（管理科学与工程专业论文）应急响应过程可靠性建模及调度方法研究.pdf

a b s t r a c t abstract inmod e rnsocl e ty ， emergenci ese x p l o d e m ore freq u e ntly and s tr 0 nglyinne w 协 妞 y s ， sope叩lep ay m uc h m 0 rea tt e ntiontothe einer g e llcy re s p o nse sy s t e m . t b e cme rg e n c y re s p o nse s y st e mm 让 st 比i mp ro v e d i m m edi atel y toe ns ure the s t e a d y and a c o n l in uanceo f d e v e l o p m ent o f the s o c 1 e ty . the s y s t e mm ust re s p 0 n s e qui c kl y 、 re h ablyand e ffici e n t l y.itsreliabili tyan d re s ponse s pe edare v ery i m po比 犯 t ， be c ause th e y are the b ase o f the succ e s s o f re s pe几 犯toemerge nc i es . the s tu d y o f re l i ab i l ity an dsc hed ul ing o f 此 e m e rg e n c yre s pons e 盯 5 1 。 的i s unpo比 ” t for i m p ro v ing th e s y st e m . j 七 i s arti c l e he lpto腼l d e ffi c i ent eme rg e n c y re s po nse s y s te mb y s to d y its reli abil ityan d the m e t h odofsc hedul ins. at fir s t ， this arti c les tu d i e s the method o f b 山 l d i ngth e r e s ponse p r o c e s s 朗 t i vi ty n e 幻 刀 o rk mode l b asedo n画fi ed mo d e l i n glang ua g e( u m l ) 阴 dc o n v e rt i n g the m o del top e t ri n e t . the n a n a 】 y s e s t h e st ruc tu reand丘 m c t i o n o f the r e s ponse p r o c ess us in g the m o d e 1 d e fi ne the re i i abi l ity o f the re s ponse p r o c e s s u n d e r ti m e re stric t i o n a n ds 1 1 ld 1 e s th e w a y t o b u i ldthe s i m u 1 atio n m o d e 1 o f it . a n e r t h e s i m ul atio ns t udy， p ro pose s the w a y tog etth e o ntim a 】 义 h e d ul i ng us ing the 恤b l li tyo f pn， 阴d findso utth a t the prio ri tyo f the 韶 t i vi t i e s o f re s pons e p r oc e s s i s 如p a c t e d b y fo ur 丘 加 rs . u s i ng th e s e a r c hi n g m e t h o db as e d o n i l l ujni nati on so l ves the p ro b 1 em o f ex p l o s i on ofthe r e a c h a b i l i tygr a p h . at l as t ， 而s arti c le app l i e s the m e t h o d s toa exam p le . k 叮w曲 r d ， : eme rg e n c y re s ponse p roce s s ; re l i ab i l i ty ; p e trin e t ; 5 如u l at i o n ; p r o c e s s sched u l i ng 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已 经发表或撰 写过的 研究 成果， 也不包含为获得 南昌大李 或其他教育 机构的学 位或 证书 而使用过的材料。 与我一同 工作的同 志对本研究 所做的 任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 钾，手 写 愁容域斜期 : 2007 年”日 学位论文版权使用授权书 本学 位 论 文 作 者 完 全 了 解南昌大李 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学 位论文的全部或部分内 容编入有关数据库 进行检索， 可以 采用影印、 缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 份，手 “ ，:粗朝 签字日期:2 007 年月日 导 师 签 名 手 写 : 召 签字日期:2 0 0 7 年 : 李 月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第 1 章 引言 第1 章 引言 当今世界，发展是不可撼动的主题， 经济、科技等方面都在以高速前进， 中国也取得了突飞猛进的发展。但是，作为一个复杂大系统的社会系统总是受 到各种突发事件的扰动，不可避免的出现振荡. 在中国，应急管理相对滞后的 矛盾尤其突出，突发事件对社会系统的稳定发展造成了极大的破坏。为了保证 社会系统的稳定发展，需要积极投入更大的热情和力量以改进、 优化现有的突 发事件应急响应系统。 比 如2 0 01年的“ 9 . 1 1 ” 事件、 2 0 03年初的s a r s 病毒的 传播、 美国 和加拿 大的大面积停电事故、2 0 04年的禽流感、俄罗斯联邦北奥塞梯人质危机和2 0 04 年底印尼地震引发的印度洋海啸等，这些突发事件对社会系统的稳定发展都造 成了极大的破坏。尤其引起高度注意地是突发事件不断出现新的爆发形式，突 发事件影响范围越来越大，突发事件发生的频度和强度都在增强，针对突发事 件的应急系统不断面临新的挑战。 应急响应系统应该使得对突发事件的控制要求处于主动地位，从而可以按 照突发事件的具体特点来修订应急响应过程，再按照应急响应过程来组织各具 体功能和统筹调度资源。这样就提高了 应急过程的柔性，可以 在应对不同特点 的突发事件时，通过修改应急系统响应过程模型来组织具体功能和调度资源， 完成整体功能的改变，提高应急响应系统控制突发事件的灵活性，提高应急响 应系统应对突发事件功能的可靠性。 目 前， 针对突发事件及其应急响应系统的研究，大多集中于定性研究，从 系统角度进行研究还未取得实质性的成果，导致这些研究成果应用性较差。从 系统的角度定量研究应急响应系统是我们急需开展的课题。应急响应过程本身 的可靠性是完成应急响应任务的基础。因此，鱼需研究应急响应过程的可靠性， 为评价和改进现有应急响应系统提供科学的 依据，以 建设高效的 应急响 应系统， 为社会系统的可持续发展提供有力保障。 1 . 1突发事件及应急晌应系统的定义 第 1 章 引言 突发事件定义 危机管 理学界 对突发事件的定义有很多种，结合本课题研究目的， 我们采 用以 下定义: 突发 事件是指突然发生，造成或可能造成人员 伤亡、 财产损失、 生 态环境破坏和社会 危害的紧急 事件lj 。 它是一种突发 性和灾难性事件， 根据其 产生的原因可以划分为自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件等 类型。 自然灾害主要包括水早灾害、气象灾害、地震灾害、地质灾害、海洋灾害、 生物灾害和森林草原火灾等。如 2 0 04年 7 月 10 日北京下了一场暴雨，使得部 分立交桥下大量 积水而造成 交通瘫痪;2 0 04年 12月26 日， 印尼苏门 答腊岛以 北海域发生9 . 0 级地 震，并引 发了 雷霆万 钧的 海啸， 殃及东南亚 和南亚多 个国 家，死亡人数过万。 事故灾难主要包 括工矿商贸等企业的 各类安全事故、交通运 输事故、 公共 设施和设备事故、 环境污染 和生态破坏事 件等。 如2 0 0 3 年8 月14日 美国 东北 部和加拿大部分地区 发生大 面积停电事故， 使得居住在9 3 00平方公 里的5 0 00 万人的活动受到影响:2 0 04 年 2 月 5日 北京密云灯会发生拥挤踩踏事件，造成 3 7 人死亡、 15人受 伤; 2 0 05年 11月13 日 中 石油吉林石化分公司 发生 爆炸事故， 导 致松花江水体受到 污染， 并影响到 下游哈 尔滨市的供水; 2 0 03年 12月23 日， 重庆开县， 正在施工的中国石油西南油气田分公司川东北气矿罗家 1 6h 矿井发生 井喷事故，造成 2 33 人死亡，10万人紧急疏散。 公共卫生事件主要包括传染病疫情，群体性不明原因疾病，食品安全和职 业危害，动物 疫情，以 及其他严重影响公 众健康和生命安全的事 件。 如2 0 03春 夏之际发生的非典 疫情， 夺去了 数百人的宝贵 生命， 造成数千人患病， 使数十万 人受隔离，正常的 工作和生活秩序被破坏， 经济损失以 千亿计; 2 0 05年6 月 发 生在四川省部分 地区的由 猪链球菌感染引 起的“ 人一 猪链球菌感染” 事件; 2 0 06 年 8 月 3日卫生部通告的上海华源股份有限公司安徽华源生物药业有限公司生 产的 克林霉素 磷酸醋 葡萄糖注射液 造成的 “ 欣弗” 事件;2 0 04年5 月11日 至 17日， 广州市发生的假酒致人中 毒事件， 在7 天时间 里， 中毒 者达到56人， 死 亡 1 1 人。 社会安全事件主要包括恐 怖袭击事件、 经济安全事件和涉外突发事件等。 如 2 0 01 年9 月 11 日， 纽约世界贸易中 心和华盛顿五角大楼等标志 性建筑接连 第1 章 引 言 遭到恐怖袭击，损失不计其数;2 0 04 年 9月 1 日至 3日，俄罗斯联邦北奥塞梯 共和国别斯兰市第一中 学内， 120 0 多名学生、 家长与教师 被恐怖分子劫为 人质， 3 2 6 人在事件中死亡. 2应急晌应系统定义 为了有效预防和控制突发事件的发生，或在其发生后将其可能造成的损失 控制在最小范围内，人 们采取了各种各样的 措施 和手段。随 着人们对突发事件 认识的逐渐深入和科学技术的 进步，需要从系统的角度 科学地构建针对突发 事 件的应急响应系统. 系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，具有特定功能的 有机整体，而且这个整体又是它从属的更大系统的组成部分。针对突发事件的 应急响应系统由一定的要素按特定的组织形式构成的，以实现社会系统安全保 障功能为目的的统一整体。突发事件应急响应系统由 “ 硬件”系统、“ 软件”系 统和人的系统组成。所谓 “ 硬件”系统，是指由物质实体要素构成的各类监测 警报系统、防灾设施、生命线系统、抢险急救系统、组织机构等硬件系统:而 “ 软件”系统则以概念、原理、原则、方法制度、程序等非物质实体为构成要 素，包括安全规划、安全设计、防灾责任制、防灾抢险方案、 物资储备供应、 以及各项法律法规等;人是系统的重要要素，突发事件应急响应系统中任何功 能的实现都需要发挥人的主观能动性。突发事件应急响应系统是社会大系统中 的子系统，而且它本身也是一个社会系统，具有社会系统的性质。 3应急晌应系统的特征 应急响应系统从属于社会系统，具有社会系统的一般特征。 首先，应急系统具有整体性。 应急系统的整体性表现在系 统由 许多能够完 成特定 功能、并 具有独特特性的子系统构成.这些子系统的 联结方式是 有机的， 统一于整体功能的实现。即 5 全5 ， ( 1 . 1 ) 式中5 代表系统整 体功能， ， 代表具有各自 特性及功能的 子系统。 揭示了 系 第 1 章 引言 统的整体性与多目 标性的统一。系统由若 干相互区别和相互关联的子系统构成， 整体性表现在系统的整体功能， 其不是 各组成子系统的简单叠加， 而是呈 现出 各子系统所没有的新功能，即整体大于部分之和。 上式成立的条件是系统的相关性，即各自 系统的连接方式是有机的， 不是 杂乱无章的. 各子系统之间存在相互联系、相互作用的关系，这些关系可能 是 相互 增强，也 有可能是相互减弱。 只 有寻求到有效的连接方式， 才可以 使应急响 应系统各子系统之间 互补增 强，使系统具有生命力。 进一步分析，应急响应系统相关性可以表示为 5 = fj ( 5 * (1 . 2) 式中5 代 表 子 系 统 在函 数fj 代 表的 联 结 方 式 下 系 统 具 有的 整 体 功能 。 方 程 组的多解性代表了在不同的联结方式下系统具有的不同功能。最优函数的求解 是一项复杂的工程。基于应急响应系统的复杂性特征，无法用数学关系来求解 这一最优函数。同时因系统滞后性，缺乏数据难以精确描述，本文采用模拟仿 真的方法来解决。 应急响应系统具有动态反馈性， 反映了 各子系 统之间 相互作用的方式。即 各子系统之间的相关性是与时间有关的， 并且存在自 律性，即子系统之间 存在 基于因果关系的反馈作用。 争一 f(q 】，” 2，“ ” . (1 . 3) 上式，反映了系统中某个因素随时间的 变化， 受到其他相关因素的制约， 即 系统的 动态反馈性12 . 这就需要 将系统方法论引 入对突发事件应急系统的研究中。 文献【 3概述了 城市公共安全系统的基本组成，运用系统论的 方法从整体性、动态相关性、预 决性和 层次性等方面对城市公共安全系统的特征进行了 分析， 基于 对相应结构 和建设要素的探讨，提出了城市公共安全系统优化和完善的途径。 2应急响应系 统建设及研究现状 第 1 章 引言 2 . 1应急晌应系统建设现状 西方国家都非常重视应对突发事件的法律法规建设，并通过政策来鼓励应 急研究和技术转移。美国、俄罗斯、法国、土耳其、加拿大等国相继制定了对 付各种突发事件的 统一的 紧急状态法 及其它 一些配套法律， 通过立法的形 式来规定政府机构、救援人员和公民在紧急情况下的职责和权限，确定综合协 调部门的法律地位。 美国的公共卫生事件 以及社会安全事件的管理理念始终走在世界的前列， 是因为美政府一直致力于应急体系的建设。 美国公 共卫生突发事件应急体系集 中了美国最优的资源，同时，横向的政府部门都能协同运作，纵向的 “ 国家一 州 一 地方” 三级公 共卫 生部门都能高 效协调， 建立了 一个全方位、立体化、多 层次 和综合性的公共卫生管理网络，从而保证了该体系能具有强大的防灾治灾功能。 美国负责处理突发事件的机构是紧急事务管理局，另外还设有政府政策协调组 及顾问委员会，对突发事件实行统一领导及分级管理。地方政府对突发事件作 最初响应，如果事件超出地方政府处理范围，由总统正式宣布该地出现紧急状 态， “ 联邦应急方案”随之启动。美国通过立法来规定政府机构在紧急情况下 的职责和权限，先后制订了上百部专门针对 自 然突发事件和其他紧急事件的法 律法规， 而且还有专门的 全国 紧急状态法 ，规定了政府各部门 在突发事件发 生 时 的 职 责 以 及 政 府采 取 的 措 施 和 程 序 等内 容 141 。 我国在70年代中期唐山大地震 后， 加强了 地震灾害监测、 预防的组织 领导。 经过长期的艰苦努力，中国已初步建立了防御各种突发事件的工作体系，形成 了一支具有一定实践经验、学科基本配套、门类比较齐全的科技队伍。监测台 网己 初具规模， 取得了 大批有科研价值的 观测资料，对突发事件的 形成、 发展 规律有了一些认识，积累了一定的预测、预报经验，对一些重大 自 然灾害作出 了 较成功的 预测、 预报。我国目 前 对突发 事件的处理主要依赖于现有的 各级行 政机构，如地震灾害由地震局负责、水灾由防涝抗早总指挥部和水利部门负责、 安全生 产事故由安 全监督局负责、 公共卫生事件由卫生防疫部门 和质量 监督部 门 负责、 社会安全事件由 公安部门 和安全 部门负责等，对于一些专门 事件则成 立非常 设性专门 机构来应对，至于 其他临时性事 件则成立一些临时 性机构。 我 国在长期与突发公共事件的斗争中积累了丰富的实践经验，制定了 “ 预防为主， 防治结合”、 “ 防救结合”等一系列方针政策。自80 年代以来，注重建立健全 第1 章 引言 的法律、法规及对突发事件的管理工作。2003 年底，国务院办公厅成立应急预 案工作小组， 先后组织召开了国务院各部门和部分重点省、 市预案工作会议。 2 0 0 3 年5 月7 日 ，国务院 第 7 次常务 会议审 议通过了 突 发公共卫生事 件应急 条例 。 经过近几年的工作，目前我国应急预案框架体系已初步建立，突发公共事 件应急预案编制工作已基本完成。预案体系设计为国家总体应急预案、专项应 急预案、部门 应急 预案、 地方应急预案、 企事业单位应急 预案 5个 层次.目 前 已 完成的国家总体 应急预案、25件专项 应急预案、 8 0 件部门 应急预案，基 本覆 盖了 我国经常发生的 突发公共事件的主要 方面. 2 0 0 5 年 1 月 26 日 ，国务院 第 7 9次常务会议审议通过了 国家突发公共事件总体应急预案以及 1 05 个专项 和部门应急预案。此外，我国省级突发公共事件总体应急预案的编制工作也已 完成，许多市、区 ( 县) 也制定了 应急 预案. 全国应急预案框架体系的初步建 立，弥补了我国应急规划的不足，加强了我国的应急管理能力，表明我国应急 管理工作正在 纳入经 常化、 制度化、法制 化的 轨道。 2 . 2应急晌应系统研究现状 目前，科技界从事故灾难、自 然灾害、公共卫生事件和社会公共安全事件 等方面开展了大量的研究，形成了很多有益的研究成果. ( 1) 事故灾 难 安全科学以 伤亡事故为 研究 对象， 探讨了 事故致因因素 及其 相互关系、 事 故控制等方面的问 题15 司 。 事故致因理论指出事故的发生是因为物的 不安 全状态 和人的不安全行为引起的。并指出采取的措施应遵循 3e 原则(e nginee ri n g 、 education、e n fo re e m e n t ) 。20 世纪 60年代发展起来的安全系统工程方法认为任 何一个生产系统都构成一个 “ 人一 机一 环 境”系统，安全系统 工程的 方法概括起 来可以 归纳为如下5 个方法9 : 从系统整 体出 发的 研究方法; 本质安全方法; 人一 机匹配法; 安 全经济方法: 系 统安全管理方法。 李福仁等根据突发 性环境污染事故 应急 工作的特点， 提出了 突发性环境污 染事故应急系统指导原则， 并对应急响应系统、应急监测系统进行了探讨。也有 文章针对化学工业、石油工业、有毒危险品的存储、运输企业的高风险性，进 行了 此类企业 应急响 应系统构建的研究 110 10 第1 章 引 言 ( 2 )自 然灾害 国内 外在灾害管理 研究方面也做了 很多 工作111 一 41 。 国内一些学者从自 然灾 害 对社会发 展影响的角度， 探讨了 人类与自 然的关 系:也 有学者从灾害学、 管理 学、 经济学、 统计学等学科相结合的角度，以 全球灾害问 题为背景， 侧重中国 的国情，对灾害问题做了系列研究， 例如国内外灾害管理比较研究、灾害应急管 理研究、灾害管理政策研究、灾害管理信息系统等。日 本政府对于防灾工作一 向极为重视，防灾科研课题涵盖震灾、风灾、水灾、火山灾害、雪灾、水灾、 危险物品灾害等的防治，另外也包括基础性的与地震有关的调查研究、火山爆 发预测研究、各种灾害发生机制及防灾对策研究、结构物安全性研究。美国国 家科学技术委员会 自然灾害防治小组制订 自 然灾害防治研究纲领，推动的研究 发展工作重点如下:灾害基本性质、灾害对人类社会的冲击、资料管理的改善、 灾害危险度评估能力的提升等。 ( 3 ) 公共卫生事 件和社会安全事件 近几年，随着公共 卫生事件和社会安全事件的 不断爆发， 特别是经历了“ 9 ， 1 1 ” 事件和2 0 03年的s a rs肆虐之后， 很多 学者对这两类突发事 件问 题做了 一 系列研究。 一些学者对突 发事件的生命周期进行了 研究， 罗伯 特. 希斯提出了4r ( 减少、 预备、反应、 恢复 ) 模型11 5 . 库姆斯提出 突发事件 涉及的四 要素( 预防、 准备、 绩效、 学习 )l 16。 在 突发事件的 阶段分 析方法中 ，芬克的四阶段生 命周 期 模型、米特罗夫的五阶段模型和最基本的三阶段模型比较典型.在众多的阶段 划法中，基本上都包括了预防、预测、预普、响应、恢复等过程。方先明对预 警管理系统进行了类似的分 析1 1 刀 。 ( 4 ) 应急系统资源调 度研究 应急系统的资 源调度问题直接关系到对突发事件能否在第一时间做出有效 反应，但是应急响应系统是一个多目标系统，除了及时性外，还要兼顾系统稳定 性和可靠性. 这就需 要将系统方法论引入对突发公共事 件应急系 统的 研究中。 系 统理 论认为 任何一个动态系 统结构都是由多层次的 个体事件相互作用、 相互影响 组 成的 整体， 系 统各要素之间存在广泛而复杂的 相互影响关系， 单个要素的简单 变化都将引 起整个系统的变化。 王劲峰认为突发事件应急系统的管理应该统筹多方面的因素进行优化，以 。第 1 章 引言 达 到 系 统日 常 运 行 和 应 急 两 方 面 的 高 效 率 11 8 。 资 源 配 置 的 公 平与 效 率 在 应 急 系 统中是高度统一的，因为突发事件具有连发性和高速传播的特点。本文中提出 对资源在空间配置上的原则应是点面结合，重点部位和全面防御相结合，给出 一般的资源优化配置模型 m ax 客 犷 戈 q w 议 ( 1 . 4 ) 式 中 q 。 为 当 地 已 有 资 源 ， w为 从 外 部 调 入 资 源 ， n 为 地 区 总 数 ， f 函 数 为 资 源的边际效益函数。需要注意的是，在应急系统的资源优化配置与调度中，公 平与效率问题不仅是与空间相关的，还需要对此模型做更一步的研究。 应急系统在突发事件发生时，应该尽快从分散地点调度应急资源到事故地 点，从而解决资源配置的公平与重点防御的矛盾.文献【 1 引，在多出救点到应 急地点时间为区间数，应急活动不可中断的条件下，给出了使应急行动开始最 早的资源调度方案的求解算法，并对一案例进行了仿真计算。应急系统资源调 度应该 保证及时性和系统稳定性，即应急时间 开始最早、出 救点 数目 最少。 文 献 【 20 运采用模糊优化方法成功给出了该问题的求解方法，并用对一简单案例 进行了仿真求解。在上述研究基础上，文献 【 21 针对多资源、多出救点问题进 行了研究，并用算法对一案例进行了仿真。 文献 2 2 针对应急资源调度中 存在 的出救点数与时间紧迫性的矛盾进行了研究。 同时，如何统筹规划才能使系统最大效率的调度资源也是需要解决的问题。 文献【 23 针对资源稀 缺条件下 最大限度进行应急资源调度的问 题， 运用运筹学 的最大流进行了研究，给出了问题的模型并进行了计算机仿真。 3应急响应系 统可靠性研究的现状 对应急响 应系统 可靠性进行仿 真研究， 面临极大挑战。 应急响应系统 从属 于社会系统，具有一 般社 会系统的基本特征， 如整体性， 相关性，目的 性， 环 境适应性等，同时还 具有 “ 人一 机系统” 、多目 标性、 复杂动态反馈性、资 源受 限 性等复杂大系统所 具有的 特征。因此不仅要分析构成系统各单元的故障对系 统功能的影响， 而且还要 分析系统外部环境因素、时间因 素等对系统 功能的 影响 ， 现有常规可靠性研究方法不能 利用系统性能参数的变化算出 系统性能可靠性. 第 1 章 引言 以 上的复杂问 题， 可以用 模型仿真的 办法来分析处理。 建立系统可靠性模型的 先决条 件是要 对系统 做出定义1241，即系统规定的功 能 并规定每 种状态下的失 效判据; 规定在执 行任务的过 程中， 系统各单元 所遇 到的环境、 工作应力、占空 系数: 规定任务时间;定义系 统单元的 可靠性变量。 董华等采用组合功能 分析和过程分解的方法，对城市公共安 全系统的功能、结 构和组成进行了 讨论， 认为城市公共安全体系功能的实 现依 赖于城市公 共安全 系统的 整体可靠性，并应用框图模型和事件树的混合方法对 城市公 共安全系统 的可靠性特征进行了定性分析，建立了城市公共安全系统可靠性模型，提出了 城市公 共安全 系统优化和完善的途径1251。 林晖等建立了工 作流结 构的数学模型， 提供了 计算系统资 源耗费 及流程不确定性的方法，给出了 可靠性评 价方案，并 以 一 工 程 实 例 进 行了 案 例 分 析 12 6 。 3 . ip et ri网在可靠性建模中的应用 应用pe tri 网 进行应急响应系统建模，能形 象地描 述系 统的 动态行为。 而应 急响应系统可 靠性的 很多 指标都与系统动态 性相关，因此 p etri 网 在应急响应 系统可靠性研究中是可行的。目前，其在可靠性研究中应用非常广泛，主要用 于基本行为描述、故障树简 化、故障诊断、指标的解析计算 和可靠性仿真分析 等五个方面。 研究过程可靠性主要是利用随机 p et ri网与马尔柯夫链同构的特性，但是随 着系统复杂性的提高， 会带来 p e t ri网状态空间的爆炸问题， 难以得到与随机p e tri 网同 构的马尔 柯夫链。 p e t ti网的 动态仿 真避免了 定量分析的 维数灾难问 题。文 献【 27 针对一 种典型的复杂 系统 ( 阶段 任务系统) ， 利用 基于p e t ri网的 软件进行 了 仿真;文献 2 8重点 研究 基于p e t ri 网的建模仿 真方法 在通信网 络可靠性评估 中的 应用， 在分 析通信网 络体系结构和失效 模式的 基础上， 引 入了 基于petri网建 模仿真的递增 建模方 法， 最后将该方法用于 通信网 络可靠 性评估研究， 采用不同 的模型， 评估得到 不同的 指标值; 钟茂华等 应用p e t ri 网 对城市 突发 事件应急联动 救援系 统进行了 建模，并进行性能分析，找出 了系统中 存在的冲突，进一步利 用p e t ri网同构马 尔柯夫 链， 得到了 城市突发事 件应急联动救 援系 统调度指挥过 程中的 状态方程， 并得到系统处于可能状态的稳态概率， 从而为找出应急 联动 系统中薄弱环节、改进系统运行效率、提高系统可靠性找到了一条有效的解决 第1 章 引言 途径1291; 王 毅利 用pe tri网 对井 下煤 仓建 模， 并计 算出 煤仓的 有效 度30; 另 外王 环球、 范玉顺等发展了 应用扩展p etri 网 方法进行系统可靠性分析的 方法131 一 。 1 . 3 . 2工作流与p etri网在系统建模中的结合应用 鉴于突发事件应急响应系统具有复杂社会系统的特征，很难用常规可靠性 建模方法进行研究。目 前工作流技术可以对复杂系统进行过程建模，而 p etri 网技术已经在可靠性建模与仿真中得到广泛应用。工作流技术可以很好的描述 应急系统响应过程， 而 p etri 网技术具有强大的模型仿真与数据统计和分析功 能。并且两者都是基于过程的建模方法，可以互相转化。 用过程的观点来看待，系统的组成元素是过程，过程的组成元素是活动， 也称子过程。过程是指为了完成某个目标，而按某种顺序联结在一起的一系列 活动。 过程的主要属性有触发事件、过程结果、 执行规则集。过程的执行规则 集用来描述过程内部各活动/ 子过程之间的控制流程。 执行规则集由 顺序、 并发、 选择、与、 循环五种连接关系组成，图 1 . 1 给出了 它们对应的p etri 网 表示方 法. 通过这五种连接可以完整的 描 述活动/ 子过程之间的逻辑关系【34。 ii 0，侧0 x 一 即dy 一 ， 匕 it x 一 e . d (a ) 顺序关系 2 . g t ar l y l 一 s t 州 c) 与关系 ，“劝 (d ) 选择关系 - 刃一 时 越 1 。 并 假 卯 x st日 r x 一 即d (e 娜环关系 图1 . 1执行规则即的集控p etri 网表示 活动是指一种变换或操作，是应急响应过程的最基本单元。一个活动的属 性由功能输入/ 输出、资源输入/ 输出、控制输入/ 输出和活动的描述等组成。在 明确了工作流模型的活动和连接与 p etri 网的对应关系之后，就可以由 底向上 第 1 章 引言 的逐步进行转化了。首 先将底层的 活动转化为 p e t r i网，然后转化底层活动之 间的连接，形成子网。子过程转化成子网之后，再进行上一级过程的转化，直 至把整个工作流模型转化成 p etri 网模型。 3 . 3人的可靠性研究 突发事件应急响应系统是典型的人机系统，对人的因素进行可靠性评价是 整个系统可靠性研究的 重要组 成部分。 文献【 3 5认 为， “ 人的可靠性是在规定的 最小时间限度内( 如果规定有时间要求) ， 在系统运行中的任一要求阶段， 由人成 功地完成工作或任务的概率。 ” 人员的失误可能导致系统的故障， 甚至灾难性事 故。因此， 人员可靠性问题的研究自70 年代中期以后越来越受到重视， 其主要研 究方向是科学的预测和测定人员可靠性， 为复杂的人机系统可靠性设计、风险评 估及系统安全运行管理提供科学依据。 人员的 感知、认知、决策和行动与 其影响因素之间的关系复杂，不能用简 单的函数关系描述，研究难度较大。典型的预测人员可靠性分析方法有人为差 错率预测方法 ( t h e 即 ) 、概率树法、 人员可靠性指数法等， 都局限于静态地对 人员可靠性进行分析及定量计算。 文献 36 假设人员失 误率服从某一区间上的均 匀分布， 利 用 b a y e s 方法进行 了人员可靠性模型分析。人的失误率是随着各种因素( 如作业时间的长短、作业 次数的多少等) 的变化而有差异的， 这种方法对作业时间不长、作业环境相对稳 定的情况比较适用. p e l ri网是一种研究人员可靠性的很好的动态方法。文献【 3 7利用 p e t ri网的 可达性原理对造纸工业碱回 收过程中的人员可靠性进行了 研究，很好的研究了 人员可靠性系统的组织结构和动态特性，描述出系统中可能出现的各种状态变 化和变化之间的因果关系。此种方法是基于马尔科夫链的，因此随着系统复杂 度提高， 必然会 产生 状态空间爆炸问 题。 文献【 38 根据认知心理学和认知工效学的原理， 把人的 行为的可靠性分为 人的感知的可靠性、 人的 认知和决策的可靠性和人的 行为的可靠性， 根据建筑 物火灾的 特点， 讨论了 认知和决策模型的选择， 分析了 人的感知可靠性、人的 认 知 和决策可靠性以 及人的行为可靠性的影响因素， 应用专 家经验和模糊理论 ， 建 立了建筑物火灾中人的行为可靠性的模型和计算方法. 第 1 章 引言 文献【 39 在剖析人机系统中操作者行为特征的 基础上， 考虑到操作者行为 的自 适应性、自 学习能力 及其行为形成主因子， 着重结合操作者行为的相关性， 建立了 人机系统中 操作者 行为 模式， 并推导出计算操作者可靠度的公式， 求出 了 相应参数。 最后进 行了 实例度量， 同时定量地 辨识了 行为相关性对人的可靠性的 制约程度。 文献【 4 0分析了人在建筑物火灾中的群集避难行为规律， 认为人的 行为遵 循循环式行为模式， 根据所获得的相关信息不断调整避难行动方案， 直到达到避 难安 全的目 的。图 1 . 2为人的火灾避难行为 模式， 根据此模式，运用综合模糊 评价方法，对建筑物火灾中人员群集避难行为可靠性进行了分析和评价。 图1 . 2为人的火灾避难行为模式 文献【 41 根据回归分析理论， 提出了 建立人的可靠性单变量模型的一般方 法， 并在试验的基础上， 利用子样试验数据， 构 造了小型 人群的动作可靠性的 单 变量模型。 此方法能够描述 人的可 靠性与其直接相关因素 之间的具 体数学关 系， 在实 践中， 针对这些具体因素， 对其进行相应的 有效控 制就可以使人的可靠性在 某种条件下达到最大值， 对 提高 整个应急响 应系统的可靠性 提供了 可试的 思路。 4课题来源及本文主要研究内 容 第 1 章 引言 1 . 4 . 1课题来源 本课题来源于南昌市科技局的 “ 突发公共事件应急响应系统可靠性研究” 项目 。 项目 以 系统可靠性理论为 基础， 研究求解和验证系统响应可靠性的 方法， 项目 研究成果用于指导突发事件应急响应系统的设计，定性和定量分析评估系 统的响应可靠性，对提升应急响应系统的设计水平具有重要意义。 本研究课题 为该项目 的子课题 “ 突发事件应急响应过程可靠性仿真研究” ，为项目 提供可靠 性分析预测的仿真模型及基于模型的分析优化方法。 1 . 42本文主要研究内容及研究方法 从突发事件应急响应过程可靠性的角度出发，通过工作流建模系统地研究 应急响应系统的设计和评估问题，可有效指导应急响应系统的建设， 提高应急 系统的响应可靠性，对突发事件应急管理具有重要的理论和实际应用价值。本 文主要研究内容和研究方法如下: ( 1) 为了建立有效的可靠性模型，需要建立能够真实描述突发事件应急响 应系统组成要素和响应活动特征的结构和功能模型。应急响应系统组成要素及 联结关系是应急响应系统建立的基础，各要素功能完好是应急系统整体功能可 靠的基础，因此必须从结构和功能两个方面对应急响应系统进行描述。从过程 角度，研究利用基于统一建模语言的工作流建模技术，建立应急系统响应过程 的工作流模型，实现以过程为核心的应急响应系统集成。 (2)为了对应急响应系统进行定量分析，采用p etri网建立应急系统响应 过程的分级工作流模型和综合工作流模型。研究基于统一建模语言的应急响应 过程模型到基于p etri网的应急响应过程模型的映射方法。 ( 3) 在以 上工作基础上，进一步通过仿真研究应急响 应过程的 可靠性. 研 究 应急 响 应 过 程的 可 靠 性定 义 和 建 立 可 靠性 模 型的 方 法， 研究 利 用exs pe c t 软 件 建立应急响应过程的可靠性模型的具体方法。 ( 4 ) 在分析应急响应过程可靠性基础上，需要对系统进行优化。 研究基于 p e t r i 网特性的应急响应过程资源优化调度方法。 第2章 应急响应过程模型的构造 第2 章应急响应过程模型的构造 应急响应系统的结构直接影响着应急响应系统的功能及其可靠性。具体突 发事件具有自 身的特殊性，应急响应系统结构应该具有一定的柔性，可以 针对 具体突发事件控制要求来组织具体应急响应子功能，并统筹调度应急响应资源， 形成具有针对性的应急响应过程，以实现对突发事件的有效控制。因此，应急 响应系统的设计应该将对突发事件的控制要求置于首要位置，以提高 应急响 应 系统 控制突发事件的灵活性，从而提高系统的可靠性。 在分析应急响 应系 统的 结构 和功能一 般特点基础上，如何建立应急响应过程模型成为应该 首先解决的 问题。 2 . 1应急响应系 统结构与 功能分析 应急响应的目 标是在突发事件发生时及时有效地转移、防护、抢救灾害威 胁下的生命财产，以减轻灾害损失和影响。为实现这一 目 标需确定过程，建立 面向过程的的应急组织，制定应急预案，配备各种必要的资源，制定过程控制 的程序等等。应急响应系统的结构和功能是紧密联系的，针对具体突发事件的 应急响应过程由一系列具体的应急响应活动以 特定的方式链接在一起组成，应 急响应系统为具体的应急响应活动调度配置合理的资源.国家环境管理体系标 准 g b /t2 4 0 0 1 : 2 0 0 4和职业健康安全管理体系标准 g b / t 2 8 0 0 1 : 2 0 0 1的 4 . 4 . 7 条 款均阐 述了 对应急 准备和响 应的具体要求142 书 1 ，目 的是为了 一旦发生紧急情况 或突 发事件， 启动应急预 案，以预防和 减少可能产生的环境影响或人身伤害财 产损失。图2 . 1是典型的应急系统响应过程. 图2 . 1应急系统的响应过程 应急响应通常包括报警、应急指挥、应急防护和救援、信息发布、治安维 第2 章 应急响应过程模型的构造 护、灾民安置、消防、有毒有害物品紧急处理、卫生防疫、事后恢复等工作。 可以将应急响应过程中的各个子功能再往下细分至不可分的基本应急响应活 动。应急响应活动是完成应急响应功能的基本单元，每个应急响应活动调用相 应的应急资源，并且执行需要相应的时间。一系列的应急响应活动按照一定方 式结合在一起构成了 整个应急响应过程，完成整个应急响应功能。 应急响 应系 统实现自 身功能， 需要高效、实时的实现系统信息、资源的共享和应用， 构建 一个可以统筹控制的集成系统。应急响应系统的集成应该以针对突发事件的响 应过程为核心，实现过程逻辑和资 源逻辑的分离，这样实现集成后，可以 方便 的协调应急响应系统的各功能活动， 把系统中的硬件、软件和人等系统资 源要 素合理的组织在一起，获得最佳的应急响应效果。 对现有应急响应系统的响应功能进行合理、准确和全面地评估，需要分析 在执行具体应急响 应任务时各应急响应子功能以 一定的结构组成的 应急响 应过 程能否成功完成应急响应任务。也就是分析应急响应过程，研究基本应急响应 活动的属性 ( 执行时间、所需资源等)和应急响应活动的联结方式。 因此，研究应急响应过程性能，需要建立详尽描述过程特性的过程模型。 应急响应过程 可以 按时序划分为一系列时间连续且 不互相覆盖的 任务阶段，每 个任务阶段调 用不同 的应急活动组合，有不同的可 靠性要求， 必须在相应的应 急限 制期内 启动 脚 1 。 如美国的e m s 条例规定;对乡 村的 医疗救护必须在3 0 m in 内到达，城市必须控制在 i o m in:我国对消防也作了相应的时间上的规定。 建立应急 过程模型， 需要完成三项工作:首先是 建立应急过程任务阶段模 型，准确描述每个任务阶段的应急响应活动组成的活动网络，以及任务阶段的 应急限制期;其次是建立应急响应活动模型，以描述应急响应活动特性:最后， 在上述工作的基础上 建立应急响应过程活动网 络图， 清楚 描述任 务阶段模型和 应急活动模型的联系。 可以 利用基于uml ( 统 一建模语言) 的 工作流建模技术来 建立应急响应过程模型. 2 . 2基于u . l( 统一建模语言)的 工作流建模技术 工作流模型是对 过程的抽象表示， 符合应急响应过程建 模的需 要。 明l( 统 一建模语言) 成功改 进了 传统工作流建模的一些缺点， 作为公认的 标准建模语 言， 其图 形符号含义 清楚、 易于理解， 能够完整、准确的描述应急响 应过程。 第2 章 应急 响应过程模型的构造 2 . 2 . 1工作流模型介绍 工作流概念起源于生产组织和办公自 动化领域，是针对日常工作中具有固 定程序的活动而提出的一个概念，目 前世界上还没有统一认可的工作流定义。 工 作 流 管 理 联 盟 ( w imc ， work fl o w m a n a g e m ent c o all ti on) 对 工 作 流 的 定 义 是 14 仁 工作流是一 类能 够完全或者一 部分自 动执行的经 营过程， 根据一系列过程规则， 文档、 信息 或任务能 够在不同的 执行者之间 传递、 执行。 一 个工作流包括一组活动及它们们之间的 连接关系， 还包括过 程的启动和 终止条件，以及对每个活动的详细描述，如活动的执行者、相关的资源、需要 和产生的数据等。一个过程的核心是活动( 活动指的是原子任务，是不可分的) 。 活动间的连接关系构成过程执行的基本规则。 活 动间的连接关系有顺序、并发、条件、 与和循环五种。 顺序是最简 单的 形式，即活动按顺序被一个接一个的执行，通常它们之间存在清晰的依赖关系， 例如前一个活动的结果是后一个活动的输入;如果两个活动能同时被执行，且 互不影响，称之为并发;当在两个或更多活动之间存在选择时，称之为条件关 系，也称为选择关系:当两个或多个活动的全部完成才能激发某个后序活动开 始执行时， 称之为与连接; 在理想情况下， 对每个活动的执行都不超过一次， 然而有时候需要多次执行某个活动 ( 如一个活动被反复执行，直到满足其“ 检 查” 活动结果为止) ，这 种形式称为循环 ( 或迭代) 连 接。 功能输入、资源输入、控制输入统称为活动的前条件，前条件对活动的发 生 有制 约作用，只有所有的前条 件都满足了， 活动才能进入 “ 活动” 状态; 功 能 输出、资 源输出、控制输出统称为活动的后条件， 后条件影响着后续活动的 发生。功能输入/ 输出是指活动中要运作/ 产生的企业对象:资源输入/ 输出是指 活动执行所占 用/ 释放的资 源， 包括执行活动所必需的 设备、 人员等， 它们不仅 可以 在一定程度上描述不同 活动之间的竟争关系， 还可以 用于实现对过程的分 析和优化: 控制输入是指 对活动进行控制和限 制的信息单位或对象，控制输出 是活动结束状态的信息单位集合。 由 于工作流不仅要