不确定条件下的灭火救援指挥决策及方案优选.doc

不确定条件下的灭火救援指挥决策及方案优选夏登友1，何忠好2（1中国人民武装警察部队学院消防指挥系，河北 廊坊0650002大连市消防支队，辽宁 大连116001）摘 要：灭火救援指挥决策过程具有相当大的不确定性。以存在不确定性为前提制定多种灭火救援指挥决策方案，运用统计决策理论进行多方案决策优选。该理论用令人满意的准则代替最优化准则，根据决策者的偏好和主观评价标准不同选择相应的决策准则，解决“不确定条件下”灭火救援指挥决策多方案优选问题。决策优选的标准是使决策结果在某种决策准则下最佳。关键词：灭火救援指挥；统计决策；不确定性；方案优选1 引言灭火救援指挥决策是火场指挥员根据火情和灭火救援力量情况，对灭火救援行动进行运筹谋划、确定灭火救援行动方案的思维活动和工作过程。灭火救援指挥决策是一个复杂的多目标决策过程，它要求决策者必须对火场信息、火灾扑救方案、人员救护、各种消防资源的调度等进行综合考虑。在灭火救援指挥现场，火灾以及救援行动的不确定因素很多。由于火势发展蔓延的趋势难以准确把握、指挥决策信息在数量和质量上的不足以及灭火救援指挥人员和参谋人员在认识能力上的局限性和主观性，致使灭火救援指挥决策具有相当程度的不确定性。如何在火场的某些不确定条件下进行灭火救援指挥决策、优选灭火救援指挥作战方案，成为火场指挥员们迫切需要解决的问题，也是灭火救援指挥所要研究的重要课题。 2 灭火救援指挥决策的不确定性灭火救援指挥决策的过程，其实质就是为了达到一定的灭火救援效果，根据对火灾现场情况的了解和对火场态势的判断，制定出“最佳”行动决心和行动计划的过程。在这个过程中，由于主客观因素的影响，灭火救援指挥决策存在着一系列的不确定性。2.1火灾现场信息收集处理中的不确定性收集处理火灾现场信息，是火场指挥员和指挥机关以侦查、检测、询问等各种方法和手段获取与灭火救援有关的火灾现场情况，并对这些情况进行加工整理的活动。收集处理火灾现场信息活动，是定下灭火救援决心的基础和首要环节。制定正确的灭火救援指挥决策，必须收集掌握足够数量和质量的火灾现场信息。然而，在实际的灭火救援指挥决策过程中决策者所收集到的火场信息往往不尽人意。在灭火救援指挥现场，火场决策者常常无法得到充足的、完全的信息，也无法得到决策所需要的、可靠的、特定的信息。火灾现场信息的不充分、信息的不可靠、信息的不完全以及大量的模糊信息、相互矛盾的信息和繁杂的信息，致使信息处理和信息利用极为困难，灭火救援指挥决策人员难以全面深入地认识指挥决策的客观环境，从而导致灭火救援指挥决策产生大量的不确定性。2.2火场态势判断中的不确定性火场态势判断的任务是根据所掌握的火场信息，确定火场的总体情况，判断火势发展蔓延的趋势和可能造成的严重后果等。火场态势判断中的不确定性的产生，不仅源自于掌握情况的不充分，而且还在于判断决策者认识能力的局限性和主观性。了解情况是态势判断的基础，对火灾现场情况了解中的不确定性必然会进一步在火场态势判断中引起不确定性。不过，即使假设对火灾现场的情况了解是充分可靠的，也不能完全排除火场态势判断中的不确定性。火场态势的判断，不仅依赖于对火灾现场信息的掌握，而且还依赖于灭火救援主体的认识能力。2.3灭火救援方案制定中的不确定性制定方案的不确定性，是指灭火救援行动方案效果的不确定性和由此产生的关于方案选择的不确定性。灭火救援行动方案实施的效果不仅取决于灭火救援行动本身的好坏，而且取决于一系列的外部因素和行动条件（如未来行动所面临的火场环境以及火势发展蔓延趋势等），这些外部因素和行动条件是火场决策者无法控制的，或者说是火场决策者在决策的时候是未知的。因此，即使对于一个确定的灭火救援行动方案，其实施效果也具有不确定性。既然灭火救援行动方案的效果不确定，决策者在选择灭火救援行动方案时也就具有很大的不确定性。3 不确定条件下的灭火救援指挥决策理论和方案优选方法3.1统计决策理论统计决策理论（Statistical Decision Theory），是解决在面临不确定随机状态因素的条件下，如何科学合理地做出决策的理论和方法，它是科学决策理论的基础。当人们进行某种决策时，首先会确立一个所要达到的决策目标，其次会列出可能的决策方案，最后才是在这些可能的方案中选择一种最优的方案作为最终决策方案。一般的决策活动中，都存在着许多影响决策选择和决策后果的外界因素和客观条件，这些外界因素和客观条件具有很大的不确定性，决策学称之为“状态因素”。人们在决策时不能选择或确定状态，而只能根据对状态的估计和预定的决策目标，考虑选择什么样的行动方案。统计决策理论所要研究和解决的，正是在面临“自然状态不确定”的条件下，如何在多种方案中选择最佳的行动方案，以获得最好的决策效果或者说最好地实现决策目标。反映统计决策理论和方法的，有三个基本概念： 自然状态是指决策系统内部或外部环境中，影响决策过程与结局的种种客观因素，如火场火源情况、燃烧情况、人员被困情况、参加灭火救援力量情况以及灭火救援环境等。在自然状态因素中，往往有许多不确定的因素，这些不确定的状态因素在进行统计决策时通常是无法避免的。 决策行动是指决策者选取确定某个行动方案。选取行动方案时，备选方案通常至少有两个以上，统计决策所要解决的，是如何在多个备选方案中选择最合理的方案。 决策结果是指决策者在选定某个决策方案并实施后，面临某种自然状态时，决策的结局或得失。决策结果一方面取决于决策者所选择的决策行动，另一方面又取决于所遇到的自然状态。决策结果可以用下面的函数来表示：r = u (ai, j) (1)式中，ai表示决策者的决策方案有m个 ( i = 1, 2, , m)；j表示可能的自然状态有n 种 (j = 1, 2, , n)。r表示决策结果的取值。当第i个方案遇到自然状态j时，就有一个决策结果的取值rij（见表1）。rij = u (ai, j)，u (ai, j) 称为效用函数，表示决策者对决策方案的一种偏好，对决策结果好坏的一种主观评价标准。表1 不确定条件问题的决策矩阵行动方案自然状态12.j.na1r11r12.r1j.r1na2r21r22.r2j.r2n.airi1ri2.rij.rin.amrm1rm2.rmj.rmn对于不确定性决策，统计决策理论所要解决的就是如何当第i个方案遇到自然状态j时，决策结果的取值rij最优。为此，统计决策理论提供了一些决策准则，决策者按照自己的思路和偏好采用某种准则，按照准则的要求去选择最优决策方案。常用的决策准则有： 大中取大准则该决策准则充分考虑了每一个备选方案可能出现的最大效用函数值，在各个最大效用函数值中选择最大者r*，并认为它所对应的行动方案是最佳方案。这是当决策者充满乐观与冒险精神，不放弃任何一种获得最好结果的机会时所采取的准则。 (2) 小中取大准则该准则又称为华尔德（Wald）准则，这种准则非常重视可能出现的最大损失，在各种最大损失中选取最小者，也就是在各种备选方案中首先找出最不利状态下的功效函数值，再选择其中最大的功效函数值所对应的方案作为最优方案。这种追求“最不利状态下最有利方案”的准则是比较稳妥和保守的做法。 (3) 系数准则系数准则又称为折衷准则，它要求决策者给定一系数，的取值范围为0, 1。当=1时，决策者持乐观、冒险精神，决策准则等同于大中取大准则；当=0时，决策者持保守态度，决策准则等同于小中取大准则。一般而言，决策者既不过于乐观冒险也不过于保守，因此，是介于0和1之间的某个值。 (4) 最小遗憾准则遗憾值又称机会损失值或后悔值，每一备选方案/自然状态组合对应的遗憾值等于相应功效函数值与该自然状态下诸方案的功效函数值中最大值之差，其含义是：当某一自然状态发生时，由于决策者没有选用收益最大的方案，而形成的损失值，可表示为： (5)由各方案在各自然状态下的遗憾值构成新的矩阵r（遗憾值矩阵），判定每一种方案在各状态下的最大遗憾值，进而从所有最大遗憾值中选取最小者，它对应的方案为最优方案。 (6)不确定情况下的决策准则还有许多，如等概率准则等。进行决策时，可以选用一种准则辅助决策；也可以综合应用，即将几个准则的结果进行综合评定，选最佳次数最多的方案作为决策方案。3.2灭火救援指挥决策方案的优选灭火救援指挥决策的不确定性导致灭火救援指挥决策的艰巨性、复杂性和风险性，以存在不确定性为前提来制定多种灭火救援行动方案就成为必然。而最终的作战决心只能有一种，如何在多种方案中优选出最优方案成为火场决策者必须面对的问题。下面举一实例来阐述基于统计决策理论的不确定条件下灭火救援指挥决策方案优选方法。在扑救一大型原油储罐区火灾时，火场指挥部经过初步火情侦查、了解任务、判断情况后，拟制了三套灭火救援作战方案。在每一套方案的实施过程中都有可能出现以下三种情况：油品稳定燃烧（1）、油品发生沸溢喷溅（2）和油罐发生爆炸（3），每一种情况在各方案实施过程中的效用函数值是不一样的，其决策矩阵如表2所示。表2 原油储罐火灾灭火救援指挥决策矩阵行动方案自然状态123方案a10.90.80.5方案a20.80.60.6方案a30.60.50.7根据统计决策理论，选用不同的优选准则，由于决策者的偏好或主观评价标准不一样，所以最终确定的最优方案将有所不同。 如果优选方案时采用大中取大准则，依据式（2），则rmax (a1) = max 0.9, 0.8, 0.5 = 0.9rmax (a2) = max 0.8, 0.6, 0.6 = 0.8rmax (a3) = max 0.6, 0.5, 0.7 = 0.7r* = max rmax (ai) = max 0.9, 0.8, 0.7= 0.9因此，最佳方案a* = a1，在该决策准则下优选的行动方案为a1。 如果优选方案时采用小中取大准则，依据式（3），则rmin (a1) = min 0.9, 0.8, 0.5 = 0.5rmin (a2) = min0.8, 0.6, 0.6 = 0.6rmin (a3) = min 0.6, 0.5, 0.7 = 0.5r* = max rmin (ai) = max 0.5, 0.6, 0.5= 0.6因此，最佳方案a* = a2，在该决策准则下优选的行动方案为a2。 如果优选方案时采用系数准则，由于对原油罐在火灾发生后的状态比较难以确定，故给定= 0.6, 依据式（4），则r (a1) = 0.6max 0.9, 0.8, 0.5 + (1-0.6) min 0.9, 0.8, 0.5 = 0.74r (a2) = 0.6max 0.8, 0.6, 0.6 + (1-0.6) min 0.8, 0.6, 0.6 =0.72r (a3) = 0.6max 0.6, 0.5, 0.7 + (1-0.6) min 0.6, 0.5, 0.7 =0.62r* = max r (ai) = max 0.74, 0.72, 0.62= 0.74因此，最佳方案a* = a1，在该决策准则下优选的行动方案为a1。 如果优选方案时采用最小遗憾准则，首先构造遗憾值矩阵，表2对应的遗憾值矩阵见表3。表3 原油储罐火灾灭火救援指挥遗憾值决策矩阵行动方案自然状态123方案a1000.2方案a20.10.20.1方案a30.30.30依据式（6），则 rmax (a1) = max 0, 0, 0.2 = 0.2rmax (a2)= max 0.1, 0.2, 0.1 = 0.2rmax (a3)= max 0.3, 0.3, 0 = 0.3r* =min rmax (ai)=min 0.2, 0.2, 0.3 = 0.2因此，最佳方案a* = a1或a2，在该决策准则下优选的行动方案为a1或a2。如果运用以上四种决策准则进行综合评定，则由于a1方案被选中次数最多，可列为首选方案。4.结论统计决策理论是在面临不确定的状态因素条件下做好决策的理论和定量分析方法，它用令人满意的准则代替最优化准则，通过决策者的偏好来选择确定决策准则，把不确定性决策问题变成确定性决策问题，很好地解决了在火场某些不确定条件下，如何科学合理地做出正确的灭火救援指挥决策问题。该决策理论在军事决策领域已经得到广泛应用并取得较好的效果，随着对这一理论在消防决策领域的不断应用和深入研究，必将对灭火救援指挥决策产生深远的影响，大大提高消防部队灭火救援指挥决策质量和决策水平。参考文献：1 李建华，康青春，商靠定等灭火战术M北京：群众出版社，20042 钱汝益指挥决策与谋略M北京：昆仑出版社，19993 史越东指挥决策学M北京：解放军出版社，20054 张最良，李长生，赵文志等军事运筹学M北京：军事科学出版社，19935 李瑛决策统计分析M天津:天津大学出版社，2005Method of firefighting & rescue command decision-making and scheme optimization with uncertain information XIA Deng-you1, HE Zhong-hao2（1. Department of Fire Command, the Chinese Peoples Armed Police Force Academy, Hebei Langfang 065000, China; 2. Dalian Municipal Fire Brigade, Liaoning Dalian, 116001, China）Abstract: Firefighting & rescue command decision-making has the characteristics of great uncertainty. Several alternative decision-making schemes with uncertain information are put forward, and the optimum scheme is se