基于知識元和有色Petri網的應急實施流程優化方法

代文鋒　齊春澤

〔摘要〕合理的應急實施流程對于有效應對突發事件至關重要。在知識元理論與Petri網方法的基礎上提出了一種突發事件應急實施流程的優化方法。首先，借鑒共性知識模型，形式化表示活動基元及其內部聯系，建立活動基元模型。隨后，找到活動基元模型與有色Petri網的映射關系，并使用有色Petri網方法實現活動基元模型以及活動基元間的基本路由關系。在此基礎上，結合知識元原理和Petri網方法，提出突發事件應急實施流程的五步優化方法。最后，以化學危險品事故為例說明該優化方法的使用過程。

〔關鍵詞〕應急管理；實施流程；知識元；有色Petri網；活動基元；優化方法

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2016.11.011

〔中圖分類號〕G203〔文獻標識碼〕A〔文章編號〕1008-0821（2016）11-0059-07

〔Abstract〕Reasonable emergency response process is essential for dealing with emergencies effectively.This paper presented an optimization method of emergency rescue process based on the knowledge management and Petri net theory.At first，this paper formally indicated the activity unit and its internal relation，and established the activity unit model according to the common knowledge model.Then，the mapping from activity unit model to Petri net was discovered.Petri net was illustrated to realize common knowledge model and execution sequence relation among activity units.Based on this，a five-step optimizing method on implementation process of emergent event was provided by knowledge element theory and Petri net methodology.Finally，a dangerous chemicals accident was presented to demonstrate the implementation process of the proposed method.

〔Key words〕emergency management；implementation process；knowledge element；Petri net；activity unit；optimization method

近年來，各種重大突發事件頻發，對世界各國的穩定發展以及人類的生死存亡都產生了巨大的威脅。突發事件發生后，合理的應急實施流程不僅能節省救援時間，還能降低突發事件導致的混亂與損失。因此，如何優化突發事件應急實施流程，進而減少災害損失是一個值得深入研究的科學問題。

在現有相關研究中，一些國內外學者采用Petri網方法對應急管理流程進行建模；Fateh等[1]采用Petri網評價鐵路站臺的應急流程；Sharmin和Zhi[2]利用Petri網方法對洪水的應急管理流程進行建模，并采用仿真的方式驗證模型的可行性；張岳峰等[3]采用廣義隨機Petri網的建模分析方法，分析應急管理工作流程的性能；馬鋒和邱菀華[4]構建了中國高空模擬試驗的應急管理工作流策略，運用Petri網對其建模及優化。

雖然Petri網在應急管理領域是不錯的建模方法，但其在提取客觀事物基本屬性、數據和結構關系時（即生成實施流程）缺乏相應的理論指導，使得生成的應急實施流程存在一定缺陷。換言之，Petri網需要與一種指導實施流程構建的科學方法相結合，才能更科學有效地解決流程優化問題。針對上述原因，本文在知識元和Petri網方法的基礎上，提出了一種新的突發事件應急實施流程優化方法，為突發事件的認知、實施流程構建以及優化提供方法論。

1活動基元模型及其有色Petri網實現

活動基元[7]是突發事件應對實施流程中不可再分、不變的最小活動單元。從知識元理論的角度，活動基元是一般知識元的實例，因而符合共性知識模型。一方面，共性知識模型可以有效地指導活動基元基本屬性及其關系的提取、活動基元重組構成應急流程等工作；另一方面，Petri網方法被廣泛應用于工作流程優化研究，研究發現存在從活動基元模型到Petri網的單映射，從而推斷Petri網可以完全實現基于活動基元模型輸出的實施流程。

11活動基元模型

111活動基元的共性知識模型

王延章[5]將客觀事物對象知識元Km表示為式（1）所示的三元組。其中，Nm為對應事物的概念和屬性的名稱，Am為它對應的屬性狀態集，Rm為Am×Am上的映射關系集，m∈M，M是知識、數據、信息、規則、數學混合模型集合。

Km=（Nm，Am，Rm），？m∈M（1）

活動基元屬于應急管理活動系統中的知識元，因此可以將其也表示為三元組形式，為了與一般知識元區分，可表示為：

Kn=（Nn，An，Rn），？n∈N（2）

其中，Kn表示活動基元，如救治遇險人員、人員疏散等，Nn表示基元的概念和屬性集，An為基元對應的屬性狀態集（定性或定量描述），Rn為An×An上的映射關系集，NM為混合模型集合M的活動相關子集合。

活動基元的概念和屬性集Nn可表示為[8]：

Nn=（Op，Ro，Ob，Tr，Mi，Go，Re，Ti，L，Ct，Cs，Cr，St，Ch，Mo）（3）

其中，Op為操作，Rb為角色，Ob為受體，Tr為觸發集，Mi為信息接收，Go為目標，Re為資源集，Ti為時間，L為地點，Ct為時間約束集，Cs為空間約束集，Cr為資源約束集，St為狀態集，Ch為變化集，Mo為信息發送。

活動基元的屬性狀態集An，對于a∈An，a可表示為[8]：

a=（屬性名稱，取值類型，取值范圍，實體化方式）（4）

112活動基元的路由關系

活動基元的路由采用BPMN[10]的規范，可歸納為7種基本關系：順序關系（如圖1（a）所示）、并行匯聚關系（如圖1（b）所示）、并行分支關系（如圖1（c）所示）、OR匯聚關系（如圖1（d）所示）、OR分支關系（如圖1（e）所示）、異或匯聚關系（如圖1（f）所示）以及異或分支關系（如圖1（g）所示）。圖1活動基元的執行順序關系

以上7種關系組合構成活動基元間的任意執行順序關系。對于r∈Rn，r表示為：

r=∪f（5）

其中f∈{順序關系，并行匯聚關系，并行分支關系，OR匯聚關系，OR分支關系，異或匯聚關系，異或分支關系}。

12活動基元模型的Petri網實現

有色Petri網（CPN）可定義為七元組[9]：

Σ=（P，T，F，C，I-，I+，M0）（6）

P和T分別為庫所（Place）和變遷（Transition）；F為流關系，F=P×T∪T×P；對于p∈P，C（p）是庫所p上所有可能的托肯（Token）的集合，對于t∈T，C（t）是變遷t上所有可能的托肯（Token）的集合；I-和I+分別是P×T上的負函數和正函數；M0是Σ的初始標識，對于p∈P，M0（p）∈C（p）。

著色Petri能夠實現任意活動基元模型的充分條件為：

命題1：對于任意kn∈Kn，存在σ∈Σ以及映射矩陣Q，使得kn=Qσ。

直接證明命題1比較困難。從（3）式可看出，Nn是一組15維向量，將（3）式代入（2）式，Kn可由一個17維向量空間表示：

Kn=（Op，Ro，Ob，Tr，Mi，Go，Re，Ti，L，Ct，Cs，Cr，St，Ch，Mo，An，Rn）（7）

因此，命題1可以轉化為等價命題。

命題2：對于任意kn∈Kn，kn=（a1，a2，…，a17），如果對于kn的任意一個分量ai（i=1，2，…，17）都存在映射向量Vi和σi∈Σ，使得αi=Viσi，那么著色Petri能夠實現任意活動基元模型。

命題2的證明：

式（7）中的分量，例如Op在應急管理中表示撤退、消毒等操作，映射為CPN中的變遷；又如Mi表示信息接收，在應急現場應急人員需要接收到指揮部的撤退指令后才可以執行撤退行動，Mi映射為CPN中的庫所、變遷和托肯。在CPN中，變遷能夠存儲和表達Op的全部信息；庫所、變遷和托肯組成Mi的等價CPN網絡。圖2列舉了活動基元空間的17個分量到有色Petri網七元組的映射關系。

至此，命題2已經得到證明。經過以上分析，本節得到一個結論：

結論：根據活動基元模型開發出的任意突發事件應對實施流程，都能夠被表示為有色Petri網中的模型，并且在映射過程中信息被無損傳遞。

2流程優化方法

在上一節結論的基礎上，本節給出結合活動基元模型和有色Petri網的突發事件應對實施流程的優化步驟。如圖4所示，首先，根據應急材料，提取相關知識元，構建流程片段庫；然后，針對應急處置和現場救援階段，重用流程片段生成實施流程，構建Petri網模型；最后，設置并評價優化指標，并循環優化流程，直至指標全部進入接受區間。圖4實施流程優化步驟

步驟1：活動基元及關系的抽取和存儲[6]?；顒又R抽取的主要來源，是相應類別突發事件的應急支撐材料，主要包括應急預案、應急法規和應急救援手冊。在抽取過程中，活動是核心，著重關注材料中的動詞和動賓詞語，同時建立活動樹，用以直觀表示活動之間的關系。抽取活動基元時，分析操作、受體、觸發集、信息接收、目標、資源集、時間、地點、時間約束集、空間約束集、資源約束集、活動狀態集、變化集和信息發送等屬性。

使用“操作+受體”惟一標識活動基元，并將抽取知識結構化存儲在基元數據庫的表中，數據表以活動基元屬性為字段。

步驟2：實施流程片段的構建與存儲。采用David等人提出的“自下而上”方式構建流程片段[11]，一個流程片段具有3個特點：（1）至少包括一個活動基元；（2）內部的活動基元目標相同；（3）可以有多個入口和出口。

開發并借助應用程序，查詢出相同目標的活動基元，然后將具有觸發關系的活動基元連接，利用活動基元的時間觸發建立時間與活動基元之間的關系。為提高片段查找匹配效率，在片段存儲過程中，為每個片段添加領域、目標功能、角色等附加信息。最后，采用BPEL描述片段，并將得到的XML結構存儲至流程片段庫中。

步驟3：基于情景生成流程。突發事件具有情景依賴性，面對具體事件，首先要獲取情景信息，包括事件自身信息和環境信息等。然后依據情景信息，在流程片段庫中查詢相匹配的流程片段集，以匹配片段集的出口和入口為條件查詢關聯片段，將關聯片段合并入匹配流程片段集，依此循環，直至匹配片段集的出口都是結束為止。至此，得到了完整的應對實施流程。

步驟4：構建Petri網模型。將步驟3中輸出的實施流程，按照圖2所示映射，轉化為隨機有色Petri網圖表，即把整體流程中包含的活動基元和關系表達為庫所、變遷、箭頭組成的有機整體，Petri網中的令牌裝載屬性的狀態信息在網絡中傳遞。

步驟5：判斷實施流程是否需要進一步優化。利用經驗數據對Petri網模型的變遷賦予速率值，計算步驟4輸出的隨機Petri網模型的同構馬爾可夫鏈。設置優化指標（本文示例采用的指標為平均執行時間、變遷利用率和不同實施主體的相關子流程耗時），計算流程的優化指標，若指標值均位于接受區間內，優化過程結束，步驟3中的實施流程為可接受的優化流程；否則，返回步驟3重構實施流程，并重復步驟3～5，直至所有優化指標值可接受。

3示例

以化學危險品事故為例，具體解釋第2節提出的實施流程優化方法的使用過程。步驟1～3的任務是用系統科學的思想（知識元理論）認知和識別應對實施活動及其關系，進而構建可重用的實施流程片段組件，最終基于組件構造整體的實施流程，參考文獻[6]對這3個步驟進行了詳細地介紹，在此不作贅述。圖5為步驟3輸出的部分應對實施流程。圖5化學危險品事故的部分應對實施流程（資料來源：參考文獻[6]）

本節主要示范步驟4和步驟5。首先，根據步驟3的輸出構建有色Petri網模型，并計算同構的馬爾可夫隨機鏈、可達標識以及激發矩陣。然后，基于平均執行時間、變遷利用率和不同實施主體的相關子流程耗時三重指標對流程進行優化。

31廣義隨機有色Petri網模型的構建

32流程優化

321時間性能分析

根據Little公式和平衡原理，計算非零常返的馬爾可夫鏈，子系統的流入流出速率應該平衡。Little公式為N=λT，可以計算出上述實施流程模型的平均執行時間，其中N為穩態時Petri網系統中某個子系統的平均標記數，λ為單位時間進入某子系統的標記數，T是該子系統的平均執行時間。

取Petri網模型的一個子系統，由于T1和T9的效率不影響流程優化，不妨將P1、T1和T9從子系統中去除。則可以計算出穩態時子系統的平均標記數：

N=∑11i=2P（m（Pi）=1）=0095+0048+0048+0143+0190+0048+0190+0048+0048=0858

單位時間進入子系統中的標記數為：

=R（T2，P3）+R（T2，P6）+R（T2，P9）=0048+0048+0048=0144

其中R（T2，P3），R（T2，P6），R（T2，P9）分別指由變遷T2分別流入庫所P3、P6和P9的標記數，它們的實際意義是指醫院、消防、環保部門子流程完成時間的倒數。因此子系統的平均延時時間為T=N/λ=596（單位時間）。時間T反映了整個應對實施流程系統的組織結構效率，我們可以通過比較T的大小，從多個備選實施流程方案中選擇較優流程。

322變遷利用率分析

u（Ti）表示變遷Ti的利用率，變遷利用率等于使指定變遷可執行的所有標記的穩態概率之和，所以T1～T8的變遷利用率分別為：

Petri網模型中的變遷實際上是實施流程中的一個流程片段或者一組流程片段的組合。利用率的高低對實施流程的設計有一定的指導意義，對于利用率高的變遷，決策者和執行者應予以重點考慮和監督，它們對整個流程的效率有著更大影響權重，比如本例中的變遷T2和T4分別對應著醫療組的醫療救治和消防部門的現場處置流程，都是對整體實施流程影響較大的活動，應重點優化和實施；而對于利用率較低的變遷，依據具體情況判斷其是否有獨立存在的必要，可以考慮將其與其它活動合并。

323不同實施主體的相關子流程耗時分析

應對實施流程涉及醫療、消防、環保等多個部門間的協作，實施耗時可以通過穩定狀態下處于忙狀態的概率反映，Pi中有標記表示Pi環節處于忙狀態。令A1表示醫療組的相關流程，則A1={P3，P4，P5}；消防組的相關流程A2={P6，P7，P8}；環境監測組的相關流程A3={P9，P10}。

P（A1）=P（m（P3））+P（m（P4））+P（m（P5））=0048+0190+0048=0286

P（A2）=P（m（P6））+P（m（P7））+P（m（P8））=0048+0190+0048=0286

P（A3）=P（m（P9））+P（m（P10））=0143+0048=0191

上述結果反映出有關部門相關子流程耗時占整體流程總耗時的比重。（A1）=P（A2）>P（A3），說明醫療組和消防組的任務耗時大于環境監測組，所以為了縮短整體流程的平均執行時間，應優先優化多個并行子流程中耗時較高的子流程，從而更顯著地接近優化目標。

4結束語

科學合理的應急實施流程是有效應對突發事件的重要保證之一。目前，許多學者采用Petri網方法對應急管理流程進行建模。然而，Petri網方法在提取客觀事物基本屬性、數據以及結構關系時（即生成實施流程）缺乏相應的理論指導，使其生成的應急實施流程存在一定缺陷。為了彌補這種缺陷，本文將知識元理論和Petri網方法結合起來，提出了一種突發事件應急實施流程的優化方法。該方法對于決策者認識突發事件、建立及優化應急實施流程具有一定的指導意義。

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（本文責任編輯：郭沫含）