn)態(tài)，pi所具有的平均標記數(shù)ui可反映庫所信息處理的忙閑概率，記1個位置集Pj?P的平均標記數(shù)是Pj中每1個位置pi∈Pj的平均標記數(shù)之和為Nj，則

(2)

2)變遷的利用率。設(shè)?t∈T，變遷利用率U(t)指將t轉(zhuǎn)變?yōu)槭鼓茏冞w的全部標識的穩(wěn)態(tài)概率和，主要反映流程環(huán)節(jié)占響應(yīng)行動的時間，其計算公式為：

(3)

式中：E為使t可實施的所有可達標識集。

3)系統(tǒng)平均執(zhí)行時間。根據(jù)Little規(guī)則，系統(tǒng)平均執(zhí)行時間為：

(4)

式中：N為穩(wěn)態(tài)時Petri網(wǎng)系統(tǒng)中某環(huán)節(jié)的平均標記數(shù)；R(t,p)為流入系統(tǒng)的變遷標記流速。

設(shè)?t∈T，R(t,p)為單位時間內(nèi)流入t的后置位置p的平均標記數(shù)，則

R(t,p)=W(t,p)=W(t,p)×U(t)×λ

(5)

式中：λ為t的平均實施速率。

3　實例分析

以ZLB水電廠電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)實際完成情況為背景，從信息處理的角度研究事故響應(yīng)流程，依據(jù)其Ⅲ級電力設(shè)備事故應(yīng)急預(yù)案演練信息，獲取各個應(yīng)急行動的實施效率等數(shù)據(jù)，結(jié)合以上模型進行效能分析。

3.1　應(yīng)急效能參數(shù)采集

根據(jù)實際可能完成工作情況，對λ1=λ2=10，λ4=λ10=4，λ3=3，λ6=2，λ5=λ7=λ8=λ9=λ11=1分別采用5%，10%，10%，15%，20%的模糊化程度作為其上下限，則有：

3.2　應(yīng)急效能參數(shù)分析

獲取相應(yīng)參數(shù)后，結(jié)合水電廠電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)流程FPN模型同構(gòu)的馬爾科夫鏈(圖3)，設(shè)xi為水電廠電力設(shè)備事故應(yīng)急響應(yīng)流程位于Mi的穩(wěn)態(tài)概率，結(jié)合式(1)可得如下所示的狀態(tài)概率方程組：

從而

利用區(qū)域中心法進行解模糊得出穩(wěn)態(tài)概率如表2所示：

表2　 狀態(tài)標識穩(wěn)態(tài)概率值

3.3　應(yīng)急響應(yīng)效能指標

根據(jù)求得的穩(wěn)態(tài)概率可以計算出系統(tǒng)效能指標，計算過程如下：

1)庫所平均標記數(shù)

為反映庫所信息及資源處理的繁忙概率，準確搜尋產(chǎn)生信息堆積、影響應(yīng)急處置效能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)合Petri網(wǎng)可達集(圖2)，根據(jù)式(2)計算庫所中的平均標記數(shù)，如表3所示。

表3　庫所平均標記數(shù)值

結(jié)果可知：應(yīng)急資源使用完畢、相關(guān)人員現(xiàn)場處置到位、確定完善的處置方案時的狀態(tài)最為繁忙，故強化應(yīng)急資源匹配、強化各部門之間溝通、提升專家協(xié)助優(yōu)化應(yīng)急處置的效率，能有效解決環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的信息堆積問題。

2)變遷利用率

為反映各項活動占用整個應(yīng)急響應(yīng)過程的時間長短，給應(yīng)急決策者正確識別重點監(jiān)管對象提供依據(jù)，根據(jù)式(3)計算變遷利用率，如表4所示。

表4　變遷利用率

結(jié)果可知：利用資源實施救援、相關(guān)人員進行現(xiàn)場處置、完善處置方案等實施過程需要重點監(jiān)督和管理。

3)系統(tǒng)平均執(zhí)行時間

為系統(tǒng)分析整個應(yīng)急流程的平均執(zhí)行時間，根據(jù)應(yīng)急運行情況，制定出相應(yīng)措施提升應(yīng)急響應(yīng)效率。

根據(jù)式(4)和(5)，解得穩(wěn)態(tài)時Petri網(wǎng)系統(tǒng)中某環(huán)節(jié)的平均標記數(shù)N與流入系統(tǒng)的變遷標記流速R(t1,p2)，則系統(tǒng)平均執(zhí)行時間：

=6.29 (h)

結(jié)果可知：系統(tǒng)平均執(zhí)行時間為6.29 h，可將其作為評判應(yīng)急響應(yīng)流程是否合理的參考指標。

4　結(jié)論

1)針對電力設(shè)備事故復(fù)雜化、流程化的特點，考慮應(yīng)急響應(yīng)過程中各個環(huán)節(jié)的時間具有隨機性和模糊性，綜合應(yīng)用模糊Petri網(wǎng)和馬爾科夫鏈理論，構(gòu)建應(yīng)急響應(yīng)流程FPN-MC模型，計算并分析系統(tǒng)效能指標，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)點提供參考。

2)水電廠電力設(shè)備事故的應(yīng)急響應(yīng)效能分析可為提高應(yīng)急救援系統(tǒng)運行效率、增強應(yīng)急管理柔性提供依據(jù)。實例表明：從庫所平均標記數(shù)的角度看，應(yīng)急資源使用完畢、相關(guān)人員現(xiàn)場處置到位、確定完善的處置方案時的狀態(tài)最為繁忙；從變遷利用率的角度看，利用資源實施救援、相關(guān)人員進行現(xiàn)場處置、完善處置方案等實施過程需要重點管理和監(jiān)督。

3)對水電廠電力設(shè)備事故進行建模是個極其復(fù)雜的過程，涉及的環(huán)節(jié)和內(nèi)容眾多，可研發(fā)有關(guān)應(yīng)急響應(yīng)的軟件，實現(xiàn)對流程的具象化描述，為高效地實施救援提供信息化技術(shù)支撐。

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